Puestas a tierra: modelo de línea de transmisión

Importancia del sistema de puesta a tierra (SPT)

Según el Ing. Favio Casas un sistema de puesta a tierra es una parte importante de una instalación eléctrica y debe darse el tratamiento acorde a su trascendencia. Esto significa que deben hacerse esfuerzos para llevarlo a la mejor condición, antes de la puesta en servicio. El SPT equivale a los cimientos de un edificio. 

"Lás magnitudes de los parámetros de la descarga eléctrica atmosférica utilizadas en aplicaciones de ingeniería vrían espacial y temporalmente". 

H. Torres / PAAS-UN,Colombia 1990. 

Puestas a tierra para alta frecuencia

En un sistema eléctrico se presentan fenómenos relacionados con estaos transitorios cuando pasa de una estado a otro se genera, por razón del cambio, un transitorio que se manifiesta cómo una sobretensión o una sobrecorriete, que se propaga a través de las redes eléctricas y puede llegar a ocasionar daños. Los transitorios electromagnéticos más comunes son aquellos que tienen lugar en las maniobras, en las fallas a tierra y sobre todo en los rayos. 

El análisis transitorio puede ser llevado de dos formas diferentes. La primera es desarrollando en el dominio del tiempo a partir de elementos de circuitos R,L y C y lleva el nombre de Modelo de Línea de Transmisión. El segundo se denomina el Modelo Electromagnético y se realiza en el dominio de la frecuencia. 

MODELO DE LÍNEA DE TRANSMISIÓN 

El fenómeno físico involucrado en los transitorios en sistemas de potencia obedece a la interacción entre la energía magnética almacenada en las inductancias y la energía eléctrica almacenada en los conductores en su mayoría son de naturaleza oscilatoria. Para el análisis en sistemas de potencia es importante seleccionar el modelo mediante el cual dicho sistema quede representado. Una forma fácil es la de los parámetros concentrados, es decir, la resistencia es tomada como un elemento ideal, al igual que la inductancia y la capacitancia. Otro modelo es el de parámetros distribuidos, cuyo ejemplo clásico es la línea de transmisión. La selección de ellos depende del sistema físico y del fenómeno transitorio a se estudiado. 

Para una línea de transmisión sin pérdidas y con parámetros ideales distribuidos, se aplican las siguientes ecuaciones: 

En este caso se asume la resistencia y la conductancia paralelo son cero y L y C son constantes. Derivando la primera respecto a y y la segunda a t y haciendo álgebra adicional se tiene que la magnitud LC es el inverso del cuadrado de la velocidad, es decir: 

 Donde c es la velocidad den metros por segundo. Ahora reemplazando en la ecuación dos y suponiendo los valores de V1 y V2 constantes tenemos que la solución general se representa como: 

La solución final de las dos ecuaciones nombradas al principio está dada por:

La velocidad de propagación a lo largo de las corrientes y tensiones a lo largo e la línea depende de la geometría de la línea y de las propiedades electromagnéticas del espacio circundante, que a su vez determinan la inductancia y la capacitancia. En el caso de puestas a tierra del tipo de contrapeso, es decir, cables enterrados horizontalmente, en un tiempo en el cual una onda de corriente entra a un sistema equivalente a una línea de transmisión. Dicha onda ve una resistencia de dispersión muy alta y por lo tanto la impedancia al impulso viene dada por:

El modelo de una línea de transmisión sin pérdidas no refleja la realidad, porque factores como la resistencia, la proximidad con la tierra y el efecto corona, cambian el comportamiento de las ondas en su viaje a través de la línea, produciendo distorsiones en la forma de onda de un impulso o de la onda conforme ésta avanza. El comportamiento de una puesta a tierra ante un transitorio, depende de la geometría de la puesta a tierra y de la duración del transitorio. Cuando el rayo se enlaza con una estructura o una línea de transmisión, se produce un impulso de corriente que causa una sobretensión, que depende de las características de la estructura o línea. 

MÉTODOS PARA EVALUAR LA DENSIDAD DE RAYOS

• Método FG para evaluar el nivel de riesgo por rayos (NRR)

Este método considera la frecuencia y la gravedad. Consiste en dos tablas que ponderan varios indicadores y determinan acciones a seguir. El NRR se obtiene de la valoración de cuatro indicadores de frecuencia o probabilidad de impacto de rayo y tres de gravedad o severidad que evalúan consecuencias negativas, sobre todo para la vida humana. 

Valoración del nivel de riesgos por rayos (NRR)

Acciones recomendadas según el nivel de riesgo

Las definiciones expuestas se tomaron de: Tierras: Soporte de la seguridad eléctrica. http://tienda.icontec.org/index.php/publicaciones/e-book-pb-31-tierras-soporte-de-la-seguridad-electrica.html

• Método IEEE

Este método estima la densidad de rayos Ng  para las regiones templadas considerando la relación del nivel ceráunico NC, número promedio de días al cabo del año en los que hay tormenta. La relación de esta es de: 

• CIGRE

La conferencia internacional de grandes redes eléctricas es un consejo creado en 1921 para dar respaldo al proceso de nacionalización que realiza la IEC (Internacional Electrotechnical Commission) para los productos relacionados con las instalaciones eléctricas de alta tensión. La ecuación que estima la densidad de rayos Ng es:

• Método electrogeométrico

Es un sistema analítico desarrollado por Gilman y Whitehead para determinar la efectividad de los apantallamientos. Los objetos se van a proteger definiendo la distancia de impacto o "radio de atracción" de rayo a un objeto. La distancia de descarga, determina la posición de la estructura que apantalla con respecto al objeto que se quiere proteger como se puede ver en las imágenes. 

Imágenes tomadas de: Metodología para el diseño de líneas de transmisión. Entrada, Información relevante pag. 51-51. 

En la siguiente tabla se pueden ver las diferentes ecuaciones de radio de atracción según los investigadores:

El radio de atracción obtenido puede ser implementado de una manera probabilista que consiste en ubicar geométricamente el radio dependiendo del numero de conductores y cables de guarda de la estructura y por medio del sistema determinista en el cual se debe establecer un angulo mejor a 20°para que el rayo impacte sobre el cable de guarda. 

Tomado de: http://ewh.ieee.org/r9/panama/pesaltae2005/archivos/Rayos.pdf

Indice de falla

Se considera la probabilidad de la corriente de rayo. Estimada por la ecuación general:

Donde:

1. P(I₀) : probabilidad de que la corriente de descarga sea mayor  igual a cero
2. I₀ : magnitud de la corriente de rayo en kA.
3. I_50% : Valor de la mediana distribución
4. b : Constante del modelo determinado por condiciones propias de la regíon

La función de distribución acumulado de Anderson/Eriksson es:

El numero de rayos por distancia esta determinado entonces:

Nivel de aislamiento y nivel de protección

El nivel de aislamiento de una parte de un quipo se define como la relación de su impulso y tensión permisible. La tensión permisible o "nivel de aislamiento al impulso" se verifica por pruebas de sobretensión de impulso y son frecuentemente referidas como, "nivel básico de aislamiento al impulso" o "prueba de BIL". En ella se relacionan los conceptos de corriente e impedancia de la carga; BIL = (I/2)Z_c. 

Pruebas de aisladores

Uno de los aspectos que frecuentemente es descuidado por los ingenieros de diseño de líneas de transmisión, es el conocimiento conceptual de las pruebas a las que se someten los aisladores, y a la interpretación de sus resultados, con el objeto de especificar correctamente sus características de diseño (Martinez, 2009). Alguna terminología a tener en cuenta:

• Tensión sostenida a baja frecuencia
• Tensión de flameo al impulso
• Tensión crítica de flameo al impulso
• Tensión al impulso (no disruptiva)
• Distancia de fuga
• Distancia de flameo en seco

 Las principales pruebas son:

• Prueba de ciclo térmico
• Prueba mecánica
• Prueba electromecánica
• Prueba de perforación
• Pruebas de flameo
• Prueba de rutina

Para más información sobre este tema te puedes dirigir a la siguiente pagina http://cdigital.uv.mx/bitstream/123456789/29520/1/CallesMtz.pdf, y en las paginas 71 a la 75 encontrarás más especificado el tema.