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TRABAJO FINAL DE GRADOGrado en Ingeniería EléctricaDISEÑO DE UNA SUBESTACIÓN DEDISTRIBUCIÓN DE 110/25 kVANEXO B. CÁLCULOS PUESTA A TIERRAAutor:Director:Convocatoria:Ángel Ródenas GonzálezJuan José Mesas GarcíaJunio 2018

DISEÑO DE UNA SUBESTACIÓN DE DISTRIBUCIÓN DE 110/25 kVÍndice1.OBJETO DEL ESTUDIO DE PUESTA A TIERRA 12.INTRODUCCIÓN 33.CONEXIONES A LA MALLA 54.PROCEDIMIENTO DE DISEÑO 74.1. PASO 1: DATOS DE CAMPO . 74.2. PASO 2: TAMAÑO DEL CONDUCTOR DE LA MALLA . 84.3. PASO 3: CRITERIOS DE TENSIONES DE CONTACTO Y DE PASO . 94.4. PASO 4: DISEÑO INICIAL DE LA MALLA. 104.5. PASO 5: DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA DE LA MALLA . 114.6. PASO 6: CORRIENTE MÁXIMA A DISIPAR POR LA MALLA . 114.6.1.Factor de decremento (Df) . 124.6.2.Factor de crecimiento (Cp) . 124.6.3.Factor de división de corriente (Sf) . 124.7. PASO 7: CÁLCULO DE LA ELEVACIÓN DE POTENCIAL DE TIERRA. 124.8. PASO 8: CÁLCULO DE LA TENSIÓN DE CONTACTO Y LA TENSIÓN PASO DE REAL 134.8.1.Cálculo de la tensión de contacto real . 134.8.2.Cálculo de la tensión real de paso . 144.9. PASO 9: COMPARACIÓN Ec vs Ecadm . 154.10. PASO 10: COMPARACIÓN Ep vs. Ep50 . 154.11. PASO 11: COMPROBACIÓN CON MIE-RAT-13. 154.11.1. Tensión de paso admisible . 154.11.2. Tensión de contacto admisible . 154.12. DISEÑO FINAL . 16i

Estudio de Seguridad y Saludii

DISEÑO DE UNA SUBESTACIÓN DE DISTRIBUCIÓN DE 110/25 kV1. OBJETO DEL ESTUDIO DE PUESTA A TIERRAToda instalación eléctrica debe disponer de una protección o instalación de tierra diseñada enforma tal que, en ningún punto normalmente accesible del interior o exterior de la instalacióneléctrica donde las personas puedan circular o permanecer, exista el riesgo de que puedan estarsometidas a una tensión peligrosa durante cualquier defecto en la instalación eléctrica o en lared unida a ella.El presente anexo tiene por objeto validar la malla de tierra proyectada para el proyecto de lapresente subestación. Se ha utilizado el método de cálculo de la norma ANSI/IEEE stantard 80-2000“IEEE Guide for Safety in AC Subestation grounding” y se ha comprobado que los resultados esténdentro de lo establecido por la MIE-RAT-13.Para realizar el procedimiento de diseño de la malla de tierra y su verificación se ha seguido elprocedimiento mostrado en el siguiente oantoniocanoplata.2010.pdf1

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DISEÑO DE UNA SUBESTACIÓN DE DISTRIBUCIÓN DE 110/25 kV2. INTRODUCCIÓNUna instalación eléctrica debe estar diseñada para soportar dos tipos de corriente: Corriente nominal máxima. Corriente de cortocircuito máxima.Un cortocircuito se define como el camino conductor accidental o intencionado entre dos o máspartes conductoras que fuerza a que la diferencia de potencial entre ellas sea igual o próximo acero.Estos fallos dan lugar a la circulación de muy elevadas corrientes por los elementos de la red,pudiendo producir daños en estos, como por ejemplo la degradación de los aislantes,sobreesfuerzos electrodinámicos, sobrecalentamientos, incendios, etc., además de suponer unpeligro para las personas.El estudio de los cortocircuitos que pueden producirse en la subestación permitirá definir la redde tierras necesaria para evacuar de forma segura las elevadas corrientes que tienen lugar enestas situaciones.3

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DISEÑO DE UNA SUBESTACIÓN DE DISTRIBUCIÓN DE 110/25 kV3. CONEXIONES A LA MALLAa) Todos los electrodos de tierra, como mallas de puesta a tierra, varillas, pozos de tierra odonde se apliquen partes metálicas, tubos de agua o de gas, cajas para pozos de agua, etc.b) Todas las partes conductivas que pueden accidentalmente llegar a energizarse, comoestructuras metálicas, armazones de máquinas, alojamientos a cabinas metálicas de equiposde interrupción convencionales o aislados a gas, tanques de transformadores, cables deguarda, etc. Igualmente, partes metálicas que pueden llegar a tener diferencias relativas depotencial con otras partes metálicas y que deben tener enlaces con la malla de tierra.c)Todas las fuentes de corriente, como pararrayos, bancos de capacitores o capacitores deacople, transformadores y, donde sea adecuado, los neutros de las máquinas y circuitos depotencia.d) Debe conectarse a la malla el acero de refuerzo de las obras civiles, rieles para movilizaciónde transformadores, tuberías de agua potable y bandejas portacables.e) Las ventanas, puertas, pasamanos, tableros, etc, del edificio de control también debenconectarse a tierra, lo mismo que las instalaciones de baja tensión. Cables o correas de cobrese emplean usualmente para las conexiones a tierra.5

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DISEÑO DE UNA SUBESTACIÓN DE DISTRIBUCIÓN DE 110/25 kV4. PROCEDIMIENTO DE DISEÑOA partir de los siguientes datos relativos a la subestación, se va a empezar con el procedimiento decálculo de la malla de tierra.Duración de la falla Duración del choque eléctrico .tf tc 0,5 segProfundidad de enterramiento de la malla .h 1,5 mÁrea de la subestación .A 67 m * 55 mMaterial del conductor de la malla . Cobreestiradoen frío de 97.5%de conductividadTemperatura ambiente .To 40 ºCUna capa de alta resistividad sobre la superficie ayuda a limitar la corriente que pasaría por el cuerpohumano, ya que esta capa agrega una resistencia a la resistencia promedio del cuerpo. Una capasuperficial con un espesor (hs) entre 0,15 m hs 0,1 m de un material de alta resistividad como lagrava o la roca volcánica triturada, colocada sobre la superficie más arriba de la malla, incrementa laresistencia de contacto entre el suelo y los pies de las personas en la subestación y la corriente por elcuerpo bajará considerablemente.La capa superficial también es útil para retardar la evaporación de la humedad, y así limitar el secadode las capas superiores durante los períodos de verano. Esta capa tiene una resistividad del orden de5000 Ω*m ρs 2000 Ω*m.Espesor de la gravilla .hs 0,15 mResistividad de la gravilla .ρs 5000 Ω*m4.1. PASO 1: DATOS DE CAMPOComo la malla de puesta a tierra de la subestación está localizada dentro de un rectángulo de67 m * 55 m (5292 m2), para los cálculos del diseño inicial se asume una malla rectangular de76 m * 60 m, sin varillas de puesta a tierra. Por tanto:Longitud máxima de la malla en sentido x.Lx 76m7

Cálculos Puesta a TierraLongitud máxima de la malla en sentido y . Ly 60 mÁrea cubierta por la malla. A 4560 m2(Ec. 4.1)Resistividad del terreno . ρ 75 Ω*m4.2. PASO 2: TAMAÑO DEL CONDUCTOR DE LA MALLAIntensidad de defecto . If 7,5 kAEsta intensidad es un dato dado por la compañía suministradora (ENDESA). A partir de esta corriente,se determina el diámetro mínimo de los conductores de la malla.Área mínima conductores malla. Amín 29,22 mm2(Ec. 4.2)Se han empleado los siguientes datos para Cu a 97.5% de conductividad, obtenidos de la norma IEEEstantard 80-2000:Coef. Térmico resistividad a 20ºC. αr 0,00381 ºC-1Inversa del coef. Térmico resistividad a 0ºC. Ko 242,13 ºC-1Resistividad del conductor 20ºC . ρr 1,78 μΩ*cmFactor capacidad térmica. TCAP 3,42 J/(cm3·ºC-1)Temperatura máxima admisible. Tm 300 ºCEl tamaño del conductor realmente seleccionado es usualmente más grande que el que se basa en lafusión, debido a factores como:a) El conductor debe resistir los esfuerzos mecánicos esperados y la corrosión durante lavida útil de la instalación.b) El conductor debe tener alta conductancia para prevenir caídas de tensión peligrosasdurante una falla.8

DISEÑO DE UNA SUBESTACIÓN DE DISTRIBUCIÓN DE 110/25 kVc) La necesidad de limitar la temperatura del conductor.d) Debe aplicarse un factor de seguridad a la instalación de puesta a tierra y a los demáscomponentes eléctricos.Cable de tierra de conductor cobre . S 120 mm2Diámetro conductor de 120mm2 . dc 0,014 m4.3. PASO 3: CRITERIOS DE TENSIONES DE CONTACTO Y DE PASOAntes de empezar con los cálculos de este apartado, se va a definir que son las diferentes tensiones: Tensión de contacto. Diferencia de potencial que durante un defecto puede resultaraplicada entre la mano y el pie de una persona, que toque con aquella una masa o elementometálico, normalmente sin tensión. Para la determinación de este valor se considerará a lapersona con los pies juntos situada a un metro de la base de la masa o elemento metálicoque toca. Tensión de paso. Es la diferencia de potencial que durante un defecto puede resultaraplicada entre los pies de una persona, estando estos separados un metro en direcciónnormal a las líneas equipotenciales.Para una capa superficial de gravilla con espesor hs 0,15 m, con una resistividad ρs 5000 Ω*m yuna tierra con resistividad ρ 75 Ω*m, el factor de corrección para calcular la resistencia efectiva delpie de una persona en presencia de un material superficial de espesor finito, empleando la ecuaciónes:(Ec. 4.3)Factor de disminución de la capa superficial (Cs) . 0,773Asumiendo que el peso mínimo esperado de las personas que ingresan a la subestación es de 50 kg,la tensión tolerable de paso Ep50 está dada por la siguiente ecuación:(Ec. 4.4)Tensión de paso admisible para mínimo 50 kg. Ep50 3966,83 VLa tensión admisible de contacto Ecadm está dada por la siguiente ecuación:9

Cálculos Puesta a Tierra(Ec. 4.5)Tensión contacto admisible . Ecadm 1114,7 VLAS TENSIONES DE PASO Y DE TOQUE REALES DEBEN SER MENORES QUE LOS RESPECTIVOS LÍMITESMÁXIMOS PERMISIBLES (O TOLERABLES) PARA OBTENER SEGURIDAD.4.4. PASO 4: DISEÑO INICIAL DE LA MALLASe asume la malla de 76 m * 60 m que se muestra a continuación con conductores igualmenteespaciados. Es una malla rectangular sin varillas de tierra.Figura 4.1. Diseño inicial de la malla (Fuente: Propia)Nº de conductores sentido x . nx 20Nº de conductores sentido y . ny 16Longitud máxima de la malla en sentido x . Lx 76mLongitud máxima de la malla en sentido y . Ly 60 m10

DISEÑO DE UNA SUBESTACIÓN DE DISTRIBUCIÓN DE 110/25 kVSeparación entre conductores.D 4 mLongitud conductores de la malla .Lc 2480(Ec. 4.6)Longitud del perímetro de la malla.Lp 272 m(Ec. 4.7)4.5. PASO 5: DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA DE LA MALLAPara el cálculo de la resistencia de puesta a tierra, como la malla no dispone de picas, se ha utilizadola siguiente ecuación:(Ec. 4.8)Resistencia de red de tierras .Rg 0,4979 Ω4.6. PASO 6: CORRIENTE MÁXIMA A DISIPAR POR LA MALLAEl valor máximo de diseño de la corriente de falla a tierra que fluye a través de la malla de lasubestación hasta la tierra circundante está dado por:(Ec. 4.9)Donde: If Intensidad de defecto en A. Df Factor de decremento para tener en cuenta la componente DC. Sf Factor de división de corriente. Cp Factor de crecimiento futuro de la subestación, considera el incremento futuro de lacorriente de fallaCorriente máxima a disipar por la malla .IG 2074,14 A11