Interconexion de Mallas de Tierra

7/17/2019 Interconexion de Mallas de Tierra

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CAPITULO 5

INTERCONEXIÓN DE MALLAS DE TIERRA

En determinadas situaciones puede ser conveniente interconectar diferentes puestas a tierra

de una instalación, con el objeto de mejorar las características del conjunto y disminuir lasdiferencias de potencial entre distintos puntos de éstas. Sin embargo, no siempre es adecuado,

como regla general, realizar la interconexión de puestas a tierra, y en cada situación debe anali-

zarse las ventajas e inconvenientes de hacerlo. Un ejemplo simple de la inconveniencia de unir

puestas a tierra, es el caso de subestaciones de muy diferente nivel de voltaje e importancia,donde la interconexión de sus puestas a tierra significa transferir innecesariamente altas eleva-

ciones de potencial desde la subestación de mayor voltaje, -y probablemente con mayor corriente

residual de falla- hacia la instalación de menor voltaje nominal. Puede ser preferible en estascircunstancias mantener separadas las puestas a tierra y emplear medios especiales de

aislamiento, si se debe traspasar información desde un lugar a otro.

Otro ejemplo de la necesidad de contar con una puesta a tierra independiente y nointerconectada con otras, se produce en el caso de equipos y servicios de comunicaciones e

informática. Si la puesta a tierra de comunicaciones está interconectada con otra puesta a tierra de

servicio, la primera participará en la conducción de las pequeñas corrientes que circulan a tierraen condiciones normales, las que dan origen a también pequeñas diferencias de potencial entre

distintos puntos de la puesta a tierra de comunicaciones, pero suficientes como para producir

interferencias en la transmisión de información. Ahora, al producirse una falla en la instalación

de potencia, el efecto sobre los equipos mencionados puede se catastrófica.

Otra situación, en que no solo se justifica sino que es necesario o imprescindible una

interconexión, es la unión de una puesta a tierra con electrodos auxiliares, con el objeto dereducir la resistencia combinada y, por tanto, las solicitaciones de voltaje. Este caso es frecuente

en puestas a tierra de instalaciones ubicadas en terrenos de alta resistividad y donde, por ejemplo,

existe la posibilidad de instalar electrodos auxiliares en una zona de suficiente menor

resistividad, como puede ser un lago o río próximo a la instalación.

De todas maneras, la decisión sobre la interconexión de puestas a tierra debe responder a

un análisis técnico-económico que considere las distintas opciones de solución y sus costos,

teniendo siempre presente como aspecto prioritario, la seguridad de las personas en la instala-ción.

5.1 Método de cálculo aproximado de puestas a tierra interconectadas

El cálculo exacto de puestas a tierra interconectadas se puede realizar aplicando el mismo

procedimiento general utilizado para una sola, considerando los elementos de todas las puestas a

tierra y los elementos de interconexión embebidos en el terreno. Sin embargo, para fines



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prácticos es conveniente y suficiente emplear métodos aproximados de cálculo más simples, que proporcionen una exactitud adecuadamente conservativa.

Una forma de proceder para el cálculo aproximado de puestas a tierra interconectadas, es

considerar a cada uno de los componentes que participan en la interconexión: puestas a tierra propiamente tales y cables de interconexión enterrados, como electrodos equivalentes. De este

modo, conociendo la resistencia propia de cada uno y las resistencias mutuas entre ellos, se

configura un sistema de ecuaciones similar al configurado en el método general de cálculo deresistencias. A continuación se analiza la interconexión de dos o más mallas de tierra

considerando los efectos mutuos respectivos y aplicando el método de cálculo de resistencia de

electrodos compuestos, para lo cual se supone a cada malla individual como un electrodo

componente.

Figura 5.1: Interconexión de dos mallas de tierra.

En la figura se muestran dos mallas interconectadas entre sí y su respectivo circuito

equivalente; en este circuito:-- R 1 = resistencia de puesta a tierra de malla 1

-- R 2 = resistencia de puesta a tierra de malla 2

-- R 12 = resistencia mutua entre mallas 1 y 2

-- Z = impedancia de cables de unión entre mallas o equivalente de todos los elementos de unión

externos al terreno.

Es conveniente duplicar el conductor de unión de dos mallas, con el propósito de asegurar laconexión frente a daño mecánico o de otro tipo. Habitualmente se conoce R 1, R 2 y Z; la

resistencia mutua entre mallas, R 12 se estima por el método de la semiesfera equivalente. Este

método, asigna a cada malla una semiesfera de radio tal que tenga igual resistencia de puesta atierra y la resistencia mutua resulta:

e R 12 = -----

2s

e = resistividad equivalente del terreno,s = distancia entre los centros de las mallas de tierra o de sus semiesferas equivalentes.



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En el momento en que se produce una circulación de corriente al terreno, se considera la peor situación de corriente de falla IF, con corrientes I1 e I2 difundidas respectivamente por las

mallas 1 y 2 y se determina finalmente la resistencia equivalente del circuito de la Figura anterior.

Se cumple:

IF = I1 + I2

V1 = R 1·I1+ R 12·I2

V2 = R 12·I1+ R 2·I2

Conociendo la impedancia Z de los elementos de unión se puede plantear una tercera

ecuación para la diferencia (V1 - V2 ) y conformar un sistema consistente de ecuaciones para lascorrientes y los voltajes por malla. Si la impedancia de los elementos de unión es muy pequeña

(Z 0), se acepta que V1 = V2 y se obtiene como resultante la expresión similar a un electrodocompuesto:

R 1 R 2 - R 12²R = ---------------------

R 1 + R

2 - 2R

12

y las corrientes por cada malla se reparten según:

R 2 - R

12

I1 = ------------------- IF

R 1 + R

2 - 2R

12

R 1 - R 12 I2 = -------------------- IF

R 1 + R

2 - 2R

12

siendo IF = I1 + I2 la corriente total de falla y VM = R · IF la elevación de voltaje de ambas mallas.

5.2 Efectos sobre el sistema

La distancia de separación entre dos mallas que se interconectan incide directamente en la

resistencia mutua R 12 entre ambas. Si las mallas están suficientemente alejadas, este efecto

mutuo desaparece y la interconexión provoca la combinación paralela de ambas mallas,

reduciendo significativamente el valor final de resistencia de puesta a tierra. Si las mallas están

próximas, traslapando sus zonas de influencia, la interconexión externa al terreno es ineficiente, pues el valor final de resistencia no será significativamente menor. En este caso, la unión de las

mallas con conductores enterrados, formando una sola malla, aparece en general como una



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solución más atractiva. El valor final de resistencia de puesta a tierra en este caso debe evaluarseempleando las expresiones de Laurent o Schwarz.

En cualquiera de las situaciones anteriores, la interconexión de mallas o la unión con

conductor enterrado, la corriente de falla total en cada instalación aumenta, puesto que se hareducido la resistencia de puesta a tierra final. No obstante, esta corriente de falla circulará por

ambas instalaciones, según la proporción definida por las expresiones indicadas, y las

condiciones de seguridad en esta nueva situación no necesariamente serán más riesgosas queantes. Sin embargo, esta nueva corriente de falla circula también por los alimentadores, por lo

que éstos serán más exigidos, salvo que las respectivas protecciones operen adecuadamente.

Figura 5.2 Circuito de corriente de falla monofásica a tierra

Si Z0, Z1 y Z2 son las impedancias de secuencia cero, positiva y negativa respectivamente,vistas desde el punto de falla, entonces la corriente de falla queda definida por la expresión:

)(3

3

210 M F N

F R R Z Z Z Z

V I

Los voltajes generados entre las fases sanas y tierra en esta contingencia son:

T

T T

c b

Z Z Z Z

Z Z Z j Z Z V V

3

)32()3(3

2

3

210

200

,

donde ZT representa la impedancia total del camino de tierra: ZT = Z N + R F + R M

La reducción de R M aumenta IF y modifica también los voltajes generados en las fases

sanas.



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El comportamiento general descrito anteriormente cambia radicalmente cuando no seconsidera falla remota, sino que la corriente de falla entra y deja el terreno por dos puestas a tierra

relativamente cercanas. Las distorsiones que aparecen en esta situación deben ser estudiadas

necesariamente.

5.3 Voltaje transferido a otros conductores cercanos

La versión 1986 de la IEEE Std.80 entrega una expresión general para evaluar el voltaje

de contacto en un punto en la superficie del suelo, ubicado a una distancia x desde el borde de

una malla. Dicha expresión de potencial se obtiene sumando las caídas de voltaje en sentido

vertical, entre la malla y un punto en superficie ubicado sobre el conductor periférico y el potencial entre ese punto y otro en superficie a distancia x del conductor:

Considerando que el voltaje de contacto corresponde a la diferencia entre el voltaje de la

malla VM y el voltaje en un punto del terreno a distancia x, VS(x) , significa entonces que el

voltaje existente en el terreno en dicho punto puede evaluarse por:

VS(x) = VM – VC(x)

Como ejemplo, se estudia con apoyo del software MALLA, la influencia de un flujo de

corriente residual de 1000 Ampéres por una malla de 8 x 18m², sobre otro electrodo de tierra próximo de 4x4 m², aislado. La malla está formada con conductor 4/0 AWG y tiene cuatro barras

de 3 m. cada una y diámetro 5/8" en sus esquinas; el electrodo no difunde corriente y es deconductor 2/0 AWG. Ambos están enterrados a 0,6 mt. en un terreno de dos capas de

características: 1=20 Ohm-m, h1 = 4 m; 2=800 Ohm-m; h2=variable. Su disposición se muestra

en la Figura .

Figura 5.3 Vista en planta de los Electrodos.



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Los valores de potencial resultantes se entregan en la tabla 2, en función de la separación delas mallas para desplazamientos longitudinal y lateral con respecto a la malla principal.

TABLA 4.1 Potenciales en malla secundaria para distintas separaciones.

Los potenciales de paso y contacto propios de la malla principal cuando el electrodo está muy

alejado y existe cableado eléctrico entre ellas, o en la desconexión eléctrica cuando ambas están

próximas.

En este caso particular, la información obtenida permite afirmar que una capa superficial de

grava de s= 3000 Ohm-mt en torno a la superficie abarcada por ambas mallas, es suficiente parasatisfacer todas las condiciones de seguridad hasta separaciones de 12 m y tiempos de duración

de la falla no superiores a 0,5 seg., sin necesidad de interconexión. En los restantes casos, todoslos conductores eléctricos entre ambas mallas deben ser tratados como conductores vivos y

proveído de la aislación adecuada.

5.4 Desconexión de tierras en sistemas de transmisión

Dos situaciones especiales que por lo general motivan inquietantes dudas y que son de difícildetección bajo operación normal del sistema eléctrico, corresponden a la discontinuidad eléctrica

de un cable de tierra (conductor de unión entre diversas tomas a tierra) y la apertura accidental de

una conexión a tierra. Un estudio del efecto producido ante la eventual ocurrencia de estassituaciones, sólo puede realizarse con el apoyo de métodos generales que permitan una estrecha

relación del sistema real y de sus alteraciones.

Un procedimiento de cálculo general para abordar este tipo de problemas al presentarse unafalla fase-tierra fue propuesto por Dawalidi [1], en base al cual se ha elaborado un software

computacional para PC denominado FALLA, escrito en lenguaje FORTRAN. El procedimiento

consiste en seccionar el sistema entre puestas a tierra y formular ecuaciones de bucle por sector,con los valores reales del modelo de parámetros concentrados para líneas, cables y tomas de



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tierra. Cada sector se identifica individualmente y en consecuencia puede modelarse cualquiertipo de alteraciones puntuales. Mediante relaciones de recurrencia para las corrientes por sección,

se logra configurar un sistema de ecuaciones con un reducido número de incógnitas

(exclusivamente corrientes por los conductores activos, corriente a tierra en el punto de falla y

corriente de retorno por cada alimentación). Las restantes corrientes se obtienen por aplicaciónsucesiva de ecuaciones de nudos.

El modelo utilizado por el programa considera múltiples alimentaciones a una falla y

caminos paralelos de retorno. Cada línea de alimentación puede tener varias secciones que semodelan como se indica en la figura siguiente. Cada sección corresponde al tramo entre dos

puestas a tierra consecutivas.

Figura 5.5 Modelo de una línea de alimentación a falla y retorno

Como ejemplo de esta situación, se estudia un sistema de transmisión en 110 KVconstituido por dos líneas de simple circuito que convergen a un nudo (S/E); cada línea posee

conductores de fase tipo BUTTER de 312,8 MCM AASC y cable de guardia continuo de acero

de 5/16" de diámetro . En la figura anterior se muestra el circuito para falla monofásica a tierra através de una impedancia ZF, según el modelo de parámetros concentrados por sección, con

valores en Ohms. Las secciones intermedias se consideran idénticas por cada línea sólo para

efectos del estudio y no abundar en información. En el punto de falla (S/E) se considerauna impedancia ZF= 10 Ohms y una resistencia a tierra R o = 0,55 Ohms.

Se resuelve en primer lugar, a título de referencia, el circuito completo (que también

puede ser resuelto por métodos aproximados) y posteriormente se simula desconexiones del cable

de guardia en la línea 1: en la sección próxima a la falla (ACG1), en una sección intermedia(ACG20) y en la sección próxima a la alimentación (ACG40).



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Figura 5.6 Repartición de corriente residual por puestas a tierra.



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Luego se simula desconexión de la puesta a tierra de la torre próxima a la falla (DT1),de una torre intermedia (DT21) y de la torre 40 (DT40). Las magnitudes de corriente por las

distintas puestas a tierra se presentan en la figura 2. La situación de referencia coincide con

DT21, salvo en el sector central, en que se asimila a DT1.

En este problema se observa que requiere atención la situación ACG1, por la fuerte

reducción de los niveles de corriente y su influencia en la línea 2; la situación DT1 por su

incremento de corriente (1,5%) en la puesta a tierra en el punto de falla; la situación ACG20 porcondiciones de seguridad en puestas a tierra intermedia.

Del análisis de esta información se puede extraer como conclusiones globales:

i) Las situaciones que afectan la continuidad del cable de guardia, son las que provocan mayoralteración en la repartición de corriente residual.

ii) Se presentan cambios importantes de fase cuando se rompe la continuidad del cable de

guardia en secciones próximas a la falla.iii) La desconexión de puestas a tierra de torres produce elevaciones de potencial en la torre

afectada y en sus vecinas, sin mayores modificaciones en el resto del sistema.

De la literatura se ha rescatado el gráfico siguiente, que muestra la proporción de corrienteque retorna por un cable de guardia de acero, en función de la resistividad del suelo y de la

resistencia de las puestas a tierra según el modelo de circuito indicado.

Figura 5.7 Porcentaje de corriente de falla que retorna por un cable de guardia de acero



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REFERENCIAS

[1] Dawalibi, F.; Mukhedkar, D.: "Resistance calculation of interconnected grounding

electrodes". IEEE Trans. Vol. PAS 96, Nº 1. Jan/Feb. 1977, pp. 59-65.

[2] Dawalibi, F.; Mukhedkar, D.: "Multi-step analysis of interconnected grounding electrodes".

IEEE Trans. Vol. PAS-95, Nº 1, Jan/Feb. 1976, pp. 113-119.

[3] Dawalibi, F.; Mukhedkar, D.: "Transferred earth potentials in Power Systems". IEEE Trans.

Vol. PAS-97, Nº 1, Jan/Feb. 1978, pp. 90-101.

[4] “ Distribución de corrientes de falla y potenciales transferidos en vecindades de mallas de

tierra” Leonardo Silva O.; Memoria de Ingeniero Civil Electricista, Universidad de Chile, 1982

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