TRABAJO Título Sistemas de Puesta a Tierra en Instalaciones de
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TRABAJO Título Sistemas de Puesta a Tierra en Instalaciones de
TRABAJO 1/7 Título Sistemas de Puesta a Tierra en Instalaciones de Cables Subterráneos de Alta Tensión – Niveles de Campo Magnético Nº de Registro (Resumen) 108 Empresa o Entidad EDENOR S.A. Nombre Medaglia, Leonardo Ariel Autores del Trabajo País Argentina e-mail [email protected] Ruiz, Ignacio Manuel Argentina [email protected] Villafañe, Alvaro Ramon Argentina [email protected] Beitone, Luis Blas Argentina [email protected] Palabras Clave puesta a tierra – pantalla metálica – tensión inducida 1. INTRODUCCION Se presentan y desarrollan en este trabajo los principales sistemas de puesta a tierra (PAT) y los criterios de selección a considerar, para ser utilizados en instalaciones de cables subterráneos unipolares de 132 kV y 220 kV. El sistema de PAT cumple las siguientes funciones: • Limitar la corriente inducida de circulación en la pantalla metálica. • Limitar la tensión inducida en la pantalla metálica. • Mantener la continuidad de la pantalla metálica para permitir el retorno de las corrientes de falla y brindar una adecuada protección al cable por sobretensiones atmosféricas y de maniobra. Al momento de definir el tipo de instalación necesaria para satisfacer los requerimientos de potencia, es imprescindible determinar no sólo el nivel de tensión, el cable a utilizar, la disposición y configuración de la instalación sino también el sistema de puesta a tierra de la pantalla metálica del cable. Esta pantalla se comporta como el secundario de un trasformador, induciéndose tensiones en función de la corriente que circula por el conductor principal y por los conductores de las otras fases. Para confinar el campo eléctrico dentro de la aislación y evitar la presencia de potenciales peligrosos en el exterior del cable, es necesario conectar TRABAJO 2/7 a tierra esta pantalla utilizando algunos de los sistemas desarrollados a tal fin. Los posibles puntos de conexión a tierra son los empalmes existentes a lo largo de la instalación y los terminales ubicados al comienzo y final del recorrido. De acuerdo a la configuración que se utilice existirán distintos valores de tensión y/o corriente inducidas, debiendo adoptar el sistema más conveniente según cada caso. 2. SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA DE PANTALLAS METALICAS Los sistemas de puesta a tierra que se desarrollan en este trabajo son: • Puesta a tierra en todos los empalmes y en ambos extremos. • Puesta a tierra en un extremo o en punto medio del tramo, con y sin cuarto conductor. • Puesta a tierra con transposición de pantallas, con o sin transposición de conductores. a) Puesta a tierra en todos los empalmes y en ambos extremos: Las pantallas metálicas de los cables se conectan rígidamente a tierra en ambos extremos de cada uno de los tramos, o sea en los terminales de la subestación o puestos de vinculación línea aérea – cable subterráneo y en cada empalme del recorrido. La figura 1 detalla la metodología de conexión. Figura N°1: Puesta a tierra en todos los empalmes y en ambos extremos. En este tipo de sistemas se utilizan empalmes rectos normales para vincular el conductor y la pantalla metálica del cable anterior con el del siguiente. Las pantallas quedan entonces eléctricamente unidas, y se conectan a tierra mediante una jabalina o electrodo. De acuerdo a esto, y siempre que se respeten los valores máximos de resistencia de PAT, utilizar este tipo de conexionado asegura que las pantallas no adquirirán potenciales peligrosos para el personal a cargo de la operación y/o mantenimiento de la instalación, ni en los terminales ni en los empalmes. Sin embargo, cerrar por tierra las pantallas en ambos extremos del tramo, trae aparejada como desventaja la circulación de corriente inducida por el circuito de PAT en forma permanente, servicio normal, y en caso de falla. El valor de la corriente inducida depende básicamente de la geometría de la instalación, de la longitud del tramo y de la corriente principal. Es necesario tener en cuenta esta corriente de circulación al momento de dimensionar la pantalla metálica del cable y en el diseño del circuito de PAT. Además, se debe verificar térmicamente la instalación debido al aporte de calor de las pantallas por efecto Joule. La potencia nominal de la instalación se verá disminuida cuando mayor sea la corriente inducida. Como regla general, se adopta la recomendación de utilizar este sistema de PAT siempre y cuando las pérdidas de la pantalla metálica sean inferiores al 30% de las pérdidas en el conductor principal. b) Puesta a tierra en un extremo o en punto medio del tramo, con y sin conductor de tierra: La forma más simple de evitar la circulación de corriente inducida por pantalla es conectándola francamente a tierra en un solo punto. La figura 2 muestra la PAT realizada en un extremo, en la figura 3, por el contrario, se realiza en el punto medio del tramo, sin conectar los extremos. En la figura 4 se presenta la vinculación a tierra en ambos extremos de la instalación, TRABAJO 3/7 seccionando la pantalla metálica en el centro del tramo. longitud del tramo y de la corriente principal. Justamente, el motivo de utilizar empalmes seccionados, figuras 3 y 4, es generar tramos de menor longitud entre puestas a tierra y limitar el valor de tensión inducida. Figura N° 2: Puesta a tierra en un solo extremo. Se deben tomar ciertos recaudos para no dañar la vaina exterior del cable por aparición de sobretensiones atmosféricas, de maniobra o debidas a fallas ocurridas en otro punto del sistema. Figura N° 3: Puesta a tierra en punto medio. Con el objeto de evitar sobretensiones peligrosas, causadas por la corriente que circula a través del conductor principal, ocasionada por descargas atmosféricas o maniobra en equipos, el extremo flotante se vincula a tierra a través de descargadores, limitando el nivel de sobretensiones a valores preestablecidos. Figura N° 4: Puesta a tierra en los extremos y seccionamiento en el centro del tramo. Para este tipo de sistemas se utiliza el denominado empalme recto seccionado con el objeto de independizar la puesta a tierra de un tramo con la del siguiente. Esto es debido a que este tipo de empalme vincula solo el conductor del cable anterior con el del siguiente, dejando seccionada la pantalla metálica. Al no cerrar eléctricamente el circuito se induce un potencial en forma permanente a lo largo del cable, encontrándose el valor máximo en el extremo opuesto a la PAT, el que debe protegerse debidamente de posibles contactos accidentales. El valor del potencial del extremo flotante depende básicamente de la geometría de la instalación, de la Por otro lado, en caso de ocurrir una falla monofásica a tierra en el sistema, la corriente de secuencia homopolar retorna a la fuente por cualquier camino disponible. Como la pantalla metálica está aterrada en un solo punto, de no prever un camino de circulación alternativo, el retorno será por tierra. Debido a que la resistividad del suelo es mucho mayor que la del conductor, la corriente de falla tendrá una gran profundidad de penetración. Por esta razón la corriente por tierra se dispersa, alejándose de la corriente del conductor principal, resultando una reactancia homopolar elevada y entonces un potencial inducido también elevado. Es recomendable entonces, la utilización de un conductor de tierra, o cuarto conductor, que garantice un camino de retorno a las corrientes de falla. En la figura 5 se esquematiza la utilización de los descargadores y del conductor de tierra para salvar estas situaciones. TRABAJO 4/7 Tomar estos recaudos es de suma importancia ya que, de dañarse la vaina exterior del cable, la pantalla quedará conectada a tierra y pasará a comportarse como el sistema del punto a), generándose perdidas adicionales que elevaran la temperatura de funcionamiento los cables. Figura N°5: Puesta a tierra en un solo extremo. Utilización de descargadores y conductor de tierra. Ciertas consideraciones deben tenerse en cuenta al momento de instalar este nuevo conductor. En primer lugar, debe ubicarse próximo al conductor de fase para que la reactancia homopolar sea lo más chica posible y evitar las sobretensiones en la pantalla metálica por la ocurrencia de una falla monofásica en el sistema. Para minimizar las pérdidas ocasionadas por la circulación de corrientes inducidas, es necesario transponer este conductor en la mitad del tramo, siempre que no haya transposición de las fases. Por lo expuesto, la necesidad de utilización del cuarto conductor hace que este sistema de PAT sea de utilización solo en tramos cortos. Existen de todas formas, situaciones puntuales en que no resulta necesaria la utilización del conductor de tierra. Por ejemplo, en un circuito ubicado dentro de una subestación, el retorno de la corriente de falla será a través de la malla de PAT, no produciéndose entonces las sobretensiones peligrosas. c) Puesta a tierra con transposición de pantallas, con o sin transposición de conductores: Este sistema consiste esencialmente en seccionar las pantallas formando tres tramos de igual o similar longitud, para luego realizar una conexión cruzada de las mismas utilizando empalmes rectos seccionados y una caja de conexión. De esta manera se busca neutralizar la tensión inducida total, por lo que resulta prácticamente nula la corriente inducida de circulación cuando se conecta a tierra la pantalla al comienzo y al final del primer y tercer tramo menor respectivamente. Si no se realiza transposición de los cables de fase, figura 6, es imposible balancear exactamente la tensión inducida total de las pantallas, salvo que la configuración de la terna sea en trébol. Figura 6: Puesta a transposición de pantallas. tierra con Cuando las fases se disponen formando el tresbolillo, las distancias de cada una a las dos restantes son iguales, resultando iguales los módulos de las tensiones inducidas por unidad de longitud en todas las fases [V/m]. Ubicando los empalmes seccionados de forma tal que los tres tramos sean de igual longitud, y realizando la transposición para que TRABAJO 5/7 en cada uno de ellos se induzcan tensiones producidas por corrientes iguales en módulo, pero desfasadas 120°, la suma total de las tensiones de los tramos será nula. Para configuración de fases en disposición coplanar, se deben transponer también los cables, para que al cruzar las pantallas pasen estas a ocupar la misma posición relativa, logrando nuevamente de esta forma el mismo módulo de tensión inducida por unidad de longitud [V/m] en cada tramo. Como se ve en la figura 7, la corriente de la fase 1 induce potencial en la pantalla A. Luego del primer empalme seccionado, la tensión es inducida por la corriente de la fase 3 y debido a que la posición relativa es la misma, resulta el mismo módulo de tensión inducida por unidad de longitud. Finalmente, en el tercer tramo, es la corriente de la fase 2 la que genera la tensión inducida. Como las tres corrientes de fase son equilibradas se logra evitar la corriente de circulación inducida a lo largo del tramo completo, maximizando la capacidad de transporte de la instalación por no generar pérdidas por efecto Joule en la pantalla. Esta situación se repite en forma similar en las tres fases. Figura 7: Puesta a tierra con transposición de pantallas y de cables. De acuerdo con la figura 8, las pantallas en los extremos del tramo total son conectadas a tierra en forma directa y a través de descargadores en los empalmes seccionados. Al igual que en el sistema de PAT en un extremo, se limitan de esta forma las sobretensiones inducidas por descargas atmosféricas o por maniobra de equipos. No resulta necesaria la utilización del conductor de tierra por mantenerse cerrado el circuito de retorno de corrientes homopolares a través de la pantalla metálica. Figura 8: Utilización de descargadores. 3. Aspectos a tener en cuenta para la elección del sistema de PAT La experiencia indica que cuando la corriente principal del cable es elevada, no es factible la utilización del sistema con puesta a tierra en todos empalmes y terminales. Particularmente en Edenor, esta situación se presenta en instalaciones de 220 kV. Esto se debe a que corrientes elevadas en el conductor inducen corrientes de circulación importantes que ocasionan pérdidas inadmisibles en la pantalla metálica. Por esta razón resulta de aplicación el sistema con transposición de pantallas, aprovechando además la posibilidad que brinda de separar las fases. Como la corriente de circulación es compensada por el sistema de PAT, es posible separar las fases durante todo el recorrido a los efectos de mejorar la disipación de calor y maximizar la aún más capacidad de transporte. O sea, la capacidad de la instalación aumenta TRABAJO 6/7 debido a que no se generan pérdidas en la pantalla del cable y además por mejorar la disipación de calor al separar los conductores de fase. En caso de instalaciones de cables directamente enterrados, la disposición coplanar es de más fácil aplicación, con respecto a tresbolillo, ya que se los puede separar con mayor facilidad. Se debe considerar que este tipo de sistema obliga a un control periódico del estado de los descargadores y puestas a tierra. Resulta necesario revisar el estado de las barras de cruce de pantallas y realizar mediciones de las corrientes residuales de circulación para asegurar el correcto funcionamiento de la compensación. de campo magnético que se originarán teniendo en cuenta la corriente nominal. En Argentina, la Reglamentación vigente exige no superar el valor de 25 µT medidos a 1 m del nivel del suelo sobre el eje de los cables. Particularmente Edenor ha estandarizado las potencias y profundidades de tapada de las instalaciones adoptando 150 MVA / 1.30 m en 132 kV y 300 MVA / 1.50 m en 220 kV. A los efectos de verificar que los valores de campo magnético generados por las instalaciones subterráneas son menores al máximo exigido, se realizaron los estudios correspondientes. La figura 9 muestra los valores de campo magnético para una simple terna en 132 kV. Por el contrario, para aquellos casos de instalaciones con menor capacidad de transmisión, es aconsejable la utilización del sistema de PAT en todos los puntos. En general, Edenor utiliza este tipo de sistemas para instalaciones en 132 kV, ubicando las fases en disposición tresbolillo y con la mínima separación entre ellas para minimizar las pérdidas por corrientes inducidas. El sistema de PAT aterrado en un punto puede ser utilizado en forma mixta con el de transposición de pantallas. De acuerdo a la longitud total de la terna, puede suceder que luego de realizar la distribución de los tramos compensados reste una longitud residual para completar la instalación. Este resto de menor longitud puede completarse entonces con el sistema de PAT en un punto. De utilizarse PAT en ambos extremos existirá una corriente de circulación que limitará la capacidad de toda la instalación. 4. Campos magnéticos vs Configuración adoptada Cuando aumenta la relación entre la separación de fases y la distancia al punto de medición, aumenta el valor de campo magnético medido. Por este efecto, al momento de definir la configuración y geometría de la instalación deben analizarse los valores Figura 9: Valores de campo magnético 132 kV – Tresbolillo – 150 MVA – 500 mm². Las figuras 10 y 11 presentan los resultados para instalaciones simple terna de 220 kV en disposición coplanar y en tresbolillo respectivamente. Figura 10: Valores de campo magnético 220 kV – Coplanar – 300 MVA – 800 mm². TRABAJO 7/7 6. Bibliografía • IEC-60287 - Electric cables Calculation of the current rating. Current rating equations (100 % load factor) and calculation of losses. • Resolución Secretaría de Energía 77/98. Figura 11: Valores de campo magnético 220 kV – Tresbolillo – 300 MVA – 800 mm². Analizando estos últimos gráficos se desprende que el campo magnético resultante por una terna es más elevado cuando se utiliza disposición coplanar debido a la mayor separación entre las fases externas. A 1 m de altura no llegan a compensarse los campos magnéticos generados por cada una de las corrientes de fase obteniendo un valor de campo magnético 3.5 veces superior. De acuerdo a estos resultados, y si bien en ningún momento se supera el límite máximo reglamentado, se decidió en Edenor utilizar la configuración tresbolillo en las instalaciones subterráneas de 220 kV. Se adopta la misma separación entre fases y el mismo sistema de PAT que en configuración coplanar para alcanzar la misma capacidad de transporte. 5. Conclusiones Se han presentado los esquemas de conexión, conceptos y características de funcionamiento de los principales sistemas de PAT a utilizar en instalaciones subterráneas de alta tensión. Se expusieron los puntos más importantes a considerar para la correcta implementación de cada uno y de acuerdo a la configuración adoptada, para alcanzar la capacidad de transporte necesaria. Finalmente se analizaron los campos magnéticos originados por las configuraciones tresbolillo y coplanar exponiendo las ventajas de utilización de la primera.