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SUBESTACIÓN OCOA 115/34,5/13,8

MEMORIA DE VERIFICACIÓN DE MALLA DE PUESTA A TIERRA SUBESTACIÓN OCOA

DE BAHIA DE LÍNEA

DOCUMENTO IEB 939

SUBESTACIÓN OCOA 115/34,5/13,8 kV

VERIFICACIÓN DE MALLA DE PUESTA A SUBESTACIÓN OCOA PROYECTO AMPLIACIÓN

DE BAHIA DE LÍNEA 115 KV.

DOCUMENTO IEB 939-12-105

REVISIÓN 0

Medellín, Marzo de 2013

kV

VERIFICACIÓN DE MALLA DE PUESTA A PROYECTO AMPLIACIÓN

SUBESTACIÓN OCOA A 115 kV IEB S.A.

VERIFICACIÓN DE LA MALLA DE PUESTA A TIERRA Página ii de iv

Archivo: IEB-939-12-105(0)_Memoria_Verificacion_Malla_de_Puesta_a_Tierra

CONTROL DE DISTRIBUCIÓN

Copias de este documento han sido entregadas a:

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CONTROL DE REVISIONES

Revisión No. Aspecto revisado Fecha

0 Emisión Inicial 11/03/2013

CONTROL DE RESPONSABLES

NÚMERO DE REVISIÓN 0 1 2

Nombre JLO/OSR

Elaboración Firma

Fecha 11/03/2013

Nombre OSR

Revisión Firma

Fecha 11/03/2013

Nombre OSR

Aprobación Firma

Fecha 11/03/2013

Participaron en la elaboración de este informe:

OSR Oscar Alonso Sanchez R.

JLO Jhonatan Londoño Ospina


VERIFICACIÓN DE LA MALLA DE PUESTA A TIERRA Página iii de iv


TABLA DE CONTENIDO 1. OBJETO ............................................ ..................................................................... 1

2. INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 1

3. RECURSOS DISPONIBLES............................... .................................................... 1

4. METODOLOGÍA ....................................... .............................................................. 2

4.1 EL MODELO DE LAS DOS CAPAS ........................ .............................................................. 2 4.2 RESISTIVIDAD DEL TERRENO .......................... .................................................................. 2

5. CARACTERÍSTICAS DEL SISTEMA ELÉCTRICO ............. ................................... 2

6. VERIFICACIÓN DEL DISEÑO DE LA MALLA DE PUESTA A TIE RRA ................ 3

6.1 DISTRIBUCIÓN DE CORRIENTES ........................................................................................ 3 6.2 RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA..................... ............................................................ 5

7. CRITERIOS DE SEGURIDAD ................................................................................ 6

7.1 TIEMPO DE DURACIÓN DE LA FALLA..................... ........................................................... 6 7.2 TENSIÓN SUPERFICIAL, TENSIÓN DE TOQUE Y TENSIÓN DE PASO............................ 6

8. VERIFICACIÓN DEL CONDUCTOR DE LA MALLA ............ ................................. 7

9. CONCLUSIONES ................................................................................................... 8

10. RECOMENDACIONES ........................................................................................... 8


VERIFICACIÓN DE LA MALLA DE PUESTA A TIERRA Página iv de iv


Figuras

Figura 1. Sistema modelado para hallar la corriente por la malla ...................................................... 4

Figura 2. Resultados de la simulación de distribución de corrientes a tierra ...................................... 5

Figura 3. Perfiles Tensiones de Contacto ........................................................................................... 1

Figura 4. Perfiles Tensiones de Paso ................................................................................................. 1

Figura 5. Malla de Puesta a Tierra ...................................................................................................... 1

Tablas

Tabla 1. Valor de Resistividad Seleccionado Subestación Ocoa ....................................................... 2

Tabla 2. Características de las Líneas de Transmisión ...................................................................... 3

Tabla 3. Niveles de corto circuito año 2020 ........................................................................................ 3

Tabla 3. Datos de entrada del programa “IEB-MALLAS” .................................................................... 5

Tabla 5. Resultados programa “IEB-MALLAS” para malla de puesta a tierra .................................... 6

Tabla 6. Capacidad de Corriente Ante Cortocircuitos para Cables Y Conexiones ............................ 7

Tabla 7. Carga fundente para uniones con soldadura exotérmica ..................................................... 9

Anexos

Anexo 1: Gráficos de tensiones evaluados al interior de la malla de puesta a tierra


VERIFICACIÓN DE LA MALLA DE PUESTA A TIERRA Página 1 de 10


1. OBJETO

Verificar el diseño de la malla de puesta a tierra para asegurar que los niveles de tensión en la subestación estén en el rango permitido, debido al incremento de los niveles de cortocircuito y las nuevas conexiones del nuevo campo de línea de 115 KV para la subestación Ocoa 115 kV, ubicada en el departamento del Meta y perteneciente a la Empresa de energía del Meta, EMSA. S.A. E.S.P.

2. INTRODUCCIÓN

La implementación de un sistema de puesta a tierra adecuado está dirigida a lograr la eficiente coordinación con el sistema de potencia y sus protecciones y a garantizar la seguridad del personal y de los equipos que dentro del área de winstalación de la malla puedan quedar expuestos a tensiones peligrosas en el caso de fallas a tierra, cumpliendo con los criterios de seguridad (requerimientos de potenciales de toque y de paso) establecidos en la norma ANSI/IEEE Std. 80 “IEEE Guide for Safety in A.C. Substation Grounding”.

Se verifica que el valor de resistencia de puesta a tierra esté dentro de los rangos aceptados por la norma ANSI/IEEE Std. 80 “IEEE Guide for Safety in A.C. Substation Grounding” y que se garantice una referencia de tensión cero aceptable y un adecuado retorno de corrientes de falla a tierra.

En el informe se presenta la metodología y los resultados obtenidos en la verificación del diseño de la malla de puesta a tierra, se analizan los resultados y se presentan las conclusiones y recomendaciones derivadas del estudio realizado.

3. RECURSOS DISPONIBLES

Para la determinación de los niveles de cortocircuito monofásico y trifásico en barras de Subestación Ocoa 115 kV y los aportes a esta por las líneas La Reforma 1 y 2 a 115 kV, Barzal 115 kV y Suria 115 kV, se tomaron los valores de cortocircuito en demanda máxima y con generación hidráulica máxima, para el año 2020 obtenidos por medio de simulación con ayuda del software DigSilent 14.1,siendo conservativos con los niveles de cortocircuito ya que se pueden presentar cambios en el sistema que puedan modificar estos valores.

En el modelado del sistema eléctrico y en los cálculos de distribución de corrientes a tierra, se utilizó como herramienta de simulación el programa de computador ATPDraw (Alternative Transients Program) el cual es ampliamente utilizado en simulaciones para el estudio y análisis de sistemas eléctricos de potencia, debido a la confiabilidad de sus resultados.

Para el diseño de la malla de puesta a tierra se emplea el programa llamado




"IEB-MALLAS", el cual hace uso del método de la matriz combinada de resistencia (multisegmentada), el método integral para la evaluación de tensiones a lo largo de los segmentos de un conductor y el método de las imágenes para el modelamiento del suelo en dos capas. Este programa fue desarrollado por Ingeniería Especializada S.A.

4. METODOLOGÍA

La metodología empleada para el diseño consistió en el cálculo de resistencia de puesta a tierra de la malla, niveles de cortocircuito y la distribución de corriente por la malla.

4.1 EL MODELO DE LAS DOS CAPAS

La evaluación del diseño inicial de la malla de tierra se realiza con base en la norma ANSI/IEEE Std. 80 “IEEE Guide for safety in A.C. Substation Grounding”, luego se detalla, utilizando para los cálculos de la malla de tierra un programa de computador (IEB-MALLAS) basado en el método de las dos capas y la teoría de las imágenes y un programa de distribución de corrientes para determinar las corrientes de cortocircuito y las corrientes a tierra.

El método de las dos capas consiste básicamente en la modelación del suelo en dos capas de resistividad uniforme con base en los valores de resistividad tomados en el terreno. Este modelo sirve para estudiar el comportamiento del sistema de puesta a tierra frente a fallas en el sistema de potencia.

4.2 RESISTIVIDAD DEL TERRENO

En el documento IEB-C939-12-100 “Informe de visita Subestación Ocoa proyecto ampliación de bahía de línea 115 KV” se muestran las medidas de resistividad tomadas además del criterio y selección de esta. En la Tabla 1 se muestra el valor seleccionado para la verificación de la malla de puesta a tierra.

Tabla 1. Valor de Resistividad Seleccionado Subest ación Ocoa

Resistividad del Terreno ( Ω·m)

1000

5. CARACTERÍSTICAS DEL SISTEMA ELÉCTRICO

En el documento IEB-C939-12-100 “Informe de visita Subestación Ocoa proyecto ampliación de bahía de línea 115 KV” se definen los aspectos relacionados con las características del sitio y del sistema.




Adicional a esta información, en la Tabla 2 se muestran las características de las líneas de transmisión conectadas a la barra de 115 kV de la Subestación Ocoa.

Tabla 2. Características de las Líneas de Transmis ión

Línea Longitud [km] Calibre fases [ACSR MCM]

Línea Ocoa – Granada 69.9 336

Línea Ocoa – Reforma (Doble circuito) 12,0 336

Línea Ocoa – Barzal 9,4 336

Línea Ocoa – Suria 69.9 397

Línea Ocoa Guamal - 30 336

Línea San Fernando 30 336*

Línea Planta Termo Ocoa 0,1 336 *

* Valores estimados para obtener un escenario conservador, datos aun no disponibles

6. VERIFICACIÓN DEL DISEÑO DE LA MALLA DE PUESTA A TIERRA

Se contempla la verificación de la distribución de corrientes a tierra, el cálculo de la resistencia de puesta a tierra de la malla y el análisis de las tensiones de toque y de paso producidas durante fallas a tierra, de tal forma que se garantice la seguridad de las personas dentro del área de instalación de la malla.

6.1 DISTRIBUCIÓN DE CORRIENTES

Cuando se presenta una falla en una subestación, una parte de la corriente retorna a las fuentes generadoras a través de la malla de tierra de la subestación, sin embargo, una porción importante de la misma retorna por los conductores de guarda y neutros que entran y salen de la subestación y las puestas a tierra de las torres o postes. Estas corrientes son generalmente apreciables, por lo cual, suponer que toda la corriente de falla retorna a tierra a través de la malla conduce a diseños excesivamente conservativos.

De acuerdo a la simulación mencionada en el software AtpDraw, se obtuvo los valores de cortocircuito mostrados en la Tabla 3.

Tabla 3. Niveles de corto circuito año 2020

Entrada de Línea a Barra Ocoa 115 kV

Niveles máximos de cortocircuito (kA)

Trifásico Monofásico

Línea La Reforma 115 kV (Doble circuito) 4.604 4.694




Entrada de Línea a Barra Ocoa 115 kV

Niveles máximos de cortocircuito (kA)

Trifásico Monofásico

Línea Ocoa – Barzal 1.508 1.554

Línea Ocoa – Suria 2.655 2.107

Línea Termo Ocoa 115 kV 1.579 1.905

Barra Ocoa 10.327 10.861

Con los resultados de los niveles de cortocircuito anteriores, se procedió a la simulación del sistema mediante el programa ATPDraw, con el cual se obtiene la máxima corriente que circularía por la malla de tierra de la subestación en caso de presentarse una falla bifásica a tierra en la barra de 115 kV de la Subestación Ocoa, cuyo valor es de561.11 A, en consecuencia se obtiene un G.P.R. de 1683.3 V (tensión a la cual se eleva la malla en caso de una falla a tierra). Para efectos del diseño de la malla, se asumió un G.P.R. de 1700 V. En la Figura 1 se muestra el sistema modelado.

Figura 1. Sistema modelado para hallar la corrient e por la malla

En la Figura 2 se ilustra el gráfico con los resultados obtenidos para la tensión en la malla (G.P.R.), corriente por la malla y corriente total de falla monofásica a tierra.




Figura 2. Resultados de la simulación de distribuc ión de corrientes a tierra

6.2 RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA

Para determinar la resistencia de puesta a tierra de la malla, se utilizó el programa “IEB-MALLAS”, el cual hace uso del método de la matriz combinada de resistencia (multisegmentada), el método integral para la evaluación de tensiones a lo largo de los segmentos de un conductor y el método de las imágenes para el modelamiento de las dos capas. Los datos de entrada del programa se indican en la Tabla 4.

Tabla 4. Datos de entrada del programa “IEB-MALLAS ”

Magnitud Valor

Resistividad [Ω·m] 1.000

Resistividad de la capa de cascajo o concreto [Ω·m] 3.000

Espesor de la capa de cascajo [m] 0,2

Profundidad de enterramiento de la malla [m] 0,6

GPR [V] 1700

Tiempo de aclaración de la falla [s] 0,5

Radio del conductor [m] 0,00584

Número de varillas [Un] 37

Radio de la varilla [m] 0,008

(f ile SEOcoa.pl4; x-v ar t) factors:offsets:

10

v :MPT 0.7070

c:MPT - 0.7070

c:B1A -MPT 0.7070

0 5 10 15 20 25 30[ms]-12

-8

-4

0

4

8

12

*103




Magnitud Valor

Longitud de la varilla [m] 2,4

La resistencia de puesta a tierra individual de la malla de la subestación, determinada con el programa es de 2.9 Ω aproximadamente, cuyo valor se considera adecuado para una instalación de las características de la subestación eléctrica. Se considerará un valor de 3 ΩΩΩΩ ya que es el valor resultado con el cual se cuenta de los archivos As-Built

7. CRITERIOS DE SEGURIDAD

Los principales criterios de seguridad en el diseño de una malla de puesta a tierra corresponden a la limitación de los potenciales de toque y potenciales de paso. El programa “IEB-MALLAS” permite obtener las tensiones superficiales, tensiones de toque y tensiones de paso para un perfil seleccionado.

7.1 TIEMPO DE DURACIÓN DE LA FALLA

La mayor parte de las fallas de un sistema de potencia moderno son aclaradas entre 30 ms y 200 ms, dependiendo del tiempo de operación del interruptor o fusible utilizado, así como de la coordinación establecida previamente para la operación de las protecciones. Con el propósito de ser conservadores para la verificación de las tensiones de toque y de paso al interior de la malla, se asumió un tiempo de despeje igual a 500 ms, tal como lo recomienda la norma ANSI/IEEE Std. 80 “IEEE Guide for Safety in A.C. Substation Grounding”.

7.2 TENSIÓN SUPERFICIAL, TENSIÓN DE TOQUE Y TENSIÓN DE PASO

Para el control de las tensiones de toque y de paso se considera un valor crítico de G.P.R. en la malla de 1700 V. Los resultados más críticos arrojados por el programa, se muestran en la Tabla 5.

Tabla 5. Resultados programa “IEB-MALLAS” para mal la de puesta a tierra

Magnitud Tensión Obtenida con IEB Mallas

Tensión de toque máxima [V] 545.76

Tensión de toque tolerable [V] 811.87

Tensión de paso máxima [V] 164.01

Tensión de paso tolerable [V] 2755.35

Tensión en la malla G.P.R. [V] 1700




Del análisis de los perfiles se concluye que las tensiones de toque y las tensiones de paso han sido controladas adecuadamente en el interior de la malla.

En el Anexo 1 se presentan los resultados gráficos de la tensión superficial, de toque y de paso en el interior de la malla.

8. VERIFICACIÓN DEL CONDUCTOR DE LA MALLA

El conductor de la malla de puesta a tierra debe tener la capacidad de conducción de corriente de cortocircuito que se espera cuando ocurre un cortocircuito en la subestación Ocoa a 115 kV, la cual cercano a los11. kA.

El conductor existente de cobre No. 4/0 AWG, el cual tiene un radio de 5,84 mm y soporta 28 kA de cortocircuito (Valor calculado de acuerdo con la norma ANSI/IEEE STD 80-1986 “Guide for Safety in A.C. Substation Grounding”) no necesita ser modificado ya que permite el paso de la máxima corriente durante el tiempo de duración de la falla (0,5 s), sin sobrepasar la temperatura máxima permitida de 250ºC, temperatura que garantiza plenamente la integridad de los conductores y las uniones de la malla de puesta a tierra. Por otro lado la cuadrícula garantiza que los retornos de corriente de falla monofásica al interior de la malla se distribuyan por varios caminos.

La Tabla 6 indica la máxima corriente de cortocircuito para los cables, las soldaduras y los conectores, para las conexiones al interior de la malla, en calibre No. 4/0 AWG, para un tiempo de 200 ms de despeje de la falla.

Tabla 6. Capacidad de Corriente Ante Cortocircuito s para Cables Y Conexiones

Elemento Temperatura máxima

[ºC] Icc máxima

[kA] Duración de la falla

[ms]

Cable No. 4/0 AWG 1.083 69,1

200 Soldadura exotérmica 400 51,5

Conectores 250 43,3




9. CONCLUSIONES

a) Para realizar la verificación de la malla de puesta a tierra, se utilizó el valor de resistividad de 1.000 Ω·m, el cual es igual al valor de diseño inicial de la subestación.

b) En la etapa del diseño inicial de la Subestación Ocoa, se obtuvo un valor de resistencia malla de puesta a tierra cercana a 3 Ω y dado que a esta malla no se le han realizado modificaciones, este valor continúa igualmente sin modificarse. De igual forma, se verifico con la ayuda del software “IEB-MALLAS”.

c) Se verificó que tanto las tensiones de toque como las tensiones de paso producidas durante fallas a tierra, pudieran ser controladas en el interior de la superficie de instalación de la malla con la instalación de los nuevos campos de línea, de tal manera que no se ponga en riesgo al personal operativo ni a los equipos.

d) Para la verificación de las tensiones de toque y de paso se tuvo en cuenta un tiempo de despeje de la falla en la red del orden de 500 ms tal como lo propone la norma ANSI/IEEE Std. 80 “IEEE Guide for Safety in A.C. Substation Grounding”.

10. RECOMENDACIONES

a) En los planos as built de la subestación se puede observar que la malla se encuentra instalada en su totalidad, sin embargo en el proyecto que actualmente está en ejecución (instalación del nuevo transformador), se encontró instaladala malla solo hasta el extremo izquierdo de la bahía hacia Granada, por lo tanto, se recomienda instalar la malla faltante, utilizando para esto un cable de cobre desnudo blando recocido de 107,3 mm2 de sección (No. 4/0 AWG), el cual deberá enterrarse a una profundidad de 0,6 m, en el campo de línea 115 kV.

b) Instalar 4 contrapesos en cable de cobre desnudo blando recocido de 107,3 mm2 de sección (No. 4/0 AWG) a una profundidad de 0.6m que conecte la malla de puesta a tierra, con el conductor que rodea de la malla de cerramiento.

c) Instalar una varilla copperweld de 2,4 m de longitud y 5/8” de diámetro (acero con recubrimiento de electrodepositado de cobre; recubrimiento100 µm) para cada uno de los descargadores de la línea 115KV.

b) Se debe verificar si se cuenta con cable de cobre desnudo blando recocido de 107,3 mm2 de sección (No. 4/0 AWG), por fuera de la malla de cerramiento de la subestación, conectado a la malla interior y enterrado a 0,5 m de profundidad.




en caso de que este cable no exista, se deberá proceder con su instalación, para de esta forma garantizar las seguridad del personal que se encuentra en las cercanías de la subestación-

c) Verificar que la conexión entre la malla de puesta a tierra de la subestación Ocoa 115 kV y la malla de la central Termo Ocoa se esté realizando con cable de cobre desnudo blando recocido de 107.3 mm2 de sección (No. 4/0 AWG), enterrado a una profundidad de 0,6 m.

d) Conectar los diferentes equipos de potencia, estructuras metálicas, pórticos y la malla de cerramiento con la malla de puesta a tierra, utilizando colas en cable de cobre desnudo blando recocido de 70 mm2 de sección (No. 2/0 AWG) unida a la malla mediante soldadura exotérmica cable – cable.

e) Efectuar uniones con soldadura exotérmica cable-cable y cable-varilla con los moldes y carga fundente de acuerdo con los tipos de conexión y el calibre de los cables, teniendo en cuenta las especificaciones de la Tabla 7.

Tabla 7. Carga fundente para uniones con soldadura exotérmica

Elementos a unir Tipo de unión Carga fundente [g]

Cable No. 4/0 AWG - Cable No. 4/0 AWG “T” horizontal 150

Cable No. 4/0 AWG - Cable No. 4/0 AWG En Paralelo 200

Cable No. 4/0 AWG - Cable No. 2/0 AWG “T” horizontal 90

Cable No. 4/0 AWG - Cable No. 4/0 AWG “X” pasante horizontal 250

Cable No. 2/0 AWG - Varilla de 5/8” Cable pasante a varilla

vertical 150

Una vez construida la malla de tierra, se recomienda efectuar una medida de su resistencia de puesta a tierra para verificar el valor esperado y medir la continuidad entre la malla existente y la ampliación con el fin de verificar que las uniones sean las adecuadas.




REFERENCIAS

[1] IEEE GUIDE FOR SAFETY IN A.C. SUBSTATION GROUNDING. ANSI/IEEE Std 80-2000.

[2] ESTADO DEL ARTE EN EL DISEÑO DE MALLAS DE TIERRA DE SUBESTACIONES Jaime Alberto Blandón D. IEB S.A. I Conferencia Nacional de Subestaciones y Sistemas de protección, 1989

[3] RESPUESTA TRANSITORIA DE LOS SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA Blandón J.C y otros III Conferencia Nacional de subestaciones y líneas de transmisión, 1993

[4] NATIONAL ELECTRICAL CODE ANSI/NFPA 70 NEC 2002

ANEXO 1

GRÁFICOS DE TENSIONES EVALUADOS AL INTERIOR DE LA MALLA DE PUESTA A TIERRA

Figura

Figura

Figura 3. Perfiles Tensiones de Contacto

Figura 4. Perfiles Tensiones de Paso

Figura 5. Malla de Puesta a Tierra

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