TEMA: PUESTA A TIERRA EN LINEAS DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA

CURSO: LINEAS DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA

PROFESOR : ING. JAIME RODRÍGUEZ HINOSTROZA

UNIVERSIDAD MAYOR NACIONAL DE SAN MARCOSFACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA

ESCUELA ACADÉMICA PROFESIONAL DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA

PUESTA A TIERRA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN

1. Objetivos de las puestas a tierra:a) Proteger las líneas de transmisión contra descargas

atmosféricas presentando una baja impedancia a tierra para disipar las corrientes de rayo y reducir el número salidas de servicio por flameo inverso o back flashover.

b) Garantizar la seguridad de las personas cerca de las estructuras, reduciendo a valores tolerables las tensiones de toque, de paso y de transferencia.

c) En la figura 1 se muestran los componentes típicos de una puesta a tierra.

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Objetivos de las puestas a tierra (continuación):c) Asegurar la correcta operación de los sistemas de

protección y control mediante la provisión de una baja impedancia homopolar que permita la circulación de una corriente de falla de magnitud suficiente que permita una correcta identificación de la falla.

d) Reducir la interferencia electromagnética reduciendo las tensiones y corrientes inducidas en objetos conductores ubicados en la vecindad de la línea: Oleoductos, cercos, otras líneas de transmisión, etc.

FIGURA1.Componentes de la puesta a tierra de una línea de transmisión

2. Puestas a tierra para protección contra rayos:Las puestas para protección contra los efectos de los rayos, típicamente, comprende los siguientes componentes:• Cables de guarda,• Conductores de bajada a tierra,• Electrodos de puesta a tierra, Descargadores (pararrayos),• Otros elementos de conexión requeridos.En líneas aéreas, el rayo puede causar salidas de servicio de las líneas de 2 formas: 1) Como resultado de una inducción cuando el rayo cae en la vecindad de la línea. 2) Por contacto directo, cuando el rayo impacta en el cable de guarda o en la estructura, o en los conductores de fase.

La inducción no se considera importante en líneas de transmisión puesto que su magnitud por lo general menor a 300 kv en líneas sin cable de guarda.

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2. Puestas a tierra para protección contra rayos (Cont.):• Las descargas directas pueden causar flameo de dos formas:

Flameos como resultado de la falla de apantallamiento (shielding failure). Este tipo de fallas pueden evitarse mediante la adecuada ubicación de uno o más cables de guarda para interceptar el rayo y conducirlo a tierra.

• El otro modo de falla por descarga directa es el llamado flameo inverso (back flashover) que depende, fundamentalmente, del valor de la impedancia de puesta a tierra. El modo más común para mitigar este efecto es reduciendo la impedancia de puesta a tierra. En las líneas de transmisión, el fenómeno de flameo inverso es la condición más importante que debe ser tomada en cuenta.

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3. Puestas a tierra para seguridad de las personas:Durante condiciones de operación normal, las estructuras de las líneas de transmisión están a una tensión que es el resultado de los siguientes factores:• Acoplamiento electrostático entre los conductores de fase y

las estructuras metálicas (torres).• Corrientes inducidas debidas al campo magnético

originadas por el flujo concatenado entre la corriente de carga en el conductor de fase y el lazo formado por el cable de guarda, la torre y la tierra. Las diferencias entre las corrientes inducidas en vanos adyacentes son conducidas a tierra a través de las puestas a tierra y su impedancia, causando que la base de la torre esté a una diferencia de tensión.

3. Puestas a tierra para seguridad de las personas (cont.):

• Circuitos desbalanceados pueden originar un potencial de neutro y su asociada corriente homopolar, lo cual varía con la carga de la línea. El potencial de neutro es transferido a las torres de las línea a través de los cables de guarda.

• Las corrientes de fuga originadas por la contaminación de los aisladores originarán una momentánea elevación de potencial.

• En operación normal de un sistema efectivamente puesto a tierra, la suma de estos potenciales a tierra usualmente está limitado a 10 V.

• En condiciones de falla a tierra, las corrientes pueden ser de gran magnitud en las puestas a tierra. La mayor parte de esta corriente regresa a la subestación de potencia a través de los cables de guarda; pero, una porción significativa de la corriente de falla se disipa a través de las puestas a tierra de las estructuras, lo que puede dar lugar a gradientes de potencial elevados en la vecindad de las estructuras, que se expresan en términos de tensiones de toque y de paso.

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4. Correcta operación del sistema de transmisión:

• Un aspecto importante de la confiabilidad de un sistema eléctrico de potencia es su capacidad para identificar y aislar las fallas que se presenten.

• Las puestas a tierra de una línea de transmisión juegan los siguientes roles en ayudar a los sistemas de protección a ubicar y aislar efectivamente las fallas en el sistema eléctrico, para la adecuada detección y eliminación de las fallas:

• Proveen una impedancia de secuencia homopolar bien definida y estable con cuya información se puede regular la protección (setear).

• Proveen una baja impedancia a tierra para mejorar la velocidad y exactitud en la identificación de la protección.

• Proveen una trayectoria de retorno para la corriente de falla a la fuente.• Ayudan a evitar que las fallas simples fase – tierra se conviertan fallas

multifase.

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5. Interferencia Electromagnética:Las tensiones elevadas, grandes corrientes e intensos campos eléctricos y magnéticos alrededor del conductor de líneas de transmisión pueden causar interferencia en objetos conductores ubicados en la vecindad de las líneas de transmisión, tales como oleoductos, gasoductos, cercos, vías férreas y otras líneas de transmisión.Las tensiones y corrientes inducidas pueden causar:

• Exposición de las personas a descargas inesperadas cuando hagan contacto con las estructuras supuestamente no energizadas.

• Daño a la infraestructura en sí misma.• Daños a equipos electrónicos que actúan en contacto con la infraestructura.• Tensiones y corrientes inducidas en instalaciones paralelas: oleoductos, vías

férreas, líneas paralelas.• Las puestas a tierra de bajo valor de resistencia reducen la magnitud de las

tensiones que aparecen en las estructuras de las líneas a causa del acoplamiento conductivo. Los cables de guarda también contribuyen a reducir las tensiones inducidas por acoplamiento conductivo. Las puestas a tierra de los objetos metálicos en la vecindad de la línea reducen las tensiones por acoplamiento inductivo, capacitivo y conductivo.

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6. Características eléctricas del suelo

6.1 Mecanismos de conducción eléctrica del suelo

a) Por conducción electrónica mediante el movimiento de electrones libres a través del material del suelo como resultado de un campo eléctrico impuesto sobre este. Este tipo de conducción tiene lugar a través de los minerales metálicos, objetos metálicos tales como oleoductos o gasoductos, o depósitos de carbón.

b) Por conducción electrolítica, que se caracteriza por el movimiento de iones a través de una solución. Este tipo de conducción tiene lugar a través del agua que transporta minerales disueltos y sales.De estos 2 mecanismos, la conducción electrolítica es la predominante, en vista que el suelo siempre contiene una cantidad de humedad que, en combinación con las sales siempre presentes en el suelo, pueden servir como electrolitos para el flujo de corriente.La conducción electrónica es importante a grandes profundidades donde las rocas están sometidas a altas presiones. La conducción electrónica puede ser importante, también, en depósitos superficiales que contengan eléctricamente conductivos, tales como la magnetita, el grafito o la pirita. La conducción eléctrica del suelo está expresada en términos de su resistividad eléctrica, ρ, en ohm-m. Se define la resistividad eléctrica como la relación entre la Resistencia (R) de un objeto, su longitud (L) y su sección transversal (A). ρ= (R.A)/L

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6.2 Características eléctricas de suelos homogéneos

6.2.1 Parámetros que influyen en la resistividad eléctrica de los suelos En vista que la conducción electrolítica es el mecanismo predominante de conducción de corriente a través del suelo, la resistividad eléctrica del suelo es altamente dependiente de la presencia y de los factores que influyen en el electrolito del suelo, tales como:• Tipo de suelo: tamaño y distribución del material.• Proximidad de los granos o paquetes de granos, y la presión del suelo.• Tamaño y forma de los huecos (vacíos) y pasajes de interconexión en el

suelo.• La extensión de la comunicación por conductos de agua.• Composición química de las sales disueltas en el agua del suelo.• La concentración de las sales disueltas en el agua del suelo.• Otros factores que afectan la conducción de corriente eléctrica a través del

suelo, y por tanto a la resistividad, son la magnitud del campo eléctrico en el suelo (lo cual es función de la densidad de corriente en el suelo), la frecuencia de la tensión aplicada.• En la Tabla 1 se muestran los valores típicos de resistividades de suelos.

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6.3. Características eléctricas de suelos no homogéneosEn la práctica, los suelos raramente son homogéneos debido a sus características de origen geológico que varían de un lugar a otro, y a la presencia de capas rocosas o agua subterránea que pueden dar lugar a cambios significativos en la resistividad del suelo en función de la profundidad. Para líneas de transmisión provistas de puestas a tierra concentradas en cada estructura de soporte es importante tener en cuenta el impacto de estas variaciones de la resistividad del suelo en el comportamiento de la línea.

6.3.1 Resistividad eléctrica del suelo en función de la ubicación. De acuerdo con la existencia de diferentes zonas geológicas,

pueden encontrarse suelos con diferencias de resistividad eléctrica de hasta 4 órdenes de magnitud. Los mapas geológicos proveen información acerca de las resistividades eléctricas de capas subyacentes.

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• 6.3. 2 Capas horizontales y verticales.Desde la perspectiva del diseño de puestas a tierra en líneas de transmisión de potencia, las variaciones de resistividad eléctrica del suelo toman la forma de estratos horizontales y verticales (véase figura 2). Estas formaciones están estrechamente relacionadas con el tipo local del suelo y las estructuras geológicas.

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FIGURA2.Distribución horizontal y vertical de los valores de resistividad eléctrica típica del suelo

6.3.1.1 Estratificación horizontalLa estratificación horizontal del suelo, para efectos de la evaluación de la resistividad eléctrica, puede presentarse como resultado de la diferencia en niveles de humedad y temperatura, y como consecuencia de la estructura geológica del suelo. La evaporación superficial aumenta la resistividad eléctrica cerca de la superficie, aún en áreas donde el suelo es relativamente uniforme. Por el contrario, en zonas más profundas, debido a las aguas subterráneas, puede haber una disminución importante de la resistividad eléctrica.En lugares de clima muy frígidos ocurre un incremento en la resistividad eléctrica de la capa superficial, y las capas más profundas convergen hacia la temperatura media anual, si ésta es mayor que 0°C.La estructura geología local está compuesta de capas horizontales de diferentes tipos de suelos con diferentes valores de resistividad. Las capas rocosas tienen alta resistividad eléctrica y están cubiertas con material comprimido que tiene una baja resistividad eléctrica.

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6.3.1.1 Estratificación horizontal (cont.)La estratificación horizontal cumple una función importante en el comportamiento de las puestas a tierra. En áreas donde una capa de baja resistividad eléctrica cubre otra capa rocosa de alta resistividad, la capa superior podría ser el único material que provee una trayectoria de baja resistencia para el flujo de corriente. Los electrodos profundos no son efectivos en suelos con esta disposición de capas; por tanto, debe evaluarse la conveniencia de utilizar electrodos poco profundos, tales como electrodos en anillo o contrapesos.En áreas donde la capa superficial de alta resistividad eléctrica cubre a otra capa de baja resistividad , los electrodos de puesta a tierra pueden estar conformados por barras o varillas verticales para hacer contacto con las capas de baja resistividad eléctrica.Para el diseño de puestas a tierra en líneas de transmisión de potencia es importante tener en cuenta la estratificación horizontal, pero es suficiente utilizar el modelo simplificado del suelo consistente en 1 o 2 capas, aún cuando estén presentes más de 2 capas.

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6.3.2. Estratificación vertical

Los cambios en la resistividad eléctrica del suelo pueden presentarse también como capas de suelo orientadas verticalmente (indicado como B en la figura 1). Lo más representativo de este tipo de capas es donde hay un rápido cambio en la profundidad de los depósitos sobre capas rocosas o en los bordes de zonas geológicas.De manera general, las capas verticales no afectan el diseño de las puestas a tierra de estructuras de soporte individuales, a menos que los límites verticales disecten los electrodos de puesta a tierra.Como resultado, la estructura del suelo es una combinación de capas horizontales, verticales o inclinadas. Véase figura 1.

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6.4. Medición de la resistividad eléctrica del suelo La resistividad eléctrica del suelo es uno de los parámetros más importantes en el diseño de puestas a tierra en líneas de transmisión; por tanto, la realización de mediciones para obtener información acerca de la resistividad se justifica por las siguientes razones:

• La resistividad eléctrica del suelo influye directamente en la elevación del potencial del suelo (GPR) cuando ocurren descargas de rayos. Las incertidumbres en la estimación de la resistividad impiden obtener precisión en el cálculo de las tasas de flameo inverso.

• La resistividad eléctrica del suelo tiene una marcada influencia en la impedancia de retorno por tierra a 60 Hz (impedancia homopolar) de una línea de transmisión, tal como lo demostró Carson. Por tanto, la resistividad eléctrica del suelo afecta directamente la eficiencia de la transferencia de potencia y la magnitud del desbalance de corriente en la línea, y debe ser tomado en cuenta para las simulaciones de sobretensiones temporales y ajustes de relés de protección.

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6.4. Medición de la resistividad eléctrica del suelo (cont.)

• El valor de la resistividad del suelo, así como la naturaleza de su estratificación cerca a la superficie tiene importantes implicaciones de seguridad. La resistencia de puesta a tierra bajo los pies, lo cual depende de la resistividad superficial del suelo (ρ1), actúa como una importante barrera eléctrica alrededor de la línea de transmisión . Las tensiones de toque y de paso cerca de las estructuras de soporte de las líneas de transmisión, y la zonas de influencia eléctrica cerca a sistemas de comunicaciones, oleoductos y vías férreas, son fuertemente afectados por la relación de las resistividades de la capa superior y la capa inferior.Para la medición de la resistividad eléctrica del suelo existen varios métodos, de los cuales el más conocido y aplicable a líneas de transmisión de potencia es el Método Wenner o de los 4 electrodos.

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FLAMEO INVERSO (BACK FLASHOVER) POR CAIDA DE RAYO SOBRE ESTRUCTURA DE LINEA DE

TRANSMISIONFUENTE: EPRI – GUIDE FOR TRANSMISSION LINE GROUNDING

CONFIGURACIÓN DE PUESTAS A TIERRA

PUESTA A TIERRA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN

PUESTA A TIERRA EN ESTRUCTURAS AUTOPORTANTES

CRITERIO: DISIPACION DE CORRIENTES DE RAYO

PUESTA A TIERRA EN ESTRUCTURAS AUTOPORTANTES CRITERIO: DISIPACION DE CORRIENTES DE RAYO Y SEGURIDAD DE LAS

PERSONAS

PUESTA A TIERRA EN ESTRUCTURAS AUTOPORTANTES CRITERIO: CONTROL DE POTENCIAL PARA SEGURIDAD DE LAS PERSONAS

PUESTA A TIERRA EN ESTRUCTURAS CON RETENIDAS CRITERIO: DISIPACION DE LAS CORRIENTES DE RAYO

PUESTA A TIERRA DE ESTRUCTURAS BIPOSTES CRITERIO: DISIPACION DE LAS CORRIENTES DE RAYO

IONIZACION DEL SUELO CON ELECTRODO HORIZONTAL

IONIZACION DEL SUELO CON ELECTRODOS VERTICALES

DISTRIBUCION DEL GRADIENTE DE POTENCIAL PARA ELECTRODOS VERTICAL Y DE MALLA

FUENTE: EPRI – GUIDE FOR TRANSMISSION LINE GROUNDING