Estado del arte en el diseño de mallas a tierra de subestaciones
Por: Ingeniero Jaime Alberto Blandón
Resumen
El objetivo del presente artículo es mostrar brevemente el desarrollo de técnicas modernas para el diseño de mallas de tierra en subestaciones. Se hará un análisis crítico de las limitaciones y problemas de las metodologías y se presentarán algunas recomendaciones sobre el enfoque de los diseños
Introducción
El objetivo principal de las mallas de tierra en subestaciones es el de garantizar protección al personal durante fallas eléctricas, aunque también sirven como medio de disipación de corrientes dentro de la tierra de tal forma que no excedan los límites operativos de los equipos.
Existen demasiados parámetros que afectan las tensiones alrededor del área de la subestación, los cuales son dependientes del sitio de instalación, por lo cual es imposible diseñar una malla que pueda ser aceptada en cualquier lugar, dado que tanto la magnitud de la corriente a disipar, la duración de la falla, la resistividad del terreno, el material superficial, así como el tamaño y forma de la malla tienen gran influencia sobre las tensiones que aparecen.
Los principales pasos a desarrollar dentro de un diseño de mallas de tierra son:
1. Obtener y procesar medidas de campo.
2. Obtener las tensiones de paso y toque soportadas por las personas.
3. Hacer un diseño preliminar (obtener valores aproximados de resistencia).
4. Calcular la máxima corriente que debe disipar la malla.
5. Dimensionar el conductor, calibre
6. Calcular los potenciales de paso y de toque
7. Modificar el diseño preliminar
8. Corroborar el diseño final (retornar al paso 4).
Los principales problemas en el diseño de mallas de tierra están asociados con los pasos 1, 4 y 6 y serán el objeto fundamental del presente artículo.
1. Antecedentes históricos
La historia de la norma IEEE-80 “Guide for safety in A.C. substation grounding” ha sido bastante tortuosa e interesante y revela claramente la dificultad de manejo que presenta este tema incluso entre los entendidos.
El artículo que tuvo mayor incidencia sobre la primera versión de la norma (1961) fue escrito por Walter Kock y fue la base del término más confuso y discutido de la norma, el factor Ki, (factor de irregularidad) el cual trata de considerar que las corrientes en la malla no se reparten proporcionalmente sino que tienen la tendencia de presentar mayores densidades de corriente en las esquinas. La fórmula teórica para los suelos de resistividad uniforme establece que la tensión de malla (máxima tensión de toque en una cuadrícula) está dada por:
Emalla = Kmρ I / L
Donde Km es una constante función de la profundidad, diámetro y espaciamiento de la malla. Como las medidas en laboratorio discrepan de la teoría el factor Ki se estimó como “ajuste” dando:
Ki = 0.65 + 0.172 n
n Número de conductores en paralelo en una dirección, igual corrección se aplicó a la tensión de paso máximo.
Epaso = Ksρ I/L
Donde Ks es una constante función de la profundidad, diámetro y espaciamiento, produciendo finalmente:
Emalla = KiKmρ I /L
Epaso = KiKsρ I/ L
Los problemas con Ki, Ks y Km surgieron inmediatamente, porque no se dispuso de suficientes datos sobre las condiciones en las que Kock había trabajado sino porque la aplicación de las fórmulas frecuentemente llevaba a imposibilidades físicas o a contradicciones de diseño.
Otro problema que surgió inmediatamente fue el valor de la corriente que deberá disipar la malla. Los valores usados por las compañías variaban en forma más o menos arbitraria entre el 30 y el 100% de la corriente de falla encontrada usando técnicas convencionales de cortocircuito. Debido a que la cantidad de conductor requerido es proporcional a la corriente, el costo y la seguridad varían mucho, por lo que se tornó prioritario hacer un cálculo más correcto.
Otro problema que se le encontró a la norma fue que no consideraba la influencia de las varillas.
El restante elemento en la ecuación para determinar los potenciales es la resistividad. La guía estaba basada en suelos uniformes y en ella se daba muy poca información sobre a cual profundidad deberá ser medida y como procesar dichas medidas. Esto significaba dejar la determinación de la corriente y la resistividad a juicio del ingeniero lo cual usualmente llevaba a diseños exageradamente conservativos.
En los años 70 aparecieron innumerables artículos en la literatura cuestionando los conocimientos, teorías y técnicas desarrolladas en la norma y se puso de moda mostrar contraejemplos e inconsistencias físicas en la aplicación de las mismas. La norma fue revisada en 1974 pero no se le hicieron modificaciones importantes y la guía de 1976 quedó prácticamente igual.
La IEEE creó entonces un grupo de trabajo en 1978 con la intención de clarificar los misterios que se podían resumir así:
1. Confusiones acerca de Ki, Ks y Km.
2. Establecer límites de aplicación de las ecuacione
3. Establecer metodologías para el cálculo de la corriente que debe disipar la malla.
4. Considerar la influencia de las varillas en el comportamiento de la malla.
5. Ampliar la aplicación a suelos no uniformes.
6. Revisar la influencia de la capa de cascajo en las tensiones tolerables por el hombre.
7. Examinar el posible uso de otros materiales distintos al cobre en la malla.
8. Tratar de sistematizar los análisis de mallas de tierra
El grupo procedió a repetir los experimentos de Kock pero por limitaciones económicas, a principios de los 80 debió incluir activamente la participación del EPRI quienes en compañía de la Universidad de Ohio construyeron modelos a escala para terrenos de dos capas y propusieron una metodología de cálculo.
Otro grupo trabajó sobre las medidas de resistencia usando métodos de tres y cuatro pines. La universidad Georgia Tech produjo una serie de programas de computador para determinar la división de las corrientes de falla, procesar las medidas de resistividad y diseñar la malla. La última revisión de la malla en 1986 no alcanzó a incluir gran parte de los resultados de estos estudios por limitaciones de tiempo, sin embargo se espera que esta valiosa información esté en nuevas ediciones de la norma.
El trabajo sin embargo no se ha determinado y en especial se está investigando todavía sobre los efectos de las corrientes en el cuerpo, el entendimiento de las diversas capas del suelo, el desarrollo de programas de cómputo cada vez más precisos y con menos limitaciones e inclusive sobre consideraciones estadísticas de probabilidades que sin duda impactarán futuras ediciones de la norma.
2. Conceptos principales
Tensión de paso (Ep): Diferencia de tensiones en la superficie aplicada sobre una persona que presenta una distancia entre pies de un metro sin estar en contacto con ningún objeto conectado a la malla.
Tensión de toque (Et): Diferencia de tensión entre la malla de tierra (GPR) y el potencial de la superficie donde la persona está parada mientras simultáneamente tiene una mano en contacto con una estructura conectada a la malla.
Tensión de malla (Em): Es la máxima tensión de toque encontrada dentro de las cuadrículas de malla de tierra. (normalmente en la mitad de una cuadrícula).
Tensión transferida (Ettrd): Es un caso especial de tensión de toque donde la tensión es transferida fuera de la subestación. La figura 1 ilustra estos conceptos.
3. Medidas de resistividad
Uno de los parámetros más importantes en el diseño de una malla de tierra es la resistividad. El método simplificado de la norma IEEE 80 supone una resistividad uniforme en el terreno. Esta suposición tiene varios problemas: en primer lugar es escaso encontrar terrenos con resistividad uniforme y aunque normalmente la resistividad no varía mucho (para una profundidad dada a lo largo y ancho de la subestación, se ha encontrado que lo hace sustancialmente con la profundidad). En segundo lugar la norma se ha cuidado de no recomendar una profundidad a la cual deban hacerse las medidas, con lo cual, aún bajo la suposición de resistividad uniforme, dos ingenieros distintos llegarían a valores de resistividad muy diferentes para usar en los estudios. Con el uso del método simplificado de la norma se ha hecho costumbre medir la resistividad a dos metros de profundidad, práctica muy cuestionable cuando se trata de subestaciones grandes en las que la corriente a disipar alcanzará profundidades del orden de sus dimensiones por lo que la resistividad a escasos dos metros resulta no ser significativa.
En 1983 se publicó la última revisión de la norma IEEE-81 “Guide for measuring earth resistivity, ground impedance and earth surface potencial of a ground system” en la que se hace un especial énfasis en las medidas de resistividad para el uso del modelo de las dos capas.
Existen en la práctica varios métodos para medir la resistividad de un terreno:
1. Pocas medidas: Cuando se dispone de pocas mediciones para pocas profundidades (caso subestaciones muy pequeñas, líneas de transmisión, etc.) se recomienda el uso del método de Tagg (5) el cual no tiene procedimientos estadísticos y permite al diseñador escoger por si mismo los valores más razonables para ρ1 y ρ2 y h. (figuras 2a y 2b).
Método del error cuadrático:
Múltiples mediciones: Para subestaciones grandes, en las que el área de la subestación es apreciable se recomienda hacer múltiples mediciones para varias profundidades. La secuencia de profundidades más recomendable es de 2, 4, 6, 16, 32 y 64m, y para cada profundidad se recomienda un número de mediciones entre 4 y 10. Si el número de mediciones para cada profundidad es menor que 4 se usa el promedio como resultante para cada profundidad, si se tienen más de 4 medidas por cada profundidad se recomienda hacer un tratamiento más exhaustivo normalizando las mediciones a través de una transformación de Box-Cox(2) y adoptando el criterio de obtener la resistividad del 70% de probabilidad de no ser excedida. Los resultados serán, obviamente, más confiables mientras se disponga de más mediciones.
La figura 3 ilustra esta recomendación en una subestación grande, usando el método de los 4 puntos de Wenner.
Cuando se mide a profundidades grandes (más de 32m) el método de wenner no es ya confiable y se recomienda usar el método de Schlumberger-Palmer (2), (3).
Una vez obtenidas las medidas de campo para cada separación y luego de procesarlas estadísticamente para obtener una equivalente a cada profundidad, se tratan de ajustar entre las diversas separaciones a la ecuación teórica que producirá un método de dos capas
Donde:
Esta aproximación se puede hacer de tres formas:
• Minimizando el error cuadrático medio entre las resistividades aparentes.
• Minimizando el valor absoluto de la diferencia entre las resistividades aparentes.
• Hacer un ajuste gráfico superponiendo la curva de resistividad aparente a las curvas teóricas.
Los procesos de minimización cuadrática presentan normalmente el mejor resultado y dada la no-linealidad de las ecuaciones, exigen un proceso iterativo del tipo método de gradientes para acercarse a la solución (2), (3).
Estos métodos sin embargo presentan una alta tendencia a la inestabilidad numérica debida a la no-linealidad de las ecuaciones. La solución a este inconveniente puede lograrse a través del uso de la aproximación Hessiana o de métodos de aproximación sucesiva por diferencias (2).
4. Corriente a disipar por la malla
Otro de los problemas asociados con el diseño de las mallas de tierra es la determinación de las corrientes que debe disipar la malla (figura 4). Existen varios puntos a tener en cuenta:
1. Tipo de falla: No puede establecerse radicalmente cual es el tipo de falla que causa un mayor flujo de corriente hacia tierra. Aunque normalmente se cree que es la falla monofásica, es muy frecuente que sea la falla bifásica a tierra, especialmente en sitios cercanos a transformadores con devanado compensador.
2. Ubicación de la falla: Se deben explorar fallas dentro y fuera de la subestación, las fallas dentro de la subestación tienden generalmente a ser más
peligrosas cuando se tienen autotransformadores en la subestación.
Las fallas fuera de la subestación tienden a ser más peligrosas cuando el circuito es radial (la subestación actúa como fuente).
3. Niveles de tensión: Se deben explorar las fallas en distintos niveles de tensión. La tendencia normal es que los niveles de cortocircuito aumenten al disminuir el nivel de tensión.
4. Resistencia de falla y de la malla: Normalmente las resistencias de falla y de la malla se desprecian, sin embargo durante fallas en baja tensión (menos de 13,2 KV) el despreciar la resistencia de la malla con el convencimiento de hacer cálculos conservativos, es erróneo, ya que en la gran mayoría de los casos la influencia de dicha resistencia es determinante de la corriente que debe disipar la malla y despreciarla conduce a cálculos excesivamente conservativos. Debe observarse que en un diseño de mallas de tierra con estas consideraciones el proceso se torne iterativo (se estima una resistencia preliminar para la malla, se calcula la corriente a disipar, se diseña la malla, se calcula el nuevo valor de resistencia, se corrige la corriente de diseño y se recalcula la malla). La consideración de la resistencia de falla es más difícil de adoptar debido a que normalmente es muy difícil saberla, no obstante se puede tomar en casos de líneas de distribución un valor inferior al menor valor de puesta a tierra en los postes (en caso de que la línea no tenga neutro).
5. Influencia de los cables de guarda: Una de las principales consideraciones en el diseño de la malla es establecer la proporción de corriente a tierra que se deriva de los cables de guarda hacia las puestas a tierra de las torres de las líneas de transmisión que llegan a las subestación o de mallas de tierra interconectadas con la malla a diseñar.
La proporción de la corriente que se deriva por los cables de guarda es función de la impedancia de los cables de guarda, de la resistencia de puesta a tierra de las torres, del vano medio entre las torres, de la distancia cable de guarda-conductor de fase, de la presencia o no de otros cables de guarda y de la resistencia de puesta a tierra de la subestación.
En la práctica el acople inductivo entre el conductor de la fase que porta la corriente de falla y el cable de guarda cercano y paralelo al mismo, puede ser tal que disminuya apreciablemente la corriente que porta el cable de guarda.
El cálculo exacto de la corriente que portan los cables de guarda durante la falla es complicado y tedioso: frecuentemente se usa el programa EMTP (Electromagnetic transient program) con sus modelos CASCADE-PI con los cuales se pueden modelar los efectos anotados. Existen también programas de computador (4) que permiten estos cálculos, los cuales se basan en métodos tales como el de doble lado para
obtener esta división.
Teniendo en cuenta que no todos los usuarios de la norma tienen acceso a programas digitales para este cálculo, se propone una metodología aproximada que permita estimar la magnitud de dicha corriente, considerada una impedancia equivalente “vista” desde la malla de tierra de la subestación.
Donde:
Zcg Impedancia equivalente del cable de guarda.
Zgi Impedancia propia del cable de guarda (o neutro) por vano de línea.
Ri Impedancia de puesta a tierra de una torre.
Esta impedancia (resistiva) estará en paralelo con la resistencia de malla de tierra y a la proporción de corriente se le denomina factor de reducción, Sf.
Ze Impedancia equivalente (paralelo de la impedancia de los cables de guarda), vista desde la subestación.
Rm Resistencia de la malla de tierra.
La corriente a disipar por la malla sería Ig = Sf * It, donde It es la corriente total a tierra.
Adicionalmente existen algunos métodos gráficos que permiten estimar con buena aproximación los factores de reducción (1).
La norma sin embargo advierte que este método es inseguro en sistemas complejos
5. El método de las dos capas
Una representación más correcta del suelo se logra suponiendo que se divide en dos capas, la primera de las cuales tiene una profundidad h y la segunda una profundidad infinita. Debe anotarse que aunque muchos terrenos pueden asimilarse a esta disposición, existen terrenos que presentan evidentemente más capas, por lo que debe ser el juicio del ingeniero el que permita ajustar lo mejor posible las características del suelo a dos capas.
El método de las dos capas fue discutido desde hace muchos años aunque su adopción para cálculos solo fue posible con el advenimiento de los computadores. Existe innumerable bibliografía sobre este método (5) y por este motivo consideramos apropiado hacer solo una breve descripción del mismo.
La figura 5 ilustra la composición del suelo en dos capas y la formulación diferencial del potencial producido por un trozo de conductor sobre un punto cualquiera del espacio. De acuerdo con la teoría electromagnética el cambio de resistividad en un medio a otro, actúa como espejo para la carga puntual, produciendo reflexiones de dicha carga a distancias proporcionales a la distancia inicial, este efecto es el que produce la sumatoria de la expresión y los efectos de las reflexiones sobre el potencial del punto pueden apreciarse en la figura.
La figura 5 ilustra la composición del suelo en dos capas y la formulación diferencial del potencial producido por un trozo de conductor sobre un punto cualquiera del espacio. De acuerdo con la teoría electromagnética el cambio de resistividad en un medio a otro, actúa como espejo para la carga puntual, produciendo reflexiones de dicha carga a distancias proporcionales a la distancia inicial, este efecto es el que produce la sumatoria de la expresión y los efectos de las reflexiones sobre el potencial del punto pueden apreciarse en la figura.
Existen dos versiones fundamentales para el cálculo de dichos potenciales, el método diferencial, el cual divide la malla en pequeños trozos de conductor calculando el potencial producido en un punto por cada uno de ellos y sumando posteriormente todos los aportes, y el método integral, el cual evalúa el efecto de cada conductor de la malla integrando los diferenciales de longitud a lo largo de cada conductor. Este último método es más rápido debido a que la integral se puede hacer de forma explicita, pero se tienen mayores problemas numéricos debido a que tiene una expresión logarítmica.
Usualmente mientras más profunda sea la primera capa menor número de reflexiones deben ser consideradas (en la práctica una o dos reflexiones son suficientes para la mayoría de los casos).
6. Potenciales transferidos
Uno de los principales problemas en el diseño de mallas de tierra son los potenciales transferidos. Este fenómeno ocurre cuando un objeto metálico conectado a la malla de la subestación sale de esta. En estos casos, cuando ocurra una falla que involucre tierra, este objeto alcanzará un potencial respecto a tierra remota igual al GPR de la malla, el cual usualmente alcanza órdenes de kilovoltios.
Una persona tocando este objeto fuera de la subestación está sujeta a potenciales de toque mucho mayores que una persona localizada dentro de la subestación. Los principales productores de potenciales transferidos son las mallas de cerramiento de la subestación (cuando la malla de cerramiento está ubicada a cierta distancia de la malla de tierra, es decir, cuando no está incluida en el área de la malla de la subestación), las tuberías metálicas
(normalmente de agua) o los neutros de los transformadores de alimentaciones remotas (cuando de la subestación se alimentan cargas del edificio de mando o se alimentan cargas remotas).
La figura 6 ilustra algunos casos típicos de potenciales transferidos.
Cuando la malla de cerramiento es productora de potenciales transferidos se recomienda aislarla de la malla de tierra de la subestación y conectarla a otro colector de tierra ubicado a suficiente distancia de la malla de tierra de la subestación que garantice una resistencia mutua despreciable.
En el caso de tuberías metálicas puede pensarse en adicionar tramos de PVC que la aíslen del potencial de la malla de la subestación.
Cuando de la subestación salen conductores de neutro (aterrizados en la subestación) se recomienda aislarlos si el GPR no es muy grande, o ubicar un transformador de aislamiento a la salida de la subestación y hacer una tierra independiente, o sencillamente prescindir del neutro. Por ningún motivo en estos casos se pueden conectar cables en los puntos de salida (subestación) y llegada (carga) ya que la pantalla no está diseñada para portar las corrientes que producen la equipotencialidad entre las dos tierras.
Al conectar la pantalla a tierra en un único punto, durante las fallas aparecerá una tensión igual al GPR entre la pantalla y tierra por lo que la pantalla deberá aislarse para esa tensión.
7. Conclusiones
1. El tema de las mallas de tierra es aún hoy en día uno de los más dinámicos y polémicos de la ingeniería eléctrica.
2. Los principales problemas que subsisten en el diseño de mallas de tierra son: la caracterización del terreno, la determinación de las corrientes que debe disipar la malla, y el cálculo de los potenciales de paso, toque y transferidos.
3. El método simplificado de la norma produce resultados seguros (aunque muy conservativos) cuando se respetan sus limitaciones de aplicabilidad.
4. Cuando la malla de tierra no presenta las características requeridas para la utilización del método simplificado, o cuando se desea hacer un diseño
optimizado se recomienda el uso del modelo de las dos capas.
5. Incluso el método de las dos capas presenta limitaciones importantes cuando el terreno no puede caracterizarse perfectamente como de dos capas, por lo que un adecuado criterio de ingeniería debe aplicarse para ajustarlo.
6. Todavía quedan muchas cuestiones por resolver en la norma IEEE 80 relacionadas con la soportabilidad de corriente del hombre, la caracterización de terrenos por más de dos capas, las limitaciones del método de las dos capas, otras consideraciones sobre la resistividad
de la capa de cascajo en tiempo húmedo, consideraciones probabilísticas sobre la resistividad, la probabilidad de ocurrencia de las peores fallas y su simultaneidad con la presencia de personal en la subestación, la aparición de la tensión de toque máxima en ese momento, el bajo peso de la persona afectada, y la no operación oportuna de las protecciones, consideraciones que probablemente llevarían a un diseño más óptimo.
Bibliografía
1. IEEE Tutorial Course. “Practical Applications of ANSI IEEE. Standard 80-1986, IEEE Guide for safety” 86 EHO253-5 PWR.
2. Blandon Jaime, “Procesamiento de medidas de resistividad”, IEB Ltda. 1989.
3. ANSI / IEEE Std 18-1983, “IEEE guide for measuring” earth resistivity, ground impedance, and earth surface potential of ground system” (Revision of IEEE std 81-1962).
4. Dawalibi, Mukhedkar, Farid, “Optimum design of substation grounding in two layer earth structure”. Part I, II, III. IEEE TPAS-march-april 1975.
5. Tagg “Earth resistances”. London. 1964.
Jaime A. Blandón: Obtuvo el título de ingeniero electricista en la Universidad Pontificia Bolivariana de Medellín, en el año de 1981. Estuvo vinculado a la firma de consultores MEJIA VILLEGAS S.A. entre 1980 y 1989, ocupando el cargo de ingeniero de diseño. Actualmente es gerente de la firma consultora IEB Ltda.. (Ingeniería Especializada Blandón y Cía. Ltda..). Ha sido profesor de la Universidad Pontificia Bolivariana en el área de análisis
de sistemas de potencia y alta tensión desde 1980, y profesor de la Universidad de Antioquia en el área de sistemas de potencia. Es además miembro activo del CIGRE.
