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Sistema Eléctrico de Potencia: ¿Qué es y cuáles son las etapas?

 Saludos.

Espero se encuentren muy bien estimados lectores después de tanto tiempo sin escribir, A continuación les comparto el más reciente escrito en Tecnología Eléctrica, un post que trata sobre los Sistemas eléctricos de potencia.

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Sistema Eléctrico de Potencia: ¿Qué es y cuáles son las etapas?

Generalidades.

La creciente utilizaciónde energía eléctrica en poco más de un siglo, gracias al inicio de la utilización práctica de la iluminación, llevo a la construcción de centrales generadoras con grandes potencias y localizadas a grandes distancias de los centros de carga que serán atendidos, demandando grandes líneas de transmisión y subestaciones, de lo que conllevo al resultado de grandes sistemas eléctricos interconectados que cubren todo el territorio de los países e  interconectando hasta con los sistemas eléctricos de países vecinos.

Figura 1: Generalidades del Sector eléctrico.


La interconexión de todas las áreas de consumo y las centrales del país, formando un gran sistema interconectado, posibilitando una mayor confiabilidad y calidad con el servicio eléctrico a las cargas y viabiliza la integración de las fuentes de generación de este sistema con la optimización del uso de las hidroeléctricas, con la generación en centrales  donde existen mayores reservas de agua o mayor afluencia en los ríos, conjuntamente con termoeléctricas de mayor costo resultando, de esta forma, así como también otros tipos de centrales generadoras. Buscando el menor costo para la energía generada.

Los grandes sistemas interconectados, con gran cantidad de componentes como centrales de generación, líneas de transmisión, subestaciones y otros tantos equipos pueden tener grandes problemas con fallas en algunos componentes que pueden llevar a grandes fallas con impactos económicos y sociales de graves consecuencias dada la dependencia de la energía eléctrica, permanentemente y en todas las actividades. 

Figura 2: Sistema eléctrico interconectado de Europa.

Tomado de: https://www.noticiasbarquisimeto.com/por-que-los-relojes-electricos-se-estan-atrasando-misteriosamente-hasta-casi-6-minutos/

            ¿Qué es un Sistema eléctrico de potencia?

El Sistema Eléctrico de Potencia, o “SEP”, es una red que abarca todas las etapas desde la distribución de energía eléctrica al consumidor, así como la generación hasta la transmisión.

El funcionamiento del SEP está basado en los principios de la electricidad y del electromagnetismo. La electricidad es producida por una fuerza motriz debido al giro de una máquina primaria, que puede ser una turbina hidráulica, un motor a combustión interna, una o una turbina eólica. Esa fuerza motriz gira un generador, que produce una corriente eléctrica alternada. La corriente eléctrica es entonces transmitida por las líneas de transmisión hasta los centros de consumo. 

Figura 3: Diagrama esquemático básico de un SEP

Tomado de: https://www.researchgate.net/figure/Figura-1-Sistemas-electricos-de-potencia_fig1_291280292

En las subestaciones de transmisión, la tensión es elevada, permitiendo que ella transportada a través de largas distancias con menores perdidas. Ya en las subestaciones de distribución, la tensión es reducida para los niveles adecuados para la distribución y el consumo tanto residencial, comercial e industrial.

Para continuar y se entienda un poco mejor se explicará un poco más las etapas del SEP.

Etapas del SEP o Subsistemas.

1.- Generación de Energía eléctrica          

El subsistema de generación de energía eléctrica es el punto de partida de los sistemas eléctricos de potencia y antes de conocer las diferentes tipologías para producir energía, es imprescindible conocer cuál es su proceso de creación. Como se puede apreciar en la siguiente imagen, la generación de energía eléctrica la podemos dividir en 4 fases diferentes que siempre serán las mismas, excepto cuando hablamos de una en concreto: la solar fotovoltaica.

Figura 4: Esquema generación energía eléctrica

Tomado de://www.plena-energia.com/post/generacion-de-energia-electrica

Esquema generación energía eléctrica

La elección de una materia prima y tecnología sería la primera fase, de acá se parte a la tecnología a utilizar según la materia prima. Estas pueden ser agua, gas, carbón, viento o combustibles fósiles, entre otras.

Activación de la turbina: Una vez elegida la materia prima, la clave reside en utilizar ese componente para mover una turbina. Esta la podemos mover mediante vapor a mucha presión (obtenido al calentar carbón, gas o residuos), o con la fuerza del viento (aerogeneradores) o del agua (hidroeléctrica).

Puesta en marcha del generador: Al hacer trabajar la turbina, se estará activando un generador. Gracias a sus circuitos e imanes, este convierte la energía del movimiento, en electricidad que luego va a ser aprovechada.

Conexión a la red: Tras convertir la energía del movimiento en electricidad gracias a nuestro generador, se suministrara la energía generada a la red de transmisión y distribución. Bajo este proceso se genera gran parte de la electricidad que llega a nuestras viviendas.

Las centrales eléctricas son la base de ese proceso y pueden ser clasificadas de acuerdo con la fuente de energía que utilizan

    Tipos de fuentes:      

·         Centrales Hidroeléctricas.

·         Centrales Termoeléctricas.

·         Centrales Nucleares.

·         Centrales Geotérmicas.

·         Centrales Eólicas.

·         Centrales Solares.

·         Micro/Mini Generación Distribuida.

·         Otras.

Figura 5: Consumo de energía eléctrica según su fuente (USA)


Tomado de: https://cleanet.org/clean/literacy/energy/spanish/energy4.html

Esta gráfica contiene información de la Administración de Información Energética de EEUU (EIA por sus siglas en inglés) que muestra el desglose del uso de energía en función de los distintos tipos de fuentes energéticas. Esta imagen se actualiza anualmente por lo que información más reciente puede encontrarse en: https://www.eia.gov/energyexplained/us-energy-facts/

2. Transmisión de energía eléctrica

Este subsistema es el responsable de transmitir la energía eléctrica de las centrales de generación hasta los centros de consumo. Las líneas de transmisión (LTs) son elementos claves es este proceso y desempeñan un papel fundamental en la eficiencia del sistema. Estas pueden ser aéreas o subterráneas, siendo estas proyectadas para minimizar perdidas de energía.

Figura 6: Líneas de transmisión.

Foto referencial.

Existe un gran esfuerzo en la concepción y diseño de las líneas de transmisión a través de los proyectos eléctricos y mecánicos, buscando estructura robusta y la minimización de perdidas, las LTs generalmente funcionan en alta y extra-alta tensión, el motivo para eso es justamente minimizar las perdidas, dado que la relación eléctrica primordial es que la circulación de corriente por un conductor causa pérdidas de potencia a través del calentamiento  de ese conductor, y el aumento de la tensión tiene por consecuencia la disminución de la corriente; otros análisis se hacen necesarios, como la interacción de los campos eléctricos, inductancias mutuas, influencias externas, nivel de curto-circuito, definición del formato de las torres, selección de rutas, selección de materiales de alta conducción eléctrica, todo para que el sistema pueda funcionar de la forma más eficiente posible.

Las líneas de transmisión, dada su extensión, también permitirán la interconexión de todo el SEP el país al que pertenece y hasta con otros países vecinos, formando un Sistema Interconectado Nacional o internacional según sea el caso, a través del cual es posible hacer un balance energético más inteligente y mejorado, con aprovechamiento energético, y la eficiencia energética. Dado que el equilibrio entre generación y carga es la base fundamental del funcionamiento delo SEP.

3. Distribución de Energía eléctrica.

Este subsistema de distribución es la etapa final del SEP. Es aquí que la electricidad llega a los consumidores finales. Las redes de distribución son las responsables por atender l necesidades específicas de los consumidores, siendo estas aéreas o subterráneas.

Figura 7: Diagrama esquemático Red de Distribución eléctrica.

Tomado de: https://merytronic.gorlan.com/determination-topology-distribution-network/

Esas redes de distribución son divididas en redes primarias, que proporcionan la energía para grandes consumidores y además se distribuye por los ramales de las ciudades y poblados para que llegue más cerca del consumidor final, interconectando con los transformadores de distribución a las redes secundarias, que son las que proporcionan la energía para los consumidores residenciales, comerciales y las pequeñas empresas.

La distribución, “generalmente” son responsabilidad de concesionarías locales, consiste en toda la estructura de entrega de la demanda energética en todos los niveles de consumo. Las líneas de transmisión llegan a centros de distribución, generalmente vía subestaciones de distribución, donde los transformadores regulan los niveles de tensión para la entrega de la energía, y a partir de donde derivan los alimentadores troncales y posteriormente, los ramales; la energía todavía circula con una tensión más alta en la red primaria de distribución, y transformadores de menor porte regulan nuevamente el nivel de tensión para entregar de forma confiable y eficiente la energía a los consumidores.

Ventajas de las interconexiones de los SEP.

De Carácter Técnico

·         Garantizan la seguridad y continuidad del suministro.

·         Mejora la Estabilidad de Frecuencia y Tensión

·         Aumenta la Confiabilidad en la Cobertura de la Demanda Máxima

·         Aportan mayor estabilidad y garantía de la frecuencia.

·         Aumentan la eficiencia de los sistemas interconectados.

De Carácter Económico

·         Incrementan la competencia entre sistemas vecinos.

·         Reducen la dependencia de proveedores únicos.

·         Proporcionan un mejor aprovechamiento de las energías renovables.

·         Reduce las Reservas de Operación

·         Mejora la Optimización de Recursos (Generación y Red)

·         Facilita los Intercambios Comerciales.

·         Fomenta la Integración de Recursos Energéticos.

·         Reduce la Necesidad de Potencia Instalada.    

·         Reduce los Costos de Abastecimiento (Economías de Escala)

·         Estimula la Competencia

·        Reduce las Pérdidas de Energía

¿Condiciones que se deben cumplir para la interconexión de los SEP?

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Referencias: 

https://conteudo.hvex.com.br/setor-eletrico/o-que-sao-sistemas-eletricos-de-potencia-e-como-eles-funcionam/

https://www.mapfreglobalrisks.com/gerencia-riesgos-seguros/articulos/las-interconexiones-garantizan-el-futuro-de-la-energia-electrica/

https://www.produttivo.com.br/blog/sistema-eletrico-de-potencia/

https://www.mapfreglobalrisks.com/gerencia-riesgos-seguros/articulos/las-interconexiones-garantizan-el-futuro-de-la-energia-electrica/https://www.mapfreglobalrisks.com/gerencia-riesgos-seguros/articulos/las-interconexiones-garantizan-el-futuro-de-la-energia-electrica/

https://www.linkedin.com/pulse/interconexiones-el%C3%A9ctricas-transfronterizas-un-motor-para-diaz-cohen/

 

 





Cálculos del Sistema eléctrico (Caso: Laboratorio de Alta Tensión)

 Saludos.

Espero se encuentren muy bien estimados lectores, A continuación les comparto el más reciente escrito en Tecnología Eléctrica, un post que trata sobre: Cálculos del Sistema eléctrico.

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Cálculos del Sistema eléctrico (Caso: Laboratorio de Alta Tensión)

INTRODUCCIÓN

Hay quienes piensan o tienen la idea de que no son importantes para un proyecto que este se realice por cualquier persona, o que las instalaciones eléctricas se realicen sin el desarrollo previo de los planos (memoria de cálculos e ingeniería) y que después de terminada la instalación, elaborar los planos y memoria de cálculo una vez, ya que los dueños de negocios lo consideran un gasto, y que con un “buen electricista” la instalación puede quedar supuestamente bien…

                                             Fig. 1.- Cálculos eléctricos.

Es por ello que la ingeniería y diseño de instalaciones eléctricas no se trata de cualquier cosa, en los planos y memorias de cálculo previo a la construcción recae la seguridad de las personas, animales y de los bienes de la propiedad. Este es el objetivo de cualquier Norma oficial para las instalaciones eléctricas, establecer las especificaciones y lineamientos de carácter técnico que deben satisfacer las instalaciones destinadas a la utilización de la energía eléctrica.

            Por esto antes mencionado se presenta a continuación un ejemplo de cálculos para una instalación eléctrica dada como ejemplo.

1.- Diseño del circuito de iluminación del área de ensayo.

Para determinar el circuito de iluminación de un ambiente primero se deben determinar las luminarias necesarias y a utilizar considerando lo existente en el mercado que se pueda contar con esas luminarias a la hora de ejecutar la instalación, para el caso del área de ensayo del laboratorio de alta tensión se utilizará el método de los lúmenes tal como se muestra a continuación.

Calculo de iluminación del laboratorio de alta tensión.

Para calcular el valor medio en servicio de la iluminancia de un local iluminado con alumbrado general.

Para este cálculo el flujo luminoso que se necesita en el laboratorio y se puedan visualizar los ensayos sin problemas es necesario calcular el flujo luminoso necesario, el que está dado por:



Donde:

Em = nivel de iluminación medio (en LUX)

Øt = flujo luminoso que un determinado local o zona necesita (en     

         LÚMENES)

S = superfície a iluminar (en m2).

Cu= Coeficiente de utilización.

Cm= Coeficiente de mantenimiento.

 

Para determinar el coeficiente de hay que calcular el índice del local (k) que se determina a partir de la geometría del mismo a partir de la ecuación:


Donde:

k = índice del local.

a = 4m (ancho del local).

b = 5,86 m (largo del local).

h= 3,15 m (distancia entre el plano de trabajo y la ubicación de las luminarias.

En el caso del laboratorio la altura del plano de trabajo no está definida pues la misma depende del tipo de ensayo que se realice por lo que se decidió tomar como plano de trabajo el piso ya que entre otros aspectos del trabajo en los laboratorios de alta tensión uno de vital importancia es la correcta puesta a tierra de todos los equipos lo que se hace con cables puestos sobre el piso. 



El otro parámetro necesario para determinar el factor de utilización (CU) son los coeficientes de reflexión de las paredes techo y piso. Los valores de los coeficientes de reflexión del techo, las paredes y suelo normados se muestran en la Tabla 1.

Tabla 1.- Coeficientes de reflexión

 
El área de ensayos estará pintada de crema claro y el techo tiene láminas de cielo raso color blanco por lo tanto se toma:

Para las paredes: 70 %

Para el techo:       80 %

En la selección de las luminarias se determinó que las lámparas fluorescentes tubulares tipo TL-5 (127 V, 54 W) marca: Philips, modelo: Master TL5 High Efficiency Eco con una emisión lumínica de 2875 lm [1], con porta lámparas marca: Gediplast, modelo: LUCS2427, fabricadas bajo las normas UL-94 en el país. Sus características generales se muestran en la Fig. 1 en tanto que en la Tabla 2 se expones sus características.

Fig. 2.- Modelo de luminaria.

Seleccionada el tipo de luminaria a usar, el índice del local (que se aproximó a 1 para poder entra a la Tabla 2) y el coeficiente de reflexión se determina que es Cu = 7.

Tabla 2.- Coeficientes de reflexión.

El coeficiente de mantenimiento dependerá de la conservación de la instalación. Este coeficiente dependerá del grado de suciedad ambiental y de la frecuencia de la limpieza del local. Para una limpieza con periodo quincenal, como se espera en el laboratorio, se puede tomar Cm = 0.6 según la Tabla 3.

Tabla 3.- Coeficientes de mantenimiento.

Ambiente

Factor de Mantenimiento

Limpio

0.8

Sucio

0.6

 

Entonces la cantidad de luxes (2000) que se necesitan será se calcula a continuación.

El cálculo de Øt da:



 Cálculo del número de luminarias.



Donde:

Nl = número de luminarias

Øt = flujo luminoso total necesario en la zona o local

Øl = flujo luminoso de una lámpara (se toma del catálogo)

n = número de lámparas que tiene la luminaria.

Como resultado el número total de luminarias será de 2 para cumplir con las normativas nacionales de iluminación de laboratorios.

La potencia nominal de las luminarias es de: 216 W

Por último, es conveniente determinar la potencia de las luminarias a utilizar en la zona de control y medición del laboratorio de alta tensión, la cual se determinara considerando el área de construcción donde estará ubicada.

Considerando 30 W/m2 entonces, como la zona de control tiene unas longitudes de 3 m x 2 m, el resultado será de 180 W.

Teniendo en definitiva una potencia de diseño del circuito de iluminación de: 396 W

Como el factor de potencia de las lámparas es sumamente alto no es necesario considerarlo en el cálculo de la corriente pues el error es muy pequeño., así se tiene que:  


Con este nivel de corriente se selecciona un conductor 14 THW AWG calibre mínimo que se puede usar en un circuito ramal de iluminación según la tabla 210-24 de la norma 200 de COVENIN (CEN), este conductor soporta como máximo una corriente de 15 A [2] y su protección será un interruptor termo-magnético monopolar de 15 A de capacidad y 10 KA de capacidad interruptora.

En definitiva se determinó que se necesitan 2 luminaria de 2 tubos fluorescentes de 54 W, C/U con estas lámparas se cumple entonces con la cantidad de luxes (2000) [3]. Requeridas por las normas COVENIN para áreas de trabajo.

2.- Cálculo del circuito de tomacorrientes de uso general.

Según las normas vigentes en el país para los cálculos de los circuitos ramales se recomienda un máximo de 10 tomacorrientes por circuito y para cada salida de fuerza se considerara 120 V X 1.5 A [4], pero en este caso, por el espacio disponible en el laboratorio, solo se podrán colocar 7 tomacorrientes de uso general, 4 en el área de ensayos y 3 en el área de control y medición. Esto da como resultado una potencia de 1260 W.

Con este nivel de corriente se selecciona un conductor 12 THW AWG calibre mínimo que se puede usar en un circuito ramal de uso general ya que este conductor soporta como máximo una corriente de 20 A [4] y su protección será un interruptor termo-magnético monopolar de 15 A de capacidad y 10 KA de capacidad interruptora [4].

3.- Cálculo del circuito de tomacorrientes especiales.

El laboratorio debe disponer, además de los tomacorrientes de uso general de tomacorrientes de tomacorrientes de 220 V tanto en el área de ensayos como en el área de control previendo la necesidad de conectar cargas de este voltaje por lo que se decidió construir un circuito cableado con 4 conductores 12 THW AWG (Fases, neutro y tierra), con una protección de 20 A [4], y 10 KA de capacidad interruptora; con esto se tiene una potencia de 4400 W

4.- Cálculo del conductor de la acometida.

El transformador de prueba se alimenta de un autotransformador de 10 KVA pero como esta capacidad prácticamente no se emplea nunca es que se toma como potencia instalada una cantidad de 10 KW

El sistema eléctrico del laboratorio de alta tensión demandará:

1. Iluminación área de ensayo y control: 396 W

2. Tomacorrientes área de ensayo y control: 5660 W.

3. Sistema de control y regulación de los transformadores de prueba: 10 KVA.

Teniendo una potencia total de: 16056 W.

El método para el cálculo normado en el país se muestra en la Tabla 4

Tabla 4 - Estudio de Cargas del Laboratorio. [5]

Estudio de cargas.

Carga en Vatios

 

Fase

Neutro

Cargas de iluminación.

396

396

Cargas de tomas de uso general.

1260

1260

Cargas de tomas de uso especial

4400

 

Transformador de ensayo.

10000

Sub-Total

16056

Primeros 3000 W (100%)

3000

Del resto de la P (35%)

4569,6

Demanda total

7569,6

 

Conocida la demanda total la corriente por las fases será de:

Para el neutro:

Con estas corrientes se busca en la tabla de conductores y se determina que para las fases debe emplearse un conductor calibre # 8 THW y para el neutro uno calibre # 12 THW.

El conductor  calibre # 8  THW seleccionado tiene una resistencia de 0,00206 Ω/m con lo que se tiene una caída de tensión por unidad de longitud para la máxima corriente de carga (35 A) de 0.0721 V/m, que multiplicada por la 100 m del conductor de la acometida da una caída de tensión de 7.21 V, la cual representa 3.41%, mayor que lo estipulado por el código eléctrico nacional, por ello se debe seleccionar el conductor calibre # 6 THW para disminuir la caída de tensión en el conductor de la acometida.

5.- Cálculo de la protección de la acometida

Como el calibre del alimentador es el # 6 entonces:

    Ip: (I calculada + I Conductor) / 2  =(35 A + 55 A) / 2 = 45 A 

La solución comercial para la protección de la instalación será de un interruptor termo magnético de dos polos 50 A y de 30 KA, tipo THQL de corriente interruptora que es superior a la corriente de cortocircuito del tablero a donde se conecta la acometida. La capacidad del interruptor termo-magnético cumple con el 20% por encima para garantizar su correcto funcionamiento según se plantea en las normas nacionales.

            El conductor de la tierra de seguridad que dispone la instalación es de un calibre # 8. Es necesario aclarar que este conductor no se puede conectar al sistema de puesta a tierra del laboratorio pues al mismo se derivaran continuamente altas corrientes durante las descargas de los capacitares de la fuente de corriente directa y del generador de impulso lo que provocará subidas transitorias de su potencia respecto a la tierra lejana.

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Referencias: 

1. - Student laboratory practice and the history and philosophy of science, en The student laboratory and the science curriculurn. LAYTON, D. editado por Elizabeth Hegarty- Hazel. Londres: Routledge 1990. [1].

2.- Código Eléctrico Nacional. CODELECTRA, FONDONORMA 200:2004, 7ma revisión. Caracas-Venezuela. [2]

3.- Iluminancias en tares y áreas de trabajo, Norma Venezolana COVENIN 2249-93. 1era Revisión. Caracas 14-04-1993. [3]

4.- Canalizaciones Eléctricas, 7ma Edición, Oswaldo Penissi, Editorial Melvin. Caracas-Venezuela, 2001. [4] 

5.- Procesos de la investigación realizados por el autor y revisado por el tutor, Venezuela-Cabimas 2013. [5]

Bibliografía consultada.

Manual de Luminotecnia para interiores, Carlos Laszlo. Disponible en: http://www.laszlo.com.ar/Items/ManLumi/issue/Manual_de_Luminotecnia.PDF.

Luminarias Gediplast, división de materiales eléctricos. Disponible en: www.gedisa.com.ve.

Método de cavidades zonales, UMSS-FCyT. Instalaciones Eléctricas I.

Introducción a los Sistemas de Puesta a Tierra. (Ejemplo de cálculo)

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INTRODUCCIÓN

Todas las instalaciones eléctricas de distribución, están vinculadas funcionalmente con el Sistema de Puesta a Tierra (SPT).

Esta vinculación se puede materializar de diversas formas, cada una de las cuales hará que la instalación eléctrica presente ciertas características frente a las perturbaciones que puedan suceder y la acción de las protecciones. Entendiendo como tal a los contactos que puedan realizar los seres vivos con cables activos o en caso de un cortocircuito, así como ante eventos de sobretensiones eléctricas.

Imagen Tomada de: https://www.matelec.com.ar/noticias/41_que-es-la-puesta-a-tierra-o-toma-a-tierra-

Ante esto descrito anteriormente uno se puede preguntar entonces:

¿Cuáles son las funciones de los Sistemas de Puesta a Tierra?

·  Garantizar una conexión de baja resistencia entre los equipos eléctricos y electrónicos con las partes metálicas cercanas, con el fin de minimizar el peligro para el personal en el caso de una falla.

·   Permitir el control de las tensiones peligrosas, mientras los relés, fusibles o interruptores despejan la falla; mediante una conexión de baja resistencia con la tierra (suelo) para crear una trayectoria de retorno efectiva a la corriente de falla.

·     Proporcionar un plano de referencia común, de una impedancia relativamente baja entre los dispositivos electrónicos, circuitos y sistemas.

·    Brindar una trayectoria conductiva preferencial para encausar sin riesgo, las corrientes debidas a electrostática o a los rayos, entre un objeto expuesto y el suelo.

·       Reducir los efectos de acople en modo común.

Frecuentemente, el cumplimiento de las funciones de los SPT genera un conflicto en términos de los requerimientos de operación, de las técnicas de implantación e incluso de los requerimientos de seguridad.

         Para obtener una alta confiabilidad de los equipos y de los sistemas en general, así como una seguridad adecuada, se deben diseñar apropiadamente los SPT, partiendo de un buen entendimiento de su comportamiento electromagnético.

Requisitos mínimos que deben poseer los Sistemas de Puesta a Tierra

·         El valor de la resistencia debe ser el adecuado para cada tipo de instalación.

·         La variación de la resistencia debida a cambios ambientales debe ser mínima.

·         Su vida útil debe ser mayor de 20 años.

·         Debe ser resistente a la corrosión.

·         Su costo debe ser el más bajo posible, sin que se comprometa la seguridad.

·         Debe permitir su mantenimiento periódico.

Tales requisitos de los SPT no solo se tratan de las conexiones entre conductores sino que estos y los elementos y aparatos que forman parte de este deben cumplir los requerimientos de las normas respectivas y especificaciones técnicas con el fin de obtener un funcionamiento seguro y eficaz.

Ejemplo de Diseño del sistema de puesta a tierra.

El valor de la resistencia de la puesta a tierra para un ambiente con características específicas de un laboratorio se selecciona en base a las características de la instalación tal como se muestra en la Tabla 1

Tabla 1.- Valores de resistencia de puesta a tierra. [1]

Aplicación

Valores máximos de resistencias de puesta a tierra.

Instalaciones industriales de gran potencia

10 Ω

Industrias pequeñas

5 Ω

Hospitales.

2 Ω

Equipos electrónicos altamente sensibles.

1 Ω

Neutro de acometida en baja tensión.

25 Ω

 

Para el laboratorio por tratarse de una instalación de poca  potencia se una resistencia de puesta a tierra de 5 Ω como máximo.

El cálculo de la resistencia de puesta a tierra de electrodos verticales de 20 mm de diámetro se puede emplear la expresión:

 (1)

Donde:

r - Resistividad del suelo (W-m).

L - Profundidad del electrodo (m).

La resistividad de la tierra en el laboratorio es de 116 W-m. [2], Por tanto la resistencia de un electrodo de 2 m de longitud totalmente enterrado tiene una resistencia de:


Los cálculos arrojaron que era necesario utilizar 14 electrodos separados 2,5 m entre ellos formando un polígono. Para el cálculo de la resistencia de puesta a tierra de varios electrodos en paralelo se emplea la expresión:

 (2)

Donde:

RP - Resistencia del grupo de electrodos (Ω)

R - Resistencia de un electrodo (Ω).

NV - Coeficiente de apantallamiento= 0,55 en este caso (Tabla 2).

n - Número de electrodos.

 

La resistencia de uno de los conductores de enlace, empleando un cable 1/0 de cobre trenzado se puede calcular por la expresión:

 (3)

Donde:

r - Resistividad del suelo (W-m).

L - Profundidad del conductor de enlace (m).


Tabla  2.- Coeficientes de apantallamiento para electrodos verticales y horizontales. [3]

 

Relación S/L

1

2

3

Electrodos en círculo o polígono

n

NV

NH

NV

NH

NV

NH

3

0,75

0,50,

0,77

0,60

0,88,

0,75

5

0,69

0,45

0,75

0,55

0,85

0,70

6

0,62

0,40

0,73

0,48

0,80

0,64

8

0,58

0,36

0,71

0,43

0,78

0,60

10

0,55

0,34

0,69

0,40

0,76

0,56

20

0,47

0,27

0,64

0,32

0,71

0,45

30

0,43

0,24

0,60

0,30

0,68

0,41

50

0,40

0,21

0,56

0,28

0,66

0,37

70

0,38

0,20

0,54

0,26

0,64

0,35

100

0,35

0,19

0,52

0,24

0,62

0,35

Electrodos en línea recta

2

0,85

0,82

0,90

0,90

0,95

0,95

3

0,78

0,80

0,86

0,92

0,91

0,95

4

0,74

0,77

0,83

0,89

0,88

0,92

5

0,70

0.74

0,81

0,86

0,87

0,90

6

0,63

0,71

0,77

0,83

0,83

0,88

10

0,59

0,62

0,75

0,75

0,81

0,82

15

0,54

0,50

0,70

0,64

0,78

0,74

20

0,49

0,42

0,68

0,56

0,77

0,68

30

0,43

0,31

0,65

0,46

0,75

0,58

 Al igual que para los electrodos la resistencia de puesta a tierra del paralelo de todos los cables de enlace está dado por:

 (4)

Donde:

R - Resistencia de un cable  de enlace (W).

RC - Resistencia de puesta a tierra de los cables de enlace (W).

NH - Coeficiente de apantallamiento para el cable de enlace= 0,34 en este caso (Tabla 2).

En este caso:

 

La resistencia total del conjunto está dada por:

5)



Para este caso: 


El área disponible en el laboratorio no permite instalar más electrodos por lo tanto se acepta este valor de resistencia de puesta a tierra como válido, el que en la práctica debe ser menor pues la medición de la resistividad se efectuó en una época de sequía extrema.

En caso de que en un futuro se instalan equipos que requieren resistencias de puesta a tierra de un Ohm o menores como es el caso por ejemplo de los equipos de medición de descargas parciales se recomienda el empleo de suelos artificiales, en específico la Hidrosolta de 30 Ω-cm, [32] muy empleada en la construcción de sistemas de puesta a tierra de instalaciones donde no se dispone de área suficiente para instalar un malla de tierra.

Dada la agresividad del terreno en la zona de instalación del laboratorio de alta tensión se recomienda emplear para el sistema de puesta a tierra electrodos de coperweld  marca KLK, PL 20 RU, LISA DE 2000x14, 6 mm [4] que está constituida por un alma de acero al carbono de dureza Britney entre 189y 220 H con un recubrimiento de cobre electrolítico mínimo de 0,3 mm.

Para el empalme entre el conductor de enlace y los electrodos de tierra lo más recomendable sería el empleo de soldadura  exotérmica pero dado lo costoso de las mismas y el no disponerse en el IUTC personal adiestrado en su empleo se seleccionó  la grapa para electrodos de tierra  de la marca KLK, KB-1625 que admite conductores de diámetro desde 25 hasta 70 mm2 (el cable de tierra propuesto 1/0 de cobre trenzado tiene 53,48 mm2) que se muestra en la Fig. 3.5

                    

  


Dimensiones en (mm)

 A

B

C

T

50

40

6

M10

Fig. 1.-  Grapa de tierra seleccionada marca KLK, KB-1625. [4]

Como terminal conector de tierra se seleccionó también el de la marca KLK, EC 70-6 que admite 6 conductores de diámetro desde 25 hasta 70 mm2 del tipo que se muestra en la Fig. 2. Este conector garantiza la equipotencialidad necesaria para todos los equipos del laboratorio debe ser instalado en la pared posterior del laboratorio a 30cm del altura respecto al piso.

Fig. 2.- Terminal conector de tierra marca KLK, EC 70-6. [33]

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            Referencias: 

1.- Portales eléctricos.com, Articulo 15 “Puesta a Tierra”. Disponible en: http://portalelectricos.com/retie/cap2art15.php.  [1]

2.- Procesos de la investigación realizados por el autor y revisado por el tutor, Venezuela-Cabimas 2013. [2]

3.- Sistemas de puesta a tierra TEMA 8, CONFERENCIA Nº 30. ASIGNATURA: Alta tensión. Material Didáctico. Dr. Juan Almirall Mesa. La Habana-Cuba. [3]

4.- Catalogo de materiales de puesta a tierra de la KLK. [4]

5.- Material didáctico para clases.


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