MALLA DE PAT (1)

Cr. 42 No. 72-11, of. 205 Itag - Colombia PBX: (57-4) 373 67 77 Fax: (57-4) 372 32 71 A.A. 67860 Med. Colombia http://www.ieb.com.co e-mail: [email protected]

PROYECTO SEGUNDO CIRCUITO A 220 KV ZAPALLAL PARAMONGA NUEVA CHIMBOTE

MEMORIA DE CALCULO DE LA MALLA DE PUESTA A TIERRA PARA LA AMPLIACIN DE LA SUBESTACIN

ZAPALLAL

CDIGO REP: REP-ZAPALLAL-GT-076-94.036 CDIGO SIEMENS: G63004-U1014-01.036

REVISIN 1

Itag, abril de 2007

Reemplaza a: Modificacin Pg./tem Documento De Fecha:

Verificacin de modelos para simulaciones REP-ZAPALLAL-GT-076-

94.036 20/12/2006

Power, Transmission and

Distribution Fecha emisin: PTD-H 20/02/2007

Elabor IEB Cdigo Documento: Revis SIEMENS

Aprob REP

PROYECTO SEGUNDO CIRCUITO A 220 kV ZAPALLAL-PARAMONGA NUEVA-CHIMBOTE DISEO DE LA MALLA DE PUESTA A TIERRA REP-ZAPALLAL-GT-076-94.036

Formato base: F4206001.001 Pgina 2 de 17

TABLA DE CONTENIDO

1. OBJETO................................................................................................................... 4 2. INTRODUCCIN...................................................................................................... 4 3. RECURSOS DISPONIBLES.................................................................................... 4 4. METODOLOGA ...................................................................................................... 5 5. VISITA TCNICA..................................................................................................... 5 6. CARACTERSTICA DEL SISTEMA ........................................................................ 5 7. RESISTIVIDAD DEL TERRENO EN LA SUBESTACIN ZAPALLAL................... 6 8. VERIFICACION DE LA MALLA DE PUESTA A TIERRA EXISTENTE EN LA

SUBESTACIN ....................................................................................................... 6 8.1 RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA ................................................................................6 8.2 DISTRIBUCIN DE CORRIENTES........................................................................................8 9. CRITERIOS DE SEGURIDAD ............................................................................... 10 9.1 TIEMPO DE DURACIN DE LA FALLA .............................................................................11 9.2 TENSIN SUPERFICIAL, TENSIN DE CONTACTO Y TENSIN DE PASO..................11 10. SELECCIN DEL CONDUCTOR .......................................................................... 13 11. CONCLUSIONES................................................................................................... 15 12. RECOMENDACIONES .......................................................................................... 15 REFERENCIAS ................................................................................................................. 17

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Malla de puesta a tierra para el rea de la subestacin......................................................7 Figura 2. Sistema modelado para hallar la corriente por la malla ......................................................9 Figura 3. Resultados de la simulacin de distribucin de corrientes a tierra ...................................10 Figura 4 Perfiles de tensin evaluados en la malla de puesta a tierra (A) ........................................12

SIEMENS Cdigo Documento: REP-ZAPALLAL-GT-076-94.036Archivo: (4)G63004-U1014-01.036 (1).doc Pgina 3 de 17

LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Niveles de cortocircuito esperados para el ao 2015...........................................................6 Tabla 2. Resultados del modelo de las dos capas del terreno...........................................................6 Tabla 3. Datos de entrada del programa IEB-MALLAS ...................................................................7 Tabla 4. Resultados del programa IEB-MALLAS, malla de puesta a tierra ...................................12 Tabla 5. Verificacin capacidad de cortocircuito ..............................................................................14

ANEXOS

Anexo 1: Grficos de perfiles de tensin evaluados al interior de la malla de puesta a tierra


1. OBJETO

Presentar el informe con el diseo de la malla de puesta a tierra para la de la ampliacin de la subestacin elctrica Zapallal, ubicada en las Lomas de Carabayllo Mz 1, Lote 1, Distrito de Carabayllo, Provincia de Lima, Departamento de Lima, elaborado por Ingeniera Especializada S.A. para la firma Siemens.

2. INTRODUCCIN

Con la implementacin de un sistema de puesta a tierra se busca lograr una adecuada coordinacin entre el sistema de potencia y sus protecciones y garantizar la seguridad del personal y los equipos expuestos a tensiones peligrosas durante fallas a tierra, cumpliendo con los criterios establecidos en la norma ANSI/IEEE Std. 80 IEEE Guide for Safety in A.C. Substation Grounding. En el informe se presenta la metodologa, los resultados del diseo de la malla de puesta a tierra, las conclusiones y las recomendaciones.

3. RECURSOS DISPONIBLES

En el diseo de la malla de tierra se emplea un programa para anlisis de sistemas de puesta a tierra llamado "IEB-MALLAS", el cual fue desarrollado por Ingeniera Especializada S.A. En la modelacin del sistema elctrico y en los clculos de distribucin de corrientes a tierra, se utiliz como herramienta de simulacin el programa de computador ATP el cual es ampliamente utilizado en simulaciones para el estudio y anlisis de sistemas elctricos de potencia, debido a la confiabilidad de sus resultados. El modelo equivalente para las simulaciones en el programa ATP se construy a partir de los resultados de cortocircuito obtenidos con la base de datos en el programa Digsilent suministrada por REP para la ejecucin de este contrato. El valor de resistividad del terreno se toma del documento REP-ZAPALLAL-GT-076-81.063 Medicin de resistividad de terreno ampliacin subestacin Chimbote La configuracin de la malla existente en la subestacin se obtuvo de la informacin recibida de parte de Siemens, especialmente el plano 4984-31-301 Disposicin general Red de tierra profunda.


4. METODOLOGA

Para el diseo del sistema de puesta a tierra en la ampliacin del patio de la subestacin Zapallal se realiz el siguiente procedimiento. Con base en la resistividad del terreno y la configuracin de la red de tierra profunda, se calcula la resistencia a tierra de la respectiva malla. Teniendo en cuenta la base de datos suministrada por REP para la ejecucin de este proyecto, se modela el sistema equivalente en el programa ATP y se realizan las diferentes simulaciones necesarias para obtener el valor mximo de G.P.R. que se puede obtener con diferentes tipos de fallas. De acuerdo con el mximo valor de corriente a tierra, se verifica que dentro del rea correspondiente a la ampliacin de la subestacin se mantengan controlados los respectivos potenciales de contacto y paso, de lo contrario se establecen las medidas remediales. Finalmente se establece el calibre mnimo requerido para la instalacin de la malla y las respectivas colas de conexin de equipos y estructuras.

5. VISITA TCNICA

Se efectu una visita a la subestacin Zapallal a 220 kV en el terreno donde se adelantan los trabajos de ampliacin de la subestacin, el da 02 de octubre de 2006, durante la cual se ejecutaron las siguientes actividades:

Reconocimiento del terreno y limitantes fsicas. Medidas de resistividad del terreno.

6. CARACTERSTICA DEL SISTEMA

De acuerdo con el documento de especificaciones tcnicas, La subestacin Zapallal ha sido diseada bajo un esquema de interruptor y medio y actualmente opera bajo un esquema de barra sencilla mediante un puente provisional de las barras A y B de 220 kV la subestacin actualmente cuenta con los siguientes campos:

Lnea Ventanilla L-2243 Lnea Ventanilla L-2242 Lnea Huayucachi L-2221 Lnea Huacho L-2212

El alcance de este proyecto incluye la construccin de una lnea haca la subestacin Paramonga Nueva, as como la construccin de los cortes intermedios para completar la configuracin en interruptor y medio.


Para el ao 2015 se espera que la subestacin se ample en dos circuitos hacia la subestacin Cantogrande y dos bancos de transformacin haca Paramonga 500 kV. En la Tabla 1 se muestran los niveles mximos de cortocircuito esperados para el ao 2015 en esta subestacin.

Tabla 1. Niveles de cortocircuito esperados para el ao 2015

Subestacin Tensin Nominal [kV] Falla trifsica

[kA] Falla

monofsica [kA] Zapallal 220 22,089 24,857

7. RESISTIVIDAD DEL TERRENO EN LA SUBESTACIN ZAPALLAL

La resistividad del terreno se toma de acuerdo con el documento REP-ZAPALLAL-GT-076-81.063 Medicin de resistividad de terreno ampliacin subestacin Zapallal, en el cual utilizando un modelo de dos capas se obtienen los valores de resistividad del terreno mostrados en la Tabla 2.

Tabla 2. Resultados del modelo de las dos capas del terreno

Resistividad [m] Profundidad capa superior [m] Coeficiente de reflexin Capa superior (1) Capa inferior (2) H K

231,7 154,90 4,00 -0,198

8. VERIFICACION DE LA MALLA DE PUESTA A TIERRA EXISTENTE EN LA SUBESTACIN

La verificacin de la malla de puesta a tierra existente contempla el clculo de la resistencia de puesta a tierra, la distribucin de corrientes a tierra y el anlisis de las tensiones de contacto y de paso, producidas durante fallas a tierra.

8.1 RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA

La malla de puesta a tierra existente en la subestacin se model de acuerdo con la configuracin mostrada en el plano 4984-31-301 rev 1 Red de tierra profunda planta. Para determinar la resistencia de puesta a tierra de la malla, se utiliz el programa IEB-MALLAS, el cual hace uso del mtodo de la matriz combinada de resistencia, el mtodo integral para la evaluacin de tensiones a lo largo de los segmentos de un conductor y el mtodo de las imgenes para el


modelamiento de las dos capas. En la Tabla 3 se muestran los datos de entrada al programa.

Tabla 3. Datos de entrada del programa IEB-MALLAS Magnitud Valor

Resistividad capa superior del suelo [m] 231,7 Resistividad capa inferior del suelo [m] 154,9 Resistividad de la capa de cascajo o concreto [m] 3.000 Espesor de la capa superior del suelo [m] 4,0 Espesor de la capa de cascajo o concreto [m] 0,1 Profundidad de enterramiento de la malla [m] 1,0 Tiempo de aclaracin de la falla [s] 0,3 Radio del conductor [m] 0,007 Nmero de varillas [Un] 16 Radio de la varilla [m] 0,008 Longitud de la varilla [m] 2,4

La resistencia de puesta a tierra de la malla de la subestacin Zapallal, unida con la malla de la caseta de control, determinada con el programa, es de 0,52 . En la Figura 1 se indica la vista en planta de la malla existente en la subestacin.

Figura 1. Malla de puesta a tierra para el rea de la subestacin


8.2 DISTRIBUCIN DE CORRIENTES

Para la determinacin de la corriente mxima que circulara por la malla de puesta a tierra, se efectu una modelacin en el programa ATP, evaluando diferentes situaciones de falla, tanto monofsica como bifsica a tierra, en barras a 220 kV de la subestacin Zapallal y en diferentes puntos en las lneas proyectadas al ao 2015 (Ventanilla, Huayucachi, Huacho, Paramonga y Cantogrande). En la Figura 2 se muestra el sistema modelado mediante el programa ATP, con el cual se obtiene la corriente que circulara por la malla de tierra, evaluando las diferentes situaciones de falla en barras de 220 kV y en las lneas de transmisin.

SIEMENS Cdigo Documento: REP-ZAPALLAL-GT-076-94.036 Archivo: (4)G63004-U1014-01.036 (1).doc Pgina 9 de 17

U

BUS_A

U

U

BUS_B

U

U

R MALLA

U

R HUAYU

R TR TR TR T R TR TR TR TR TR TR TR T R TR TR TR TR TR T

CANTO GRANDE 1

VENTANILLA 1

HUACHO PARAMONGA

VENTANILLA 2

CANTO GRANDE 2

ZAPALLAL 500

SUBESTACION ZAPALLAL

HUAYUCACHI

Figura 2. Sistema modelado para hallar la corriente por la malla


De acuerdo con los resultados obtenidos, la mayor corriente que circulara por la malla de puesta a tierra se presentara ante una falla monofsica slida a tierra en barras de la subestacin Zapallal a 220 kV, con uno de los transformadores haca Zapallal 500 kV fuera de servicio, en cuyo caso se presenta una corriente de 11500 A, en consecuencia se obtiene un GPR de 5980 V (tensin a la cual se eleva la malla en caso de una falla a tierra). Para efectos del diseo de la malla, se considera un GPR de 6000 V. En la Figura 3 se ilustra el grfico con los resultados de la tensin en la malla (GPR), corriente por la malla y corriente total de falla monofsica a tierra obtenidos en la simulacin con el programa ATP.

(file Malla_zapallal.pl4; x-var t) c:GPR - v:GPR - c:BUS_BA-FALLA 0 10 20 30 40 50[ms]

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40*103

Figura 3. Resultados de la simulacin de distribucin de corrientes a tierra

9. CRITERIOS DE SEGURIDAD

Los principales criterios de seguridad en el diseo de una malla de puesta a tierra corresponden a la limitacin de los potenciales de contacto y potenciales de paso. El programa IEB-MALLAS permite obtener las tensiones superficiales, tensiones de contacto y tensiones de paso para un perfil seleccionado.


9.1 TIEMPO DE DURACIN DE LA FALLA

Teniendo en cuenta que el mayor valor de G.P.R. se presenta para fallas dentro de la subestacin y que no existen tiempos de retardo para el despeje de fallas en esta localizacin, se espera una actuacin instantnea (menor a 100 ms) de los equipos de proteccin. Con el propsito de ser conservativos para la verificacin de las tensiones de contacto y de paso al interior de la malla, se asumi un tiempo de despeje de 300 ms, considerando la no actuacin de las protecciones principales de la lnea y en consecuencia operando con las protecciones de respaldo.

9.2 TENSIN SUPERFICIAL, TENSIN DE CONTACTO Y TENSIN DE PASO

Para el control de las tensiones de contacto y de paso en la malla de la subestacin Zapallal , se considera un GPR en la malla de 6000 V. Se analizaron varios perfiles al interior de la malla de la subestacin, tal como se indica en la Figura 4.


Figura 4 Perfiles de tensin evaluados en la malla de puesta a tierra (A) Los resultados ms crticos arrojados por el programa para los perfiles analizados para la malla de puesta a tierra de la subestacin se muestran en la Tabla 4.

Tabla 4. Resultados del programa IEB-MALLAS, malla de puesta a tierra Tensiones de contacto y de paso Contacto [V] Paso [V]

Tolerable 891.90 2932.23 Perfil 1 547.03 84.66 Perfil 2 590.31 96.99 Perfil 3 513.27 68.77 Perfil 4 586.66 77.97 Perfil 5 610.59 81.41 Perfil 6 620.21 73.00 Perfil 7 514.67 56.29


Tensiones de contacto y de paso Contacto [V] Paso [V] Perfil 8 533.69 58.61 Perfil 9 533.69 54.20 Perfil 10 542.49 64.25 Perfil 11 533.66 63.24 Perfil 12 528.02 85.79 Perfil 13 527.47 78.48 Perfil 14 557.98 65.65 Perfil 15 557.98 72.92 Perfil 16 513.57 67.46 Perfil 17 510.01 67.03 Perfil 18 513.57 60.80 Perfil 19 505.77 59.87 Perfil 20 521.30 61.50 Perfil 21 515.40 60.83 Perfil 22 521.30 69.90 Perfil 23 685.28 107.31 Perfil 24 687.45 106.61 Perfil 25 686.71 99.11 Perfil 26 684.69 79.65 Perfil 27 472.72 52.60 Perfil 28 622.15 81.42

Del anlisis de los perfiles se concluye que las tensiones de contacto y de paso han sido controladas al interior de la malla existente en la subestacin Zapallal. En el Anexo 1 se presentan los resultados grficos de la tensin de contacto y de paso a lo largo de cada uno de los perfiles para la subestacin.

10. SELECCIN DEL CONDUCTOR

La corriente de cortocircuito monofsica esperada para el ao 2015 corresponde a 24.857 kA, sin embargo y con el fin de ser consecuentes con la corriente de cortocircuito de diseo (31,5 kA) para los nuevos equipos de la subestacin Zapallal y teniendo en cuenta que equipo cuenta con por lo menos dos conexiones con la malla de puesta a tierra el conductor para las colas de conexin se seleccionar con una corriente de 16 kA. De acuerdo con la norma IEEE Std 80 la capacidad de corriente de cortocircuito para el conductor se calcula de la siguiente manera:

++

=

a

m

rr TKTK

rtcTCAPAI

0

04

ln**10**

I: Corriente rms en kA. A: Seccin del conductor en mm2


Tm: Temperatura mxima, en C. Ta: Temperatura ambiente, en C Tr: Temperatura referencia del material, en C

0: Coeficiente de resistividad a 0C en 1/ C r: Coeficiente de resistividad a temperatura Tr en 1/C r: Resistividad del conductor a temperatura Tr, en -cm K0: 1/0 (1/r) - Tr en C. tc: Tiempo de duracin del corto circuito, en s. TCAP: Factor de capacidad trmica que depende del material del conductor en J/ (C *mm) Teniendo en cuenta que las protecciones elctricas ante fallas en las barras actan en un tiempo inferior a 300 ms (tiempo de las protecciones de respaldo) y que la mxima temperatura a la que se pueden elevar los conectores corresponde a 250 C, el mnimo calibre de conductor a utilizar en las colas de conexin corresponde al 2/0 AWG, en la Tabla 5 se muestra el clculo de cortocircuito para este conductor.

Tabla 5. Verificacin capacidad de cortocircuito Parmetro Unidad Valor

A mm2 67,43Tm C 250Ta C 21,25r SIN 0,00393r -cm 1,7241Tr C 20K0 Sin 234tc S 0,3TCAP J/cm3/C 3,422I KA 22,1


11. CONCLUSIONES

a) La resistividad para la verificacin de la malla de puesta a tierra existente en la subestacin utilizando el modelo de dos capas, se tom como 231,7 m para la primera capa con una profundidad de 4,0 m y 154,9 m para la segunda capa, de acuerdo con el documento REP-ZAPALLAL-GT-076-81.063 Medicin de resistividad de terreno ampliacin subestacin Zapallal.

b) Teniendo en cuenta la resistividad del suelo, la topologa de la red de distribucin que alimenta la subestacin, la configuracin de la malla existente de la subestacin se calcul la resistencia de puesta a tierra, obteniendo un valor de 0,52 el cual se considera adecuado y cumple con los criterios de la norma ANSI/IEEE Std. 80 IEEE Guide for Safety in A.C. Substation Grounding.

c) La mxima elevacin de tensin en la malla de puesta a tierra (G.P.R) se presenta para fallas monofsicas en la subestacin, obteniendo valores cercanos a 6000 V.

d) Se verific que las tensiones de contacto y de paso, producidas durante fallas a tierra, pudieran ser controladas en el interior de la malla de puesta a tierra existente de la ampliacin de la subestacin sin poner en riesgo al personal operativo.

e) Para la verificacin de las tensiones de contacto y de paso se tuvo en cuenta un tiempo de despeje de falla de 300 ms, correspondiente a la actuacin de las protecciones de respaldo.

12. RECOMENDACIONES

a) En el rea de la ampliacin de la subestacin conectar las estructuras metlicas soportes, terminales de tierra de equipos, cajas de mando y agrupamiento con la malla de puesta a tierra existente, utilizando para cada caso una cola en cable de cobre desnudo blando recocido de 67,4 mm2 de seccin mnima (No. 2/0 AWG) unida a la malla mediante soldadura exotrmica y a las estructuras con borna terminal de compresin de cobre estaado.

b) Efectuar uniones con soldadura exotrmica cable-cable y cable-varilla con los moldes y carga fundente de acuerdo con los tipos de conexin y el calibre de los cables, teniendo en cuenta las especificaciones indicadas en el plano REP-ZAPALLAL-GT-076-60.211.

c) La cantidad de material necesario para la instalacin de las colas de puesta a tierra para los nuevos equipos a instalar en la ampliacin de la malla de la


subestacin Zapallal se muestra en el plano REP-ZAPALLAL-GT-076-66.073.


REFERENCIAS

[1] IEEE GUIDE FOR SAFETY IN A.C. SUBSTATION GROUNDING. ANSI/IEEE Std 80-2000.

[2] IEEE GUIDE FOR MEASURING EARTH RESISTIVITY, GROUND IMPEDANCE, AND EARTH SURFACE POTENTIALS OF A GROUND SYSTEM. ANSI/IEEE Std 81-1983.

[3] IEEE GUIDE FOR MEASURING EARTH RESISTIVITY, GROUND IMPEDANCE, AND EARTH SURFACE POTENTIALS OF A GROUND SYSTEM. ANSI/IEEE Std 81-1983.

Anexo 1

GRFICOS DE PERFILES DE TENSIN EVALUADOS AL INTERIOR DE LA MALLA DE PUESTA A TIERRA

Tensiones de Toque

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 10 20 30 40 50 60 70

Distancia (m)

T

e

n

s

i

n

(

V

)

TolerablePerfil 1

Perfil 2Perfil 3

Perfil 4Perfil 5

Perfil 6Perfil 7

Perfil 8Perfil 9

Perfil 10Perfil 11

Perfil 12Perfil 13

Perfil 14Perfil 15

Perfil 16Perfil 17

Perfil 18Perfil 19

Perfil 20Perfil 21

Perfil 22Perfil 23

Perfil 24Perfil 25

Perfil 26Perfil 27

Perfil 28

Tensiones de Paso

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 10 20 30 40 50 60 70

Distancia (m)

T

e

n

s

i

n

(

V

)

TolerablePerfil 1

Perfil 2Perfil 3

Perfil 4Perfil 5

Perfil 6Perfil 7

Perfil 8Perfil 9

Perfil 10Perfil 11

Perfil 12Perfil 13

Perfil 14Perfil 15

Perfil 16Perfil 17

Perfil 18Perfil 19

Perfil 20Perfil 21

Perfil 22Perfil 23

Perfil 24Perfil 25

Perfil 26Perfil 27

Perfil 28

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MALLA DE PAT (1)