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NecesidadNecesidad de la de la MallaMalla de Tierrade TierraProporcionar un circuito de muy baja impedancia para Proporcionar un circuito de muy baja impedancia para drenar las corrientes de tierra, ya sean debidas a una drenar las corrientes de tierra, ya sean debidas a una falla de aislamiento o a la operación de un falla de aislamiento o a la operación de un descargador de descargador de sobretensiónsobretensión..

Evitar que durante la circulación de estas corrientes Evitar que durante la circulación de estas corrientes de tierra, puedan producirse diferencias de potencial de tierra, puedan producirse diferencias de potencial entre distintos puntos de la subestación, que puedan entre distintos puntos de la subestación, que puedan ser peligrosas para el personal.ser peligrosas para el personal.

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NecesidadNecesidad de la de la MallaMalla de Tierra (cont.)de Tierra (cont.)Facilitar mediante sistemas de protecciones la Facilitar mediante sistemas de protecciones la eliminación de las fallas a tierra en los sistemas eliminación de las fallas a tierra en los sistemas eléctricos.eléctricos.

Dar mayor confiabilidad y continuidad al servicio Dar mayor confiabilidad y continuidad al servicio eléctrico.eléctrico.

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FEM

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FEM

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IEEE

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IEEE

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FEMFEM IEEEIEEE

PunteroConductorJabalinaForma RectangularForma TForma LForma Triangular

PunteroForma RectangularForma TForma LForma Triangular

Nota: Se pueden representar todas las formas si se selecciona IEEE 80-2000. Para IEEE 80-1986 e IEEE 665-1995 sólo la Forma Rectangular.

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FEMFEM IEEEIEEE

Ejecutar Cálculo

Alerta

GráficosReportes

Ejecutar CálculoOptimizar Cond.Optimizar Cond. y JabalinasAlerta

Reportes

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Entrada de Datos Entrada de Datos -- Conductores y JabalinasConductores y Jabalinas

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Entrada de Datos Entrada de Datos -- Conductores y JabalinasConductores y Jabalinas(IEEE)(IEEE)

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Entrada de Datos Entrada de Datos -- Conductores y JabalinasConductores y Jabalinas(FEM)(FEM)

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Entrada de Datos Entrada de Datos -- TerrenoTerreno

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GRD Study Case EditorGRD Study Case Editor

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FiniteFinite ElementElement MethodMethod..

ANSI/IEEE ANSI/IEEE StdStd 8080--1986. IEEE 1986. IEEE GuideGuide forforSafetySafety in AC in AC SubstationSubstation GroundingGrounding..

ANSI/IEEE ANSI/IEEE StdStd 8080--2000. IEEE 2000. IEEE GuideGuide forforSafetySafety in AC in AC SubstationSubstation GroundingGrounding..

ANSI/IEEE ANSI/IEEE StdStd 665665--1995. IEEE 1995. IEEE GuideGuideforfor GeneratingGenerating StationStation GroundingGrounding..

MetodologíaMetodología

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Metodología (cont.)

FEM: Es basado en el método de imágenes y asume que el sistema de tierra es una estructura equipotencial. Da resultadosexactos para redes de tierra pequeñas (50 x 50 metros) y medianas (250 * 250 metros) tanto para terrenos uniformes como para biestratificados. Maneja configuraciones tanto regulares como irregulares de cualquier tipo de forma.

IEEE: Es un método opcional, se puede utilizar para optimizar conductores y/o jabalinas. Sólo realiza los cálculos para el estrato donde se encuentra enterrada la malla. Sólo se puede añadir una forma bajo estudio.

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TensionesTensiones de Toque (50 kg y 70 kg)de Toque (50 kg y 70 kg)

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TensionesTensiones de Paso (50 kg y 70 kg)de Paso (50 kg y 70 kg)

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Factor de Factor de AjusteAjuste de la de la SuperficieSuperficie (Cs)(Cs)

IEEE Std 80-2000

IEEE Std 80-1986 IEEE Std 665-1995

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Factor de Factor de AjusteAjuste de la de la SuperficieSuperficie (cont.)(cont.)

Donde:

K Factor de reflexión.ρ Resistividad del terreno (ohm-m).ρs Resistividad de la capa superficial (ohm-m).hs Grosor de la capa superficial (m).

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DuraciónDuración de la de la FallaFalla

Donde:Donde:

tftf Duración en segundos de la corriente de falla para Duración en segundos de la corriente de falla para determinar el Factor de Decremento (determinar el Factor de Decremento (DfDf).).

tctc Duración en segundos de la corriente de falla para el Duración en segundos de la corriente de falla para el DimensionamientoDimensionamiento de los Conductores de Tierra.de los Conductores de Tierra.

tsts Duración en segundos de la corriente de choque Duración en segundos de la corriente de choque eléctrico para determinar los niveles permitidos por el cuerpo eléctrico para determinar los niveles permitidos por el cuerpo humano (Tensiones de Toque y Paso).humano (Tensiones de Toque y Paso).

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Factor de Decremento (Df)

Debido a que los cortocircuitos suceden en forma aleatoria con respecto a la onda de tensión y como el contacto puede existir en el momento en que se inicia la falla; se hace necesario suponer una onda de corriente de falla a tierra asimétrica desplazada 100% durante el tiempo del choque eléctrico.

El factor de decremento toma en cuenta el efecto del desplazamiento de la corriente continua y la atenuación de las componentes transitorias de corriente alterna y de directa de la corriente de falla.

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Factor de Decremento (cont.)

Donde:

Ta Constante de tiempo subtransitoria del sistema equivalente (seg). Ta = X/(wR)

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Dimensionamiento de los Conductores de Tierra

Donde:

Akcmil Area del conductor (kcmil).I Corriente de falla (kA rms).tc Duración de la corriente de falla (seg).Kf Constante para diferentes materiales a

diferentes temperaturas de fusión Tm y una temperatura ambiente de 40°C (ver Tabla 2).

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Dimensionamiento de los Conductores de Tierra (cont.)

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CorrienteCorriente MáximaMáxima de la de la MallaMalla

Donde:

IG Corriente Máxima de la Malla.Sf Factor de División de Corriente (Current Division Factor).Cp Factor de Seguridad por Crecimiento del Sistema (Corrective Projection

Factor).Df Factor de Decremento (Decrement Factor).3Io Valor rms de la Corriente de Falla a Tierra (Ground Short-Circuit

Current). Ifg = 3Io

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Factor de División de Corriente (Sf)

Este factor se refiere a la porción de la corriente de falla que fluye entre la malla de tierra y la tierra circundante.

Sf depende de los siguientes parámetros:

- El lugar de la falla.- La magnitud de la impedancia de la malla de tierra de la

subestación.- Las tuberías enterradas y los cables en las cercanías de o

directamente conectadas al sistema de puesta a tierra de la subestación.

- Los cables de guarda, neutros u otras trayectorias de retorno a tierra.

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Factor de Seguridad por Crecimiento del Sistema (Cp)

Resulta prudente tomar un margen adecuado para estimarlos aumentos futuros de las corrientes de falla por aumento de la capacidad del sistema eléctrico o por interconexiones posteriores, pues las modificaciones a la malla de tierra resultan costosas y generalmente se omiten dando motivo a introducir inseguridad en el sistema. Este efecto puede tomarse en cuenta disminuyendo la impedancia del sistema o aplicando un factor de seguridad al valor calculado de la corriente de falla.

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ResultadosFEM IEEE

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Resultados (cont.)FEM

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Resultados (cont.)FEM y IEEE

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GPR (Ground Potential Rise)

Máxima elevación de potencial en la malla de una subestación con respecto a un punto distante que se asume que está al potencial de tierra remoto.

GPR = IG * Rg (V)

Si “GPR > Etouch tolerable” se calculan las tensiones de malla y de paso en caso de falla; si “GPR < Etouchtolerable”, entonces el diseño ha concluido.

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Rg (Resistencia del Sistema de Tierra)

Donde:

LT Longitud total del conductor (m).A Área de la malla de tierra (m2).h Profundidad de enterramiento de la malla (m).

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Tips

Normalmente tf, tc y ts se asumen iguales y deberán reflejar el tiempo máximo de despeje de la falla (incluyendo el respaldo). Los rangos más comunes están entre 0,25 seg. hasta 1 seg.

Sf y Cp al fijarlos en 100% dan el diseño más conservador. Sf=100% significa que toda la intensidad de la corriente de falla va a la malla. Si se fija Cp=100% se deberá utilizar el nivel de cortocircuito máximo esperado (año horizonte, máxima expansión, etc.).

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Tips (cont.)

Una malla de tierra típica para una subestación incluye conductores de cobre 4/0 enterrados entre 0,3 y 0,5 metros (12-18 pulgadas), separados de 3 a 7 metros.

Las jabalinas penetrando el suelo de baja resistividad son hasta ahora más efectivas en disipar corrientes de falla siempre que el suelo sea de dos capas o múltiples capas. Las capas superiores del suelo tienen una resistividad mucho más alta que las capas inferiores.

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Tips (cont.)

En transmisión usualmente Rg es menor o igual a 1 Ω. En distribución usualmente el rango aceptable es desde 1 Ωhasta 5 Ω.

Entre más grande sea el área que ocupa la malla de tierra, más baja será Rg, y por lo tanto, el valor de GPR será menor.

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Tips (cont.)

La grava o roca triturada colocada en la superficie ayuda tanto a evitar la evaporación del agua como reducir la magnitud de los choques eléctricos, dada su alta resistividad.