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RESUMEN DEL TRABAJO:
Resumen
A pesar de que la puesta a tierra constituye una parte intrnseca
del sistema elctrico, permanece en general cumo un tema mal
comprendido.
Muestra de esto, en muchas empresas distribuidoras de energa se
tiene estandarizado como sistema de puesta a tierra, insertar como
electrodo una varilla cooperweld de 1.8 m de longitud y 5/8 de
dimetro. Las mediciones realizadas muestran que ms del 75% no
cumplen las normas tcnicas, las cuales indican que el valor de
resistencia de puesta a tierra debe ser menor a 25 ( para redes de
distribucin.
El tener un valor alto de resistencia de
puesta a tierra trae efectos significativos a la red de
distribucin como es la quema de transformadores, la muerte de
animales por elevados gradientes de potencial y acarreando como
consecuencia la prdida de miles de dlares anuales para las empresas
elctricas.
El mejorar la resistencia de puesta a tierra requiere un anlisis
de ciertos parmetros como resistividad del suelo, nmero y forma de
elctrodos, conexiones, etc. Realizando una justificacin
tcnica-econmica de cualquier plan para la solucin del problema.
INTRODUCCION:
Gran parte de los sistemas elctricos necesitan ser aterrizados
para condiciones normales de operacin y seguridad, esto acompaado
al hurto del conductor neutro; hace que el sistema de puesta a
tierra sea esencial en el sistema de distribucin.
Actualmente se tiene como norma instalar una varilla de 5/8 y 6
en los centros de transformacin y final de circuitos, asumiendo que
con este procedimiento se cumple valores establecidos por la norma
( menor a 25 ( ); sin embargo estudios anteriores 1 y evaluaciones
recientes2 realizadas por nuestra empresa demuestran que solo el 10
% de las mediciones se encuentran dentro del lmite establecido por
la norma. Aclarando que las mediciones se realizaron en poca de
verano que es la condicin ms desfavorable en la zona que cubre
nuestra rea de concesin.
El efecto de registrar valores altos de resistencia de puesta a
tierra son la quema de transformadores de distribucin,
representando un gasto de $ 63 mil dlares en promedio
anualmente.
El presente trabajo cita ciertas recomendaciones tcnicas para
mejorar el valor de la resistencia de puesta a tierra y disminuir
el gasto por la quema de transformadores, realizando un anlisis
tcnico-econmico de las alternativas sugeridas.
1. SISTEMA DE PUESTA A TIERRA.
Un sistema de puesta a tierra est constituido por varios
elementos fsicos y su evaluacin se lo realiza a travs de ciertos
parmetros elctricos que garanticen seguridad y confiabilidad del
sistema elctrico en condiciones de falla y de operacin normal.
Elementos fsicos son electrodos, conductores, uniones o
conectores; parmetros de evaluacin elctrico son resistividad del
suelo, resistencia de puesta a tierra del electrodo, gradientes de
potencial elctrico (GPR).
1.1 ELEMENTOS FSICOS
Cada elemento debe cumplir con especificaciones tcnicas
recomendadas por las normas nacionales e internacionales.
1.1.1 Conductor
El conductor que una el electrodo de puesta a tierra con el
circuito o elemento debe ser de cobre N 1/0 para mejor conduccin y
disipacin de corrientes de falla.
1.1.2 UNIONES
Las conexiones deben ser seguras, de preferencia se debera
utilizar conectores a compresin o sueldas exotrmicas pero estas
ltimas requieren de gran inversin para los sistemas de puesta a
tierra de distribucin.1.1.3 ELECTRODO
Normas internacionales como la UL467 certifican como electrodo
de puesta a tierra a varillas de 8 (2.4m) de longitud, 5/8 de
dimetro y 10 milsimas de pulgada de recubrimiento de cobre, etc.
Lamentablemente en ocasiones no se revisa estos aspectos tcnicos en
las varillas en el momento de adquisicin dando como resultado la
corrosin y deterioro de ellas en muy corto tiempo, resultando que
en estas ocasiones el mejoramiento de puesta a tierra si resulta un
gasto ms no una inversin.
La longitud de la varilla si incide en el valor de la
resistencia de puesta a tierra3, esto se observa en la ecuacin (1),
considerando una resistividad del suelo constante se tiene la
variacin de la resistencia de puesta a tierra en funcin de la
longitud de la varilla, esto se indica en la figura 1
Figura 1
El utilizar varillas de 2.4 m y 3 m reduce significativamente el
valor de la resistencia de puesta a tierra.
Tabla 1
Con la varilla utilizada actualmente para el sistema de puesta a
tierra ( 5/8 x 6) y si deseamos cumplir con la norma (menor a 25 (
) la resistividad del suelo debera ser menor a 46 ( m lo que en el
mayor de los casos no se lo consigue de forma natural (sin
tratamiento del suelo). Esto se determina desarrollando la ecuacin
(1) y se muestra en la siguiente figura.
Figura 2
1.2 PARAMETROS ELECTRICOS
1.2.1 Resistividad del Suelo
Es uno de los factores ms incidentes en el valor de la
resistencia de puesta a tierra, y depende de parmetros como
humedad, granulometra, compactacin, temperatura, contenido de sales
y minerales, etc. La evaluacin de las condiciones conductivas del
suelo se lo hace a travs de la resistividad.
Es de vital importancia que la resistividad sea evaluada y
medida de la forma ms precisa posible para evitar errores en su
interpretacin. Existen varios mtodos para evaluar la resistividad
del terreno4 , para el presente estudio se tomo los mtodos de
Wenner y de Sundes (modelacin de suelo para 2 capas).
Mtodo de Wenner
Determina la resistividad aparente, asumiendo que el suelo es
uniforme dentro de un hemisferio de una profundidad aproximada de a
metros en el rea que se va ha realizar la puesta a tierra.
La resistividad aparente viene dado por la expresin:
Cuando la distancia entre electrodos a es mucho mayor que la
profundidad de los electrodos b la expresin (2) se resume en:
( = 2*(*a*R (3)
La disposicin de los electrodos en el mtodo de Wenner se indica
en la figura 3
Figura 3
Graficando los valores obtenidos de la resistividad aparente Vs.
el espaciamiento a se obtiene la informacin de la estructura del
suelo, se identifican lecturas incorrectas y se determina el nmero
de medidas y la distancia adecuada que son requeridas.
Lecturas:
Tabla 2
Figura 4
Tabla 3
Figura 5
En las figuras 4 y 5 se observa como vara la resistividad del
suelo en funcin de la distancia de separacin de los electrodos de
prueba, sin embargo es necesario tener un criterio adecuado para la
determinacin de la resistividad aparente.
La resistividad aparente para los valores de la tabla 2 es
incierto en el mtodo de Wenner, por lo que se recomienda utilizar
otro mtodo como el de Schlumberger 5 o el de Sundes 4 (modelacin de
suelo con 2 capas); la resistividad aparente para los datos de la
tabla 3 es de 418 ( m con la curva obtenida en la figura 5 se
aprecia que el suelo tiene un comportamiento uniforme hasta una
profundidad de 8 m aproximadamente, siendo vlido en este caso el
determinar la resistividad del suelo por el mtodo de Wenner.
Mtodo para Suelos Estratificados.
En casos como los datos obtenidos en la tabla 2, es necesario el
considerar un suelo multicapa, y determinar la resistividad del
suelo por los mtodos mencionados anteriormente.
Empleando el mtodo de Sundes se detemina que la resistividad
aparente es de 550 ( m aproximadamente.
Con las resistividades evaluadas anteriormente se midieron las
resistencias de puesta a tierra dando valores de 195 ( y 260 (
respectivamente, valores que no estn dentro de lo establecido por
la norma.
1.2.2 RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA
La medicin de los valores de puesta a tierra se lo realiz con
los instrumentos adecuados, con el procedimiento sugerido por la
norma IEEE 4 y por el mtodo de interseccin de curvas 6
Del espacio muestral medidos se tiene que 10% se encuentran
dentro del valor aceptado por la norma.
Figura 6
El registrar que el 90% de las mediciones no se encuentran
dentro de la norma, era un resultado que se esperaba, debido a lo
expuesto en las figuras y tablas anteriores, la longitud de la
varilla y el tener una estacin seca (verano) con resistividades
altas dan como consecuencia valores altos de resistencia a
tierra.
2. EFECTOS Y CONSECUENCIAS DE TENER VALORES ALTOS DE RESISTENCIA
DE PUESTA A TIERRA
Los efectos de tener elevados valores de resistencia de puesta a
tierra son la quema de transformadores de distribucin; un anlisis
de las ordenes de trabajo (OT) desde el ao 2001 muestra el nmero y
los costos de transformadores quemados.
Figura 7
No todos los transformadores quemados se deben a un deficiente
sistema de puesta a tierra, pero los meses (figura 8) y capacidades
(figura 9) de los que se queman ayudan a determinar que la causa
principal es un deficiente sistema de puesta a tierra.
Figura 8
Figura 9
De las figuras 8 y 9 se concluye que el mayor nmero de
transformadores se queman en poca de invierno en los meses de marzo
abril en donde se producen mayor nmero de descargas atmosfricas las
cuales no son disipadas de manera rpida y eficiente, produciendo
grandes gradientes de potencial elctrico dando como efecto la quema
de transformadores de distribucin. Las capacidades de 3 kVA y 5 kVA
generalmente se encuentran instalados en zonas urbano-marginales y
rurales, lugares en los que se producen gran cantidad de hurtos de
conductor de cobre y aluminio quedando desprotegidos los
transformadores y redes de distribucin ante descargas atmosfricas y
cortocircuitos.
3. MEJORAMIENTO DE LA RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA
En la figura 7 se observa que el nmero de transformadores
quemados ha disminuido en relacin a los aos anteriores, esto se
debe a que desde el ao 2004 el departamento de mantenimiento opto
por proteger a las bajantes de conductor de cobre para la puesta a
tierra de los transformadores de distribucin con tubos metlicos,
evitando el hurto de conductor y protegiendo al transformador.
El objetivo planteado a corto plazo es de disminuir el nmero de
transformadores quemados y brindar un servicio dentro de parmetros
de calidad y seguridad, esto se lo conseguir con tener un buen
sistema de puesta a tierra; para ello se sugiere:
3.1 Clavar el electrodo de puesta a tierra preferentemente a 1 m
de distanciamiento del poste, esto para tener una zona de
influencia mnima de resistencia mutua con el armazn de hierro del
poste; de las pruebas realizadas se concluye que disminuye un 15%
el valor de la resistencia de puesta a tierra.
Figura 10
3.2 Realizar uniones slidas y seguras con conectores en las
conexiones varilla-conductor transformador, evitar entorches areos
(figura 11) pues, en condiciones transitorias se genera una
reactancia elevada y por ende una impedancia de puesta a tierra de
alto valor; la frecuencia de un rayo est alrededor de los 20
kHz
Z = R + j (L ; ( = 2 ( f (4)
Figura 11
3.3 Si el valor de puesta a tierra sigue estando fuera del valor
recomendado por la norma, es necesario realizar contrapesos con ms
electrodos o disminuir la resistividad del suelo mejorando de forma
natural o artificialmente el mismo.
El hecho de tener un valor bajo de resistencia de puesta a
tierra incrementando electrodos verticales no garantiza seguridad,
por los gradientes de potencial elctrico que se generan 4 .
Cuando se van a emplear ms electrodos para mejorar la
resistencia de puesta a tierra del electrodo, se debe realizar una
modelacin para conseguir el objetivo requerido, al emplear otro
electrodo se produce una resistencia mutua entre electrodos
verticales producindose reas de traslape y zonas de influencia,
provocando un incremento en la resistencia de puesta a tierra. La
distancia mnima requerida para insertar otro electrodo es de 1.1
veces la longitud del primer electrodo, esto viene determinado por
la zona de hemisfrica producida por el electrodo7 .
En redes de distribucin elctrica es frecuente encontrar cambios
de redes y transformadores antiguos por nuevos e instalan nuevas
puestas a tierra sin antes retirar los electrodo antiguos,
generando problemas al sistema de puesta a tierra.
El obtener un valor bajo de resistencia de puesta a tierra a
partir de un conjunto de electrodos dispuesto en varias formas
geomtricas como lnea recta, triangulo, cuadrado, crculo, etc. se
logra realizando modelaciones matemticas para determinar las
ventajas y limitaciones de cada uno 8.
Considerando uniforme la resistividad del suelo, se analiza los
siguientes arreglos con relacin a una sola varilla para ver en que
porcentaje se puede disminuir la resistencia de puesta a
tierra.
Caso: Dos varillas en paralelo
Figura 13
La ecuacin que modela este arreglo es la siguiente:
Figura 14
Caso: Tres varillas en paralelo
Figura 15
La ecuacin que modela este arreglo es la siguiente:
Figura 16
Caso: Tres varillas formando un tringulo
Figura 17
La ecuacin que modela este arreglo es la siguiente:
Figura 18
Caso: Un aro a una profundidad s y dimetro D
Figura 19
La ecuacin que modela este arreglo es la siguiente:
Figura 20
El desarrollo matemtico de estos modelos se realizaron empleando
conceptos de teora electromagntica.
Se puede utilizar todos estos arreglos, dependiendo de las
condiciones de espacio, sitio de instalacin, tiempo y dinero,
acotando que se debe descartar la idea de emplear tres varillas en
tringulo por utilizar ms espacio y conductor podemos obtener
valores similares empleando los otros mtodos.
4. CONCLUSIONES
Los sistemas de puesta a tierra son parte intrnseca del sistema
elctrico, sin embargo existe despreocupacin por evaluar y mejorar
los mismos dentro del sistema de distribucin de energa elctrica,
dando como efecto la quema de transformadores y equipos,
consecuentemente prdida de dinero .
Es necesario considerar aspectos tcnicos sugeridos en las normas
en el momento de adquirir materiales y equipos, especialmente las
varillas que van ha servir de electrodos de puesta a tierra.
El pensar que el enterrar una varilla de 5/8 x 6 es un sistema
de puesta a tierra y asegurar que con eso se cumple la norma, es
una idea errnea.
Todos los modelos expuestos anteriormente para la mejora de la
resistencia de puesta a tierra se lo realizaron en campo en redes
de distribucin y sistema de subtransmisin, encontrando similitud
los datos calculados con los medidos en campo.
5. BIBLIOGRAFIA
1. Sistemas de Puesta a Tierra y Cargabilidad de Transformadores
de Distribucin - Estudios realizados por Ing. Milton Toapanta -
Octubre 2004.
2. Evaluacin y Diagnstico de la Resistencia de Puesta a Tierra
en Redes de Distribucin - Ing. Marco P. Salao Noviembre 2005.
3. IEEE Std. 142-1991 Recommended Practice for Grounding of
Industrial and Commercial Power Systems , table 13 pag 177.
4. IEEE Std. 81-1983 Guide for Measuring Earth Resistivity,
Ground Impedance, and Hearth Surface Potential of Ground
System.
5. Aspectos Tericos y Prcticos de Sistemas de Puesta a Tierra -
Ing. Juvencio Molina
6. Medidas y Vigilancia de las Instalaciones de Puesta a Tierra
Publicacin Tcnica Schneider PT-009 Mayo 2001.
7. Designing For A Low Resistance Earth Interface (Grounding)
Roy B Carpenter Jr.
8. Diseo de Puestas a Tierra Folleto del Ing. Paul Ayora
profesor de la Escuela Politcnica Nacional.
EMBED Equation.3
(8)
EMBED Visio.Drawing.6
(7)
EMBED Equation.3
(6)
EMBED Equation.3
(5)
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
(Hoja de Idenficacin)
(2)
PALABRAS-CLAVE:
Electrodo
Resistividad del suelo
Resistencia a tierra
Gradiente de Potencial
Tierras Aisladas
Descargas Atmosfricas
AUTOR RESPONSABLE:
Marco Patricio Salao Bravo
Estudios Elctricos- Direccin Tcnica
593-2-2750084 Ex 340
HYPERLINK "mailto:[email protected]"
[email protected]
Autor: MARCO PATRICIO SALAO BRAVO
Colaborador:ROMEL HERNAN ANALUISA TOPA
Empresa: Empresa Elctrica Santo Domingo S.A.
EVALUACION Y ANALISIS DE PUESTAS A TIERRA EN REDES DE
DISTRIBUCION .
COMISIN DE INTEGRACIN ENERGTICA REGIONAL
III SEMINARIO INTERNACIONAL DE DISTRIBUCIN Y COMERCIALIZACIN
rea de Distribucin y Comercializacin
Identificacin del Trabajo:
Ambato, Ecuador, Febrero del 2006
18
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_1200936334.unknown
_1200935899.unknown
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_1200934402.unknown
_1196079960.bin
_1200753536.unknown
