CAPÍTULO 2.ANÁLISIS DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA
2.2 Análisis de los potenciales de paso y de contacto
Para el análisis de los potenciales de paso y de contacto se obtuvieron los MVA de cortocircuitos trifásicos y monofásicos para una generación máxima con la ayuda del Power Systems eXplorer (PSX).
Seguidamente se analizan los potenciales de paso y de contacto para un tiempo de duración de la falla de 0.02 segundos y posteriormente de un segundo para una falla trifásica y una monofásica en cada unas de las subestaciones mencionadas anteriormente.
2.2.1 Subestación 110/34.5 kV Yaguajay
2.2.1.1 Tensión de contacto para ambas fallas con un tiempo de
duración de la falla de 0.02 segundos
Para este tiempo de duración de la falla existe un sobredimensionamiento de la malla de tierra ya sea para una falla monofásica como para una trifásica. En las figuras 2.7 y 2.8 se puede observar que para estas tensiones existe un margen de protección muy amplio de aproximadamente más de 3000 V, al no disponer del valor de resistividad real del terreno, se hizo el análisis para un rango de valores
de resistividad del terreno entre 40 y 400 .m manteniéndose los valores de resistencia de conexión a tierra entre 0.33659 y 3.3659 .
Figura 2.7 Tensión de contacto para una falla monofásica de 1354.14 A
Figura 2.8 Tensión de contacto para una falla trifásica de 1419.17 A
2.2.1.2 Tensión de paso para ambas fallas con un tiempo de
duración de la falla de 0.02 segundos
En las figuras 2.9 y 2.10 se muestran los potenciales de paso para una falla monofásica y una trifásica, donde como era de esperar el margen de protección de estos es aun mayor el cual está por encima de los 11 000 V.
Figura 2.9 Tensión de paso para una falla monofásica de 1354.14 A
Figura 2.10 Tensión de paso para una falla trifásica de 1419.17 A
2.2.1.3 Tensión de contacto para ambas fallas con un tiempo de
duración de la falla de un segundo
Como se observa en la figura 2.11 la tensión de contacto para una falla monofásica de 1354.14 A se mantienen por debajo de los permisibles hasta una resistividad aproximada del terreno de 155 .m; valor este relativamente bajo y ampliamente superado en muchos tipos de terrenos del país.
Figura 2.11 Tensión de contacto para una falla monofásica de 1354.14 A
Al igual que para una falla monofásica para una trifásica de 1419.17 A se puede observar en la figura 2.12 que a partir de una resistividad del terreno de aproximadamente 150 .m la tensión de contacto está por encima de la tensión de contacto permisible por el cuerpo humano, lo cual resulta peligroso para cualquier operario o visitante a la subestación.
2.2.1.4 Tensión de paso para ambas fallas con un tiempo de
duración de la falla de un segundo
La tensión de paso tanto para una falla monofásica como para una trifásica en esta subestación se muestran en la figura 2.13 y 2.14 respectivamente, donde se observa que existe un margen de protección muy grande, aproximadamente 1050
V.
Figura 2.13 Tensión de paso para una falla monofásica de 1354.14 A.
2.2.2 Batería de Yaguajay
2.2.2.1 Tensión de contacto para ambas fallas con un tiempo de
duración de la falla de 0.02 segundos
Para este tiempo de duración de la falla se puede apreciar en las figuras 2.15 y 2.16 que la tensión de contacto permisible se mantiene por encima de la tensión de contacto producida por la falla para cualquier valor de resistividad del terreno tanto para una falla monofásica como para una trifásica, disminuyendo con el aumento de la resistividad, mientras que los valores de conexión a tierra están entre 0.30654 y 3.0654 .
Figura 2.16 Tensión de contacto para una falla trifásica de 2088.83 A.
2.2.2.2 Tensión de paso para ambas fallas con un tiempo de
duración de la falla de 0.02 segundos
Para las tensiones de paso, se mantiene para ambas fallas un sobredimensionamiento de la malla, como se puede apreciar en las figuras 2.17 y 2.18 existiendo un exagerado margen de protección de aproximadamente 11000 V.
Figura 2.18 Tensión de paso para una falla trifásica de 2088.83 A
2.2.2.3 Tensión de contacto para ambas fallas con un tiempo de
duración de la falla de un segundo
Para ambas condiciones de cortocircuito, con un tiempo de duración de la falla de un segundo se aprecia en las figuras 2.19 y 2.20 que para una resistividad del terreno por encima de los 40 .m (valor muy poco frecuente) la tensión de contacto permisible está por debajo de la tensión de contacto existente en la subestación incrementándose la diferencia con el aumento de la resistividad del terreno.
Figura 2.20 Tensión de contacto para una falla trifásica de 2088.83 A
2.2.2.4 Tensión de paso para ambas fallas con un tiempo de
duración de la falla de un segundo
En este caso se puede observar en las figura 2.21 y 2.22 un margen de protección más adecuado para las tensiones de paso de aproximadamente 900 V tanto para una falla monofásica como para una trifásica para este tiempo de duración de la falla de un segundo.
Figura 2.22 Tensión de paso para una falla trifásica de 2088.83 A
2.2.3 Santa Clara 110 kV
2.2.3.1 Tensión de contacto para ambas fallas con un tiempo de
duración de la falla de 0.02 segundos
Debido a la antigüedad de esta malla de tierra y al progresivo aumento de la carga que existe en nuestros días, se puede observar en las gráficas de las figuras 2.23 y 2.24 que para una resistividad del terreno de aproximadamente 80 .m (valor este relativamente bajo), la tensión de contacto comienza a sobrepasar la tensión permisible por el cuerpo humano, lo que pudiera resultar peligroso para los operarios o visitantes a la subestación en caso de una falla. Los valores de resistencia de conexión a tierra se mantiene entre los 0.27438 y 2.7438 .
Figura 2.23 Tensión de contacto para una falla monofásica de 8326.44 A.
Figura 2.24 Tensión de contacto para una falla trifásica de 8033.56 A.
2.2.3.2 Tensión de paso para ambas fallas con un tiempo de
duración de la falla de 0.02 segundos
Ocurriendo todo lo contrario de la tensión de contacto, la tensión de paso de esta malla está sobredimensionada ya que existe un margen de sobreprotección de aproximadamente 10000 V como se puede observar en las figuras 2.25 y 2.26.
Figura 2.25 Tensión de paso para una falla monofásica de 8326.44 A.
Figura 2.26 Tensión de paso para una falla trifásica de 8033.56 A.
2.2.3.3 Tensión de contacto para ambas fallas con un tiempo de
duración de la falla de un segundo
Para este tiempo de duración de la falla y debido a la antigüedad de la malla como se mencionó anteriormente la tensión de contacto se mantiene muy por encima de los valores permisibles por el cuerpo humano (figura 2.27 y 2.28) para cualquier valor de resistividad del terreno, lo cual resulta muy peligroso para cualquiera persona que se encuentre en dicha subestación en caso de una falla.
Figura 2.27 Tensión de contacto para una falla monofásica de 8326.44 A
Figura 2.28 Tensión de contacto para una falla trifásica de 8033.56 A
2.2.3.4 Tensión de paso para ambas fallas con un tiempo de
duración de la falla de un segundo
Para este caso que se muestra en las figuras 2.29 y 2.30 se puede observar que la tensión de paso está por debajo de las permisibles por el cuerpo humano hasta una resistividad aproximada de 240 .m tanto para una falla monofásica como para una trifásica.
Figura 2.29 Tensión de paso para una falla monofásica de 8326.44 A
2.2.4 Santa Clara 34.5/13.2 kV
2.2.4.1 Tensión de contacto para ambas fallas con un tiempo de
duración de la falla de 0.02 segundos
Para el caso de la falla monofásica se puede observar en la figura 2.31 que para este proyecto estándar realizado a todas las subestaciones de 34.5/13.2 kV de la provincia de Villa Clara la tensión de contacto se mantiene por debajo de la permisible hasta una resistividad aproximada de 90 .m, valor este relativamente bajo, mientras que para una falla trifásica comienza a estar por encima de la tensión permisible por el cuerpo humano a partir de aproximadamente los 120 .m (figura 2.32), manteniéndose los valores de resistencia a tierra entre 0.87946 y 8.7946 .
Figura 2.32 Tensión de contacto para una falla trifásica de 7488.3 A
2.2.4.2 Tensión de paso para ambas fallas con un tiempo de
duración de la falla de 0.02 segundos
En la tensión de paso para el tiempo de duración de la falla de 0.02 segundos como se muestra en la figuras 2.33 y 2.34 se mantiene un margen de protección superior a los 10000 V.
Figura 2.34 Tensión de paso para una falla trifásica de 7488.3 A
2.2.4.3 Tensión de contacto para ambas fallas con un tiempo de
duración de la falla de un segundo
Se puede observar tanto en la figura 2.35 como en la 2.36 que la tensión de contacto para este tiempo de duración de la falla de un segundo está por encima de los valores permisible por el cuerpo humano a partir de una resistividad del terreno muy baja de aproximadamente 40 .m tanto para una falla monofásica como para una trifásica lo que pudiese resultar muy peligroso para cualquier persona que se encuentre en la subestación en el momento de ocurrir una falla que se extienda el mencionado tiempo.
Figura 2.35 Tensión de contacto para una falla monofásica de 9218.1 A
Figura 2.36 Tensión de contacto para una falla trifásica de 7488.3 A
2.2.4.4 Tensión de paso para ambas fallas con un tiempo de
duración de la falla de un segundo
Como se puede observar en las figuras 2.37 y 2.38 para la falla monofásica y trifásica respectivamente la tensión de paso están por encima de las permisibles por el cuerpo humano a partir de una resistividad del terreno aproximadamente 180 .m en el caso de la monofásica y de 230 .m para el caso de la trifásica, valores estos de resistividad del terreno que se encuentran dentro de los valores promedios de resistividad.
Figura 2.37 Tensión de paso para una falla monofásica de 9218.1 A
Figura 2.38 Tensión de paso para una falla trifásica de 7488.3 A
2.2.5 Calabazar de Sagua 110 kV
2.2.5.1 Tensión de contacto para ambas fallas con un tiempo de
duración de la falla de 0.02 segundos
En esta subestación y para este tiempo de duración de la falla, la tensión de contacto monofásica está por debajo del permisible por el cuerpo humano para todo valor de resistividad del terreno mostrado en la figura 2.39 mientras que para
el caso de la falla trifásica la tensión de contacto comienza a sobrepasar la permisible por el cuerpo humano a partir de una resistividad aproximada de 400 .m como se muestra en la figura 2.40, los valores de conexión a tierra están entre 0.2669 y 2.669
Figura 2.39 Tensión de contacto para una falla monofásica de 3307.7 A
2.2.5.2 Tensión de paso para ambas fallas con un tiempo de
duración de la falla de 0.02 segundos
Para este tiempo de duración de la falla el margen de protección como se puede observar en las figuras 2.41y 2.42 es superior a los 10000 V.
Figura 2.41 Tensión de paso para una falla monofásica de 3307.7 A
2.2.5.3 Tensión de contacto para ambas fallas con un tiempo de
duración de la falla de un segundo
Las gráficas de tensión de contacto para la falla monofásica y trifásica con un tiempo de duración de un segundo que se muestran en las figuras 2.43 y 2.44 en este caso está por encima de los valores permisibles por el cuerpo humano para cualquier valor de resistividad del terreno superior a los 40 .m siendo esto muy peligroso para cualquier operario o visitante a la subestación en caso de ocurrir una falla que esté presente un segundo.
Figura 2.43 Tensión de contacto para una falla monofásica de 3307.7 A
2.2.5.4 Tensión de paso para ambas fallas con un tiempo de
duración de la falla de un segundo
El margen de protección en este caso es de 900 V tanto para la falla monofásica como para la trifásica como se puede observar en las figuras 2.45 y 2.46.
Figura 2.45 Tensión de paso para una falla monofásica de 3307.7 A
2.2.6 Batería Calabazar de Sagua
2.2.6.1 Tensión de contacto para ambas fallas con un tiempo de
duración de la falla de 0.02 segundos
En esta instalación se da un sobredimensionamiento, fundamentalmente con relación a los electrodos verticales, provocado por el gran número que existen de estos. Esto se muestra en las figura 2.47 y 2.48, los valores de resistencia de conexión a tierra están entre 0.13061 y 1.3061 . En el capítulo siguiente se hará un análisis más detallado de la malla de tierra de esta batería.
Figura 2.47 Tensión de contacto para una falla monofásica de 4334.9 A
2.2.6.2 Tensión de paso para ambas fallas con un tiempo de
duración de la falla de 0.02 segundos
Como se explicó anteriormente este reticulado cuenta con un exceso innecesario de electrodos verticales por lo que la malla está sobredimensionada para cualquier valor de resistividad del terreno para falla monofásica o trifásica (figura 2.49 y 2.50).
Figura 2.49 Tensión de paso para una falla monofásica de 4334.9 A
2.2.6.3 Tensión de contacto para ambas fallas con un tiempo de
duración de la falla de un segundo
Para este tiempo relativamente alto de la falla la tensión de contacto está por debajo de la permisibles por el cuerpo humano hasta una resistividad del terreno de aproximadamente 160 .m como se muestra en la figura 2.51, en el caso de la falla monofásica, mientras que para la falla trifásica (figura 2.52) está por encima a partir de una resistividad aproximada de 180 .m.
Figura 2.51 Tensión de contacto para una falla monofásica de 4334.9 A
2.2.6.4 Tensión de paso para ambas fallas con un tiempo de
duración de la falla de un segundo
Para la tensión de paso los resultados se muestran en las figuras 2.53 y 2.54.
Figura 2.53 Tensión de paso para una falla monofásica de 4334.9 A
El análisis realizado a las mallas de tierra de las subestaciones y emplazamientos electrógenos seleccionados permite obtener una visión mucho más real de cómo se comportan estas subestaciones ante una falla monofásica y trifásica con diferentes tiempo de duración de la misma, llegando a la conclusión que algunas de ellas se encuentran con un gran margen de protección en cuanto a potenciales de contacto y paso, otras debido a su antigüedad o a que por parte de la OBE se están realizando proyectos estándar sin hacer un debido análisis de los suelos para implementar dicha malla, presentan un peligro potencial para las personas que se encuentren en ella bajo condiciones de falla.
CAPÍTULO 3. ANÁLISIS CRÍTICO DE ALGUNAS
SUBESTACIONES DE LA REGIÓN
CENTRAL
En este capítulo se realizará el análisis de un grupo de subestaciones y emplazamientos de grupos electrógenos seleccionados, con el objetivo de realizar un análisis crítico a sus mallas de tierra puesto que en la provincia de Villa Clara no se están realizando estudios de los suelos donde se van a implementar estas mallas de tierra, así como también se están utilizando proyectos estándar principalmente en las subestaciones de 34.5/13 kV y en los grupos electrógenos, quedando estas en la mayoría de los casos sobredimensionadas, por lo cual se está gastando una excesiva cantidad de dinero innecesaria en el montaje de esas mallas de tierra.