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UNIVERSIDAD DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

PROYECTO DE ELECTRODO DE PUESTA A TIERRA TERRESTRE PARA SISTEMA HVDC

MEMORIA PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL ELECTRICISTA

LEOPOLDO ANDRÉS VALLEJOS HIDALGO

PROFESOR GUÍA: NELSON OMAR MORALES OSORIO

MIEMBROS DE LA COMISIÓN: LUIS SANTIAGO VARGAS DIAZ JUAN DAVID RAYO CALDERÓN

SANTIAGO DE CHILE AGOSTO 2008

RESUMEN DE LA MEMORIA PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL ELECTRICISTA POR: LEOPOLDO VALLEJOS H. FECHA: 11/09/2008 PROF. GUÍA: Sr. NELSON MORALES O.

“PROYECTO DE ELECTRODO DE PUESTA A TIERRA TERRESTRE PARA

SISTEMA HVDC”

Hoy en día, se está evaluando la posibilidad de construir en Chile el primer sistema de

transmisión en corriente continua bipolar con retorno por tierra. Los electrodos de puesta a tierra juegan un importante papel debido a que aumenta la confiabilidad del sistema y poseen menos pérdidas Joule que un retorno metálico. Sin embargo, el funcionamiento del electrodo implica una inyección de corriente al suelo que produce potenciales que pueden ser perjudiciales para los seres vivientes si es que no son bien diseñados, y que además son capaces de producir interferencias en sistemas eléctricos y corrosión acelerada en instalaciones aledañas.

Dado lo anterior, los objetivos de este trabajo de título son: modelar un electrodo terrestre

con forma de anillo en un terreno de dos capas paralelas de distintas resistividades con el fin de calcular el potencial del electrodo, su resistencia, su temperatura y los potenciales de paso en su contorno, calcular los potenciales en la superficie del suelo en las lejanías del electrodo, y mostrar los costos más importantes en los que se debe incurrir para implementarlos.

La metodología de trabajo consistió en la búsqueda de bibliografía especializada,

logrando desarrollar con esto un capítulo que resume variados aspectos del electrodo tanto técnicos como del proyecto en sí. Luego, se procedió a realizar la programación en Matlab usando el método de las imágenes para el cálculo de las tensiones del suelo, la tensión del electrodo y su resistencia. Finalmente, se elaboró una tabla Excel, desarrollada para el cálculo de la temperatura del electrodo y de los costos del proyecto.

Los resultados que se obtuvieron con el programa fueron comparados con resultados de

electrodos terrestres con forma de anillo que se obtienen a partir de otros métodos de modelación y con resultados que se obtienen a partir de métodos analíticos que simulan electrodos en suelos homogéneos. Esta comparación permitió validar el modelo de cálculo. Además, se incluyó un ejemplo de dimensionamiento de electrodos para el caso chileno.

Como conclusión, se logró comprobar que el programa es adecuado para dar una primera

estimación de si un determinado terreno es apto o no para la instalación de un electrodo de puesta a tierra terrestre en forma de anillo, para un sistema HVDC bipolar.

Como trabajo futuro se podrían realizar mejoras al programa, ya sea optimizando el

algoritmo, o cambiando el método de cálculo a métodos numéricos que permitan modelar terrenos más complejos que sólo las dos capas simuladas con el método de las imágenes. Una tarea interesante sería incluir en el algoritmo una optimización de la solución de electrodo, minimizando costos y encontrando el tamaño óptimo del electrodo anillo con todas las restricciones de operación necesarias.

Proyecto de Electrodo de Puesta a Tierra Terrestre para Sistema HVDC

ii

Agradecimientos

Quiero agradecer a las personas que hicieron posible la realización de este trabajo, a José Miguel por darme las facilidades necesarias para cumplir de buena forma los objetivos, a Nelson por su disposición y colaboración y a Juan por guiarme, ayudarme y ser un gran colaborador en este trabajo.

Saludo a mis amigos con quienes compartí y me hicieron una agradable estadía en la

universidad. En especial a Carlos, Andrés, Javiera, Samuel y todos aquellos eléctricos con quienes de seguro nos seguiremos viendo.

Agradezco a mis padres por confiar en mis capacidades y darme lo mejor en mi desarrollo

como persona y profesional, y también a mi hermano por hacerme reír en los momentos de tristeza.

Finalmente, le agradezco a Daniela por entregarme todo su amor, confianza y apoyo en

este trabajo y en gran parte de la universidad (te amo).


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Índice de Contenidos

Agradecimientos.............................................................................................................................. ii Índice de Contenidos ...................................................................................................................... iii Índice de Figuras ............................................................................................................................ vi Índice de Tablas............................................................................................................................ viii 1 Introducción........................................................................................................................... 10

1.1 Motivación..................................................................................................................... 10 1.2 Objetivos........................................................................................................................ 10 1.3 Objetivos Específicos .................................................................................................... 11 1.4 Alcances ........................................................................................................................ 11 1.5 Hipótesis de Trabajo...................................................................................................... 12 1.6 Contenidos..................................................................................................................... 12

2 Revisión Bibliográfica........................................................................................................... 13 2.1 Introducción al HVDC .................................................................................................. 13

2.1.1 Generalidades ........................................................................................................ 13 2.1.2 HVDC versus HVAC ............................................................................................ 15 2.1.3 Configuraciones HVDC ........................................................................................ 17

2.2 Electrodos de Puesta a Tierra ........................................................................................ 20 2.2.1 Introducción........................................................................................................... 20 2.2.2 Tipos de Electrodos ............................................................................................... 25

2.2.2.1 Electrodos Terrestres ......................................................................................... 25 2.2.2.2 Electrodos de Costa ........................................................................................... 27 2.2.2.3 Electrodos Marinos............................................................................................ 28

2.2.3 Consideraciones previas al diseño de electrodos................................................... 28 2.2.3.1 Búsqueda de Sitios para Electrodos Terrestres.................................................. 30 2.2.3.2 Estudios Preliminares ........................................................................................ 32

2.2.3.2.1 Estudios Geológicos .................................................................................... 33 2.2.3.2.2 Estudios Geofísicos ..................................................................................... 33 2.2.3.2.3 Características Térmicas del Suelo.............................................................. 36

2.2.3.3 Catastro de Propietarios..................................................................................... 38 2.2.3.4 Estudio de Impacto Ambiental .......................................................................... 39

2.2.4 Consideraciones en el Diseño del Electrodo ......................................................... 40 2.2.4.1 Gradiente de Potencial....................................................................................... 40 2.2.4.2 Temperatura....................................................................................................... 42

2.2.5 Efectos del electrodo terrestre en otras instalaciones ............................................ 43 2.2.5.1 Corrosión ........................................................................................................... 44 2.2.5.2 Interferencias ..................................................................................................... 47

2.2.6 Materiales del electrodo......................................................................................... 48 2.2.6.1 Conductor Interno.............................................................................................. 49 2.2.6.2 Material de Relleno ........................................................................................... 50

2.2.7 Pruebas del Electrodo ............................................................................................ 51 2.2.7.1 Resistencia del electrodo ................................................................................... 51 2.2.7.2 Potenciales de paso y de contacto...................................................................... 52 2.2.7.3 Características térmicas del electrodo ............................................................... 52 2.2.7.4 Interferencias en estructuras .............................................................................. 52

3 Modelación ............................................................................................................................ 54


iv

3.1 Programa de Cálculo de Resistividad Equivalente........................................................ 54 3.2 Diseño de Electrodos..................................................................................................... 56

3.2.1 Restricción del Programa y Diagrama de Flujo..................................................... 59 3.2.2 Cálculo de Potencial Producido por una Barra en Presencia de Tres Medios....... 60 3.2.3 Cálculo de Potencial de Electrodo Anillo ............................................................. 62 3.2.4 Distribución de Potenciales en Vecindad del Electrodo........................................ 66 3.2.5 Gradiente de Potencial........................................................................................... 66 3.2.6 Resistencia de Puesta a Tierra ............................................................................... 67 3.2.7 Interfaz del Programa ............................................................................................ 67

3.2.7.1 Datos de Entrada................................................................................................ 67 3.2.7.2 Datos de Salida .................................................................................................. 69

3.3 Temperatura del Electrodo ............................................................................................ 71 3.4 Costo del Electrodo Diseñado ....................................................................................... 73

3.4.1 Otros Costos .......................................................................................................... 75 3.4.1.1 Negociación y Compra de Terreno.................................................................... 75 3.4.1.2 Estudios ............................................................................................................. 75 3.4.1.3 Ingeniería y Diseño............................................................................................ 76 3.4.1.4 Pruebas .............................................................................................................. 77

3.4.2 Costos Construcción.............................................................................................. 77 3.4.2.1 Movimiento de Tierra........................................................................................ 78 3.4.2.2 Materiales .......................................................................................................... 80

4 Implementación ..................................................................................................................... 82 5 Caso Chileno ......................................................................................................................... 89

5.1 Modelo de Suelo Superficial 1 ...................................................................................... 91 5.1.1 Caso Base .............................................................................................................. 92

5.1.1.1 Datos del Electrodo ........................................................................................... 92 5.1.1.2 Datos del Conductor y Coke.............................................................................. 92 5.1.1.3 Datos de Temperatura........................................................................................ 93

5.1.2 Resultados Caso Base............................................................................................ 94 5.1.2.1 Especificaciones del Electrodo.......................................................................... 94 5.1.2.2 Temperatura del Electrodo ................................................................................ 95 5.1.2.3 Construcción...................................................................................................... 96

5.1.3 Sensibilidad a Parámetros del Electrodo ............................................................... 97 5.1.3.1 Radio.................................................................................................................. 97 5.1.3.2 Profundidad ....................................................................................................... 97

5.1.4 Sensibilidad al Coke .............................................................................................. 98 5.1.4.1 Sección .............................................................................................................. 98 5.1.4.2 Gravedad Específica .......................................................................................... 98

5.1.5 Sensibilidad a Temperatura ................................................................................... 99 5.1.5.1 Conductividad Térmica ..................................................................................... 99 5.1.5.2 Capacidad Térmica .......................................................................................... 100 5.1.5.3 Temperatura del Suelo Circundante ................................................................ 102

5.1.6 Conclusión para Modelo de Suelo 1.................................................................... 103 5.1.6.1 Especificaciones del Electrodo........................................................................ 103 5.1.6.2 Temperatura del Electrodo .............................................................................. 104 5.1.6.3 Construcción.................................................................................................... 106

5.1.7 Caso Sistema Bipolar ±600 [kV]......................................................................... 106 5.1.7.1 Especificaciones del Electrodo........................................................................ 107 5.1.7.2 Temperatura del Electrodo .............................................................................. 107


v

5.1.7.3 Construcción.................................................................................................... 109 5.2 Modelo de Suelo Superficial 2 .................................................................................... 109

5.2.1 Especificaciones del Electrodo............................................................................ 110 5.2.2 Temperatura del Electrodo .................................................................................. 111 5.2.3 Construcción........................................................................................................ 112 5.2.4 Caso Sistema Bipolar ±600 [kV]......................................................................... 113

5.2.4.1 Especificaciones del Electrodo........................................................................ 113 5.2.4.2 Temperatura del Electrodo .............................................................................. 114 5.2.4.3 Construcción.................................................................................................... 115

5.3 Modelo de Suelo Superficial 3 .................................................................................... 116 5.3.1 Especificaciones del Electrodo............................................................................ 116 5.3.2 Temperatura del Electrodo .................................................................................. 117 5.3.3 Construcción........................................................................................................ 118 5.3.4 Caso Sistema Bipolar ±600 [kV]......................................................................... 119

5.3.4.1 Especificaciones del Electrodo........................................................................ 119 5.3.4.2 Temperatura del Electrodo .............................................................................. 120 5.3.4.3 Construcción.................................................................................................... 121

5.4 Modelo de Suelo Profundo.......................................................................................... 122 5.4.1 Sistema Bipolar de ±500 [kV] ............................................................................. 122 5.4.2 Sistema Bipolar de ±600 [kV] ............................................................................. 124

5.5 Conclusión Caso Chileno ............................................................................................ 125 6 Conclusión........................................................................................................................... 126

6.1 Trabajos Futuros .......................................................................................................... 127 7 Referencias .......................................................................................................................... 129 8 Anexos ................................................................................................................................. 131

8.1 Electrodos en el Mundo............................................................................................... 131


vi

Índice de Figuras

Figura 2.1: Componentes subestaciones convertidoras................................................................. 13 Figura 2.2: Transmisión HVDC en el mundo. .............................................................................. 14 Figura 2.3: Relación potencia v/s distancia para sistemas HVDC y HVAC................................. 15 Figura 2.4: Comparación entre torres de alta tensión de sistema HVDC y HVAC. ..................... 16 Figura 2.5: Comparación Costos v/s Distancia entre sistemas de transmisión. ............................ 17 Figura 2.6: Conexión HVDC back-to-back................................................................................... 17 Figura 2.7: Conexión HVDC monopolar. ..................................................................................... 18 Figura 2.8: Conexión HVDC bipolar. ........................................................................................... 18 Figura 2.9: Conexión HVDC multiterminal paralela. ................................................................... 19 Figura 2.10: Conexión HVDC multiterminal en serie................................................................... 19 Figura 2.11: Sistema bipolar con retorno metálico. ...................................................................... 20 Figura 2.12: Sistema HVDC bipolar en operación normal. .......................................................... 21 Figura 2.13: Sistema HVDC bipolar con falla en un polo. ........................................................... 22 Figura 2.14: Armónicas de sistema bipolar en operación normal. ................................................ 22 Figura 2.15: Tránsito de las corrientes a tierra. ............................................................................. 23 Figura 2.16: Ánodo y cátodo según sentido de la corriente. ......................................................... 24 Figura 2.17: Secciones de un electrodo anillo............................................................................... 24 Figura 2.18: Tipos de electrodos terrestres.................................................................................... 26 Figura 2.19: Electrodo tipo playa. ................................................................................................. 27 Figura 2.20: Electrodo tipo pileta. ................................................................................................. 27 Figura 2.21: Electrodo marino....................................................................................................... 28 Figura 2.22: Diagrama de actividades de proyecto de electrodo................................................... 29 Figura 2.23: Electrodos de Ibiuna, Sistema HVDC Itaipú. ........................................................... 31 Figura 2.24: Principio de medición magneto telúrica. .................................................................. 35 Figura 2.25: Perfil de resistividad MT. ......................................................................................... 35 Figura 2.26: Resultado método MT............................................................................................... 36 Figura 2.27: Variación de la conductividad térmica...................................................................... 37 Figura 2.28: Propietarios de un sector. .......................................................................................... 39 Figura 2.29: Gradiente de voltaje. ................................................................................................. 41 Figura 2.30: Corrosión en metales................................................................................................. 45 Figura 2.31: Protección catódica con rectificador DC. ................................................................. 46 Figura 2.32: Protección catódica con ánodo galvánico. ................................................................ 46 Figura 2.33: Interferencia del electrodo en redes AC.................................................................... 47 Figura 2.34: Circuito de línea de tren. ........................................................................................... 48 Figura 2.35: Sección del electrodo superficial. ............................................................................. 48 Figura 2.36: Sección electrodo profundo. ..................................................................................... 49 Figura 2.37: Curvas equipotenciales. ............................................................................................ 53 Figura 3.1: Perfil de resistividades. ............................................................................................... 54 Figura 3.2: Criterio de dimensionamiento del electrodo. .............................................................. 57 Figura 3.3: Electrodo tipo anillo.................................................................................................... 58 Figura 3.4: Diagrama de flujo programa computacional............................................................... 60 Figura 3.5: Disposición espacial de la barra en la segunda capa................................................... 61 Figura 3.6: Disposición espacial de la barra en la capa superficial............................................... 61 Figura 3.7: Parámetros del electrodo anillo................................................................................... 64 Figura 3.8: Geometría con profundidad del electrodo ≤ 2.5 [m]................................................... 78


vii

Figura 3.9: Geometría con profundidad del electrodo > 2.5 [m]................................................... 79 Figura 4.1: Disposición de barras en el espacio. ........................................................................... 85 Figura 4.2: Tensión de paso en la superficie del suelo.................................................................. 86 Figura 4.3: Tensión de paso en la superficie del suelo inmediata cercana al electrodo. ............... 86 Figura 4.4: Potencial en el contorno del electrodo. ....................................................................... 87 Figura 4.5: Comparación de curvas homogéneas.......................................................................... 88 Figura 5.1: Emplazamiento sistema de transmisión HVDC en Chile. .......................................... 89 Figura 5.2: Tipo de Sistema de Transmisión HVDC en Chile. ..................................................... 90 Figura 5.3: Temperatura electrodo v/s días de funcionamiento continuo para caso base. ............ 96 Figura 5.4: Temperatura del electrodo para 1,65 [W/m°C] y 0,27 [W/m°C].............................. 100 Figura 5.5: Temperatura del electrodo para 3,01x106 [J/m3°C] y 1,3x106 [J/m3°C]. ............... 101 Figura 5.6: Temperatura del electrodo para 30 [°C] y 20 [°C].................................................... 103 Figura 5.7: Temperatura del electrodo Norte y Sur para modelo de suelo 1............................... 105 Figura 5.8: Temperatura del electrodo Norte y Sur para modelo de suelo 1, ±600 [kV]. ........... 108 Figura 5.9: Temperatura del electrodo Norte y Sur para modelo de suelo 2, ±500 [kV]. ........... 112 Figura 5.10: Temperatura del electrodo Norte y Sur para modelo de suelo 2, ±600 [kV]. ......... 115 Figura 5.11: Temperatura del electrodo Norte y Sur para modelo de suelo 3, ±500 [kV]. ......... 118 Figura 5.12: Temperatura del electrodo Norte y Sur para modelo de suelo 3, ±600 [kV]. ......... 121 Figura 5.13: Potencial a los 100 [km] del electrodo.................................................................... 122 Figura 5.14: Potencial con primera capa menos resistiva que la segunda................................... 123 Figura 5.15: Corriente con segunda capa más resistiva............................................................... 124 Figura 5.16: Corriente con primera capa más resistiva. .............................................................. 124


viii

Índice de Tablas

Tabla 2.1: Número de electrodos por tipo. .................................................................................... 25 Tabla 2.2: Capacidad térmica en suelos. ....................................................................................... 37 Tabla 2.3: Distancias entre electrodos y subestaciones conversoras y potenciales inducidos. ..... 43 Tabla 3.1: Datos de entrada cálculo Matlab. ................................................................................. 67 Tabla 3.2: Datos de entrada línea y coke....................................................................................... 68 Tabla 3.3: Datos de salida cálculo Matlab..................................................................................... 69 Tabla 3.4: Datos de salida línea..................................................................................................... 70 Tabla 3.5: Días de funcionamiento continuo................................................................................. 73 Tabla 3.6: Resumen Otros Costos. ................................................................................................ 74 Tabla 3.7: Resumen Costos de Construcción. ............................................................................... 74 Tabla 3.8: Costo Total. .................................................................................................................. 74 Tabla 3.9: Negociación y compra de terreno................................................................................. 75 Tabla 3.10: Estudios. ..................................................................................................................... 76 Tabla 3.11: Ingeniería y Diseño. ................................................................................................... 76 Tabla 3.12: Pruebas. ...................................................................................................................... 77 Tabla 3.13: Puesta a tierra. ............................................................................................................ 77 Tabla 4.1: Resultados EPRI........................................................................................................... 82 Tabla 4.2: Resultados del paper..................................................................................................... 82 Tabla 4.3: Resultados programa Matlab 8 barras y 1[m] de paso. ................................................ 83 Tabla 4.4: Resultados programa Matlab 12 barras y 0.5 [m] de paso. .......................................... 83 Tabla 4.5: Datos de entrada comparación de imágenes................................................................. 84 Tabla 4.6: Comparación de resultados en función del número de imágenes. ............................... 84 Tabla 5.1: Resistividades del suelo superficial.............................................................................. 90 Tabla 5.2: Resistividades profundas.............................................................................................. 91 Tabla 5.3: Modelo de suelo 1. ....................................................................................................... 91 Tabla 5.4: Datos del electrodo....................................................................................................... 92 Tabla 5.5: Datos de conductor y coke. .......................................................................................... 92 Tabla 5.6: Parámetros del suelo modelo de suelo 1. ..................................................................... 93 Tabla 5.7: Resultados caso base modelo de suelo 1. ..................................................................... 94 Tabla 5.8: Resultados línea electrodo para caso base.................................................................... 95 Tabla 5.9: Temperatura del electrodo para caso base.................................................................... 95 Tabla 5.10: Temperatura en días de funcionamiento continuo para caso base. ............................ 95 Tabla 5.11: Resultados de construcción para caso base. ............................................................... 96 Tabla 5.12: Especificaciones para anillo de 900 [m] de diámetro................................................. 97 Tabla 5.13: Especificaciones para profundidad de electrodo de 4 [m]. ........................................ 97 Tabla 5.14: Especificaciones para sección de coke de 0,6 [m]. .................................................... 98 Tabla 5.15: Parámetros de temperatura ante cambio de conductividad térmica. .......................... 99 Tabla 5.16: Temperatura en días de funcionamiento continuo para 1,65 [W/m°C]...................... 99 Tabla 5.17: Parámetros de temperatura de electrodo para 3,01x106 [J/m3°C]........................... 100 Tabla 5.18: Temperatura en días de funcionamiento continuo para 3,01x106 [J/m3°C]............ 101 Tabla 5.19: Parámetros de temperatura de electrodo con temperatura del suelo de 30 [°C]. ..... 102 Tabla 5.20: Resultados de temperatura en días de funcionamiento continuo para 30[°C].......... 102 Tabla 5.21: Resistencia total de retorno por tierra para modelo de suelo 1. ............................... 104 Tabla 5.22: Parámetros de temperatura finales para modelo de suelo 1. .................................... 104 Tabla 5.23: Temperatura en días para modelo de suelo 1 norte y sur. ........................................ 105


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Tabla 5.24: Resultado final para parámetros constructivos para modelo de suelo 1................... 106 Tabla 5.25: Resultados electrodo para sistema bipolar de ±600 [kV] para modelo de suelo 1... 107 Tabla 5.26: Resistencia total para sistema bipolar de ±600 [kV] para modelo de suelo 1.......... 107 Tabla 5.27: Parámetros de temperatura, sistema bipolar de ±600 [kV] para modelo de suelo 1. 107 Tabla 5.28: Temperatura v/s días para ±600 [kV] para modelo de suelo 1 norte y sur............... 108 Tabla 5.29: Parámetros constructivos, sistema bipolar de ±600 [kV] para modelo de suelo 1... 109 Tabla 5.30: Modelo de suelo 2. ................................................................................................... 109 Tabla 5.31: Resultados electrodo para modelo de suelo 2. ......................................................... 110 Tabla 5.32: Resistencia total de retorno por tierra para modelo de suelo 2. ............................... 110 Tabla 5.33: Parámetros de temperatura, sistema bipolar de ±500 [kV] para modelo de suelo 2. 111 Tabla 5.34: Temperatura v/s días para ±500 [kV] para modelo de suelo 2 norte y sur............... 111 Tabla 5.35: Resultados constructivos para modelo de suelo 2. ................................................... 112 Tabla 5.36: Resultados electrodo para sistema bipolar de ±600 [kV] para modelo de suelo 2... 113 Tabla 5.37: Resistencia total para sistema bipolar de ±600 [kV] para modelo de suelo 2.......... 113 Tabla 5.38: Parámetros de temperatura, sistema bipolar de ±600 [kV] para modelo de suelo 2. 114 Tabla 5.39: Temperatura v/s días para ±600 [kV] para modelo de suelo 2 norte y sur............... 114 Tabla 5.40: Parámetros constructivos, sistema bipolar de ±600 [kV] para modelo de suelo 2... 115 Tabla 5.41: Modelo de suelo 3. ................................................................................................... 116 Tabla 5.42: Resultados electrodo para modelo de suelo 3. ......................................................... 116 Tabla 5.43: Resistencia total de retorno por tierra para modelo de suelo 3. ............................... 117 Tabla 5.44: Parámetros de temperatura, sistema bipolar de ±500 [kV] para modelo de suelo 3. 117 Tabla 5.45: Temperatura v/s días para ±500 [kV] para modelo de suelo 3 norte y sur............... 117 Tabla 5.46: Resultados constructivos para modelo de suelo 3. ................................................... 118 Tabla 5.47: Resultados electrodo para sistema bipolar de ±600 [kV] para modelo de suelo 3... 119 Tabla 5.48: Resistencia total para sistema bipolar de ±600 [kV] para modelo de suelo 3.......... 119 Tabla 5.49: Parámetros de temperatura, sistema bipolar de ±600 [kV] para modelo de suelo 3. 120 Tabla 5.50: Temperatura v/s días para ±600 [kV] para modelo de suelo 3 norte y sur............... 120 Tabla 5.51: Parámetros constructivos, sistema bipolar de ±600 [kV] para modelo de suelo 3... 121 Tabla 8.1: Electrodos en el mundo. ............................................................................................. 132


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1 Introducción

1.1 Motivación

En la actualidad, se pretenden construir cinco centrales hidroeléctricas en la región de Aysén; específicamente en los ríos Baker y Pascua, con una potencia instalada total de 2.750 [MW] [1].

Las cinco centrales se pretenden conectar al SIC en la región Metropolitana, utilizando

entonces un sistema de transmisión de aproximadamente 2.000 [km] de línea para unir ambos puntos.

Dada la distancia entre los puntos de conexión y la potencia a transmitir, la solución

natural de transmisión de potencia es mediante corriente continua (HVDC). Los sistemas de transmisión HVDC poseen diversos componentes siendo uno de los principales los electrodos de puesta a tierra.

Los electrodos no tienen tamaños predeterminados y estándares en el mundo, de hecho

existe una gran gama de electrodos con distintas dimensiones (desde unas pocas a hectáreas de terreno hasta decenas de hectáreas). Es importante entonces este trabajo porque permite conocer el tamaño aproximado de éste y acotar el terreno a usar.

Además de esta aplicación, en Chile se pueden implementar estos sistemas para otras

aplicaciones tales como una interconexión con Perú (Back-to-Back) y/o Argentina y una interconexión entre el SIC y el SING [2].

Dado lo anterior, este trabajo referido al electrodo marca una pauta a seguir tanto para

este, como para futuros proyectos en Chile que involucren la tecnología HVDC.

1.2 Objetivos

Bajo el contexto planteado anteriormente, se proponen tres objetivos que permiten definir la calidad del terreno para la instalación de un electrodo, los parámetros de éste y los costos que involucra un proyecto de puesta a tierra. Los objetivos son:


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1. Dimensionar un electrodo de puesta a tierra terrestre con forma de anillo para un sistema HVDC bipolar a partir de parámetros dados y en suelos de dos capas de distinta resistividad.

2. Estimar potenciales en la superficie del suelo en el entorno del electrodo.

3. Evaluar costos del proyecto de ejecución del electrodo.

1.3 Objetivos Específicos

1. Estimar la resistividad equivalente de un terreno de más de dos capas paralelas de distinta resistividad.

2. Identificar los parámetros físicos que permitan establecer el potencial y la temperatura del electrodo cuando éste opera un tiempo determinado en forma continua.

3. Identificar los costos más importantes en un proyecto de electrodo y la relación que hay entre estos y las variables estudiadas.

4. Realizar un programa computacional que calcule los parámetros descritos a partir del ingreso de variables de entrada pertinentes y que como resultado se obtengan gráficos de tensión en la superficie del suelo, la temperatura en función de los días de funcionamiento continuo, la resistencia del electrodo, la tensión de paso y todas las variables que sean importantes para dimensionar la instalación.

1.4 Alcances

Este trabajo permite obtener una primera estimación de la de la dimensión que un electrodo puede tener en un sitio determinado, y no se estima si el sitio en que puede instalarse el electrodo es apto o no.

Se muestran de forma general los pasos necesarios para el desarrollo de un proyecto de

instalación de un electrodo terrestre, desde la búsqueda de un sitio apto para el electrodo hasta la pruebas finales que se realizan para corroborar su funcionamiento aceptable.

Sin embargo, en este trabajo no se entra en detalles que competen a las etapas de

ingeniería básica y de detalles. No se entra en detalles de transferencia de calor al suelo, ni de


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procesos químicos que se producen en el suelo producto de la inyección de corriente y tampoco la pérdida de material del electrodo. No se cuantifica el nivel de corrosión a otras instalaciones enterradas ni las corrientes que ingresan a los neutros de los transformadores.

A pesar de entregar una evaluación económica del proyecto, el valor final del proyecto no

se debe tomar como exacto ya que se hace una serie de suposiciones que conllevan un resultado solo aproximado.

1.5 Hipótesis de Trabajo

La hipótesis de este trabajo es: “El largo de la línea de transmisión HVDC en el caso chileno hace necesario el uso de

electrodos de puesta tierra como camino de retorno de la corriente”.

1.6 Contenidos

En el capítulo 2 se realiza una revisión de la bibliografía referida al tema de los electrodos de puesta a tierra. En éste se intenta comprender el funcionamiento del electrodo, las variables importantes para diseñarlo y los pasos que se deben seguir en un proyecto de este tipo, desde encontrar un terreno apto hasta la final puesta en marcha del sistema.

El capítulo 3 muestra las ecuaciones y el modelo que se utilizó para desarrollar en Matlab

el programa de cálculo de resistividad equivalente del suelo y el diseño del electrodo a partir de los parámetros que se ingresan en Excel. Luego, se ven los modelos que se usaron para estimar la temperatura del electrodo y los costos más importantes que se deben considerar desde la búsqueda de un terreno hasta las pruebas en terreno que se realizan para confirmar que el diseño del electrodo es aceptable.

En el capítulo 4 se muestra la validación del programa y de los modelos utilizados, donde

se comparan los resultados obtenidos, con resultados de otros electrodos en el mundo y de otros modelos de cálculo implementados en una o varias capas de suelo de distinta resistividad.

Finalmente, el capítulo 5 ejemplifica los posibles electrodos que se tendrían para el caso

del sistema HVDC que uniría las centrales de Aysén con en SIC en la región Metropolitana. Se muestra en este capítulo un análisis de sensibilidad que permite ver como influyen las distintas variables del electrodo en los resultados finales.


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2 Revisión Bibliográfica

2.1 Introducción al HVDC

Los sistemas de transmisión HVDC son una tecnología que hoy en día cuenta con una basta experiencia por los múltiples proyectos desarrollados y por desarrollar a lo largo de todo el mundo.

En la actualidad, Chile pretende realizar el primer sistema de transmisión con esta tecnología, y múltiples serían los proyectos que se podrían desarrollar a futuro tanto en Chile como en el resto de Latinoamérica.

2.1.1 Generalidades

Existen dos tipos de sistemas de transmisión en alta tensión, los HVDC y los HVAC (high voltaje alternating current, alto voltaje en corriente alterna). En los HVDC, la energía eléctrica se toma en un punto de una red trifásica (corriente alterna), se convierte en corriente continua en una estación convertidora (rectificadora), se transporta al punto de destino por una línea aérea o un cable, y se vuelve a convertir a corriente alterna en otra estación convertidora (inversora) para su posterior inyección a la red receptora AC. Lo que se describe anteriormente queda definido en la Figura 2.1, donde se ven las principales instalaciones de un sistema de transmisión HVDC, tales como las estaciones convertidoras AC/DC, los transformadores, la línea de transmisión, los filtros y el reactor de alisamiento en el lado DC y los filtros de armónicos en el lado AC.

Figura 2.1: Componentes subestaciones convertidoras.


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La transmisión de energía eléctrica comenzó a utilizarse aproximadamente hace 120 años,

y el primer enlace HVDC (high voltaje direct current, ó alto voltaje en corriente continua) se realizó en el año 1954 para unir la isla de Gotland con Suecia con un cable submarino de 98 [Km] en 100 [kV]. Hoy por hoy, esta tecnología está consolidada, y alcanza una capacidad instalada que en el año 2007 de llegó a los 80.000 [MW] aproximadamente [2].

A lo largo del mundo se pueden ver distintos proyectos de transmisión HVDC, tal como

se ve en la siguiente Figura 2.2. En Sudamérica, por ejemplo, sólo Brasil posee un sistema de transmisión HVDC. Este sistema es el actual sistema de Itaipú.

Figura 2.2: Transmisión HVDC en el mundo.


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2.1.2 HVDC versus HVAC

Existen distintos criterios que permiten elegir entre el uso de un sistema de transmisión en corriente continua o corriente alterna, siendo los principales los criterios técnicos y económicos. En general, los sistemas HVDC poseen varias ventajas sobre los sistemas HVAC y son variadas las funciones que este tipo de sistemas de transmisión permiten realizar, tal como queda descrito en [3].

Las razones técnicas de cuando es preferible usar la transmisión en corriente continua en

vez de la alterna se muestran a continuación.

1. Cuando se tienen distancias grandes entre un punto de conexión con otro. Como se muestra en la Figura 2.3, la potencia transmitida en un sistema HVDC es, en cierta medida, independiente de la distancia. En un sistema HVAC la capacidad de transporte disminuye con las distancias de las líneas debido a sus efectos inductivos. En este caso las pérdidas óhmicas no son tomadas en cuenta, dado que afectan a ambos sistemas de manera similar, por lo que no son muy relevantes de comparar.

Figura 2.3: Relación potencia v/s distancia para sistemas HVDC y HVAC.

2. Otra situación en que se hace necesario el uso de un sistema HVDC es cuando se necesita conectar dos sistemas asíncronos, o bien si sólo se desea una operación asíncrona.

3. Cuando se desea transmitir por cables submarinos a distancias mayores a 32 [Km], debido a la alta capacidad dieléctrica de los cables que lo hace muy difícil para HVAC. El uso de cables se puede extender también en ciudades donde ya no es posible transmitir en líneas aéreas por la congestión que la ciudad podría llegar a tener, y la distancia de transmisión hace poco económico el uso de transmisión AC.


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El otro factor que también se debe tomar en consideración para determinar el uso de un

sistema u otro es el económico. Aquí entran en juego factores como la distancia que recorrerá la línea de transmisión, la tensión de transmisión, los transformadores, los filtros, las convertidoras en el caso del HVDC, las torres de alta tensión, etc.

En [3], por ejemplo, se dice que el costo unitario de la línea de transmisión HVDC es menor que el de transmisión HVAC para una cantidad de potencia a transmitir dada. La Figura 2.4 muestra un ejemplo de las torres que se tendrían que usar y de la franja de servidumbre para el caso de transmisión en AC y en DC para un mismo nivel de potencia de 2.500 [MW] y 500 [kV] de tensión. Claramente se ve cómo el costo de las primeras sería superior al caso de las segundas.

Figura 2.4: Comparación entre torres de alta tensión de sistema HVDC y HVAC.

Sin embargo, las subestaciones convertidoras son mucho más costosas que las

subestaciones AC tradicionales. Esto se debe principalmente a los equipos que las subestaciones convertidoras necesitan para el funcionamiento del sistema. La Figura 2.5 muestra un gráfico típico de los costos versus la distancia entre los sistemas de transmisión en corriente alterna y continua para un mismo nivel de potencia mayor o igual a 1.000 [MW] [2]. A una distancia de 0 [km] se tienen los costos de las subestaciones de ambos tipos de sistemas, y el aumento se comienza a producir producto del costo de la línea aérea de transmisión.


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Figura 2.5: Comparación Costos v/s Distancia entre sistemas de transmisión.

Finalmente, se puede decir que la transmisión en HVDC es una tecnología madura en el mundo y que para grandes bloques de energía y largas distancias, esta tecnología es más competitiva y con un menor impacto ambiental que la transmisión HVAC.

2.1.3 Configuraciones HVDC

Existen hoy en día distintas configuraciones de transmisión HVDC. A continuación se explicarán las configuraciones básicas [4]:

• Conexión back-to-back: En este tipo de conexión, las subestaciones convertidoras se encuentran en el mismo lugar, por lo que no existe línea de transmisión. El sistema de control del sistema podrá determinar indistintamente cual de las dos convertidoras será la rectificadora y cual la inversora. En general, este sistema se usa para tensiones bajas que varíen entre 50 [kV] y 150 [kV], y para altas corrientes en los tiristores. La Figura 2.6 muestra esquemáticamente esta configuración.

Figura 2.6: Conexión HVDC back-to-back.


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• Conexión monopolar: Las dos subestaciones convertidoras se unen a través de un conductor (línea aérea o cable) y como retorno se usa la tierra a través de dos electrodos de puesta a tierra o un retorno metálico. La Figura 2.7 muestra este tipo de conexión con un retorno por tierra, donde se tiene un polo de voltaje ±Vd que implica un solo sentido de la corriente.

Figura 2.7: Conexión HVDC monopolar.

• Conexión bipolar: Posee dos conductores, uno con polaridad negativa -Vd y el otro con polaridad positiva +Vd, por lo que esta configuración se podría considerar como una conexión de dos sistemas monopolares. Cada conductor une las dos subestaciones convertidoras, tal como se ve en la Figura 2.8. Si uno de los sistemas monopolares deja de funcionar entonces puede funcionar el otro con la tierra como retorno (o con retorno metálico) y si ambos funcionan simultáneamente, por la tierra (o retorno metálico) circulará una corriente casi despreciable correspondiente al desbalance de ambos polos.

Figura 2.8: Conexión HVDC bipolar.


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• Conexión multiterminal: La Figura 2.9 y la Figura 2.10 muestran la conexión paralela y serie respectivamente.

Figura 2.9: Conexión HVDC multiterminal paralela.

Figura 2.10: Conexión HVDC multiterminal en serie.

Para los tres últimos sistemas mencionados, el utilizar retorno metálico significa que al

sistema se le agrega otra línea o cable por la cual transite la corriente de retorno. Para el caso de un sistema bipolar, el retorno metálico también se puede usar a partir de la

línea que no está en operación cuando el retorno por tierra no puede ser usado, aún cuando esté instalado. Por ejemplo, cuando los electrodos fueron usados hace poco tiempo y aun no han disminuido la temperatura como para qué soporte nuevamente una corriente de gran magnitud (se hablará sobre la temperatura del electrodo en la sección 2.2.4.2). La Figura 2.11 muestra la situación anterior, donde toda la corriente del sistema va por la línea de transmisión de ambos polos, pero el polo 2 y los electrodos están desconectados:


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Figura 2.11: Sistema bipolar con retorno metálico.

2.2 Electrodos de Puesta a Tierra

Como se mencionó anteriormente, algunas de las configuraciones anteriores necesitan el uso de electrodos de puesta a tierra para la transmisión de las corrientes a tierra. A continuación se explicarán lo que son los electrodos de puesta a tierra y todo lo que hay que considerar para el proyecto de instalación de estos, desde los estudios hasta las pruebas finales que validen su buen funcionamiento.

2.2.1 Introducción

Los electrodos de puesta a tierra en un sistema HVDC son la conexión física al suelo (o a la tierra) de las “corrientes a tierra”. Las “corrientes a tierra” es un término que se refiere a las corrientes que circulan entre ambas subestaciones convertidoras a través de la Tierra como conductor normal.

En los sistemas HVDC los electrodos se usan con dos propósitos, el primero es el de fijar

el punto 0 [V] para proteger a las personas y equipos de la conversora, y el segundo es permitir una ruta alternativa de la corriente cuando ciertos equipos e instalaciones fallen, aumentando la confiabilidad del sistema.

Para las distintas configuraciones de sistemas HVDC mostradas anteriormente, es

necesario un camino de retorno para la corriente cuando el sistema deje de funcionar correctamente o se haga algún tipo de mantención. Una excepción a esto ocurre para el caso del sistema monopolar, que ante el caso de alguna falla, el sistema deja de funcionar completamente y no existe transmisión de energía. Para todas las otras configuraciones, los electrodos de ambas


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subestaciones funcionarán en su máxima capacidad cuando uno de los polos del sistema deje de operar.

Para un sistema bipolar, por ejemplo, se puede apreciar en la Figura 2.12 y la Figura 2.13

que al fallar uno de los polos, el polo que continúa funcionando seguirá transmitiendo energía ya que los electrodos comienzan a funcionar conduciendo corriente a través de la tierra.

La cantidad de corriente máxima que se pueda transmitir usando los electrodos dependerá

de la capacidad de sobrecarga del sistema. La sobrecarga dependerá, además de la potencia que se transmita, de los tiristores y de los transformadores que la subestación convertidora posea.

Figura 2.12: Sistema HVDC bipolar en operación normal.


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Figura 2.13: Sistema HVDC bipolar con falla en un polo.

De la Figura 2.12 se puede observar también, que en esta configuración de transmisión los

electrodos transmiten la corriente de desbalance del sistema cuando éste opera normalmente. Estas corrientes de desbalance corresponden a las armónicas del sistema, y el orden de las armónicas que circularán dependerá de la cantidad de pulsos de la señal de tensión [5]. Por ejemplo, para una configuración bipolar de 12 pulsos, se tienen armónicas circulando por los electrodos del tipo 12n (con n=1,2,…), es decir el número de pulsos del sistema multiplicado por un entero, tal como se ve en la Figura 2.14.

Figura 2.14: Armónicas de sistema bipolar en operación normal.

El camino que usa la corriente a través del suelo para llegar de una subestación a otra no

es uno solo, sino que se reparte por distintas capas del suelo. Los distintos caminos que tome la corriente dependerán de la resistividad que tenga el terreno y de la configuración del electrodo.

La resistencia total que se tenga (resistencia de las líneas del electrodo + resistencia de los

electrodos) debe ser baja y con pérdidas pequeñas. De no ser posible obtener una baja resistencia,


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es necesario buscar otro terreno para el electrodo, otra configuración, o simplemente evaluar un retorno metálico.

Un retorno a través de un conductor metálico (Figura 2.11) posee grandes pérdidas debido

al gran largo que podría llegar a tener y sus costos son significativos. En términos generales, el tránsito de la corriente por la Tierra queda descrito en la Figura 2.15, y se ve como la corriente no sigue solo un camino para unir eléctricamente ambas subestaciones:

Figura 2.15: Tránsito de las corrientes a tierra.

La baja resistencia que se tendrá en el camino de la corriente por la tierra se debe a que la corriente en estado estacionario se reparte por bastas zonas de secciones transversales a lo ancho y a lo profundo en la tierra [3], buscando siempre el camino “más fácil”.

El sentido de la corriente que circule por los electrodos, es decir, que entre o salga de

ellos, dependerá del polo que falle en el sistema. Este sentido de la corriente determinará un electrodo que funcionará en modo ánodo, que será por el que la corriente salga, y uno modo cátodo, por el que la corriente entrará, tal como se ve en la Figura 2.16. Como en un sistema monopolar la corriente fluye en un solo sentido, será de suma importancia determinar los modos de los electrodos, ya que de eso dependerá el material que use cada uno debido a que el ánodo se corroe mucho más que el cátodo. En una configuración bipolar, dado que la corriente puede fluir en cualquier dirección, ambos electrodos podrán estar en ambos modos, por lo que los dos se construyen pensando que pueden operar como ánodos al menos la mitad de las veces, lo que


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permitirá estimar de mejor manera su vida útil. Sobre el material de los electrodos se verá en la sección 2.2.6.

Figura 2.16: Ánodo y cátodo según sentido de la corriente.

Aunque la tasa de falla de los electrodos no es alta, existe la posibilidad de que estos no

operen de manera correcta. Para esto, se construyen dividiéndolos en dos o más secciones (en la Figura 2.17 se utilizan cuatro), de manera que éste siga operando aunque una de las secciones esté desconectada y se pueda realizar mantención o inspección a la sección fallada [5].

Figura 2.17: Secciones de un electrodo anillo.


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2.2.2 Tipos de Electrodos

En la actualidad, se pueden ver en el mundo tres tipos distintos de electrodos que quedan clasificados por el lugar de instalación. Estos son los electrodos terrestres, los de costa y los marinos.

Cabe señalar que no es necesario que los dos electrodos de las subestaciones conversoras

(inversoras y rectificadoras) sean del mismo tipo, y más aún, ni siquiera iguales. El uso de uno o de otro quedará determinado principalmente por las características del suelo y la ubicación de las subestaciones.

En la sección 8.1 del capítulo de Anexos, se muestra una lista con los electrodos que

existen en el mundo al año 2007 basada en el paper “An environmental survey on the operation and impact of HVDC electrodes” [6] y actualizada con los que se ha tenido conocimiento posterior. La siguiente tabla muestra el resumen de los tipos de electrodos que la Tabla 8.1 detalla.

Tabla 2.1: Número de electrodos por tipo.

Número de Electrodos Tipo de Electrodo Reversible Ánodo Cátodo

Tierra 49 0 0 Playa 8 2 1 Mar 3 4 5

Se puede apreciar de la Tabla 2.1 que la mayor cantidad de electrodos en el mundo la

muestran los terrestres. Dentro de este tipo de electrodos el más usado es el tipo anillo ya que presenta una densidad de corriente homogénea en todo su entorno, lo que produce un gasto parejo del material. No ocurre lo mismo con electrodos de otras configuraciones que usen barras, ya que estas tienen una densidad de corriente mayor en sus extremos por lo que se produce una mayor pérdida de material en esos puntos.

2.2.2.1 Electrodos Terrestres

Estos son electrodos que se construyen en tierra, lejos de la influencia del agua salada que se tiene en la costa. Se subdividen en superficiales, que abarcan un área de varias hectáreas y que se entierran en unos pocos metros bajo la superficie (entre 1.2 [m] y 8 [m] [5]), y profundos, que alcanzan solo unas decenas de metros cuadrados de área y que se entierran de manera vertical de modo que alcanzan más de 60 [m] bajo la superficie [5].

El uso de uno o de otro queda determinado principalmente por el tipo de suelo y las

corrientes nominales que tenga el sistema HVDC. Por ejemplo, un arreglo vertical de electrodos


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es útil cuando el terreno presenta bajas resistividades en capas más profundas, mientras que el electrodo superficial será más eficiente en terrenos donde la resistividad entre 1 [m] y 8 [m] es menor que las resistividades más profundas. La corriente influirá en los potenciales que se tengan en la tierra próxima al electrodo, y la distribución de voltajes de paso variará dependiendo del tipo de electrodo terrestre que se tenga. No ocurrirá lo mismo para los potenciales lejos del electrodo, ya que la forma de éste no influirá en ellos.

La Figura 2.18 muestra las configuraciones existentes de electrodos terrestres [7]:

Figura 2.18: Tipos de electrodos terrestres.


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Las configuraciones más comunes de los electrodos superficiales son las de anillo, la de

estrella y la lineal. Para los electrodos profundos se pueden realizar distintas configuraciones con las barras verticales, desde un anillo hasta una línea y el número de barras que se usen dependerá de la densidad de corriente que se requiera [8].

2.2.2.2 Electrodos de Costa

Son electrodos que se desarrollan, como bien dice su nombre, en la costa marina, por lo que están cercanos a la playa y por lo tanto al agua salada. Se subdividen en electrodos de playa y de pileta.

Los electrodos de playa (Figura 2.19) se entierran bajo el límite costero, donde se encuentra agua saturada (salada y/o dulce), por lo que se tiene una baja resistividad en el terreno y por lo tanto, la corriente fluye fácilmente al mar. Estos electrodos se pueden disponer de forma horizontal o vertical.

Los electrodos de pileta (Figura 2.20) se encuentran en la orilla de la playa y el contacto

con el agua se produce de manera directa, por lo que es necesario protegerlos de animales, olas y personas por medio de la construcción de una estructura alrededor. Al estar directamente en contacto con el agua se tiene una baja resistividad, lo que permite un flujo expedito de la corriente desde este electrodo al otro a través del agua de mar principalmente [8].

Figura 2.19: Electrodo tipo playa.

Figura 2.20: Electrodo tipo pileta.


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2.2.2.3 Electrodos Marinos

A diferencia de los electrodos de costa, estos electrodos se desarrollan en el fondo marino y en el interior del mar, a distancias de más de 100 [m] de la orilla del mar. Las profundidades en el lugar en que se dispone el electrodo pueden variar entre 5 [m] y 30 [m]. Profundidades mayores a 30 [m] dificultaría la construcción debido al tiempo que los buzos podrían permanecer en ese lugar.

Estos electrodos quedan protegidos generalmente por bloques de cemento o piedras para

aislarlos de los animales marinos, anclas, buzos, etc. Un ejemplo de esta configuración se muestra en la siguiente figura:

Figura 2.21: Electrodo marino.

Aunque la principal característica de los electrodos marinos y de costa es su contacto con

el agua salada, es teóricamente posible disponer los electrodos en agua dulce [5].

2.2.3 Consideraciones previas al diseño de electrodos

Previo al diseño de un electrodo de puesta a tierra es necesario considerar distintos puntos, desde la búsqueda de un terreno apto, hasta la final puesta en marcha del electrodo. En [5] se muestra un diagrama (Figura 2.22) con los pasos aconsejables que un proyecto de este tipo puede tener, pero como cada proyecto es distinto, distintas también pueden ser las formas de afrontar y escoger los pasos a seguir.


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Figura 2.22: Diagrama de actividades de proyecto de electrodo.

Los requerimientos que un electrodo necesita para que tenga un funcionamiento óptimo y

seguro, y que los costos de construcción sean mínimos son señalados por Kimbark [3] y se muestran a continuación:

• Baja resistencia: esto es necesario para tener pérdidas bajas de potencia. La resistencia es una función de la geometría del electrodo mismo, de la línea del electrodo y la resistividad del suelo, por lo que el terreno debe contar con características favorables.

• Conducción adecuada de la corriente: para esto se necesita una superficie adecuada del

electrodo y una baja densidad de corriente, de manera de evitar el sobrecalentamiento y la ebullición del agua del suelo, ya que esto último produciría el secado del suelo adyacente. La disminución de la humedad del suelo produce un aumento de la resistividad del suelo, y este a su vez produce un aumento de la resistencia total del electrodo.

• Bajo costo de mantención: los electrodos necesitan de mantención, ya que cuando

funciona en modo ánodo se produce el fenómeno de electrólisis y la corrosión del material. Este fenómeno será explicado más adelante.

• Sea accesible: el terreno donde se construya el electrodo debe ser de accesos cómodos

para su fácil construcción, inspección y mantenimiento. • Mínimo impacto a otros elementos: como se dijo anteriormente, los electrodos pueden

producir aumento de la tensión de referencia de tierra de los transformadores de las subestaciones respectivas, interferencias (en telecomunicaciones) y corrosión acelerada a otros elementos metálicos enterrados en las proximidades del electrodo.


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2.2.3.1 Búsqueda de Sitios para Electrodos Terrestres

El primer paso, y el más complicado en el proyecto de electrodo a puesta a tierra ya sea terrestre, marino o de costa, es el de la búsqueda de un terreno propicio que sea apto para la instalación del electrodo, que puede tomar un tiempo de hasta 15 meses [5]. Luego de esto, se podrá elegir el tipo de electrodo que se usará y en el diseño se incluirán todas las limitaciones que se necesiten, tales como temperatura, tensiones de paso y de contacto.

Las principales consideraciones para elegir un terreno apto para el electrodo se pueden

dividir en dos factores, los técnicos y los geofísicos/geográficos [5], tal como se puede dilucidar de los objetivos de la sección 2.2.3. Las consideraciones técnicas se refieren a las características eléctricas y termodinámicas que deben poseer los electrodos para conducir una corriente a través del suelo sin causar temperaturas y tensiones inaceptables, y que la resistencia del electrodo sea la adecuada para el sistema. Las consideraciones geofísicas y geográficas se obtienen a partir de estudios que dan las condiciones generales que un terreno puede tener. La poca probabilidad que un terreno cumpla todas las condiciones geofísicas y geográficas necesarias, no impide que el diseño del electrodo sea el óptimo para el terreno que sea escogido, pero si aumenta sus costos y hace más complejo su diseño.

Para el caso de los electrodos terrestres el sitio debe ser en lo posible plano y poco rocoso,

por lo que una vista en terreno aérea y superficial de los sitios será una tarea obligatoria. Sin embargo, primero se tendrán que buscar los sitios vía mapas de los sectores que se encuentran a cierto radio de la subestación conversora.

Cuan extensa sea la planicie que se busca dependerá del tamaño que el electrodo tenga, y

dado que los electrodos tipo anillo son los más comunes y extensos, estos darán un límite máximo del área que el electrodo puede ocupar. Mirando en el mundo algunos de los tamaños que los electrodos tienen pueden variar entre los 200 [m] y los 1.000 [m] de diámetro. Por ejemplo en el sistema de Itaipú en Brasil se tiene uno de los electrodos anillo más grandes, con un diámetro de aproximadamente 1.000 [m] alcanzando con esto un área de aproximadamente 100 [Ha]. Para dar una mejor aproximación del tamaño del electrodo, es necesario conocer la corriente que el sistema HVDC transmitirá. Por ejemplo, los 3.000 [A] del sistema de Itaipú explican de cierta forma el tamaño del electrodo que se utiliza.

Tal como se ve en la Figura 2.23, los electrodos no necesariamente deben tener una forma

geométricamente perfecta, por lo que si se encuentra en el terreno algún área que sea dificultosa para la construcción, se puede realizar un nuevo trazado en la construcción [5]. Esto provocará sin embargo que se produzca mayor pérdida de material por efecto de corrosión en algunas barras del electrodo.


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Figura 2.23: Electrodos de Ibiuna, Sistema HVDC Itaipú.

Otras consideraciones que se deben tomar en cuenta son las distancias que el electrodo

debe tener con algunas instalaciones que posean puntos de aterramiento, como los transformadores de la subestación conversora y de otras subestaciones AC, áreas muy pobladas que posean redes eléctricas y de comunicación, etc. Esto se debe a las interferencias que los campos eléctricos, inducidos por el electrodo producto de la corriente que circula en él, generan en este tipo de instalaciones. En la literatura se manejan algunas distancias típicas que se deben mantener con algunos de estos sitios, sin embargo son solo aproximaciones, ya que solo cuando el electrodo esté en funcionamiento es que se tendrán las reales interferencias que produce en su entorno. El valor que en general se maneja es de 8 [km] a los sitios nombrados anteriormente, por lo que cuando se elija el sitio, es recomendable mantener ese radio [3]. En la sección 2.2.5 se profundizará más en el tema de las interferencias.

Una de las instalaciones que debe estar, en cierta medida, cercana, es la línea de

transmisión HVDC o en su defecto alguna línea de transmisión AC, ya que la cercanía a estas estructuras permitirá reducir el número de torres que se usarán exclusivamente para la línea del electrodo y por lo tanto se reducirá la longitud de conductor y por ende la resistencia. Esto influirá directamente en el costo del proyecto, reduciendo la inversión necesaria debido a la servidumbre que implica una línea [5]. Además, al ser más corta la línea del electrodo, se evitará lidiar con propietarios de más terrenos.

En el tramo en de la línea del electrodo que se encuentra junto con las líneas HVDC, será

necesario realizar un estudio de inducción electroestática. La importancia de este estudio radica en conocer la tensión que puede ser inducida en la línea del electrodo y anticipar los riesgos a personas que tengan contacto directo con el conductor. El fenómeno de inducción se puede presentar de distintas formas. El primero ocurre en el caso de que el electrodo no esté operando,


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la línea del electrodo se induce con los campos que provoca la tensión de la línea HVDC. El segundo caso ocurre cuando una de las líneas HVDC no está en operación y el electrodo conduce la corriente a tierra, aumentando posiblemente el efecto corona de ambas líneas.

Finalmente, el terreno que se use para el electrodo y para la línea del electrodo deben ser

accesibles para su compra, es decir, evitar los parques nacionales o las reservas naturales, que son lugares en que instalar un electrodo es prácticamente inviable.

2.2.3.2 Estudios Preliminares

Luego de determinar los sitios potenciales en que se podría emplazar el electrodo, según las indicaciones del capítulo anterior, es necesario conocer los parámetros eléctricos del suelo, ya que esto ayudará en el posterior desempeño del mismo para dispersar la corriente. En efecto, que el terreno tenga resistividades someras y profundas altas, puede provocar una resistencia a tierra del electrodo muy alta y gradientes de potencial altos en la vecindad del electrodo, afectando a personas y animales. También se verán efectos en las lejanías del electrodo, produciendo corrosión en oleoductos, líneas de tren y otras instalaciones enterradas, además de interferir en los neutros de los transformadores de las subestaciones convertidoras y de otras subestaciones AC.

El área de influencia (área en la que el electrodo produce potenciales) del electrodo puede

ser catalogada aceptable o no dependiendo del medio construido que esté en dicha área de influencia. Otra fuente de calificación de un sitio es el criterio que el diseñador y las personas a cargo del proyecto del electrodo tengan para aceptar o desechar los posibles riesgos que se asumirán. Por ejemplo, si a 60 [km] de distancia del electrodo aún se tienen potenciales producidos por la inyección de corriente al suelo (gran área de influencia), el área de influencia puede ser catalogada aceptable si es que no existen instalaciones o una gran densidad de población que se vea interferida. Un contraejemplo sería si se tiene un área de influencia de solo 10 [km] y el entorno es una gran ciudad con una gran cantidad de oleoductos y sistemas de transmisión.

Sin embargo, antes de realizar los estudios pertinentes, una forma de no incurrir en costos

extras en estudios innecesarios es la de buscar en registros públicos y privados datos de interés, de manera de observar la profundidad a la cual realizaron algún estudio que pueda ayudar al proyecto [5].

Para conocer los parámetros es necesario realizar distintos estudios que permitirán

conocer las características de los suelos. Algunos de estos se deben realizar en una etapa temprana del proyecto ya que permite tener más tiempo por si ninguno de los sitios candidatos para el electrodo cumple con los requerimientos y perfiles buscados, pero también habrá otros estudios que se realizarán en la etapa de diseño, que permitirán obtener parámetros importantes en ese sentido.


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En cada uno de los estudios que a continuación se mostrarán se dejará en claro en que etapa del proyecto presentan su importancia. Además, cabe señalar que estos estudios conviene realizarlos cercanos al lugar de emplazamiento del electrodo ya que a medida que uno se aleja, los parámetros dejan de ser representativos [5]. Una vez que se elija el sitio final del electrodo será necesario realizar estos estudios con un mayor detalle.

2.2.3.2.1 Estudios Geológicos

El fin de un estudio geológico es el de determinar las características de los suelos superficiales de todos los terrenos determinados para la puesta de un electrodo y la correlación de estos con la resistividad o conductividad. Determinar los tipos de rocas que forman el entorno geológico y las fallas tectónicas serán entonces los principales objetivos del estudio [8]. Por lo general, las rocas representan alta resistividad y son difíciles de excavar, por lo que estos tipos de terreno se evitarán.

Estos estudios entregan también como resultado la topografía, los flujos de agua (ríos,

arroyos, etc.) y la erosión del lugar. La topografía es importante ya que si el sitio potencial no es muy plano, la construcción será difícil. Los flujos de agua pueden afectar de distintas maneras al electrodo, si el área por ejemplo posee demasiados arroyos, entonces estos se deben encausar para instalar el electrodo en el espacio que sea necesario; lo otro que puede ocurrir es que los ríos crezcan e inunden el sitio del electrodo, dañándolo si es que la inundación es por mucho tiempo producto de la conducción iónica. Por último, la erosión del terreno producto de deslizamientos de tierra y de temblores también es un parámetro a considerar; por ejemplo algunos tipos de suelo se licuan si los temblores son seguidos, causándole un daño al electrodo producto del cambio del suelo [5].

Estos estudios conviene realizarlos en la etapa de selección del terreno candidato debido a

que con ellos se conocerán las características de los suelos superficiales de todos los sitios pensados para el electrodo, si son buenos o malos conductores de corriente, y los que obtuvieron buenos resultados serán estudiados de manera más profunda con estudios geofísicos. Esto permite también ahorrar tiempo y dinero, al no realizar estudios geofísicos o todos los terrenos que se presenten preliminarmente.

Una lista de las resistividades de los distintos tipos de suelos es posible encontrarla en [5].

2.2.3.2.2 Estudios Geofísicos

Los terrenos que presenten características geológicas de baja resistividad serán evaluados posteriormente con estudios geofísicos.

El objetivo principal de estos estudios es el de determinar las resistividades a distintas profundidades (desde la superficie hasta más de 100 [km] de profundidad aproximadamente con el método MT [9]) y posteriormente definir el tipo de material de los suelos a partir de las resistividades y de los estudios geológicos previos. Sin embargo, no existe un solo método


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geofísico que sea capaz de determinar la resistividad del terreno desde la superficie hasta una profundidad como la señalada anteriormente. Por este motivo, existen distintas técnicas para determinar la resistividad de los suelos profundos y de los suelos superficiales.

La resistividad es el parámetro de mayor importancia en el diseño de un electrodo, por lo

que estos estudios son relevantes para la etapa de diseño [5]. Sin embargo, tener una estimación de la resistividad en la etapa de búsqueda del sitio óptimo para el electrodo será de utilidad para tener el área que podría llegar a ocupar el electrodo y así poder clasificar el sitio con respecto a los otros candidatos.

Los métodos más comunes utilizados para medir la resistividad son los métodos galvánicos tales como Wenner, Shlumberger, Polo Dipolo y Carpenter entre otros. Una explicación de cada uno de estos métodos se encuentra en [5], pero en general se puede decir que estos métodos son capaces de medir la resistividad a través de la inyección de una corriente al suelo de baja frecuencia con dos electrodos (métodos eléctricos). Luego se mide la diferencia de potencial a través de un voltímetro y la profundidad a la cual estos métodos llegan depende de la distancia de separación de los electrodos, por lo que existirá un límite dado por el largo de los cables, por lo que se puede llegar a una profundidad de aproximadamente 40 [m].

Para determinar la resistividad profunda es necesario el uso de un método más sofisticado.

El método que se usa es el Magneto Telúrico (MT) (usado frecuentemente en la minería), que se basa en el análisis de las ondas electromagnéticas que naturalmente fluyen por la tierra a frecuencias que pueden ser muy bajas (hasta 0,00001 [Hz]), permite sobrepasar el límite de profundidad que alcanzan los métodos anteriores, llegando a más de 100 [km] [8]. El método consiste en medir el campo eléctrico E [V/m] y el campo magnético H [nT] (ambos naturales de la Tierra) a través de una configuración perpendicular de electrodos que miden el campo eléctrico y dos bobinas también perpendiculares que miden el campo magnético inducido, tal como se ve en la Figura 2.24. Los campos electromagnéticos naturales de la Tierra se generan por la acción del viento solar en la ionosfera terrestre, o bien por descargas eléctricas de tormentas. La disposición perpendicular entre las bobinas y los electrodos se debe a que la resistividad del medio donde se transmiten las ondas electromagnéticas está dada por el cuociente entre el campo eléctrico y el campo magnético perpendicular [9] (ecuación (2.1)). Los valores de resistividad son calculados a diferentes frecuencias, ya que la penetración de las ondas en la tierra depende de la frecuencia de las ondas electromagnéticas.

212.0HE

f⋅⋅=ρ (2.1)


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Figura 2.24: Principio de medición magneto telúrica.

Las mediciones de MT, que hacen en una estación determinada, requieren de un sistema de adquisición de datos con una disposición de terreno como la indicada en la Figura 2.24. De esta manera, se mide el campo eléctrico en las direcciones ortogonales Ex y Ey, mediante electrodos separados cada 200 [m] y el campo magnético en las direcciones Hx y Hy mediante sensores (bobinas) orientados en forma ortogonal. Como resultado de las mediciones MT en función de la frecuencia, se obtiene un gráfico de variación de la resistividad en función de la profundidad para cada estación de MT, como se puede ver en la Figura 2.25. Al realizar medidas de estaciones MT en distintos lugares es posible obtener un perfil con información de la variación de la resistividad en función de la profundidad (sección de resistividad v/s profundidad), tal como se ve en la Figura 2.26.

Figura 2.25: Perfil de resistividad MT.


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Figura 2.26: Resultado método MT.

Cabe señalar que las mediciones MT no son siempre posibles de realizar, debido a que

requiere de la presencia de campos electromagnéticos naturales que no siempre tienen la intensidad requerida para efectuar las mediciones, por lo que conviene tener información que respalde los resultados que se obtienen. En general, la interpretación adecuada de los mapas geológicos es el elemento que permite reducir estas incertidumbres.

En la práctica estas mediciones pueden durar aproximadamente una semana en caso de

usar cinco estaciones para realizar el perfil del sitio. Sin embargo, estas pueden tomar más tiempo por un tema de pedir los permisos de ingreso pertinentes a quien sea necesario.

2.2.3.2.3 Características Térmicas del Suelo

Otro tipo de mediciones que hay que hacer, son las que entregan como resultados la humedad del suelo, la conductividad y capacidad térmica del suelo y su temperatura natural. Estos son parámetros que serán importantes posteriormente para un diseño con mejor detalle del electrodo, por lo que no es necesario realizarlos en la etapa de búsqueda de un sitio apto.

La conductividad térmica (λ y su unidad es W/m·C°) es un parámetro esencial en la

disipación del calor producido por un electrodo en funcionamiento debido a la corriente que circula por el suelo y por lo tanto a la temperatura que el suelo tendrá.

Este parámetro se encuentra relacionado con la densidad y la humedad del suelo. La

Figura 2.27 muestra la gran mejora de la conductividad térmica con la humedad, lo que demuestra su estrecha relación [5]. Esta misma referencia indica que el periodo que estas mediciones toman es de dos años completos, con mediciones cada dos meses.


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Figura 2.27: Variación de la conductividad térmica.

La capacidad térmica tiene que ver con la capacidad del suelo de generar calor con el

electrodo en funcionamiento y su unidad es J/m3·C° (se representa como γ) y al igual que la conductividad térmica, está relacionado con la humedad del lugar y con el tipo de suelo [5].

Tabla 2.2: Capacidad térmica en suelos.

Grado de Saturación en % (x106) Tipo de Suelo Seco 50% 100%

Arena 1,26 2,13 3,01 Arcilla 1,00 2,22 3,43 Humus 0,63 2,18 3,77

La conductividad y la capacidad térmica son variables a lo largo del año ya que dependen de las condiciones externas como el tiempo y el clima de la zona. Por lo tanto, para el diseño del electrodo se deberán tomar en cuenta las peores condiciones en las cuales el electrodo podría operar.


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La temperatura natural del suelo, y dado que el electrodo en funcionamiento aumenta su temperatura, será el punto de partida de la temperatura a la cual comenzará a aumentar debido a la corriente. Las variaciones de temperatura entre un día y otro no afectará al suelo en profundidades mayores a 1 o 1,25 [m], sin embargo, entre invierno y verano, el cambio de temperatura afectará al suelo hasta una profundidad de 20 [m], y bajo esa profundidad la temperatura se considera constante [5]. La profundidad a la cual la tierra se congela afectará directamente la profundidad a la que el electrodo se entierre.

La humedad es importante por su estrecha relación con la resistividad del suelo, y por lo

tanto su mejor conducción de corriente, y la conductividad térmica. La humedad se representa como un porcentaje de la relación de la masa o volumen de agua con la masa o volumen de suelo seco [5].

Junto con la humedad, la profundidad de la napa de agua, o conocido también como el

nivel freático, es una variable que deberá también ser medida. El nivel freático puede variar a lo largo del año, por lo que es necesario conocer cuales son esas variaciones, ya que si está muy cercano a la superficie existirán problemas en la construcción del electrodo, mientras que si se encuentra muy profundo el suelo será muy seco y por lo tanto con alta resistividad. Lo ideal es que el nivel se mantenga constante y que el electrodo se construya a una pequeña distancia sobre él [5].

Además de los parámetros nombrados anteriormente es necesario medir la permeabilidad

del suelo dada su relevancia para el proceso de electroósmosis [10]. La electroósmosis se explica en la sección 2.2.4.2.

2.2.3.3 Catastro de Propietarios

Un tema no menor en el proceso de selección del sitio apropiado, es el de conocer todos los propietarios de los terrenos de todos esos potenciales sitios en que se podría ubicar el electrodo. El tener claro los propietarios en una vasta área permitirá posteriormente reducir los costos relacionados a la compra y/o arriendo de terrenos donde se ubicará el electrodo. Además, puede permitir enfocarse en un sitio en que solo exista un solo propietario, buscando para eso un terreno apto en cuanto a movimiento de tierra y características apropiadas se refiere. En general, el tratar con un solo propietario es lo más recomendable tanto por motivos legales como de costos. La Figura 2.28 muestra un ejemplo de división de propietarios que un sector puede tener.


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Figura 2.28: Propie

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