Programa en MATLAB para el diseño de sistemas de puesta a tierra para subestaciones

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(1)PROGRAMA EN MATLAB PARA EL DISEÑO DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA PARA SUBESTACIONES. WILDER SEGURA CHIPATECUA. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA – TECNOLOGÍA EN ELECTRICIDAD BOGOTÁ D.C 2019.

(2) PROGRAMA EN MATLAB PARA EL DISEÑO DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA PARA SUBESTACIONES. WILDER SEGURA CHIPATECUA. Trabajo de grado para optar al título de TECNÓLOGO EN ELECTRICIDAD. Director Ing. HUGO ARMANDO CARDENAS FRANCO. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA – TECNOLOGÍA EN ELECTRICIDAD BOGOTÁ D.C 2019.

(3) NOTA DE ACEPTACIÓN. El proyecto de grado titulado: “PROGRAMA EN MATLAB PARA EL DISEÑO DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA PARA SUBESTACIONES” Ha sido aprobada por cumplir con los requerimientos exigidos por la Universidad Distrital Francisco José de Caldas.. ___________________________________ Firma tutor Ing. Hugo Armando Cárdenas Franco. __________________________________ Firma jurado Ing. Carlos Alberto Avendaño Avendaño. Bogotá D.C. 2019.

(4) AGRADECIMIENTOS. Primero agradezco a Dios por brindarme esta oportunidad de poder culminar mis estudios. A mi madre Maudelina Chipatecua Garay por brindarme su apoyo y aliento durante este proceso, a mi hermana por apoyarme incondicionalmente desde el primer día, por su apoyo sentimental y económico. A mi tutor el Ingeniero Hugo Cárdenas por su colaboración y acompañamiento durante la ejecución de este proyecto de grado, a todos los profesores que me brindaron los conocimientos necesarios para poder ser un profesional integro, a mis compañeros de carrera por su colaboración, amistad, gratitud y por brindarme su mano cuando más lo necesite. Wilder Segura Chipatecua.

(5) TABLA DE CONTENIDO RESUMEN ............................................................................................................................................1 INTRODUCCIÓN .................................................................................................................................2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .................................................................................................3 JUSTIFICACIÓN ..................................................................................................................................4 OBJETIVOS .........................................................................................................................................5 1. MARCO TEÓRICO. .....................................................................................................................6. 1.1. GLOSARIO .......................................................................................................................... 6. 1.2. ARTICULO 15° RETIE 2013. SISTEMA DE PUESTA A TIERRA.................................... 7 1.2.1 Requisitos generales del sistema de puesta a tierra.....................................................7 1.2.2 Diseño del sistema de puesta a tierra. ...........................................................................7 1.2.3 Materiales de los sistemas de puesta a tierra. ..............................................................7 1.2.4 Valores de referencia de resistencia de puesta a tierra. ...............................................7. 1.3. CRITERIOS DE DISEÑO UTILIZANDO LA NORMA IEEE 80-2000. ............................... 8 1.3.1 Parámetros críticos. ........................................................................................................8 1.3.2 Duración de la falla (tf) y duración del choque (ts). .......................................................9 1.3.3 Selección del tamaño del conductor de la malla. ..........................................................9 1.3.4 Criterios de tensión de paso y contacto. ........................................................................9 1.3.5 Geometría de la malla. ....................................................................................................9 1.3.6 Modelo de suelo de dos capas (general) .....................................................................10 1.3.7 Aumento del potencial de tierra (GPR). .......................................................................10 1.3.8 Tensión de malla (Em). .................................................................................................10 1.3.9 Tensión de paso (Es). ...................................................................................................10 1.3.10 Procedimiento de diseño. .............................................................................................10. 2 PARAMETROS DE ENTRADA Y SALIDA, DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL PROGRAMA...................................................................................................................................... 11 2.1. METODOLOGIA EMPLEADA PARA EL DISEÑO DEL PROGRAMA. ..........................12 2.1.1 PLANTILLA_001. ..........................................................................................................13 2.1.2 PLANTILLA_002. ..........................................................................................................16.

(6) 2.1.3 PLANTILLA_003. ..........................................................................................................21 2.1.4 PLANTILLA_004. ..........................................................................................................25 3 EJEMPLOS DE CASOS REALES DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA PARA SUBESTACIONES UTILIZANDO EL PROGRAMA. ....................................................................... 29 3.1. Ejemplo 1. Malla cuadrada con electrodos tipo varilla ....................................................29. 3.2. Ejemplo 2. Malla cuadrada sin electrodos de tipo varilla. ...............................................34. 3.3. Ejemplo 3. Malla rectangular con electrodos de tipo varilla. ...........................................40. 3.4. Ejemplo 4. Malla rectangular sin electrodos de tipo varilla.iterando ...............................45. 3.5. Ejemplo 5. Malla rectangular con electrodos tipo varilla, hasta el paso 7. .....................53. 4. ALGORITMO DEL PROGRAMA. ............................................................................................ 59. 4.1. Plantilla_001 ......................................................................................................................59. 4.2. Plantilla_002 ......................................................................................................................63. 4.3. Plantilla_003 ......................................................................................................................99. 4.4. Plantilla_004 ....................................................................................................................105. 5. CONCLUSIONES. .................................................................................................................. 109. 6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...................................................................................... 110. ANEXOS .......................................................................................................................................... 111 ANEXO A. ARTICULO 15° RETIE 2013. SISTEMA DE PUESTA A TIERRA. .......................... 111 A1. Requisitos generales del sistema de puesta a tierra. .................................................... 111 A2. Diseño del sistema de puesta a tierra............................................................................. 111 A3. Materiales de los sistemas de puesta a tierra. ............................................................... 112 A4. Valores de referencia de resistencia de puesta a tierra. ................................................ 134 A5. Mediciones para sistemas de puesta a tierra. ................................................................ 135 ANEXO B. CRITERIOS DE DISEÑO UTILIZANDO LA NORMA IEEE 80-2000. .......................137 B1. Parámetros críticos. ......................................................................................................... 137 B2. Duración de la falla (tf) y duración del choque (ts). ........................................................ 140 B3. Selección del tamaño del conductor de la malla. ........................................................... 140 B4. Criterios de tensión de paso y contacto. ......................................................................... 142 B5. Geometría de la malla...................................................................................................... 146.

(7) B6. Modelo de suelo de dos capas (general) ........................................................................ 147 B7. Calcúlo de la resistencia de puesta a tierra. ................................................................... 150 B8. Determinación de la corriente máxima a disipar por la malla. ....................................... 152 B9. Aumento del potencial de tierra (GPR). .......................................................................... 152 B10. Tensión de malla (Em).................................................................................................. 152 B11. Tensión de paso (Es). .................................................................................................... 154 B12. Procedimiento de diseño. .............................................................................................. 155. LISTA DE FIGURAS Figura 1. Esquema de bloques del procedimiento de diseño .............................................................. 12 Figura 2. Plantilla_ 001 de la interfaz gráfica. .................................................................................... 13 Figura 3. Información de entrada. .................................................................................................... 14 Figura 4. Corriente asimétrica monofásica dada por el operador de red. .............................................. 14 Figura 5. Paso 1: Datos de campo ................................................................................................... 15 Figura 6. Casilla para ingresar si se cuenta con el modelo de dos capas (ro_a resistividad aparente). .. 15 Figura 7. Casillas para el ingreso de los parámetros Tipo de suelo, ro_s, hs, Sf y peso corporal del ser humano. ........................................................................................................................................ 16 Figura 8. Plantilla_002 de la interfaz gráfica. ..................................................................................... 17 Figura 9. Selección del conductor de puesta a tierra. ......................................................................... 17 Figura 10. Selección del conductor de puesta a tierra entre varios materiales. ..................................... 18 Figura 11. Obtención del conductor del sistema de puesta a tierra. ..................................................... 18 Figura 12. Tensión de contacto y paso. ............................................................................................ 19 Figura 13. Diseño preliminar de la malla de puesta a tierra. ................................................................ 19 Figura 14. Grafica de la malla diseñada preliminarmente. .................................................................. 20 Figura 15. Botones para avanzar o retroceder de plantilla. ................................................................. 20 Figura 16. Plantilla_003 de la interfaz gráfica. ................................................................................... 21 Figura 17.Obtención de la resistencia de la malla. ............................................................................. 22.

(8) Figura 18. Obtención de la corriente a disipar por la malla.................................................................. 22 Figura 19. Calcúlo del potencial de tierra, y comparación del GPR y tensión de contacto ...................... 22 Figura 20. Calcúlo del potencial de tierra, comparación del GPR y tensión de contacto cuando cumple. 23 Figura 21. Calcúlo del potencial de tierra, y comparación del GPR y tensión de contacto cuando no cumple .......................................................................................................................................... 23 Figura 22. Variables para halla la de tensión de malla (Em)................................................................ 24 Figura 23. Tensión de malla y comparación Em y tensión de contacto................................................ 24 Figura 24. Ejemplo Tensión de malla máximo y comparación (Em) y tensión de contacto. .................... 25 Figura 25 botones para atrás, recalculár y siguiente de plantilla. ......................................................... 25 Figura 26. Plantilla 004 de la interfaz gráfica. ................................................................................... 26 Figura 27. Tensión de paso de la malla máximo y comparación (Es) y tensión de paso. ....................... 26 Figura 28. Modificación del Diseño detallado de la malla. ................................................................... 27 Figura 29. Tensión de paso de la malla máximo comparación Es y tensión de paso cuando no cumple. 27 Figura 30. Modificación del Diseño detallado de la malla cuando no cumple. ....................................... 28 Figura 31. Conclusión del diseño del sistema de puesta a tierra. ........................................................ 28 Figura 32. Botones para atrás y recalculár pasando a la plantilla 002 paso 4. ..................................... 29. LISTA DE FIGURAS DE INSUMOS DE EJEMPLOS DEL PROGRAMA. Figura 33. Corriente asimétrica dada por CODENSA. ej.1 .................................................................. 30 Figura 34. Datos arrojados por el programa en la plantilla-001. ej.1 .................................................... 31 Figura 35. Datos arrojados por el programa en la plantilla-002. ej.1 .................................................... 32 Figura 36. Datos arrojados por el programa en la plantilla-003. ej.1 .................................................... 33 Figura 37. Datos arrojados por el programa en la plantilla-004. ej.1 .................................................... 34 Figura 38. Corriente asimétrica dada por CODENSA. ej.2 .................................................................. 35 Figura 39. Datos arrojados por el programa en la plantilla-001. ej.2 .................................................... 36 Figura 40. Datos arrojados por el programa en la plantilla-002. ej.2 .................................................... 37.

(9) Figura 41. Datos arrojados por el programa en la plantilla-003. ej.2 .................................................... 38 Figura 42. Datos arrojados por el programa en la plantilla-004. ej.2 .................................................... 39 Figura 43. Corriente asimétrica dada por CODENSA. ej.3 .................................................................. 40 Figura 44. Datos arrojados por el programa en la plantilla-001. ej.3 .................................................... 41 Figura 45. Datos arrojados por el programa en la plantilla-002. ej.3 .................................................... 42 Figura 46. Datos arrojados por el programa en la plantilla-003. ej.3 .................................................... 43 Figura 47. Datos arrojados por el programa en la plantilla-004. ej.3 .................................................... 44 Figura 48. Corriente asimétrica dada por CODENSA. ej.4 .................................................................. 45 Figura 49. Datos arrojados por el programa en la plantilla-001. ej.4 .................................................... 46 Figura 50. Datos arrojados por el programa en la plantilla-002. ej.4 .................................................... 47 Figura 51. Datos arrojados por el programa en la plantilla-003. ej.4 .................................................... 48 Figura 52. Datos arrojados por el programa en la plantilla-004. ej.4 .................................................... 49 Figura 53. Datos arrojados por el programa en la plantilla-002. ej.4 .................................................... 50 Figura 54. Datos arrojados por el programa en la plantilla-003. ej.4 .................................................... 51 Figura 55. Datos arrojados por el programa en la plantilla-004. ej.4 .................................................... 52 Figura 56. Corriente asimétrica dada por CODENSA. ej.5 .................................................................. 53 Figura 57. Datos arrojados por el programa en la plantilla-001. ej.5 .................................................... 55 Figura 58. Datos arrojados por el programa en la plantilla-002. ej.5 .................................................... 56 Figura 59. Datos arrojados por el programa en la plantilla-003. ej.5 .................................................... 57 Figura 60. Datos arrojados por el programa en la plantilla-003. ej.5 .................................................... 58.

(10) LISTA DE FIGURAS DE LOS ANEXOS Figura A1. Esquema de tensión de contacto ................................................................................... 112 Figura A2. Esquema de tensión de paso ........................................................................................ 112 Figura A3. Esquema de Medición de resistividad aparente. . ................................. 135. Figura A4. Esquema de Medición de resistividad de puesta a tierra. ................................................. 136 Figura A5. Esquema de una malla de sistema de puesta a tierra. ..................................................... 147 Figura A6. Método gráfico de Sunde .............................................................................................. 149 Figura A7. Gráfico de resistividad de datos del suelo tipo 1, pestáñale E2 ......................................... 150. LISTA DE TABLAS DE LOS ANEXOS Tabla 1. Requisitos para electrodos de puesta a tierra. .................................................................... 134 Tabla 2. Valores de referencia de resistencias de puesta a tierra. ..................................................... 135 Tabla 3. Constantes de material .................................................................................................... 142.

(11) RESUMEN En este trabajo se recopila la información necesaria para la realización de un programa en MATLAB, para el diseño de sistemas de puesta a tierra (SPT), donde se incluyen las subestaciones de distribución y transmisión que cumpla con las especificaciones técnicas de la norma IEEE 80-2000; Este programa atenderá el requisito establecido por RETIE, denominado ítem I, como se explica en el Artículo 10°. REQUERIMIENTOS GENERALES DE LAS INSTALACIONES ELECTRICAS RETIE; en su ítem 10.1.1. Que expresa una serie de ítems de la A a la W, los cuales se deben cumplir por parte de un diseño eléctrico y los que apliquen para este. El proyecto está enfocado en solucionar el ítem I: cálculo del sistema de puesta a tierra, con la creación de un programa realizado en MATLAB. El programa en MATLAB se realizará teniendo en cuenta las normas: RETIE artículo 15°. Sistema de puesta a tierra. IEEE-80 2000 guía IEEE para la seguridad en la puesta a tierra de la subestación AC. Estas normas muestran en detalle la elaboración y el diseño (SPT).. 1.

(12) INTRODUCCIÓN Toda instalación eléctrica debe contar con un sistema de protección a los seres humanos y equipos. Las perturbaciones más comunes de las instalaciones eléctricas son producidas en la red de alimentación, como las descargas eléctricas atmosféricas directas o indirectas, variaciones de tensión o frecuencia y transitorios debido a cortocircuitos. Los sistemas de puesta a tierra (SPT), son cada vez más importantes para la protección de seres humanos y equipos; Un buen sistema de puesta a tierra (STP) mitiga o resuelve muchos de estos problemas al disipar la corriente sin que se presente potenciales peligrosos en la superficie del suelo. Mediante este trabajo de grado se realizará un programa en MATLAB para el diseño de sistemas de puesta a tierra para subestaciones, tomando como referencia la norma IEEE 80-2000, el cual nos permita realizar ensayos a los parámetros básicos del diseño de la malla de puesta a tierra. Con este programa se busca que los estudiantes de la carrera en electricidad puedan realizar pruebas y análisis complementado con la parte teórica.. 2.

(13) PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. La energía eléctrica es fundamental para el desarrollo de la humanidad, es por ello que durante su generación, transmisión y distribución es necesario garantizar la operación normal de los equipos y la seguridad de los seres humanos ante corrientes anormales. Por esto es imprescindible tomar las medidas para reducir al mínimo los riesgos a que puedan quedar sometidos los seres humanos por un efecto directo o indirecto de estas instalaciones. Los sistemas de puesta a tierra constituyen uno de los elementos fundamentales de los sistemas eléctricos, por lo que su correcto diseño y funcionamiento contribuyen a optimizar y mejorar las instalaciones eléctricas, asegurando de manera primordial la vida humana. Debido a los requisitos de los entes de control, como lo establece RETIE (reglamento técnico de instalaciones eléctricas) y los operadores de red a nivel nacional; Se requiere unos cálculos de sistemas de puesta a tierra más preciso y confiable para el desarrollo de diseños eléctricos. Gracias al desarrollo computacional en la actualidad, se puede hacer un mejor diseño SPT, garantizando exactitud y una visualización grafica más detallada. SISTEMATIZACIÓN DEL PROBLEMA. ¿Cómo se puede sistematizar computacionalmente el conjunto de reglas y criterios establecidos en el diseño de un sistema de puesta a tierra? ¿Cuáles son los parámetros de entrada en la determinación de un sistema de puesta a tierra? ¿Cuáles son los componentes de un sistema de puesta a tierra? ¿Cuáles son las normas que debe cumplir el diseño de un sistema de puesta a tierra? ¿Cómo se verifica que un sistema de puesta tierra está bien dimensionado?. 3.

(14) JUSTIFICACIÓN El programa de STP, se realiza para dar satisfacción a los requisitos establecidos por los entes de control como RETIE y los operarios de red a nivel nacional, para los diseños eléctricos. Para esto se requiere de unos cálculos más preciso y confiable, realizados en MATLAB. El programa será diseñado para que cualquier persona con conocimientos básico de electricidad pueda realizar un STP, debido a que los datos a ingresar al programa serán de manera sencilla, obteniendo como resultado un STP bien dimensionado, optimo y confiable. Requisitos generales del sistema de puesta a tierra. Según anexo A. El sistema de puesta a tierra debe cumplir los siguientes requisitos.. •. Proporcionar una impedancia suficientemente baja para facilitar la operación satisfactoria de las protecciones en condiciones de falla.. •. Asegurar que seres vivos presentes en la vecindad de las subestaciones no queden expuestos a potenciales inseguros.. •. Estabilizar los voltajes fase a tierra en líneas eléctricas bajo condiciones de régimen permanente, por ejemplo, disipando cargas electrostáticas que se han generado debido a nubes, polvo, agua, nieve, etc.. •. Proporcionar una trayectoria alternativa para las corrientes inducidas y de tal modo minimizar el «ruido» eléctrico en cables.. •. Proporcionar una plataforma equipotencial sobre la cual pueda operar equipo electrónico.. 4.

(15) OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL: Elaborar un programa en MATLAB para el diseño de sistemas de puesta a tierra para subestaciones. OBJETIVOS ESPECÍFICOS:. 1. Sistematizar la normatividad pertinente para el diseño de sistemas de puesta a tierra. 2. Elaborar un programa realizado en MATLAB, ingresando los parámetros de entrada. 1. Corriente simétrica del circuito a la cual se va a conectar la subestación. 2. El usuario debe ingresar los datos del modelo de dos capas (ro_a resistividad aparente). 3. Tiempo de despeje de la falla. 4. Profundidad de enterramiento de la malla. 5. Dimensiones de la malla preliminar. Y como resultado obteniendo los parámetros de salida. 1. Tensión de paso real. 2. Tensión de toque real. 3. Tensión permisible de toque. 4. Tensión permisible de paso. 5. Conductor a utilizar. 6. Dimensiones de la malla. Calculando de manera iterativa.. 3. Elaborar una metodología de verificación, que garantice la validez del sistema de puesta a tierra diseñado computacionalmente. 4. Elaborar un informe o documento final de los procesos del diseño, en físico y medio magnético. Para la presentación del proyecto, el estudio e investigación de nuevos proyectos de grado en la universidad.. 5.

(16) 1 1.1. MARCO TEÓRICO.. GLOSARIO. El presente capitulo toma como referencia el método de SPT de la norma IEEE 80-2000, para subestaciones. Este método será implementado en MATLAB como objeto de estudio y presentado en este trabajo. Para realizar el estudio de un sistema de puesta a tierra se debe saber ¿Qué es? ¿Qué elementos la conforman? ¿Cuáles son los aspectos específicos que se deben trabajar en las instalaciones eléctricas? •. Tierra: Es la masa conductiva del terreno como un todo.. •. Puesta a tierra: Es un conjunto de uno o más electrodos metálicos desnudos, enterrados en el terreno e interconectados eléctricamente entre sí, cuyo objetivo principal es proporcional un contacto eléctrico conductivo entre tierra y otros elementos metálicos que se encuentra en una instalación sobre el terreno o en el terreno mismo.. •. Poner a tierra: Es una acción intencional, mediante la cual elementos activos del sistema de transmisión, por ejemplo, neutro de transformadores de potencia, se conecta a una puesta a tierra (puesta a tierra de servicio), de manera de establecer, en forma sólida, la tierra como potencial de referencia.. •. Conectar a tierra: Es una acción física, de carácter particular, realizada mediante conductores y conectores para unir un determinado elemento metálico con la puesta a tierra correspondiente. El objetivo es establecer un potencial similar en todos estos elementos.. •. Malla de tierra: Es una puesta a tierra común a todos los elementos metálicos y circuitos de una instalación o parte claramente definida de la instalación. Tiene como objetivo el poseer un adecuado valor de resistencia y además las solicitaciones de voltaje a que pueden quedar sometidas las personas, en el interior y contorno del área abarcada por ella. Generalmente consiste en un reticulado de conductores interconectados y enterrados a cierta profundidad. La malla de tierra puede estar unida con otras puestas a tierra, malla de tierra o electrodo auxiliar, para mejorar sus características y las del conjunto.. •. Resistencia de tierra: Es la resistencia existente entre un punto cualquiera de una puesta a tierra y la tierra remota. Se define como el cociente entre el potencial eléctrico que adquiere una puesta a tierra y la corriente dispersada por esta.. •. Tensión de paso: Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que puede ser tocado simultáneamente por ambos pies de una persona.. •. Tensión de contacto: Es la diferencia de potencial entre un punto de la superficie del terreno y cualquier otro punto que pueda ser tocado simultáneamente por una persona, generalmente entre manos y pies.. •. Resistividad del terreno: La resistividad eléctrica del suelo describe la dificultad que encuentra la corriente a su paso por él. El suelo es una mezcla de rocas, gases, agua y otros minerales orgánicos e inorgánicos. Esta mezcla hace que resistividad del terreno aparte de depender de su composición interna, dependa de otros factores externos como son la temperatura, la. 6.

(17) humedad, el contenido de sales, etc., que pueden provocar que el mismo suelo presente resistividades diferentes con el tiempo. •. Tensión de paso tolerable: La máxima diferencia de potencial que puede experimentar una persona caminando en la superficie de la subestación o en sus alrededores al momento de una falla. Esta diferencia de potencial se toma entre dos puntos separados a una distancia de un metro.. •. Tensión de contacto tolerable: Es la máxima diferencia de potencial que puede experimentar una persona en contacto con un equipo aterrado, en el momento de ocurrir una falla, la distancia máxima para tocar un equipo supone que es el máximo alcance horizontal, la cual se asume como un metro.. A continuación, se realiza un resumen de las dos normas correspondientes para el diseño de un (SPT), y las cuales se tomarán como referencia para la realización de este proyecto.  La primera es la norma RETIE 2013 en su artículo 15° sistema de puesta a tierra; y el método de medición Wenner.  La segunda es la IEEE 80-2000 criterios de diseños. 1.2. ARTICULO 15° RETIE 2013. SISTEMA DE PUESTA A TIERRA.. Toda instalación eléctrica que le aplique el RETIE, tiene que disponer de (SPT), para evitar que los seres humanos queden sometidos a tensiones de paso, de contacto o transferencia, cuando se presente una falla.(Ver anexo A). 1.2.1 Requisitos generales del sistema de puesta a tierra. La intervención de las estructuras metálicas de la edificación o construcción debe ser fijada al sistema de puesta a tierra, con soldadura exotérmica o conectores certificados y si existe más de un sistema de puesta a tierra serán interconectadas eléctricamente. (Ver anexo A1). 1.2.2 Diseño del sistema de puesta a tierra. El diseñador de sistema de puesta a tierra para centrales de generación, líneas de transmisión de alta y extra alta tensión o subestaciones, se debe comprobar mediante el empleo de un procedimiento de cálculo. (Ver anexo A2). 1.2.3. Materiales de los sistemas de puesta a tierra.. Los materiales para sistemas de puesta a tierra deben ser certificados; los electrodos (varilla, tubo, placas, flejes, alambres cable desnudos), deberán ser resistente a la corrosión por lo menos 15 años, con una longitud de 2.4 m. (Ver anexo A3). 1.2.4. Valores de referencia de resistencia de puesta a tierra.. Un buen diseño de puesta a tierra debe garantizar el control de las tensiones de paso, de contacto y transferidas. Puede tomarse como referencia los valores máximos de la Tabla 2. Valores de referencia para resistencia de puesta a tierra, adoptados de las normas técnicas IEC 60364-4-442, ANSI/IEEE 80, NTC 2050 Y NTC 4552. El cumplimiento de estos valores, no exonera Mediciones para sistemas de puesta a tierra.. 7.

(18) Medición de resistividad aparente. Existen diversas técnicas para medir la resistividad aparente del terreno. Para efectos del presente reglamento, se puede aplicar el método tetraelectrodico de Wenner, que es el más utilizado para aplicaciones eléctricas y que se muestran en la figura 74. Esquema de medición de resistividad. Medición de tensión de paso y contacto. Las tensiones de paso y contacto que se calculen en la fase de diseño, deben medirse antes de la puesta en servicio de subestaciones de alta y extra alta tensión, así como en las estructuras de las líneas de transmisión de tensiones mayores o iguales a 110 kV. (Ver anexo A4). 1.3. CRITERIOS DE DISEÑO UTILIZANDO LA NORMA IEEE 80-2000.. A continuación, se presenta una descripción de los criterios de diseño de sistemas de puesta a tierra (SPT) con el algoritmo propuesto en IEEE 80-2000. Un sistema de puesta a tierra debe instalarse para limitar los gradientes de potencial de tierra a niveles de tensión y corriente que no pongan en peligro la seguridad de los seres humanos y de los equipos bajo condiciones normales y de falla. (Ver anexo B). 1.3.1. Parámetros críticos.. Los siguientes parámetros, que dependen del sitio de la subestación, tienen un sustancial impacto en el diseño de la malla de puesta a tierra:  Corriente máxima a disipar por la malla (. ).. El valor máximo de diseño de la corriente de falla a tierra que fluye a través de la malla de la subestación hasta la tierra circundante.  Corriente asimétrica de falla a tierra (. ).. El valor eficaz de la onda de corriente asimétrica, integrada sobre el intervalo de duración de la falla.  Factor de decremento. En el diseño de la malla a tierra, se debe considerar la corriente asimétrica de falla, la cual resulta de multiplicar la corriente simétrica de falla por el factor de decremento.  Factor de división de corriente de falla. Un factor que representa el inverso de una relación de la curva de falla de corriente simétrica. A esa parte de la corriente que fluye entre la malla de tierra y la tierra circundante.  Corriente de red simétrica. La parte de la corriente de falla a tierra simétrica que fluye entre la malla de tierra y tierra circundante.  Factor de crecimiento (. .).. Si la malla de puesta a tierra se construye teniendo en cuenta la capacidad total de la subestación, y no se consideran aumentos futuros de carga ni de alimentadores, = 1.. 8.

(19)  Corriente máxima a disipar por la malla (IG). Un valor de diseño de la corriente de red máxima. (Ver anexo B1). 1.3.2. Duración de la falla (tf) y duración del choque (ts).. La duración de la falla (tf) y la duración del choque (ts) normalmente se asumen iguales, a menos que la duración de la falla sea la suma de choques sucesivos. La selección de tf puede reflejar tiempos de despeje rápidos de la subestación de transmisión y tiempos de despeje lento para subestaciones de distribución e industrial. La selección de tf y ts puede resultar en la combinación más pesimista de factores de decremento de corrientes de falla y corrientes permitidas por el cuerpo humano. Valores típicos para tf y ts están en el rango de 0.25 s a 1 s. (Ver anexo B2). 1.3.3 Selección del tamaño del conductor de la malla. El conductor del (SPT) es el que conecta los electrodos o la malla y además del cobre se puede utilizar otros materiales siempre y cuando garantice una duración ante la corrosión. El tamaño del conductor requerido como una función de corriente del conductor, se puede obtener a partir de la ecuación (11). Esta ecuación evalúa la ampacidad de cualquier conductor para el cual se conocen las constantes del material, para la ecuación (17) Tomamos como referencia de la norma IEEE 80-2000 sus factores de dimensionamiento del conductor, la tabla 2 constantes del material para Kf, se hace una extracción de la misma para el uso del programa como se indica en la tabla 8. (Ver anexo B3). 1.3.4 Criterios de tensión de paso y contacto. La seguridad del ser humano depende de la duración de la falla, del terreno y del peso corporal de la persona, parámetros para el cálculo de tensión de contacto y tensión de paso. Lo que se busca es que el ser humano no absorba la cantidad crítica de energía de choque antes de que la falla se borre y el sistema se desenergice. Para este programa se consideró un peso corporal del ser humano de 70Kg y una resistencia de 1000Z. Efecto de una capa delgada de material de superficie Una expresión analítica para la resistencia de tierra del pie sobre una capa delgada de material de superficie puede ser obtenida con el uso del método de imágenes (Sunde). El factor de reducción de la capa superficial Tiene en cuenta el efecto de la capa superficial de alta resistividad (piedra picada). (Ver anexo B4). 1.3.5 Geometría de la malla. Las limitaciones de los parámetros físicos de una malla de puesta a tierra están basadas en las restricciones físicas y económicas de la misma. Es poco práctico instalar una placa de cobre como sistema de puesta a tierra. 9.

(20) • Los espaciamientos típicos entre conductores (D) están en el rango: 15m > D > 3m • Las profundidades típicas (h) están en el rango: 1.5m > h ≥ 0.5 m • Los calibres típicos de conductores (ACM) están en el rango: 500 MCM > ACM≥ 2/0 AWG • El diámetro del conductor de la malla tiene un efecto despreciable sobre la tensión de malla. • El área del sistema de puesta a tierra (A) es el factor más importante en la determinación de la resistencia de malla (Rg). Entre mayor sea A, menor será Rg y por lo tanto, es menor la elevación del. potencial de tierra (GPR). (Ver anexo B5). 1.3.6 Modelo de suelo de dos capas (general) Es una representación casi exacta de las condiciones reales del suelo, y consiste en una capa superior de profundidad finita y con resistividad diferente a la de la capa más baja de un espesor infinito. En la mayoría de los casos un modelo equivalente de dos capas es suficiente para diseñar un sistema seguro de puesta a tierra. Modelo de suelo de dos capas por método gráfico Un modelo de suelo de dos capas se puede aproximar mediante el uso de métodos gráficos. El método gráfico de Sunde consiste en encontrar la profundidad de la capa superior del suelo. El gráfico que se muestra en la Figura A6 se utiliza para aproximar un modelo de suelo de dos capas. (Ver anexo B6). 1.3.7 Aumento del potencial de tierra (GPR). Cuando por la malla circula una corriente se produce un potencial eléctrico máximo, que una malla de tierra de la subestación puede alcanzar en relación con un punto de tierra distante. Este voltaje, GPR, es igual a la corriente de red máxima multiplicada por la resistencia de la red. (Ver anexo B9). 1.3.8 Tensión de malla (Em). Los valores de voltaje de malla se obtienen como un producto del factor geométrico, , un factor correctivo, , que explica parte del error introducido por las suposiciones hechas al derivar ; la resistividad del suelo, ρ; y la corriente promedio por unidad de longitud enterrada efectiva del ). (Ver anexo B10). conductor del sistema de conexión a tierra ( / 1.3.9 Tensión de paso (Es). Los valores de tensión de paso se obtienen como un producto del factor geométrico, , el factor correctivo, ; la resistividad del suelo, ρ; y la corriente promedio por unidad de longitud enterrada del conductor del sistema de puesta a tierra ( / ). (Ver anexo B11). 1.3.10 Procedimiento de diseño. El diagrama de bloques de la Figura 1 ilustra las secuencias de pasos para diseñar la malla de tierra. (Ver anexo B12). 10.

(21) 2. PARAMETROS DE ENTRADA Y SALIDA, DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL PROGRAMA.. En este capítulo se describirá los criterios que se tuvieron en cuenta para el diseño y construcción del programa. Primero se recopiló todas las normas y parámetros a ingresar al programa y por con siguiente los parámetros de salida que este arrojara. Parámetros de entrada al programa: 1. Corriente simétrica del circuito a la cual se va a conectar la subestación. 2. El usuario debe ingresar los datos del modelo de dos capas (ro_a resistividad aparente). 3. Tiempo de despeje de la falla. 4. Profundidad de enterramiento de la malla. 5. Dimensiones de la malla preliminar. Y como resultado obteniendo los parámetros de salida. 1. Tensión de paso real. 2. Tensión de toque real. 3. Tensión permisible de toque. 4. Tensión permisible de paso. 5. Conductor a utilizar. 6. Dimensiones de la malla. Calculando de manera iterativa.. 11.

(22) 2.1 METODOLOGIA EMPLEADA PARA EL DISEÑO DEL PROGRAMA. La metodología empleada para la realización del programa está basada en el diagrama de flujo de la norma IEEE 80-2000.. Figura 1. Diagrama de flujo del procedimiento de diseño. Fuente: Norma IEEE80-2000.. 12.

(23) El programa es realizado en la interfaz GUIDE de MATLAB; donde nombre a cada página PLANTILLA-001 a la -004. En ellas encontraremos edit Text y tablas para ingresar los parámetros de entrada y como resultado obtendremos los parámetros de salida que cumplen con lo requerido en la norma. 2.1.1. PLANTILLA_001.. PLANTILLA-001. Es la primera de las ventanas de la interfaz gráfica, donde encontramos:  INFORMACIÓN DE ENTRADA.  PASO 1: DATOS DE CAMPO. Nota: El botón de AYUDA (ubicado en la parte superior izquierda) permite consultar al usuario el uso del programa.. Figura 2. Plantilla_ 001 de la interfaz gráfica.. 13.

(24) Fuente: El autor.. INFORMACION DE ENTRADA: Es uno de los principales requisitos para iniciar el programa, aunque en el transcurso del programa se ingresaran más datos, estos son los más importantes.. Figura 3. Información de entrada. Fuente: El autor.. La corriente asimétrica de falla y el tiempo de despeje de la misma es suministrada por el operador de red al cual se conectara la subestación. Como ejemplo tenemos los datos suministrados por CODENSA SA ESP, para un proyecto eléctrico residencial.. Figura 4. Corriente asimétrica monofásica dada por el operador de red. Fuente: El autor.. 14.

(25) PASO 1: DATOS DE CAMPO:. Figura 5. Paso 1: Datos de campo Fuente: El autor.. PARA COMENZAR:. El programa pregunta si se cuenta con los datos del modelo de dos capas (ro_a); y adicional la relación X/R.. Figura 6. Casilla para ingresar si se cuenta con el modelo de dos capas (ro_a resistividad aparente). Fuente: El autor.. 15.

(26) CAPA SUPERFICIAL DEL TERRENO:. Figura 7. Casillas para el ingreso de los parámetros Tipo de suelo, ro_s, hs, Sf y peso corporal del ser humano. Fuente: El autor.. Después de ingresar estos datos de la capa superficial y el peso corporal del ser humano (50 o 70kg), se oprime el botón CALCULÁR. Y por último tenemos dos botones: • •. LIMPIAR PANTALLA: Como el botón dice, limpia todos los cálculos y graficas; para editar la tabla de mediciones de resistividad si es el caso. SIGUIENTE: al oprimirlo nos llevara a la plantilla_002 para más cálculos y continuar con el programa.. 2.1.2 PLANTILLA_002.. PLANTILLA-002. Es la segunda de las ventanas de la interfaz gráfica, donde encontramos:    . Paso 2: Tamaño del conductor. Paso 3: Tensión de paso y contacto. Paso 4: Diseño preliminar de la malla a tierra. Grafica malla puesta a tierra.. 16.

(27) Figura 8. Plantilla_002 de la interfaz gráfica. Fuente: El autor.. PASO 2: TAMAÑO DEL CONDUCTOR: En el paso dos encontramos la selección del conductor de puesta a tierra.. Figura 9. Selección del conductor de puesta a tierra. Fuente: El autor.. 17.

(28) En el paso dos se selecciona el conductor de puesta a tierra entre varios materiales al desplegar las opciones: • Cobre blando. • Cobre duro con soldadura exotérmica. • Cobre duro con conector mecánico. • Alambre de acero recubierto de cobre.. Figura 10. Selección del conductor de puesta a tierra entre varios materiales. Fuente: El autor.. Y como resultado el programa nos calcula el calibre mínimo del conductor a utilizar. Figura 11. Obtención del conductor del sistema de puesta a tierra. Fuente: El autor. Para este ejemplo en particular el calibre a utilizar en la puesta a tierra es el 2/0 AWG. PASO 3: TENSION DE CONTACTO Y PASO: Para la obtención de estos parámetros, oprimimos el botón CALCULÁR.. 18.

(29) Figura 12. Tensión de contacto y paso. Fuente: El autor. La tensión de paso y contacto que nos da el programa está calculada en voltios, para una persona de peso corporal ya antes introducida en la PLANTILLA_001. PASO 4: DISEÑO PRELIMINAR DE LA MALLA: Como se indica anteriormente es el diseño de la malla teniendo en cuenta el área donde va a ser ubicada y el presupuesto para ella. El programa en el punto 4 pide seis parámetros de entrada. Largo de la malla, ancho de la malla, espaciamiento entre los conductores, profundidad de enterramiento de los conductores, cantidad de electrodos tipo varillas y longitud de estas. A modo de ejemplo diseñaremos una malla y la gráfica de esta:. Figura 13. Diseño preliminar de la malla de puesta a tierra. Fuente: El autor.. Una vez ingresado estos datos y oprimir el boton GRAFICAR obtenemos:. 19.

(30) Figura 14. Grafica de la malla diseñada preliminarmente. Fuente: El autor.. En la gráfica encontramos las características de la malla, si es una malla cuadrada o rectangular, con o sin varilla, en los ejes el ancho y largo de la malla, la profundidad de esta y la longitud de la varilla. Y por último tenemos tres botones: • • •. LIMPIAR PANTALLA: Como el botón dice, limpia todos los cálculos y graficas; para editar nuevamente el diseño de la malla. SIGUIENTE: Al oprimirlo nos llevara a la plantilla_003 para más cálculos y continuar con el programa. ATRAS: Al oprimirlo nos llevara a la plantilla_001.. Figura 15. Botones para avanzar o retroceder de plantilla. Fuente: El autor.. 20.

(31) 2.1.3 PLANTILLA_003.. PLANTILLA_003. Es la tercera de las ventanas de la interfaz gráfica, donde encontramos:  Paso 5: Resistencia de la malla.  Paso 6: Corriente por la malla.  Paso 7: GPR calcúlo máximo del potencial de tierra y la validación si cumple o no. el diseño de la malla.  Paso 8: Calcúlo para hallar la nueva tensión mesh y de paso de la malla.  Paso 9: Validación de la nueva tensión, si cumple el diseño o no.. Figura 16. Plantilla_003 de la interfaz gráfica. Fuente: El autor.. PASO 5: RESISTENCIA DE LA MALLA: Como su nombre lo dice es el cálculo total de la resistencia de la malla y al oprimir el botón CALCULÁR, el resultado de la resistencia aparece en la casilla, de igual manera al oprimir este botón aparecerá automáticamente el resultado del paso 6 (CORRIENTE POR LA MALLA) y pasó 7 (GPR POTENCIAL DE TIERRA).. 21.

(32) Figura 17.Obtención de la resistencia de la malla. Fuente: El autor.. Paso 6: Corriente maxima a disipar por la malla. Como su nombre lo dice es el cálculo total de la corriente de la malla y al oprimir el botón CALCULÁR, el resultado de la Corriente por la malla aparecerá en la casilla.. Figura 18. Obtención de la corriente a disipar por la malla. Fuente: El autor.. Paso 7: GPR CALCÚLO MÁXIMO DEL POTENCIAL DE TIERRA Y LA VALIDACIÓN SI CUMPLE O NO. EL DISEÑO DE LA MALLA. Como su nombre lo dice es el cálculo del potencial de tierra, al oprimir el botón CALCULÁR, el resultado de GPR aparece en la casilla. También tenemos la validación del GPR sea menor que la TENSION DE CONTACTO, para saber si cumple o no el diseño de la malla.. Figura 19. Calcúlo del potencial de tierra, y comparación del GPR y tensión de contacto Fuente: El autor.. 22.

(33) Cuando el GPR es menor que la TENSIÓN DE CONTACTO, en la casilla aparecerá “el diseño preliminar si cumple” y además otro aviso “no es necesario más cálculos para SPT. Se ha obtenido un diseño seguro en este punto.. Figura 20. Calcúlo del potencial de tierra, comparación del GPR y tensión de contacto cuando cumple. Fuente: El autor.. Cuando el GPR es mayor que la TENSIÓN DE CONTACTO, en la casilla aparecerá “el diseño preliminar no cumple” y además otro aviso “es necesario más cálculos para SPT. Pasar al paso 8.. Figura 21. Calcúlo del potencial de tierra, y comparación del GPR y tensión de contacto cuando no cumple Fuente: El autor.. 23.

(34) Paso 8: CALCÚLO PARA HALLAR LA NUEVA TENSIÓN DE MALLA (Em) y DE PASO (Es).. Figura 22. Variables para halla la de tensión de malla (Em). Fuente: El autor.. Para la obtención de la nueva tensión el programa calcula unos parámetros que serán mostrados como los son n, Kii, Kh y Km. PASO 9: VALIDACION DE LA NUEVA TENSIÓN, SI CUMPLE EL DISEÑO O NO. Ya teniendo el valor de la nueva tensión, el programa lo válida para saber si la nueva tensión es menor que la tensión de contacto, de esto ser cierto aparecerá en pantalla un aviso que diga que el diseño si cumple, y a modo de ejemplo se mostrara en la gráfica 31, cuando oprimimos el botón CALCULÁR.. Figura 23. Tensión de malla y comparación Em y tensión de contacto. Fuente: El autor.. 24.

(35) Figura 24. Ejemplo Tensión de malla máximo y comparación (Em) y tensión de contacto. Fuente: El autor.. Y por último tenemos tres botones: • • •. CALCULÁR: Como el botón dice, recalcula todos los cálculos; para editar nuevamente el diseño de la malla. SIGUIENTE: Al oprimirlo nos llevara a la plantilla_004 para más cálculos y continuar con el programa. ATRAS: Al oprimirlo nos llevara a la plantilla_002.. Figura 25 botones para atrás, recalculár y siguiente de plantilla. Fuente: El autor.. 2.1.4 PLANTILLA_004.. PLANTILLA-004. Es la cuarta de las ventanas de la interfaz gráfica, donde encontramos:  Paso 10: Validación de la nueva tensión de paso, si cumple el diseño o no.  Paso 11: diseño detallado de la malla.  Paso 12: conclusiones del diseño del sistema de puesta a tierra.(grafica de malla puesta a tierra y de potencial de la malla). 25.

(36) Figura 26. Plantilla 004 de la interfaz gráfica. Fuente: El autor.. PASO 10: VALIDACION DE LA NUEVA TENSIÓN DE PASO, SI CUMPLE EL DISEÑO O NO. Ya teniendo el valor de la nueva tensión de contacto, el programa halla la nueva tensión de paso y la valida con la tensión de paso anterior para saber que esta sea menor, de esto ser cierto aparecerá en pantalla un aviso que diga que el diseño si cumple, y a modo de ejemplo se mostrara en la grafica. Figura 27. Tensión de paso de la malla máximo y comparación (Es) y tensión de paso. Fuente: El autor.. 26.

(37) Paso 11: MODIFICACION DEL DISEÑO DETALLADO DE LA MALLA. En este paso el programa valida si cumple el diseño final, y de no ser así el mostrara una serie de pasos o recomendaciones a seguir, para que al modificar el diseño desde el paso 4, cumpla con lo establecido en la norma IEEE 80-2000. Al cumplir la diferencia de las tensiones aparecerá que el diseño ha cumplido lo establecido por la norma. Cuando se oprime el botón CALCULÁR. Figura 28. Modificación del Diseño detallado de la malla. Fuente: El autor.. A modo de ejemplo el programa nos mostrara las modificaciones y conclusiones a seguir si no se cumple el diseño.. Figura 29. Tensión de paso de la malla máximo comparación Es y tensión de paso cuando no cumple. Fuente: El autor.. 27.

(38) Figura 30. Modificación del Diseño detallado de la malla cuando no cumple. Fuente: El autor.. Paso 12: CONCLUSIONES DEL DISEÑO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA. En este paso se finaliza el programa con el detalle de la corriente que atraviesa por la malla.. Figura 31. Conclusión del diseño del sistema de puesta a tierra. Fuente: El autor.. Y por último tenemos tres botones: • • •. CALCULÁR: Como el botón dice, recalcula todos los cálculos; para editar nuevamente el. diseño de la malla. SIGUIENTE: Al oprimirlo nos llevara a la plantilla_004 para más cálculos y continuar con el programa. ATRAS: Al oprimirlo nos llevara a la plantilla_002.. 28.

(39) Figura 32. Botones para atrás y recalculár pasando a la plantilla 002 paso 4. Fuente: El autor.. 3. EJEMPLOS DE CASOS REALES DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA PARA SUBESTACIONES UTILIZANDO EL PROGRAMA.. Para la verificación del programa realizaremos varios casos de sistemas de puesta a tierra reales. 3.1. Ejemplo 1. Malla cuadrada con electrodos tipo varilla. Medida de resistividad del terreno La medición se realiza en una zona junto al área destinada para la subestación, ya que en la misma área del sótano 2 donde se instalara dicha malla de PAT, se han instalado ya elementos metálicos propios de la estructura de la construcción que distorsionarían la medida de resistividad. EQUIPO DE MEDICIÓN Telurómetro Marca: Metrel Modelo: Eurotest 61557 MÉTODO UTILIZADO Medición: Método de Wenner Análisis: Método grafico de Sunde MEDICIONES Se realizaron 4 mediciones en dos sentidos perpendiculares y en dos puntos distintos, donde se pudo apreciar un comportamiento uniforme para cada profundidad de exploración, dando como resultado una resistividad aparente de 260 Z-m.. 29.

(40) Datos proporcionados por el operador de red para el circuito al cual se hará la conexión de la subestación. Para este caso CODENSA SA ESP.. Figura 33. Corriente asimétrica dada por CODENSA. ej.1 Fuente: CODENSA SA ESP. PLANTILLA_001 Nota: El botón de AYUDA (arriba a la izquierda) permite consultar al usuario el uso del programa.. INFORMACION DE ENTRADA •. Procedemos a ingresar los datos de entrada al programa: Corrientes Asimétricas, corriente monofásica 3638 [A] y el tiempo de despeje la falla de 0.23 [s].. •. PASO 1: DATOS DE CAMPO: El usuario debe ingresar estos datos  ro_a = resistividad aparente del terreno en Z-m.  RELACION R/X.  TIPO DE SUELO  ro_s = resistividad superficial del terreno en Z-m.  hs = espesor de la capa superficial en m.  Sf FACTOR DE DIVISION DE CORRIENTE.  PESO CORPORAL DEL SER HUMANO. •. Oprimimos el botón CALCULÁR.. •. procedemos a pasar a la plantilla_002. Con el botón SIGUIENTE. 30.

(41) Figura 34. Datos arrojados por el programa en la plantilla-001. ej.1. PLANTILLA_002. •. PASO 2: TAMAÑO DEL CONDUCTOR. En este punto seleccionamos el material del conductor y automáticamente nos muestra el conductor a utilizar en la malla de SPT.. •. PASO 3: TENSIÓN DE PASO Y CONTACTO. Al oprimir el botón CALCULÁR, el resultado de estos aparece automáticamente.. •. PASO 4: DISEÑO PRELIMINAR DE LA MALLA A TIERRA. Ingresamos los parámetros para el diseño de la malla. (largo y ancho de la malla, espaciamiento entre los conductores, profundidad de enterramiento de los conductores, número de electrodos tipo varilla y longitud de estas).. •. Oprimimos el botón GRAFICAR, y obtenemos la gráfica de la malla en 3D.. 31.

(42) Figura 35. Datos arrojados por el programa en la plantilla-002. ej.1. •. Selección del conductor y material de este.. •. Tensiones de paso y contacto.. •. Diseño preliminar de la malla y grafica de esta.. Ya obtenido estos valores procedemos a pasar a la plantilla_003. Con el botón SIGUIENTE. PLANTILLA_003. •. Para los valores del PASO 5: RESISTENCIA DE LA MALLA, PASO 6: CORRIENTE POR LA MALLA y PASO 7: GPR CALCÚLO MAXIMO DEL POTENCIAL DE TIERRA oprimimos el botón CALCULÁR; Donde aparece un mensaje que dice que hasta el paso 7, “EL DISEÑO PRELIMINAR NO CUMPLE” y “SE NECESITA MAS CALCÚLOS PARA SPT, PASAR AL PASO 8”.. •. Para los valores del PASO 8: CALCÚLO DE TENSION MESH (EM) Y PASO (ES) y PASO 9: Em < TENSION DE CONTACTO oprimimos el botón CALCULÁR; Donde aparece un mensaje que dice que en el paso 9, “EL DISEÑO SI CUMPLE”.. 32.

(43) Figura 36. Datos arrojados por el programa en la plantilla-003. ej.1. •. Rg: resistencia de puesta a tierra en [Z/m].. •. IG: Corriente por la malla en [A].. •. GPR: Máximo potencial de tierra y comparación del potencial vs tensión de contacto.. •. n = factor geométrico compuesto de na, nb, nc y nd.. •. Kii = factor de ponderación efectiva de los conductores.. •. Kh = factor de ponderación correctiva de profundidad.. •. Km = factor de espaciado para tensión de paso.. •. Tensión de malla máximo y comparación de esta vs tensión de contacto.. Ya obtenido estos valores procedemos a pasar a la plantilla_004. Con el botón SIGUIENTE.. PLANTILLA_004 •. Para los valores del PASO 10: Es< TENSION DE PASO MAXIMO, PASO 11: MODIFICACION DEL DISEÑO DETALLADO DE LA MALLA y LA GRAFICA DE LA MALLA DE PUESTA A TIERRA. 33.

(44) oprimimos el botón CALCULÁR; Donde aparece un mensaje que dice que hasta el paso 10, “EL DISEÑO SI CUMPLE” y “NO ES NECESARIO MODIFICAR EL DISEÑO”. •. En la gráfica encontramos el detalle de la corriente a través de la malla de puesta a tierra, concluyendo el modelado de la malla de un sistema de puesta a tierra para una subestación.”.. Figura 37. Datos arrojados por el programa en la plantilla-004. ej.1. 3.2. •. Tensión de paso máximo y comparación del potencial vs tensión de paso.. •. Diseño detallado de la malla. (no es necesario modificar el diseño).. •. Conclusión y potenciales de la malla. Ejemplo 2. Malla cuadrada sin electrodos de tipo varilla.. Medida de resistividad del terreno La medición se realiza en una zona junto al área destinada para la subestación. EQUIPO DE MEDICIÓN. Telurómetro Marca: Metrel Modelo: Eurotest 61557 MÉTODO UTILIZADO. Medición: Método de Wenner Análisis: Método grafico de Sunde. 34.

(45) MEDICIONES. Se realizaron 4 mediciones en dos sentidos perpendiculares y en dos puntos distintos, donde se pudo apreciar un comportamiento uniforme para cada profundidad de exploración, dando como resultado una resistividad aparente de 400 Z-m. Datos proporcionados por el operador de red para el circuito al cual se hará la conexión de la subestación. Para este caso CODENSA SA ESP.. Figura 38. Corriente asimétrica dada por CODENSA. ej.2 Fuente: CODENSA SA ESP. PLANTILLA_001 Nota: El botón de AYUDA (arriba a la izquierda) permite consultar al usuario el uso del programa. INFORMACION DE ENTRADA. •. Procedemos a ingresar los datos de entrada al programa: Corrientes Asimétricas, corriente monofásica 1054 [A] y el tiempo de despeje de la falla de 0.18 [s].. •. PASO 1: DATOS DE CAMPO: El usuario debe ingresar estos datos  ro_a = resistividad aparente del terreno en Z-m.  RELACION R/X.  TIPO DE SUELO  ro_s = resistividad superficial del terreno en Z-m.  hs = espesor de la capa superficial en m.  Sf FACTOR DE DIVISION DE CORRIENTE.. •.  PESO CORPORAL DEL SER HUMANO Oprimimos el botón CALCULÁR.. •. procedemos a pasar a la plantilla_002. Con el botón SIGUIENTE. 35.

(46) Figura 39. Datos arrojados por el programa en la plantilla-001. ej.2. PLANTILLA_002 •. PASO 2: TAMAÑO DEL CONDUCTOR. En este punto seleccionamos el material del conductor. y automáticamente nos muestra el conductor a utilizar en la malla de SPT. •. PASO 3: TENSIÓN DE PASO Y CONTACTO. Al oprimir el botón CALCULÁR, el resultado de. estos aparece automáticamente. •. PASO 4: DISEÑO PRELIMINAR DE LA MALLA A TIERRA. Ingresamos los parámetros para el diseño de la malla. (largo y ancho de la malla, espaciamiento entre los conductores, profundidad de enterramiento de los conductores, número de electrodos tipo varilla y longitud de estas).. 36.

(47) •. Oprimimos el botón GRAFICAR, y obtenemos la gráfica de la malla en 3D.. Figura 40. Datos arrojados por el programa en la plantilla-002. ej.2. •. Selección del conductor y material de este.. •. Tensiones de paso y contacto.. •. Diseño preliminar de la malla y grafica de esta.. Ya obtenido estos valores procedemos a pasar a la plantilla_003. Con el botón SIGUIENTE. PLANTILLA_003 •. Para los valores del PASO 5: RESISTENCIA DE LA MALLA, PASO 6: CORRIENTE POR LA MALLA y PASO 7: GPR CALCÚLO MAXIMO DEL POTENCIAL DE TIERRA oprimimos el botón CALCULÁR; Donde aparece un mensaje que dice que hasta el paso 7, “EL DISEÑO PRELIMINAR NO CUMPLE” y “SE NECESITA MAS CALCÚLOS PARA SPT, PASAR AL PASO 8”.. •. Para los valores del PASO 8: CALCÚLO DE TENSION MESH (EM) Y PASO (ES) y PASO 9: Em < TENSION DE CONTACTO oprimimos el botón CALCULÁR; Donde aparece un mensaje que dice que en el paso 9, “EL DISEÑO SI CUMPLE”.. 37.

(48) Figura 41. Datos arrojados por el programa en la plantilla-003. ej.2. •. Rg: resistencia de puesta a tierra en [Z/m].. •. IG: Corriente por la malla en [A].. •. GPR: Máximo potencial de tierra y comparación del potencial vs tensión de contacto.. •. n = factor geométrico compuesto de na, nb, nc y nd.. •. Kii = factor de ponderación efectiva de los conductores.. •. Kh = factor de ponderación correctiva de profundidad.. •. Km = factor de espaciado para tensión de paso.. •. Tensión de malla máximo y comparación de esta vs tensión de contacto.. Ya obtenido estos valores procedemos a pasar a la plantilla_004. Con el botón SIGUIENTE.. 38.

(49) PLANTILLA_004. •. Para los valores del PASO 10: Es< TENSION DE PASO MAXIMO, PASO 11: MODIFICACION DEL DISEÑO DETALLADO DE LA MALLA y LA GRAFICA DE LA MALLA DE PUESTA A TIERRA oprimimos el botón CALCULÁR; Donde aparece un mensaje que dice que hasta el paso 10, “EL DISEÑO SI CUMPLE” y “NO ES NECESARIO MODIFICAR EL DISEÑO”.. •. En la gráfica encontramos el detalle de la corriente a través de la malla de puesta a tierra, concluyendo el modelado de la malla de un sistema de puesta a tierra para una subestación.”. Figura 42. Datos arrojados por el programa en la plantilla-004. ej.2. •. Tensión de paso máximo y comparación del potencial vs tensión de paso.. •. Diseño detallado de la malla. (no es necesario modificar el diseño).. •. Conclusión, grafica de la malla final y potenciales de la malla.. 39.

(50) 3.3 Ejemplo 3. Malla rectangular con electrodos de tipo varilla. Medida de resistividad del terreno La medición se realiza en una zona junto al área destinada para la subestación. EQUIPO DE MEDICIÓN. Telurómetro Marca: Metrel Modelo: Eurotest 61557 MÉTODO UTILIZADO. Medición: Método de Wenner Análisis: Método grafico de Sunde MEDICIONES Se realizaron 4 mediciones en dos sentidos perpendiculares y en dos puntos distintos, donde se pudo apreciar un comportamiento uniforme para cada profundidad de exploración, dando como resultado una resistividad aparente de 350 Z-m. Datos proporcionados por el operador de red para el circuito al cual se hará la conexión de la subestación. Para este caso CODENSA SA ESP.. Figura 43. Corriente asimétrica dada por CODENSA. ej.3 Fuente: CODENSA SA ESP. PLANTILLA_001 Nota: El botón de AYUDA (arriba a la izquierda) permite consultar al usuario el uso del programa.. 40.

(51) INFORMACION DE ENTRADA. •. Procedemos a ingresar los datos de entrada al programa: Corrientes Asimétricas, corriente monofásica 1166 [A] y el tiempo de despeje de la falla de 0.05 [s].. •. PASO 1: DATOS DE CAMPO: El usuario debe ingresar estos datos  ro_a = resistividad aparente del terreno en Z-m.  RELACION R/X.  TIPO DE SUELO  ro_s = resistividad superficial del terreno en Z-m.  hs = espesor de la capa superficial en m.  Sf FACTOR DE DIVISION DE CORRIENTE.. •.  PESO CORPORAL DEL SER HUMANO Oprimimos el botón CALCULÁR.. •. Procedemos a pasar a la plantilla_002. Con el botón SIGUIENTE.. Figura 44. Datos arrojados por el programa en la plantilla-001. ej.3. 41.

(52) PLANTILLA_002 •. PASO 2: TAMAÑO DEL CONDUCTOR. En este punto seleccionamos el material del conductor y automáticamente nos muestra el conductor a utilizar en la malla de SPT.. •. PASO 3: TENSIÓN DE PASO Y CONTACTO. Al oprimir el botón CALCULÁR, el resultado de estos aparece automáticamente.. •. PASO 4: DISEÑO PRELIMINAR DE LA MALLA A TIERRA. Ingresamos los parámetros para el diseño de la malla. (largo y ancho de la malla, espaciamiento entre los conductores, profundidad de enterramiento de los conductores, número de electrodos tipo varilla y longitud de estas).. •. Oprimimos el botón GRAFICAR, y obtenemos la gráfica de la malla en 3D.. Figura 45. Datos arrojados por el programa en la plantilla-002. ej.3. •. Selección del conductor y material de este.. •. Tensiones de paso y contacto.. •. Diseño preliminar de la malla y grafica de esta.. Ya obtenido estos valores procedemos a pasar a la plantilla_003. Con el botón SIGUIENTE. PLANTILLA_003. 42.

(53) •. Para los valores del PASO 5: RESISTENCIA DE LA MALLA, PASO 6: CORRIENTE POR LA MALLA y PASO 7: GPR CALCÚLO MAXIMO DEL POTENCIAL DE TIERRA oprimimos el botón CALCULÁR; Donde aparece un mensaje que dice que hasta el paso 7, “EL DISEÑO PRELIMINAR NO CUMPLE” y “SE NECESITA MAS CALCÚLOS PARA SPT, PASAR AL PASO 8”.. •. Para los valores del PASO 8: CALCÚLO DE TENSION MESH (EM) Y PASO (ES) y PASO 9: Em < TENSION DE CONTACTO oprimimos el botón CALCULÁR; Donde aparece un mensaje que dice que en el paso 9, “EL DISEÑO SI CUMPLE”.. Figura 46. Datos arrojados por el programa en la plantilla-003. ej.3. •. Rg: resistencia de puesta a tierra en [Z/m].. •. IG: Corriente por la malla en [A].. •. GPR: Máximo potencial de tierra y comparación del potencial vs tensión de contacto.. •. n = factor geométrico compuesto de na, nb, nc y nd.. •. Kii = factor de ponderación efectiva de los conductores.. •. Kh = factor de ponderación correctiva de profundidad. 43.

(54) •. Km = factor de espaciado para tensión de paso.. •. Tensión de malla máximo y comparación de esta vs tensión de contacto.. Ya obtenido estos valores procedemos a pasar a la plantilla_004. Con el botón SIGUIENTE. PLANTILLA_004 •. Para los valores del PASO 10: Es< TENSION DE PASO MAXIMO, PASO 11: MODIFICACION DEL DISEÑO DETALLADO DE LA MALLA y LA GRAFICA DE LA MALLA DE PUESTA A TIERRA oprimimos el botón CALCULÁR; Donde aparece un mensaje que dice que hasta el paso 10, “EL DISEÑO SI CUMPLE” y “NO ES NECESARIO MODIFICAR EL DISEÑO”.. •. En la gráfica encontramos el detalle de la corriente a través de la malla de puesta a tierra, concluyendo el modelado de la malla de un sistema de puesta a tierra para una subestación.”.. Figura 47. Datos arrojados por el programa en la plantilla-004. ej.3. •. Tensión de paso máximo y comparación del potencial vs tensión de paso.. •. Diseño detallado de la malla. (no es necesario modificar el diseño).. •. Conclusión, gráfica de la malla final y potenciales de la malla. 44.

(55) 3.4 Ejemplo 4. Malla rectangular sin electrodos de tipo varilla. Iterando Medida de resistividad del terreno La medición se realiza en una zona junto al área destinada para la subestación. EQUIPO DE MEDICIÓN. Telurómetro Marca: Metrel Modelo: Eurotest 61557 MÉTODO UTILIZADO. Medición: Método de Wenner Análisis: Método grafico de Sunde MEDICIONES. Se realizaron 4 mediciones en dos sentidos perpendiculares y en dos puntos distintos, donde se pudo apreciar un comportamiento uniforme para cada profundidad de exploración, dando como resultado una resistividad aparente de 1000 Z-m. Datos proporcionados por el operador de red para el circuito al cual se hará la conexión de la subestación. Para este caso CODENSA SA ESP.. Figura 48. Corriente asimétrica dada por CODENSA. ej.4 Fuente: CODENSA SA ESP. PLANTILLA_001. 45.

(56) Nota: El botón de AYUDA (arriba a la izquierda) permite consultar al usuario el uso del programa. INFORMACION DE ENTRADA. •. Procedemos a ingresar los datos de entrada al programa: Corrientes Asimétricas, corriente monofásica 4291 [A] y el tiempo de despeje de la falla de 0.53 [s].. •. PASO 1: DATOS DE CAMPO: El usuario debe ingresar estos datos  ro_a = resistividad aparente del terreno en Z-m.  RELACION R/X.  TIPO DE SUELO  ro_s = resistividad superficial del terreno en Z-m.  hs = espesor de la capa superficial en m.  Sf FACTOR DE DIVISION DE CORRIENTE.. •.  PESO CORPORAL DEL SER HUMANO Oprimimos el botón CALCULÁR.. •. Procedemos a pasar a la plantilla_002. Con el botón SIGUIENTE.. Figura 49. Datos arrojados por el programa en la plantilla-001. ej.4. 46.

(57)

Figure

Figura 4. Corriente asimétrica monofásica dada por el operador de red.  Fuente: El autor

Figura 4.

Corriente asimétrica monofásica dada por el operador de red. Fuente: El autor p.24
Figura 8. Plantilla_002 de la interfaz gráfica.    Fuente: El autor.

Figura 8.

Plantilla_002 de la interfaz gráfica. Fuente: El autor. p.27
Figura 9. Selección del conductor de puesta a tierra.  Fuente: El autor.

Figura 9.

Selección del conductor de puesta a tierra. Fuente: El autor. p.27
Figura 13. Diseño preliminar de la malla de puesta a tierra.    Fuente: El autor.

Figura 13.

Diseño preliminar de la malla de puesta a tierra. Fuente: El autor. p.29
Figura 14. Grafica de la malla diseñada preliminarmente.    Fuente: El autor.

Figura 14.

Grafica de la malla diseñada preliminarmente. Fuente: El autor. p.30
Figura 16. Plantilla_003 de la interfaz gráfica.    Fuente: El autor.

Figura 16.

Plantilla_003 de la interfaz gráfica. Fuente: El autor. p.31
Figura 19. Calcúlo del potencial de tierra, y comparación del GPR y tensión de contacto  Fuente: El autor

Figura 19.

Calcúlo del potencial de tierra, y comparación del GPR y tensión de contacto Fuente: El autor p.32
Figura 22. Variables para halla la de tensión de malla (Em).    Fuente: El autor.

Figura 22.

Variables para halla la de tensión de malla (Em). Fuente: El autor. p.34
Figura 23. Tensión de malla  y comparación Em y tensión de contacto.    Fuente: El autor

Figura 23.

Tensión de malla y comparación Em y tensión de contacto. Fuente: El autor p.34
Figura 24. Ejemplo Tensión de malla máximo y comparación (Em) y tensión de contacto.    Fuente: El autor

Figura 24.

Ejemplo Tensión de malla máximo y comparación (Em) y tensión de contacto. Fuente: El autor p.35
Figura 28. Modificación del Diseño detallado de la malla.                                                                         Fuente: El autor

Figura 28.

Modificación del Diseño detallado de la malla. Fuente: El autor p.37
Figura 30. Modificación del Diseño detallado de la malla cuando no cumple.                                                                         Fuente: El autor

Figura 30.

Modificación del Diseño detallado de la malla cuando no cumple. Fuente: El autor p.38
Figura 31. Conclusión del diseño del sistema de puesta a tierra.    Fuente: El autor.

Figura 31.

Conclusión del diseño del sistema de puesta a tierra. Fuente: El autor. p.38
Figura 33. Corriente asimétrica dada por CODENSA. ej.1  Fuente: CODENSA SA ESP

Figura 33.

Corriente asimétrica dada por CODENSA. ej.1 Fuente: CODENSA SA ESP p.40
Figura 34. Datos arrojados por el programa en la plantilla-001. ej.1

Figura 34.

Datos arrojados por el programa en la plantilla-001. ej.1 p.41
Figura 35. Datos arrojados por el programa en la plantilla-002. ej.1

Figura 35.

Datos arrojados por el programa en la plantilla-002. ej.1 p.42
Figura 36. Datos arrojados por el programa en la plantilla-003. ej.1

Figura 36.

Datos arrojados por el programa en la plantilla-003. ej.1 p.43
Figura 37. Datos arrojados por el programa en la plantilla-004. ej.1

Figura 37.

Datos arrojados por el programa en la plantilla-004. ej.1 p.44
Figura 38. Corriente asimétrica dada por CODENSA. ej.2  Fuente: CODENSA SA ESP

Figura 38.

Corriente asimétrica dada por CODENSA. ej.2 Fuente: CODENSA SA ESP p.45
Figura 39. Datos arrojados por el programa en la plantilla-001. ej.2

Figura 39.

Datos arrojados por el programa en la plantilla-001. ej.2 p.46
Figura 40. Datos arrojados por el programa en la plantilla-002. ej.2

Figura 40.

Datos arrojados por el programa en la plantilla-002. ej.2 p.47
Figura 41. Datos arrojados por el programa en la plantilla-003. ej.2

Figura 41.

Datos arrojados por el programa en la plantilla-003. ej.2 p.48
Figura 42. Datos arrojados por el programa en la plantilla-004. ej.2

Figura 42.

Datos arrojados por el programa en la plantilla-004. ej.2 p.49
Figura 43. Corriente asimétrica dada por CODENSA. ej.3  Fuente: CODENSA SA ESP

Figura 43.

Corriente asimétrica dada por CODENSA. ej.3 Fuente: CODENSA SA ESP p.50
Figura 44. Datos arrojados por el programa en la plantilla-001. ej.3

Figura 44.

Datos arrojados por el programa en la plantilla-001. ej.3 p.51
Figura 45. Datos arrojados por el programa en la plantilla-002. ej.3

Figura 45.

Datos arrojados por el programa en la plantilla-002. ej.3 p.52
Figura 46. Datos arrojados por el programa en la plantilla-003. ej.3

Figura 46.

Datos arrojados por el programa en la plantilla-003. ej.3 p.53
Figura 47. Datos arrojados por el programa en la plantilla-004. ej.3

Figura 47.

Datos arrojados por el programa en la plantilla-004. ej.3 p.54
Figura 48. Corriente asimétrica dada por CODENSA. ej.4  Fuente: CODENSA SA ESP

Figura 48.

Corriente asimétrica dada por CODENSA. ej.4 Fuente: CODENSA SA ESP p.55
Figura 49. Datos arrojados por el programa en la plantilla-001. ej.4

Figura 49.

Datos arrojados por el programa en la plantilla-001. ej.4 p.56

Referencias

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