Analisis de Puesta a Tierra

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL

ESCUELA DE INGENIERÍA

ANÁLISIS DE PUESTAS A TIERRA DE PRIMARIOS URBANOS DE 22.8 kV Y 6.3 kV DE LA EEQ S.A.

PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO ELÉCTRICO

GAIBOR DELGADO ALVARO PATRICIO VALDIVIESO BURBANO ALVARO FERNANDO

DIRECTOR: Ing. LUIS TAPIA

Quito, Abril 2005

DECLARACIÓN Nosotros, Alvaro Patricio Gaibor Delgado y Alvaro Fernando Valdivieso Burbano, declaramos bajo juramento que ei trabajo aquí descrito es de nuestra autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que hemos consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento. A través de la presente declaración cedemos nuestros derechos de propiedad intelectual correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normatividad institucional vigente.

f Alvaro Patricio

Alvaro Fernando

Gaibor Delgado

Valdivieso Burbano

CERTIFICACIÓN Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Alvaro Patricio Gaibor Delgado y Alvaro Femando Valdivieso Burbano, bajo mi supervisión.

x

Jngr*£Tuis tapia

DIRECTOR DE PROYECTO

AGRADECIMIENTOS Nuestro agradecimiento especial al Ing. Luis Tapia, por la ayuda brindada para la culminación de este trabajo, a nuestros padres por su apoyo incondicional, a la EEQ S.A. por las facilidades prestadas, a nuestros profesores y amigos.

CONTENIDO CAPITULO I

1

1.- INTRODUCCIÓN

1

1.1.-ANTECEDENTES

1

1,2.-OBJETIVOS

2

13.-ALCANCE

3

CAPITULO H

4

2.- CONCEPTOS GENERALES

4

2.1.-INTRODUCCIÓN

4

2.2.- CARACTERÍSTICAS GENERALES DE UN SISTEMA DE PUESTA A TIERRA. 5 23.- CONCEPTOS BÁSICOS 2.3.1.-EFECTOS DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA EN EL ORGANISMO 2.3.1.1.-Efectos de la corriente 2.3.2.-FACTORES QUE INFLUYEN EN EL RIESGO ELÉCTRICO 2.3.2.1.-Intensidad de la corriente 2.3.2.2.-Duración del contacto eléctrico 2.3.2.3.-Irapedancia del cuerpo humano 2.3.2.4.-Voltaje aplicado y Voltajes de seguridad 2.3.2.5.- Frecuencia de la comente alterna, 2.3.2.6.- Recorrido de la comente a través del cuerpo

6 6 7 7 7 10 11 13 15 17

2.4.- MATERIALES CONDUCTORES EMPLEADOS EN SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA 2.4.1.-INTRODUCCIÓN 2.4.2.-COBRE 2.4.3.-BRONCES 2.4.4.-CARACTERÍSTICAS INTERNAS DE LOS MATERIALES 2.4.4.1.-Enlaces Químicos 2.4.4.1.1.-Enlace metálico 2.4.4.1.2.-Enlace iónico 2,4.4.1.3.~ Enlace covalenie 2.4.4.2.-Potencial de Ionización y Afinidad Electrónica 2.4.4.2.1.-Potencial de ionización 2.4.4.2.2.-Afinidad electrónica (EA)

18 18 19 20 21 21 21 22 22 23 23 23

2.5.-SUELOS 2.5.1.-TIPOS DE SUELOS 2.5.2.- PROPIEDADES DE LOS SUELOS 2.5.2.1.-Resistividad del terreno 2.5.2.2.-Efecto del pH 2.5.2.3.-Potencial red-ox 2.5.3.-CORROSIÓN 2.5.3.1.-Protección contra la corrosión

25 26 29 29 32 33 33 34

2.5.4.- DISTRIBUCIÓN DE POTENCIALES Y CORRIENTES EN EL SUELO. 38 2.5.4.1.- Corrientes vagabundas 40 2.5.5.-TRATAMIENTO QUÍMICO DEL SUELO 41 2.6.- COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA

45

2.7.-PERTURBACIONES ELECTROMAGNÉTICAS 2.7. l.-FLICKER (parpadeo) 2.7.2.-ARMÓNICAS

47 47 48

2.8.- ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DE UN SISTEMA DE PUESTA A TIERRA 2.8.1.-ELECTRODOS DE PUESTA A TIERRA 2.8.2.-CONDUCTORES DE TIERRA 2.8.3.-CONECTORES DE PUESTA A TIERRA

49 49 50 50

2.9.- RÉGIMEN DE NEUTRO

54

CAPITULO III

57

3.- TÉCNICAS DE MEDICIÓN DE PUESTAS A TIERRA

57

3.1- MEDICIÓN DE RESISTENCIA DE PUESTAS A TIERRA 57 3.1.1.-MÉTODO INDIRECTO DE TRES PUNTOS 57 3.1.1.1.-Determinación de la Resistencia de Puesta a Tierra en el Electrodo Rl. 58 3.1.2.-MÉTODO CLÁSICO DE CAÍDA DE POTENCIAL 59 3.1.2.1.- Determinación de la Resistencia de Puesta a Tierra del Electrodo (Raa) 60 3.1.2.2.-Determinación de las Distancias délos Circuitos de Medida 61 3.2.- MEDICIÓN DE RESISTIVIDAD 63 3.2.1.-MÉTODO DE WENNER 63 3.2.2.- MEDICIÓN DE LA RESISTIVIDAD UTILIZANDO MUESTRAS DE SUELO ; 64 3.2.3.- MEDICIÓN DE LA RESISTIVIDAD POR EL MÉTODO DE LOS DOS PUNTOS 65 3.3.- MEDICIONES DEL VOLTAJE DE TOQUE

65

3.4.- MEDICIONES DEL VOLTAJE DE PASO .

66

3.5.- INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN 67 3.5.1.-ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL AEMC 3711M 68 3.5.2.- ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL UNILAP GEOX NORMA GOER LEM 70 3.5.3.-ESPECIFICACIONES TÉCNICAS HANDYGEO 71 3.5.4.- PRINCIPIO DE OPERACIÓN DE LOS EQUIPOS DE MEDICIÓN 72 CAPITULO IV

77

4.- ANÁLISIS DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA DE LA EEQ S.A

77

4.1.-INTRODUCCIÓN..

77

4.2.- DESCRIPCIÓN DEL ESTADO OPERATIVO DE ALIMENTAD ORES. 79

4.3.- DATOS ESTADÍSTICOS DE SALIDAS DE PRIMARIOS POR DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

82

4.4.-NIVELES CERAUNICOS

83

4.5.- NORMATIVA VIGENTE DE LA EEQ S.A. PARA PUESTAS A TIERRA 84 4.6.- ANÁLISIS ESTADÍSTICO PARA LA OBTENCIÓN DE LA MUESTRA 92 4.6.1.-TEORÍA BÁSICA DEL MUESTREO 92 4.6.1.1.-Métodos deselección demuestras 93 4.6.1.2.-Determinación de parámetros 94 4.6.2.- DETERMINACIÓN DEL UNIVERSO 96 4.6.3.-MÉTODO PARA LA SELECCIÓN DE LA MUESTRA 97 4.6.4.-DETERMINACIÓN DEL ESPACIOMUESTRAL 97 4.7.-MEDICIONES 4.7.1.-PROBLEMAS PREVIOS A LA MEDICIÓN 4.7.1.1.- Contrastación de ios equipos de medida 4.7.1.2.-Resultados de las pruebas 4.7.2.- EQUIPO A UTILIZAR 4.7.3.-ANÁLISIS DE LAS MEDICIONES DE RPT 4.7.3.1.-Mediciones en el sector Norte. 4.7.3.2,-Mediciones en el sector Sur 4.7.3.3.-Mediciones en el sector Este 4.7.3.4.-Mediciones en el sector Oeste 4.7.4.-ESTADO DE LAS PUESTAS ATIERRA '4.7.5.- MEDICIONES DE RESISTIVIDAD CAPITULO V

.

99 .100 101 109 110 111 113 114 115 116 117 118 121

5.- DIAGNÓSTICO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA DE LA EEQ S.A. 121 5.1.-INTRODUCCIÓN, .„..

121

5.2.-CÁLCULOS.. 121 5.2.1.-CALIBRE DEL CONDUCTOR DE PUESTA A TIERRA 121 5.2.1.1.-Comentes de Cortocircuito en Baja potencia 122 5.2.1.2.- Calibre del Conductor 124 5.2.2.-RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA 126 5.2.2.1.-Valores Característicos de sistemas de puesta a tierra simples 127 5.2.2.1.L- Varilla Vertical 127 5.2.2,1.2.-Electrodos en línea Recta (disposición vertical) 128 5.2,2,1.3.-Cable horizontal 129 5.2.2.2.- Evaluación Y Propuestas De Mejoramiento De Sistemas De Puesta A Tierra De La EEQ S.A 131 5.2.2.2.1.-Disposición ITipo Tl-1 131 5.2.2.2.2.-Disposición II Tipo TI-2 132 5.2.2.2.3.-Disposición III Tipo Tl-3 137 5.2.2.2.4..- Costos asociados con las propuestas de mejoramiento 141

5.3.-INFLUENCIA EXPERIMENTAL DE LAS SOLUCIONES PROPUESTAS 143 5.3.1.-PRUEBAS REALIZAD AS EN TRANSFORMADORES 144 5.4.- VALOR DE RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA

147

5.5.- INFLUENCIA DE LA PUESTA A TIERRA EN PARARRAYOS

149

5.6.- CONEXIONES EQUIPOTENCIALES

153

5.7.- INFLUENCIA DE LAS PUESTAS A TIERRA EN PERTURBACIONES. 158 CAPÍTULO VI

162

6.- PROCEDIMIENTOS PARA EL DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA 162 6.1.- NORMATIVA DE REFERENCIA PARA PUESTAS A TIERRA 162 6.1.1.-IEEE Std 80-2000 162 6.1.2.-REGLAMENTO DE SEGURIDAD NEC 163 6.1.3.- REGLAMENTO TÉCNICO DE INSTALACIONES ELÉCTRICAS (RETTE) COLOMBIA CAPÍTULO n ARTÍCULO 15 "PUESTAS A TIERRA" 169 6.1.4.- OTRAS PUBLICACIONES 170 6.2.- PROPUESTA DE PROCEDIMIENTO DE DISEÑO E INSTALACIÓN DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA 171 6.2.1.-SISTEMAS DE PUESTA ATIERRA 171 6.2.1.2.-Diseño 171 CAPÍTULO VII 7.- CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 7.1.-CONCLUSIONES 7.2,-RECOMENDACIONES

183 „

183 ...183 186

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

183

ANEXOS

192

ANEXO N°l.- Recorrido de alimentad ores seleccionados para las mediciones ANEXO N°2.- Mediciones de resistencia de puesta a tierra. ANEXO N°3.- Mediciones de resistividad. ANEXO N°4.- Curvas patrón de resistividades ANEXO N°5.- Distribución de zonas en función de resistividad. ANEXO N°6.- Tablas de materiales. ANEXO N°7.- Disposiciones tipo propuestas ANEXO N°8.- Fotos de mediciones. ANEXO N°9.- Datos obtenidos del analizador de redes Memobox (Tierras independientes). ANEXO N°10.- Datos obtenidos del analizador de redes Memobox (Tierras unidas).

RESUMEN En el capítulo 1 del presente proyecto se presenta los antecedentes, objetivos y alcances, los cuales están encaminados a mejorar los sistemas de puesta a tierra. En el capítulo 2 se tiene una recopilación de información concerniente a los conceptos generales de un sistema de puesta a tierra. En el capítulo 3 se hace un estudio de técnicas de mediciones de resistencia de puesta a tierra y resistividad, describiéndose los instrumentos de medición que se utilizarán. El capítulo 4 contiene el análisis del sistema de puesta a tierra de la EEQ S.A., se describe el procedimiento para la obtención del tamaño de la muestra, su distribución en zonas, la selección del equipo a utilizar, resumen de las mediciones de resistencia de puesta, resistividad, y un análisis de su estado actual. En el capítulo 5 se realiza el diagnóstico de ios sistemas de puesta a tierra de la EEQ S.A., donde se evalúan sus disposiciones tipo, y se presentan propuestas para su mejora. En el capítulo 6 se desarrolla una propuesta para el diseño y construcción de sistemas de puesta a tierra, en base a estándares internacionales aplicables a nuestro medio. Finalmente en el capítulo 7 se presentan las conclusiones y recomendaciones obtenidas en el desarrollo del presente proyecto.

CAPITULO I 1.- INTRODUCCIÓN

1.1.-ANTECEDENTES.

El Sistema de Puesta a Tierra tiene primordial importancia en los sistemas eléctricos especialmente en el Sistema de distribución, debido a que la Instalación incorrecta de la misma implica un alto grado de riesgo en la seguridad de las personas, así como operaciones incorrectas, y daños a los distintos equipos e instalaciones.

El crecimiento de las redes eléctricas y el desarrollo de los equipos eléctricos y electrónicos exige un estudio más detallado de los sistemas de puesta a tierra que permitan garantizar la seguridad en la operación y la continuidad en el suministro de energía eléctrica. Los sistemas eléctricos de distribución presentan un comportamiento variable debido principalmente a los siguientes aspectos:

•

Fenómenos de resonancia.

•

Energizaciones.

»

Maniobras.

•

Inserción de transformadores.

•

Conmutación del flujo de maquinas eléctricas rotativas.

•

Cortocircuitos.

•

Oscilaciones por conmutación.

•

Inducción electrostática y electromagnética.

•

Arcos.

•

Interrupción.

•

Propagación de ondas viajeras.

•

Descargas atmosféricas.

2

Ante ello, y la ausencia de regulaciones específicas en la normativa vigente de la EEQ se ha considerado oportuno desarrollar una guía que permita sugerir procedimientos para el diseño y la construcción de sistemas de puesta a tierra de tal forma que puedan ser seguidas por la empresa y contratistas. La normatividad actual indica que el diseño de un sistema de puestas a tierra debe tomar en cuenta la revisión de los siguientes parámetros:

»

Medición de la Resistividad del suelo en el sitio de instalación de las puestas a tierra

•

Medición de las Resistencias de puesta a tierra de los equipos conectados a los alimentadores primarios.

•

Verificación de voltajes de contacto y paso que salvaguarden la vida de las personas.

•

Compatibilidad entre los materiales utilizados para la construcción.

•

Evaluar las propiedades del suelo, que influyen en las puestas a tierra.

•

Calcular las corrientes máximas de falla a tierra.

El presente proyecto, pretende tomar en cuenta todos estos parámetros y resumirlos en una guía práctica que sea de utilidad tanto para empresas eléctricas de distribución e ingenieros contratistas.

1.2.- OBJETIVOS General: •

Establecer una guía con procedimientos necesarios para el diseño y dímensionamiento de las puestas a tierra en un Sistema de Distribución. Específicos:

*

Efectuar mediciones en alímentadores ubicados en zonas que presenten diferencias de resistividad y nivel ceráunico, realizando un

análisis estadístico basándose en una muestra del total de equipos aéreos existentes en el sistema de distribución de la Empresa Eléctrica Quito. Realizar una guía para e! diseño y construcción de sistemas de puesta atierra con las respectivas justificaciones técnicas.

1.3-.r. ALCANCE

•

Se procederá a revisarlas metodologías de diseño y construcción de puestas a tierra en sistemas de distribución.

•

Estudiar y analizar normas y reglamentaciones estandarizadas que puedan.seraplicadas en nuestro medio.

•

Identificar

las condiciones actuales de los equipos, realizando un

estudio aleatorio de diferentes primarios. •

Obtener una muestra del número total de alimentadores urbanos existentes en el sistema de distribución de la EEQ, basándose en un estudio estadístico, que permita establecer condiciones generales del sistema.

•

Realizar mediciones de resistencias de puesta a tierra y de resistividad e inspecciones del estado actual de las conexiones de puesta a tierra de La muestra a obtener,

•

Implementar procedimientos estandarizados necesarios para diseñar e instalar puestas a tierra.

4

CAPITULO II 2.- CONCEPTOS GENERALES

2.1.- INTRODUCCIÓN Los Sistemas de Puesta a Tierra constituyen un soporte fundamental del sistema eléctrico, ya que permiten una correcta distribución de potenciales y corrientes hacia el suelo debidas a descargas atmosféricas, fallas en el sistema, cargas estáticas, etc. Además permite tener un nivel de voltaje referencial en el sistema. Un sistema de puesta a tierra debe poseer capacidad de dispersión y disipación de las fallas, sin que se presenten potenciales peligrosos en la superficie, garantizando así seguridad a la integridad física de las personas, y al estado operativo de los equipos. En una instalación, la puesta a tierra constituye la unión eléctrica de elementos conductores en contacto eléctrico con el suelo o una masa metálica de referencia común, que permiten mantener un mismo nivel de potencial. El sistema de puesta a tierra tiene relación con la operación de protecciones en caso de fallas

de ahí que la finalidad de las puestas a tierra, es despejar la

falla en el menor tiempo posible, reduciendo las probabilidades de lesiones o danos, lográndose esto mediante una baja resistencia de puesta a tierra, la cual se la puede obtener instalando varillas, mallas de puesta a tierra, etc., dependiendo de las características del suelo y el tamaño de la instalación, "Con las puestas a tierra se busca que las corrientes de falla a tierra encuentren un camino más fácil, que el que ofrecería el cuerpo de una persona que tocara la carcasa metálica con voltaje".

2.2.- CARACTERÍSTICAS PUESTA A TDERRA.

GENERALES DE UN SISTEMA DE

Las principales características que permiten definir un Sistema de Puesta a Tierra son: •

La finalidad para los cuales se construye un sistema de puesta a tierra.

•

La funciones que realiza.

•

Los parámetros que debe cumplir para una correcta operación.

En breves palabras podemos empezar diciendo que el propósito de un sistema de puesta a tierra se simplifica en dos aspectos generales: •

Seguridad de las personas: Reduciendo las diferencias de potencial entre las partes que no transportan corriente y tierra.

•

Protección de Equipos: Permitiendo operar

los dispositivos de

sobrecorriente durante una falla a tierra. •

Control de sobrevoltaje.

Por requerimientos del NEC Art 250, un sistema de puesta a tierra debe ser capaz de limitar el voltaje a tierra, y facilitar la operación de dispositivos de protección contra sobrecargas y los interruptores del circuito. Bajo esta perspectiva, se debe señalar las funciones generales que debe realizar dicho sistema, para cumplir con los objetivos señalados: •

Permitir un despeje de fallas inmediato por medio de los equipos de protección.

•

Mantener un nivel de referencia para el sistema eléctrico.

•

Presentar trayectorias por donde se pueda disipar las corrientes de falla a tierra.

•

Limitar el voltaje debido a; Descargas atmosféricas y sobrevoltaje transitorios.

•

Estabilizar el voltaje durante operaciones normales.

Los factores adecuados de un sistema de puesta a tierra, en general son los siguientes: •

Valor de la resistencia de puesta a tierra según el tipo de instalación.

•

Alta tolerancia ante la corrosión.

•

Vida útil de la instalación alta.

•

Permitir accesibilidad para su mantenimiento.

2.3.-CONCEPTOS BÁSICOS.

2.3.1.- EFECTOS DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA EN EL ORGANISMO1'1.

La instalación de un sistema de puesta a tierra permite la protección de las personas y los bienes contra los efectos de las caídas de rayos, descargas estáticas, señales de interferencia electromagnética y comentes de fugas a tierra. Por lo tanto, la ejecución correcta de la misma brinda importantes beneficios al evitar pérdidas de vidas. En este punto se tratará los efectos ocasionados por el paso de la corriente eléctrica a través de nuestro organismo. En vista de la gran dependencia actual de la energía eléctrica y los riesgos que conlleva la utilización y manipulación de la misma se han realizado estudios que permiten hacernos una idea de los efectos que produce el paso de la electricidad por el cuerpo de personas en condiciones fisiológicas normales. L1 TIERRAS

Soporte de la Seguridad Eléctrica 2e 400 mV

CORROSIVIDAD SUELO Muy agresivo Moderadamente agresivo Débilmente agresivo No agresivo

PROT. CATÓDICA SI Si SI

DEPENDE

Tabla 2.10.- Relación entre el Potencial Red-ox y la conrosividad17

Los suelos que requieren la instalación de protección catódica , son aquellos cuyo potencial red-ox Inferiores a 400mV.

2.5.3.- CORROSIÓN.LS Los materiales, y en especial los metales, son obtenidos a partir de especies minerales estables en las condiciones naturales. Portante, al ser expuestos a las condiciones ambientales, una vez extraídos, tienden a estabilizarse química y energéticamente. El paso espontáneo de estos materiales a su estado natural combinado, es llamado corrosión. Por consiguiente, este fenómeno, es el responsable directo de la destrucción de materiales constructivos, de los daños indirectos que esta falta provoca.

34

Por tanto, la corrosión es un proceso a veces inevitable, cuya prevención es difícil, y donde es posible y practicable un control y una protección contra el mismo. En la mayoría de medios naturales, la presencia de agua es un factor destacable. Por tanto, el estudio de los procesos de corrosión naturales deberá centrarse en el de las reacciones en medios acuosos. Una buena aproximación para el estudio del comportamiento de los distintos materiales en medio acuoso lo constituyen los diagramas de Potencial de reducción (En) contra Acidez (pH), o también llamados de Pourbaix, en honor a quien los introdujo. En éstos, se observan distintas zonas de estabilidad, entre las que cabe distinguir las de inmunidad, de corrosión activa y de pasividad. La zona de inmunidad, o zona de predominio de las reacciones de reducción, corresponde a la zona donde el material se encuentra en condiciones estables. La zona de corrosión activa se caracteriza por el predominio de las reacciones de oxidación, que causan la destrucción por combinación o disolución continuada del material. El fímíte entre la zona de inmunidad y la de corrosión activa es gradual, al igual que con la de pasividad» La zona de Pasívación, corresponde a una zona de corrosión, donde la fase formada constituye una película protectora, que evita e! avance del proceso de corrosión. La formación de imperfecciones en la misma (pasivación imperfecta) conlleva ¡a aparición de corrosiones locales (por ejemplo, de picaduras).

2.5.3.1.- Protección contra la corrosión7'8 Son muchas las técnicas empleadas para la protección contra la corrosión, ya que se adaptan a la complejidad de las reacciones que intervienen en tales procesos. Entre los principales tipos de protección contra la corrosión tenemos los siguientes:

35

a) Protección pasiva b) Protección activa c) Protección catódica a) PROTECCIÓN PASIVA Los sistemas más empleados para protección pasiva se basan en el aislamiento de los elementos constructivos a proteger mediante materiales dieléctricos, evitándoles entraren contacto con el medio conductor (agua, suelo, aire húmedo). Este método, constituye el más empleado para la salvaguarda de materiales en cualquier medio, siendo prácticamente el único utilizado para evitar la corrosión ambiental. Las pinturas, los recubrimientos plásticos, encintados, etc, son parte de estos innumerables sistemas de protección. b) PROTECCIÓN ACTIVA Dado que los procesos de corrosión constituyen procesos de intercambio de electrones, se pueden construir sistemas de protección basados en aportar corrientes de protección capaces de eliminar la corrosión. La generación de una corriente a través de un ánodo de sacrificio, retomando por las estructuras a proteger, consigue modificar el potencial de éstas respecto a! medio, y situarlas en la zona de Inmunidad, eliminando las reacciones de corrosión, y por tanto, protegiéndolas catódicamente (se protege al cátodo de la pila). c) PROTECCIÓN CATÓDICA La protección catódica constituye el método más importante de todos los que se han intentado para conseguir el control de la corrosión.

36

La técnica genera una corriente eléctrica exterior que reduce vlrtualmente la corrosión a cero, pudiéndose mantener una superficie metálica en un medio corrosivo sin sufrir deterioro durante un tiempo indefinido. El mecanismo de protección se centra en la generación de la corriente externa suficiente que, entrando por toda la superficie del elemento a proteger, elimina la tendencia de los iones metálicos de éste a entrar en disolución. En la práctica se puede aplicarla protección catódica para proteger metales como acero, cobre, plomo, latón, aceros inoxidables y aluminio, contra la corrosión en todos los tipos de suelos, y medios acuosos. De la misma forma, e! método permite un control muy fácil de esta protección, mediante la medida de los potenciales naturales respecto a pilas de referencia estándares. Las pilas de referencia comúnmente empleadas se muestran en la tabla siguiente, al Igual que los potenciales recomendados de protección catódica para distintos materiales. La protección catódica requiere una fuente de corriente continua y un electrodo auxiliar o ánodo por donde se inyecta la corriente al medio donde se encuentra la estructura a proteger. Los sistemas de protección catódica contra la corrosión, pueden aplicarse para proteger las siguientes instalaciones: -

Elementos enterrados o sumergidos de sistemas eléctricos, como las armaduras de cables, puestas a tierra, etc.

-

Exterior de tuberías enterradas o sumergidas, que transporten cualquier tipo de fluido o producto sólido, líquido o gaseoso.

En función del tipo de fuente de la corriente continua usada para la protección se pueden distinguir distintos sistemas: •

Protección por ánodos de sacrificio o

•

Protección por corriente impresa.

37

En manera general las condiciones para las cuales resulta indispensable la instalación de la protección catódica se resume en la tabla 2.11.

Resistividad

nJ

Separación recomendada 5Q*ro=l5m

Se considera que el electrodo de puesta a tierra tendrá una resistencia de dispersión R1 que es la que se desea conocer.

R2 f%T

--^

Puntual

^.--^

f\J7V""^'

/ Electrodo / Auwliar /

R 3

Electrodo Auxiliar

Figura 3.1.- Método Indirecto de Tres Puntos1L14

3.3.1.1.-Determinacián de la Resistencia de-Puesta a Tierra en el Electrodo-Rl. Ef procedimiento consiste en determinar la resistencia total délas combinaciones en pares de las resistencias originales sin tomar en consideración las Resistencias mutuas que aparecerían en forma significativa en caso de no cumplirse la condición de tener que existir una gran separación entre los puntos .4^ _•-,.,,

de medida; Ja solución como^ecuaciones ¡simultáneas permite obtener la Resistencia dé Dispersión (R1). Primera Medida:

R12 = R1 + R2

59

Segunda Medida: R13 = R1 + R3 Tercer Medida:

R23 = R2 + R3 R12-R23 + R13 2

La simplicidad del Método, se debe remarcar que cuando los electrodos de medidas presentan una Resistencia mucho mayor que la de la Puesta a Tierra lo cual ocurre con frecuencia, los errores de las medidas individuales se reflejarán decisivamente en el resultado final, haciéndolo no confiable,

3.1.2.- MÉTODO CLÁSICO DE CAÍDA DE POTENCIAL

Requiere del uso de dos electrodos auxiliares de medida bien distantes de la puesta a tierra (Figura 3.2), uno de ellos destinado a cerrar el circuito de corriente hallándose efectivamente fuera de la influencia de la puesta a tierra, por lo que su interfase de contacto con el suelo debe tener baja resistencia, y e¡ otro que se consagra al circuito de potencial que mide la caída de voltaje hasta el punto de potencial cero que representa la tierra remota; en este caso la exigencia del contacto del electrodo con el suelo es mínima, no obstante en dicha localización la densidad de líneas de comente debe ser muy baja.

Figura 3.2.- Disposición Clásica de Medidas de RPT1-14

La medida consiste en hacer circular una Corriente ( I ) generada por una fuente, entre el electrodo de puesta a tierra (a) y el electrodo más lejano con el que se cierra el circuito de Corriente (a,c), registrando la caída de voltaje (V) entre la

60

puesta a tierra y el electrodo más cercano que corresponde ai circuito de Potencial (a,b), de modo que éste último se halle localizado en un punto que cumpla con ser identificado por su Potencial cero.

3.1.2.1.- Determinación de la Resistencia de-Puesta a Tierra del Electrodo'(Raa) E! método se basa en la medida de la Resistencia que existe entre cada dos de los electrodos clavados en ios puntos (a, b, c) del suelo, cada uno con una Resistencia de Dispersión propia Raa, Rbb y Rcc, teniendo en consideración que manteniendo la corriente I, con el mismo valor se producen Resistencias mutuas en ambos electrodos Figura 3.3, por ejemplo Rab y Rba resultan al medir la Resistencia entre los electrodos (a, b).

PAT

Figura 3.3.- Esquema de Principio - Medida de la Resistencia Total entre Dos

Puntos del Suelo1-14

I Procediendo Idénticamente entre los puntos (a-c) y (b-c) de la (Fig 3.2), sumando y luego sustrayendo resulta:

2*1

-Jtaa~Rab~Rac+Rbc

Como el electrodo (b) está conectado a un voltímetro de alta Impedancia se deduce que no fluirá reemplazando

corriente

por dicho punto de medida, entonces,

61

se obtiene

Según lo cual, la Resistencia,de Dispersión Raa, será obtenida cuando el término entre paréntesis sea cero. 3.1.2.2.- Determinación de las Distancias délos Circuitos de Medida Tratándose de un suelo homogéneo de Resistividad única (r), la condición establecida para la determinación de (Raa) es examinada teniendo en consideración que ios. potenciales entre cada dos puntos, varían en forma inversamente proporcional a sus distancias; luego:

se podrá escribir

{

/

I

1

p

d

d—p

Resultando una ecuación de segundo grado cuya solución de raíz positiva permite establecer la relación general de las distancias de medida de los circuitos de Corriente (d) y de Potencial (p) p= 0,618 xd (p.u.) Donde: p = distancia, a la; que se ínstala, el electrodo de potencial b '••'•&.-£

-'oyV'.,"

d = distancia a la que se Ínstala el electrodo de corriente c

62

Lo cual quiere decir que el electrodo de Potencial (b), para, representar e! valor cero de la Tierra Remota Figura 3.4, debe estar ubicado exactamente a la distancia (p), dado que en otro punto, aún dentro de la misma trayectoria representaría un potencial diferente de cero que se sustraería o añadiría a la medida.

Figura 3.4.-Comentes y Potenciales de Medida del Método Clásico de Caída de

Potencial L14

Potencial Sustraído: Ocurre cuando el electrodo (b) se halla más próximo a la Puesta a Tierra (a), dando resultados de medidas (optimistas) de menor Resistencia.que la real.

Potencial Añadido; Ocurre cuando el electrodo (b) se halla más próximo a! Electrodo de Corriente (c), dando resultados de medidas (pesimistas) de mayor Resistencia que la real.

63

3.2.- MEDICIÓN DE RESÍSHVIDAD.L15

La base de un buen sistema de puesta a tierra comienza con la selección del mejor lugar de emplazamiento y el ensayo del suelo que rodeará a la toma, procurando localizar el área con la más baja resistividad. Por esta razón, la medición correcta de la resistividad del terreno y de la resistencia de puesta a tierra de una instalación determinada adquiere una importancia relevante. La, resistividad

del terreno se mide fundamentalmente para encontrar la

profundidad de la roca, así como para encontrar los puntos óptimos para localizar la red de tierras. Así mismo puede ser empleada para indicar el grado de corrosión de tuberías subterráneas. Para medir la resistividad del suelo se requiere de un telurómetro o Megger de tierras de cuatro terminales con sus cuatro puntas enterradas la misma distancia, y espaciadas la misma longitud en línea recta.

Figura 3.5.- Megger de Cuatro Terminales. AVO International. 3.2.1.-MÉTODO DE WENNER. Generalmente la resistividad del terreno se mide por el método universal de cuatro puntos desarrollado porF. Wenneren 1915. Este método es el más seguro

L15http'J/www,procobreperu.org/publ¡cac¡anes,htm

Medida de parámetros eléctricos aplicados a puestas a tierra puntuales Tercera Parte: Determinación de las Resistividades del suelo para el Diseño

64.

en la práctica, para medir la resistividad promedio de volúmenes extensos de suelos naturales. En este método se clavan en el. suelo 4 electrodos pequeños dispuestos en línea recta con.la misma distancia "a" entre ellosy.a una profundidad "b"que no supere 1/10 de "a" (preferentemente 1/20 de "a"). Entonces se Inyecta una corriente de medición "I" que pasa por el terreno a través de los dos electrodos extremos y simultáneamente se mide la caída de voltaje "U" entre los dos electrodos interiores, utilizando un potenciómetro o un voltímetro de alta impedancia interna. La fórmula aplicada para encontrar la resistividad del suelo es:

p=-

2* A

2*A

Se recomienda usar para una relación de A > 20B la siguiente ecuación. p=2*-rr*A*R donde: p : Resistividad promedio a la profundidad (A) en O.m TT: 3.1415926

A : Distancia entre electrodos en metros. R: Lectura del télurómetro en ohms.

3.2.2.- MEDICIÓN DE LA RESISTIVIDAD UTILIZANDO MUESTRAS DE SUELO La estimación de la resistividad del terreno a partir de la medición de la resistividad de una muestra extraída del mismo, se puede realizar empleando el

65

método de los cuatro puntos en una caja prismática pequeña de sección transversal cuadrada, en la que se introduce el materia! extraído de la probeta respectiva. Como es de esperar, el valor de resistividad que se obtiene de esta manera resulta menos exacto que e! que se obtendría en el terreno real, pero en algunas ocasiones es el único camino posible. 3.2.3.- MEDICIÓN DE IA RESISTIVIDAD POR EL MÉTODO DE LOS DOS PUNTOS Tanto ei instrumento de Shepard como otros métodos semejantes de dos puntos, permiten efectuar una estimación rápida del valor de la resistividad de los suelos naturales, además de ser fácilmente transportable y permitir mediciones en volúmenes reducidos de suelos, como por ejemplo en el fondo de excavaciones. E! aparato consta de dos electrodos, uno más pequeño que el otro, que se conectan a sendas pértigas aislantes. El borne positivo de una batería se conecta a través de un miliamperímetro al electrodo más pequeño y el borne negativo al otro electrodo. El instrumento puede ser calibrado para expresar las mediciones directamente en Ohmcentímetro al voltaje nominal de la batería.

3.3.- MEDICIONES DEL VOLTAJE DE TOQUE L1

Se puede obtener una aproximación del posible potencial de toque que pueda presentarse debido a una falla en una subestación. Para ello se utiliza e! mismo aparato utilizado en la medición de resistividad con

cuatro puntos, con los cables C1 y P1 conectados a una.parte metálica puesta a tierra, tal como la cerca de la subestación. Se

coloca

electrodo

C2

en

tierra

donde

pudiera

ocurrir

una falla.

En iínea recta entre C1 y C2 y: a un metro de la cerca se coloca el electrodo P2 y se procede a medir 'la resistencia en el aparato. El valor obtenido marcará el potencial en voltios por amperio de corriente de falla.

Este valor debe ser multiplicado por la corriente de falla más grande anticipada para esa instalación.

De tal forma que si el instrumento marcó 0,1 O en un sistema donde la falla esperada puede ser de 5 kA, el potencial de toque máximo podría ser de 5000 x. 0,1 =500V.

Tm

Figura 3.6.- Voltaje de contacto.

MEDICIONES DEL VOLTAJE DE PASO. Ll

La medición del potencial de paso y contacto se debe realizar en sitios á! azar, de preferencia, sitios cercanos a las mallas déi cerramiento, ya que en estos sitios existen voltajes altos.

67

Los electrodos de medida deben tener una superficie de 200cm2 simulando el área de tos píes, cada uno, con un disco metálica de 16cm de diámetro y de 20kg de peso. La

resistencia

normalizada

del

ser

humano

se

considera

1000Q.

Experimentalmente se mide entre las dos manos sumergidas en solución salina, que agarran dos electrodos, y parado sobre una placa de cobre. Se inyecta una corriente de magnitud alta, que permita simular !a falla y de esta manera las mediciones no se distorsionen debido a corrientes espurias. La intensidad de corriente inyectada deberá ser de un valor de 1 % de la corriente de diseño de la instalación; para el caso de subestaciones grandes 50 A y para subestaciones de distribución 5 A.

Figura 3.7.-Voltaje de Paso.

3.5.- INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN.

Una vez que hemos visto los métodos de medición que se ha desarrollado con la finalidad de encontrar los valores característicos de un Sistema de Puesta a Tierra, procederemos a revisar la tecnología existente para realizar dicha iabor. Es así como la electrónica digital ofrece .una variedad importante de equipos; entre los más conocidos en el mercado, tenemos ¡os siguientes:

68

3.5.1.-ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL AEMC 37UML16 Características •

Alarma de encendido y apagado - No hay necesidad de desconectar de servicio él neutro

•

Lectura Directa de resistencia de tierra de 0.01 Q a 1200 Q

•

Lectura Directa de continuidad de la malla de tierra

•

La lectura Directa de corriente de fase 1 mA a 30A rms

•

Pinza

con ventana de

1,25" (32mm) de diámetro capaz de ser

instalado con conductores hasta 10QOMCM •

Apagado automático

•

CE Marca y aprobado por UL

•

Armazón resistente a roturas.

•

Diseño patentado

Aplicaciones •

Medición de la resistencia de puesta a tierra de varillas y mallas;

•

Usado en sistemas con múltiples puestas a tierra sin tener que desconectar la varilla en prueba.

•

Medición de la resistencia y la continuidad al conectar puestas a tierra alrededor de construcciones y edificios.

•

Mide é! flujo de corriente drenada a tierra o la circulación de la misma en los sistemas de puesta a tierra.

Llfl

•

Almacenamiento de Estudios, datos, y lectura de datos.

•

Usado en torres y sitios de con telecomunicación.

AEMC lnsfruments.3711 M technícal spedfícatibns.htm

69

El modelo NAVICP se entrega con:

•

Protección ambiental MIL^STD

•

Circuitería impresa.

Figura 3.8.- Medidor de tierras AEMC 3711M

AEMC Instruments 371 1 M Características de desempeño Forma de Operación

Manual

Dimensiones Ancho

100mm(3.93 in)

Alto

235 mm(9.25 in)

Longitud

55mm(2.16ín)

Peso

1 -kg(2.2'lb)

Conductonde Tipo

Tierra Continuidad

Probador HÍ-pot Fuerza Dieléctrica

No

Tabla 3.1.-Características de:desempeño del AEMC Instruments 3711ML16

70

3.5.2.- ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL UNILAP GEOX NORMA GOER LEM•LI7

Equipo universal para mediciones de tierras, permite realizar pruebas en instalaciones y protección contra rayos. Todos los instrumentos operan con una batería, poseen un interruptor automático de apagado y una pantalla con iluminación. Permite fijar los parámetros de medición. La supresión de corrientes parásitas proporciona resultados de medición fiables. Presenta facilidades especiales adicionales para mediciones estándares con 3-polos. El probador de tierras permite la medición en varillas o mallas de puesta a tierra sin interrumpir la continuidad del servicio. La medición de tierras selectivas no sufre influencia de tierras paralelas. Menor profundidad de instalación permitiendo mediciones rápidas. Medidas de la resistencia de tierra específica. Permite medir ia ímpedancla de puesta a tierra de torres de alto voltaje.

Figura 3.9.- Medidor de U MI LA P GEOX1L17

NORMA GOER

LEM UN1LAP GEO technícal specifications.htm

71

Este instrumento de medición cumple con la norma VDE 0100, 0701 y BS 7671 En la tabla 3.2 se muestra las características de operación del instrumento. UNILAP GEO Medida de voltaje de interferencia DC/AC (UST) Medida de interferencia de frecuencia (FST) Resistencia de tierra 3-4 polos (RE) Medida de resistencia 2 polos (R ~) UNILAP GEO X Medida de voltaje de interferencia DC/AC (UST) Medida de interferencia de frecuencia (FST) Resistencia de tierra 3-4 polos (RE) Medida de resistencia 2 polos (R ~) Medida de resistencia 2 polos (R =) Selector de resistencia de tierra con transductor de corriente 3-4 polos (RE)

1 ... 50 V, ±5 %

16.... 400Hz,±1 % 0.020 Ohm ... 299.9 kOhm, ±5 % 0.020 Ohm ... 299.9 kOhm, ±5 % 1 ... 50 V, ±5 % 16...400Hz,±1 %

0.020 Ohm „. 299.9 kOhm, ±5 % 0.020 Ohm ... 299,9 kOhm, ±5 % 0.020 Ohm ... 3 kOhm, ±5 % 0.020 Ohm ... 30 kOhm, ±10 %

Tabla 3.2.- Características de operación del instrumento L17

3.5.3.- ESPECIFICACIONES TÉCNICAS HANDY GEOL17

Figura 3.10.-Instrumento de medida Handy GEO El instrumento de medición Handy GEO pertenece a la familia UNILAP.

72

Es un probador de tierra portátil, posee 3-poios de medida de tierra y 2polos para medidas de resistencia. El despliegue de ¡as mediciones se muestra en una pantalla digital.

El instrumento puede presentar gráficos de barra de los valores de las mediciones mediante una interface opcional (RS232) y una PC mediante el software WinVIEW, o se los puede enviar directamente a una impresora.

3.5.4.- PRINCIPIO DE OPERACIÓN DE LOS EQUIPOS DE MEDICIÓN. a) Principio de funcionamiento del probador de Tierras UNILAP GEOX marca LEM Medida de Resistencia de puesta a Tierra y Resistividad.-

El UNILAP GEOX está equipado con un medidor de resistencia de 3 polos así como uno de 4 polos los cuales dan medidas de resistencia de sistemas de puesta a

tierra, así como medidas de resistividad de la tierra de estratos

geológicos.

Este probador tiene como función especial la de realizar mediciones singulares de ramas de resistencias con un transformador de corriente externo (pinzas) las cuales se las puede realizar sin necesidad de separar la tierra del sistema (medida con el sistema energizado). Principio de Operación.-

El UNILAP GEOX puede realizar mediciones con electrodos auxiliares o con transformadores de corriente extemos (pinzas). i) Utilización de electrodos auxiliares.

73

En la figura 3.11 se puede observar el diagrama esquemático del método de medición. El equipo tiene internamente un generador de corriente, esta corriente es inyectada por el electrodo más cercano a este que en nuestro caso es la varilla de puesta a tierra (E) para retomar por el electrodo más lejano al equipo (H), registrando la diferencia de potencial (V) entre la varilla de puesta a tierra y el electrodo mas cercano (S) que corresponde al circuito de potencial (ES, S) de modo que éste último se halle localizado en un punto que cumpla con ser identificado por su potencia! cero. El método de medición que utiliza este equipo es el de caída de potencial el cual se lo utiliza para 3 polos, sin embargo si se quiere ser mas exacto en las mediciones se puede utilizar el mismo método pero para 4 polos para lo cual se deben cortocircuítar los terminales de voltaje y de corriente mas cercanos.

Figura 3.11.- Método de medición del equipo UNILAP GEOX L18

El diagrama muestra el método de medición para 3 polos, para el caso de 4 polos es necesario unir los terminales E, y ES. Además se debe tener cuidado de que el selector de! equipo este ubicado en el tipo de medida que se quiera realizar 3 polos/4 polos. Lia

Instrucdones de operación UNILAP GEO / GEOX, LEM

74

El método de medición con electrodos auxiliares es válido siempre y cuando el sistema este desenergizado. ii)

Utilización de transformadores de corriente externos (pinzas)

El, propósito de la utilización de estas pinzas es el de realizar mediciones de las resistencias de conexiones de tierra individuales en sistemas con conexiones de tierra paralelas (sistemas de tierras múltiples), sin tener que desconectar los electrodos de tierra durante la medición.

i

i L

i

' J

JL

/ JL

\L J

Figura 3.12.- Conexión en sistemas de tierra múltiple

Figura 3.13.- Diagrama Equivalente sistema de tierra múltiple

El principio de operación para la medición de la resistencia de puesta a tierra se basa en el diagrama equivalente dé donde:

75

1

_L

1

(ec.3.1)

' Rn Si la conexión paralela de resistencias R1

Rn es considerablemente mas baja

que la conexión de tierra bajo prueba Rx se tiene:

I 1 H h M R2

H

1 R

,..

Por lo que Rx es una aproximación razonable.

El voltaje de prueba se aplica sin desconectar la varilla de tierra y/o la conexión eléctrica directa por medio de un transformador de potencial damp-on y la corriente es detectada por un segundo transformador de corriente de las mismas características.

ü

-P

U

Figura 3.14.- Principio de operación de pinzas

76

El probador de tierra despliega e! valor de la resistencia de puesta a tierra Rx en el: display. b) Principio de funcionamiento del Probador de resistencia a tierra AEMC modelo 3711

El principio de operación de la pinza, AEMC 3711 es el mismo que el de transformadores de corriente extemos (pinzas) del UNILAP GEOX. La diferencia que existe en este equipo es que los transformadores de potencial y de corriente se encuentran acoplados en una sola pinza. La pinza AEMC además de ser un probador de tierras es un amperímetro con capacidad de 30 A; cuando la corriente del electrodo de tierra sobrepasa 5 A la medida que resulta se distorsiona^ Este equipo y el método mencionado en el UN!LAP GEOX operan con el sistema energizado por lo que los hace mas versátiles: al momento de tomar una medición.

77

CAPITULO IV 4.- ANÁLISIS DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA DE LA EEQ S.A. 4.1.- INTRODUCCIÓN

La Empresa Eléctrica Quito tienen un alto índice de salidas de alimentadores debido a descargas atmosféricas que representan un perjuicio económico para la empresa, al considerar !a cantidad de equipos que en forma permanente salen de la red, el tiempo que se tarda en su reposición, energía no vendida, y quejas que se pueden tener por parte de los consumidores ya que debido a la falla varios equipos pueden dañarse. Uno de los factores que debe considerarse para una correcta operación de la protección contra fallas, de iodo sistema eléctrico de potencia, es el sistema de puesta a tierra. Para el análisis a realizar de los sistemas de puestas a tierra, es necesario conocer los parámetros del sistema de potencia. Esta información se la obtuvo del departamento de distribución de la Empresa Eléctrica Quito. A continuación se presentará las características más relevantes del Sistema de distribución, información actualizada a la fecha. Área de Concesión. Provincia de Pichincha: Quito Mejía

78

•

Rumiñahui

•

Cayambe: Ascázubi, Otón, Santa Rosa de Cuzubamba,

•

San Miguel de los Bancos

•

Puerto Quito

•

Pedro Vicente Maldonado

Provincia del Ñapo: •

Quijos: Baeza, Cuyuga, Cosanga, Papaüacta.

•

Chaco: El Chaco, Bombón, Linares.

Provincia de Imbabura: •

García Moreno.

Provincia de Cotopaxi: •

CURSEN.

Para el suministro de energía eléctrica, la Empresa Eléctrica Quito tiene 33 subestaciones en operación, con las siguientes capacidades:

Número de la Subestación

Nombre de la Subestación

1 2

OLÍMPICO LULUNCOTO BARRIONUEVO CHIMBACALLE ESCUELA SUCRE SAN ROQUE LA MARIIS! MIRAFLORES EL DORADO BEUSARIO QUEVEDO LA FLORESTA GRANDA CENTENO EL BOSQUE RIO COCA

3

4 6 7 8 9 10 11 12 13

15 16

CAPACIDAD DE LA SUBESTACIÓN (MVA)

VOLTAJE (kV) 1

2

3

OA

FA

20 6.25 40 16 6.25 20 10 10 12.5

46

6

15

46

6

1.1.25

46

6

46

6

12

46

6

5

46

6

15

46

6

46

6

8 8

46 46

6 6

10

46

6

8

46

6

46 46

30

22.86

8

'

10 :

10

20:

6

15 15

20

6

30

40'

FOA

20

79

46

6

15

20

138

22.86

27

33

138 46 46 46 46 46

46

20 95 30 15

127 40 20

133

37.5

54.2

33

15

20

15

20

28

ANDALUCÍA CRISTIAN ¡A COTOCOLLAO EPICLACHIMA LA CAROLINA SAN RAFAEL IÑAQUITO

32

SAN PABLO

34

MACHACHI TUMBACO

46

20

46

22.86 22.86

15

36

20

37

SANTA ROSA

46

22.86

15

41 49 53 54 55 57 58 59

SELVA ALEGRE LOS BANCOS PÉREZ GUERRERO PAPALLACTA SANGOLQUÍ POMASQUI EL QUINCHE EUGENIO ESPEJO

138

46

60

46

13.2

8

46

6

46

22,86 22.86 22.86

15 6.6

27 20 80 10 20

17 18

19 21 24 27

46

22.86

22.86 6

22.86

6.3

6 6

138 46 22.86 138 22.86

100

7.26

20

20 27

15

20

20

27

15

33

33 33

Tabla 4.1.-Subestaciones pertenecientes a la EEQ.S.A.

4.2.DESCRIPCIÓN ALIMENTADORES.

Se ha tomado

DEL

ESTADO

OPERATIVO

DE

como referencias de medición tos siguientes afimeníadores

primarios en base a las consideraciones descritas en el (capítulo 4): Sector Norte: •

19(Cotocollao)B

•

18(Cr¡sí¡anía)A

Sector Sur: •

59 (Eugenio Espejo)B

•

04 (Chimbacalle)B

•

21 (Eplicáchima)D

80

Sector Este: •

12(LaFloresta)A

•

28(lñaquíto) A

Sector Oeste: •

15(EI Bosque)B

•

9(MÍraflores) E

Dichos allmentadores abarcan gran parte del área de concesión urbana de la empresa eléctrica Quito. En la siguiente tabla se presentan las subestaciones de los allmentadores que se van a analizar con sus características operativas.

Número deS/E

Nombre deS/E

4 9 12 15 18

Chimbacalle Mí raí lores Floresta El Bosque Cristian í a Cotocollao Epiclachima Iñaquito Eugenio Espejo

19

21 28 59

Tipo D= Distribución Numero de S=Seccio na m ien to allmentadores R= Reducción 6 4

D D

3

D

5 6 7

S,D D R.S.D

6 4

S,D D

4

D

Voltaje (kV)

Capacidad Subestación (MVA)

Ubicación geográfica

1 46 46

2 3 OA FA FOA 6 20 12 16 Chimbacalle 8 10 6 M ¡raíl ores 6 46 8 10 Floresta 46 6 15 20 Cocha pamba 138 22.86 20 27 33 Cristianí a 46 22,86 95 127 133 138 Cotocollao 46 22.86 30 40 Epiclachima 46 6 15 20 Iñaquito Eugenio 138 22.86 20 27 33 Espejo

Tabla 4.2.- Características operativas de S/E

En la siguiente tabla se presentan las características operativas de los alímentadores que se van analizan

59

28

21

19

. .18

15

4 9 12

#S/E Chimbacalle Mira fio res Floresta El Bosque Orlstlanla C oto col la o Epiclachlma .Carolina Eugenio Espejo . _

Nombre S/E

59B

28A

12A 15B .18A 19B 21D

9E

4B

Idént Prim

372 i 99

49893

253

187

185

325

15664 16316 9109 14163 16288 189474 88321 5723

379 193 351

Long Tot. Corriente Primarios a Dmax. (rri) [A]

7531

3992 1986 3558 3300 7042 5414 9885 3905

2434

1296 2376 5083 2554 1184

1357

11.41 617

Dmax Dmax registrada. reactiva (kW) (kVÁR)

0,95

0,96

0,95 0.73 0,966

0.93

0,96 0.95 0,93

(PU)

1

1 1 1 1 1 1 1 1

Voltaj FP Dmax Dmax

Tabla 4.3.- Características operativas de alimehtadbres

Í7B30

13415

Cap. Insta I en GIS (kVA) 6355 8583 10668 10434 16290 31330 23290

82

4.3.- DATOS ESTADÍSTICOS DE SALIDAS DE PRIMAMOS POR DESCARGAS ATMOSFÉRICAS. Las Puestas a tierra tienen primordial importancia a! permitir que los equipos de protección despejen rápidamente las fallas.

La protección contra los efectos de ias descargas atmosféricas, comprende tanto la protección contra el impacto directo de la descarga, como la protección contra los sobrevoftajes inducidos por dicha descarga.

A continuación se presenta información en la cual se resume las suspensiones ocurridas debido a descargas atmosféricas con su respectiva frecuencia de desconexión, dichos datos fueron proporcionados por el Departamento de Ingeniería de Distribución

Frecuencia de desconexión debido a descargas atmosféricas 2000-2004 Mes

Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre

Frecuencia Desconex. 2000 17.00 24.00 12.00 14.00 32.00 8.00

14.00 3.00 17.00

Frecuencia Desconex. 2001 18.00 10.00 33.00 14.00 8.00 5.00 14.00

Frecuencia Desconex. 2002 22.00

1.00

14.00

48.00

14.00 36.00 63.00 51.00

9.00 53.00 55.00

11.00 7.00 1.00

1.00 11.00 27.00

Frecuencia Desconex. 2003 20.00 20.00 19.00 105.00 9.00 31.00 0.00 7.00

53.00 41.00 29,00

Frecuencia Desconex. 2004 1.00 6.00 12.00 37.00 20.00 0.00 5.00 2.00 19.00

7.00

Tabla 4.4.- Frecuencia de desconexión debido a descargas atmosféricas 2000-

2004

En el gráfico comparativo de frecuencia de desconexión anual se puede observar que se tuvo una mayor frecuencia en el mes de Abri! del año 2003 con 105 desconexiones, este año además fue en el que se produjeron el mayor número de desconexiones con 341, comparando ¡os años 2001,2002, 2003, en cuanto al total de desconexiones debidas a descargas atmosféricas se ve que en el año 2001 se tuvo el menor número de desconexiones con 190.

83

Frecuencía de desconexión debido a descargas atmosféricas 20002004 El Frecuencia 04 O Frecuencia 01

H Frecuencia 03 • Frecuencia OO

D Frecuencia 02

. 100-

o

S

80-

Q

4020-

ti

I

U

2 u_

Dl~Jj~il Ene

Feb

Mar

IB

II

.Oíítl«L"Jí"jLÍ.Jlll IL I í"ü.l"

Abr

May

Jun

Jul

Ago

Sep

Oct

Nov

D¡c

Mes

Figura 4.1.- Gráfico comparativo de frecuencia de desconexión anual

En la gráfica se puede distinguir con daridad que el mayor número

de

desconexiones se produce en los meses de Marzo y Abril de cada año, esta tendencia se debe a que en estas fechas la ciudad de Quito entra en etapa invernal presentándose una alta frecuencia de lluvias y por ende de descargas atmosféricas, las cuales son responsables de las desconexiones.

4.4.- NIVELES CERAUNICOS.

Se llama con este nombre a la cantidad de tormentas eléctricas (en las que se escuchan truenos) que hay en un año. El número de tormentas eléctricas tiene indudable relación con el número de descargas que ocurren por unidad de superficie y unidad de tiempo. Es mas representativo el número de descargas eléctricas por unidad de superficie (km2) y por año, que mide la probabilidad que tiene un punto del terreno de ser alcanzado por una descarga atmosférica. En la zona de Quito las mediciones realizadas durante algunos años (datos tomados de TRANSELECTRIC S.AO arrojaron un resultado de 11, 20, y 60 descargas / km2 año, esto es en ¡as zonas;

84

Sur occidente exterior con 60 descargas / km2 año Sur occidente interior con 20 descargas / km2 año Centro occidente con 11 descargas / km2 año De acuerdo a ios valores de niveles ceráunicos nos hemos guiado para tomar los alímentadores en las zonas en las que se realizarán las mediciones como se indicará en este capítulo.

4.5.- NORMATIVA VIGENTE DE LA EEQ S.A. PARA PUESTAS A

En ia parte A de las normas para sistemas de distribución de la EEQ SA en el punto A-12.10.- "conexiones a tierra" establece que las conexiones a tierra del neutro se efectuarán, por lo menos en los siguientes puntos del sistema: a) Para redes de distribución en áreas urbanas; en los centros de transformación y en los dos terminales del circuito secundario mas alejados del transformador. b) Para redes de distribución en áreas rurales: similar al literal "a" y además para circuitos secundarios prolongados en puntos intermedios a intervalos de 200 m. c) Para circuitos primarios y líneas de distribución de 23 kV, con neutro continuo: a intervalos de aproximadamente 300 m en toda su longitud y además en los puntos terminales. Para el diseño de la puesta a tierra la norma establece que el proyectista deberá seleccionar una de las disposiciones tipo para la conexión a tierra, que se muestra en la parte "B" sección B —50, de acuerdo ai valor de la resistividad del terreno, a fin de obtener un valor de resistencia de puesta a tierra inferiora 25D. Normas para sistemas de distribución de la EEQ SA parte A "Guía para diseño de las redes de distribución" y B referente a "Estructuras Tipo".- Construcción de los sistemas de distribución

L19

85 En la parte B de las normas para sistemas de distribución de !a empresa eléctrica Quito referente a "Estructuras Tipo".- Construcción de los sistemasde distribución sección B-5Q, señala las siguientes disposiciones tipo para las conexiones a tierra.

Disposiciones tipo para líneas y redes de distribución. Notación:

. ta: Cable de puesta a tierra (conductor de cobre#2- 1/0 AWG). . tb: Conectar para varilla de puesta a tierra . íc: Contrapeso (conductor de cobre # 2 AWG); . td: Varilla de puesta a tierra, 16 mm x 1.80 m

-

Disposición I (T1-1)

£

Figura 4.2-- Vista frontal de disposición T1-1

86

0,15

Figura 4.3.-Vista superior de disposición T1-1

Para esta disposición de acuerdo a la norma (parte B) de la EEQ SAse admite una máxima resistencia de puesta a tierra de 25 O, se utiliza cuando la resistividad del terreno es de 100 O.m.

En ¡a siguiente tabla se muestra ¡a lista de materiales para esta disposición:

Ref. Unidad 1 2 3 4 5

c/u c/u

.m .m e/u

Lista de Materiales Descripción Cantidad Varilla de puesta a tierra de"Copperweld", 16 mm$x 1,80 m 1 Grapa Coppenveid'para varilla de puesta atierra 2 Contrapeso, conductor de cobre N° 2 AWG 3 Conductor de cobre desnudo, suave, N° 2 AWG 9 Conector paralelo para cobre -aluminio 1

Tabla 4.5.- Lista de materiales para la disposición T1-1 (1 varilla)

87

Disposición II (T1-2)

•fl

/a-

• —tb

~ -^

Id

_*d

^

r

\'

Figura 4.6.- Vista frontal de disposición T1-2

0,2

Figura 4.7.-Vista superior de disposición T1-2 Para esta disposición de acuerdo a !a norma (parte B) de la EEQ SA se admite una máxima resistencia de puesta a tierra de 25 Q, se utiliza cuando la resistividad del terreno es de 130 G.m_

En la siguiente tabla se muestra la lista de materiales para esta disposición: Lista de Materiales Ref. Unidad Descripción Cantidad 1 c/u: Varilla de puesta a tierra de "Copperweld", 16mm'

9 _!£.

^

Placa vertical H - prof. Enterramiento ,b= Diagonal / 2 r = espesor de la Placa

RI>T

p

86

i ^ íi i 8JJLA^

7

-i r-2 1

24

4VJ

Tabla 6.2.- Fórmulas para el cálculo de Resistencias de puesta a tierra en baja frecuencia^28 d) Construcción

En la normativa vigente de la Empresa Eléctrica Quito S.A. se tienen las diferentes disposiciones tipo para la instalación de los sistemas de puesta a tierra, en las cuales nos hemos basado para realizar las correcciones necesarias con el fin de disminuir el valor de !a resistencia de puesta a tierra.

\a)

175

DISPOSICIONES TIPO SUGERIDAS

Disposición tipo I" (TI -1)

/s

0,15-

Esta disposición se utiliza para valores de resistividad menores o iguales a 100Qm. Lista de Materiales Reí Unidad Descripción Cantidad 1 c/u Varilla de puesta a tierra de "Gopperweld",, 16 mmx1JiQm 1 c/u 2 Grapa Copperweld para varilla de puesta a tierra 2 3 Contrapeso, conductor de cobre- N° 2 AWG 3 mConductor de cot»re.desnudo,,suaue, ND 2 AWG 9 4. m: 5 Conector paralelorpara cobre-alumínio c/u 1,

176

Disposición II (TI -2) t i 1 1 arauuaaaiauíuiMaiUMi •fa (B-*b. Efl

w. tutanVOUK£CUtt''AElUUVMW"

ir £5

xO-

1,

/ -tb

>tc

_td

-«

^ «-*

•

.

2.0

2J5

Esta disposición se utiliza para valores de resistividad menores o iguales a

1.30 O.m. Lista de Materiales Ref. Unidad 1 2 3 4 5

c/u

c/u m m

c/u

Descripaón Cantidad Varilla de puesta a tierra de "Copperweld", 16 mm0 x 1.80 m 2 Grapa Coppeiweld para varilla de puesta a tierra 2 Gonlrapeso; conductor de cobre N° 2 AWG 5 Conductor de cobre desnudo, suave, N" 2 AWG 9 Conector páratelo para cobre-aluminio 3

177

Disposición III (T1-3)

te 2n

•bi

--tb te

Mal

•id

Esta disposición se utiliza para valores de resistividad menores o Iguales a

200 n.m_ Lista de Materiales Cantidad Ref. Unidad Descripción Varilla de puesta a tierra de"Copperweld", 16 mm0 x 1.80 m 3 . 1 c/u Grapa Gopperweld para varilla de puesta a tierra 4 2 c/u Contrapeso, conductorde cobre N° 2 AWG 10 3 m Conductor de cobre desnudo, suave, N° 2 AWG 9 m 4 Conecíor paralelo para cobre-alumínio c/ü 3 5

Nota.- Se establece que para equipo de transformación aéreo en base a las corrientes de cortocircuitos se puede estandarizar el conductor No. 2 AWG como conductor para la unión del equipo con el electrodo de puesta a tierra. Se recomienda usarsuelda exotérmica para eliminar el riesgo de corrosión, yevitarproblemas de conductividad, que-se produce en la unión entre el conductory él conector.

e) Mantenimiento En toda instalación eléctrica tenemos implícito un riesgo, de ahí la importancia de un tratamiento preventivo al problema.

178

Se recomienda realizar periódicamente mediciones de la resistencia de puesta a tierra, y si es el caso mejorarla mediante ¡os siguientes procesos:

-

Revisar los conectares (existencia de corrosión)

-

Retirar conectores y reemplazarlos por suelda exotérmica

-

Tratamiento químico para mejoramiento de suelos

CÁMARAS DE TRANSFORMACIÓN.-

Para el caso de cámaras de transformación, es necesario tener una correcta distribución de potenciales en el suelo, debido al cercanía con que se encuentra el personal de mantenimiento a todos los equipos que conforman dicha cámara; es por ello que para la construcción de su sistema de puesta a tierra, resulta mejor el diseño de una malla de puesta a tierra, ya que se toman en cuenta parámetros como voltajes máximos tolerables de paso y de contacto.

La metodología que se recomienda para el diseño de mallas de puesta a tierra es el propuesto según Norma IEEE Std 80-2000, que se muestra a continuación:

Para el procedimiento de diseño se consideran ios parámetros que se muestran en la siguiente tabla:

p p 3I0 A Cs

d D Df Dm Em Es EstepSQ

EtfepTD EtouohSO

Resistividad del suelo Resistividad de la superficie del suelo Corriente simétrica de falla en la subestación por conductor de tipo A Área tota! de le malla Factor de decrcmento en la capa superficial Diámetro dei conductor de malta Espacio entre conductores paralelos Factor de decremento por Determinación de IG Máxima distancia entre dos puntos en la malla Voltaje de malla Voltaje de paso Voltaje de paso tolerable para una persona de 50 kg de peso Voltaje de paso tolerable para una persona de 70 fcg de peso Voltaje de contacto tolerable para una persona

179

Elotich 70

h "G l«

K Kh K, KH Km

K, U

U LR

U LT Lx

LY

n HR

RQ sf te

tf

ti

de 50 kg de peso Voltaje de contacto tolerable para una persona de 70 kg de peso Profundidad de tos conductores de la malla Máxima corriente de malla que fluye entre la malla y la tierra circundante Corriente simétrica de malla Factor de reflexión entre diferentes resistividades Factor de corrección por profundidad, enterramiento de la malla Factor de corrección por geometría de malía Factor por corrección por ubicación de electrodos tipo varilla Factorde espaciarme nto para tensión de malla Factor de espaciamlenío para tensión de paso Longitud total de conductor de malla Longitud efectiva por voltaje de malla Longitud total de la varilla Longitud efectiva por voltaje de paso Longitud total efectiva del conductor del ' sistema de tierra. Longitud máxima de conductor de malla en la dirección x Longitud máxima de conductor de malla en la dirección y Factor de geometría Número de varillas localizadas en el área A Resistencia de tierra del sistema Factor de división de corriente de faifa Tiempo de despeje de falla por el tamaño de conductor de tierra Tiempo de despeje de falla por Determinación del factor de decremento Duración del shock determinada por la corriente admisible por el cuerpo

CONSTANTES p = Re sisítividad aparente del terreno tomado como un suelo uniforme (Q j») 1 = Corriente de falla monofásica a tierra en el secundario (kA~) /0 = Corriente de falla monofásica a tierra en el primario (A} rc — Tiempo de despeje de fallas (5) K, = Constante para diferentes materiales a diferentes temperaturas da fusión Tm y ana temperatura ambiente de40°C

180

Conductora utilizar 1.9740 Voltajes de paso y contacto máximas tolerables. 50kg __(l 000+6*0, *p,)*0.116 paso tolerable

V.conlóela tolerable

í. (lOOO+1.5*C,*p,)*0.:il6

{V}

W\]

poso tolerable-

V.cnnfacin

in

_(lOOft4-6*C.*p,)*0:157 ío¡ert&&

donde : 0.09* 1- P

C =1-

2*A,-f-0;09

Determinación de la Configuración Inicial. Longitud total del conductor: ^=4+^*4,

[/«]

Donde;

/jara mallas cuadradas o rectangulares Cálculo del área :

Cálculo de la resistencia de puesta a tierra Rg en ohmios.

18:1

Cálculo del máximo potencial detierra(GPR)

donde: fG= L9*/0

[-4]

Si GPR > V^^fr tejóte entonces deben calculárselos voltajes de malla y de paso en caso de falla Cálculo de voltaje de malla en caso de-falla

.malla

L55-Í-1.22*

donde: In

h

I6*h*d

KH— 1 para mallas con electrodos de varilla a lo largo del perímetro, en.las esquinas o dentro de la malla.

para mallas sin electrodos tipo varilla o con pocas varillas: dentro de la: malla . = 0.6444-0.148*73

K, =

n~n'a *«,b *ne donde: nt = (¿, 4-X2)*2

[m] para mallas cuadradas o rectangulares.

S¡ Vmaiia > Vcontacto , se debe cambiar la configuración de la malla" Si Vmaiia < Vcontacto se puede pasar a cambiar la tensión de paso.

Cálculo de voltaje de paso en caso de faila

*Vpaso tolérate, se debe cambiar la configuración de la malla; Sí Vpaso