dimensionamiento de electrodos de puesta a tierra tipo - Cigré
dimensionamiento de electrodos de puesta a tierra tipo - Cigré
dimensionamiento de electrodos de puesta a tierra tipo - Cigré
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
Puerto Iguazú<br />
Argentina<br />
DIMENSIONAMIENTO DE ELECTRODOS DE PUESTA A TIERRA TIPO ANILLO PARA<br />
SISTEMAS DE TRANSMISIÓN HVDC<br />
L. VALLEJOS* J. RAYO G. OLGUÍN<br />
Transelec S.A. Transelec S.A. Transelec S.A.<br />
Chile Chile Chile<br />
J.M. SANTOS<br />
Transelec S.A.<br />
Chile<br />
Resumen – Este documento contiene un procedimiento para el <strong>dimensionamiento</strong> y cálculo <strong>de</strong><br />
parámetros <strong>de</strong> un electrodo terrestre con forma <strong>de</strong> anillo en un terreno <strong>de</strong> dos capas paralelas <strong>de</strong> distintas<br />
resistivida<strong>de</strong>s utilizando el método <strong>de</strong> las imágenes. El método <strong>de</strong> cálculo permite conocer las dimensiones<br />
<strong>de</strong>l electrodo que cumplen con ciertas restricciones y, <strong>de</strong> manera general, el área <strong>de</strong> influencia que la<br />
inyección <strong>de</strong> corriente produce en el terreno.<br />
Palabras clave: HVDC – Electrodo – Tensión <strong>de</strong> Paso – Potencial – Puesta a Tierra – Área <strong>de</strong><br />
Influencia<br />
1 INTRODUCCIÓN<br />
Uno <strong>de</strong> los componentes más importantes <strong>de</strong> los sistemas <strong>de</strong> transmisión HVDC bipolares correspon<strong>de</strong> a los<br />
Electrodos <strong>de</strong> Puesta a Tierra. Éstos son la conexión física al suelo <strong>de</strong> la corriente que circula entre dos<br />
subestaciones convertidoras utilizando la Tierra como medio conductor. Los <strong>electrodos</strong> cumplen con tres<br />
funciones principales: establecer la tensión <strong>de</strong> referencia 0 V <strong>de</strong>l circuito DC, establecer una ruta a las<br />
corrientes <strong>de</strong> <strong>de</strong>sbalance entre los polos <strong>de</strong>l sistema y finalmente añadir una ruta alternativa <strong>de</strong> manera<br />
instantánea a la corriente <strong>de</strong> operación cuando uno <strong>de</strong> los polos falla.<br />
Los <strong>tipo</strong>s <strong>de</strong> electrodo se clasifican según su ubicación, pudiendo ser marinos, terrestres o <strong>de</strong> costa. A su vez,<br />
cada <strong>tipo</strong> <strong>de</strong> electrodo pue<strong>de</strong> tener distintas formas, siendo la más común y preferente la <strong>de</strong> anillo horizontal<br />
<strong>de</strong>bido a su capacidad <strong>de</strong> distribuir la corriente <strong>de</strong> manera más homogénea [1].<br />
El <strong>dimensionamiento</strong> <strong>de</strong> los <strong>electrodos</strong> es un proceso que <strong>de</strong>be consi<strong>de</strong>rar no sólo restricciones <strong>de</strong> seguridad<br />
a las personas y los equipos, sino que a<strong>de</strong>más <strong>de</strong>be consi<strong>de</strong>rar restricciones <strong>de</strong> operación, pérdidas <strong>de</strong><br />
energía, una limitada vida útil, entre otras. Esto hace que el <strong>dimensionamiento</strong>, utilizando la herramienta <strong>de</strong><br />
cálculo que se presenta en este artículo, sea un proceso iterativo hasta el momento que se logren cumplir<br />
todas las restricciones <strong>de</strong> diseño.<br />
Si bien los <strong>electrodos</strong> correspon<strong>de</strong>n eléctricamente a una <strong>puesta</strong> a <strong>tierra</strong> convencional, en la práctica éstos<br />
son constructivamente muy diferentes <strong>de</strong> las mallas <strong>de</strong> <strong>tierra</strong> <strong>de</strong> los sistemas AC. Al operar con corriente<br />
continua sufren <strong>de</strong> una corrosión acelerada, la cual <strong>de</strong>be ser tomada en cuenta al momento <strong>de</strong> diseñarse, y<br />
por otra parte, al operar por tiempos extensos (varias horas, días e incluso meses) <strong>de</strong>ben poseer una baja<br />
*lvallejosh@gmail.com<br />
XIII ERIAC<br />
DÉCIMO TERCER ENCUENTRO<br />
REGIONAL IBEROAMERICANO DE CIGRÉ<br />
24 al 28 <strong>de</strong> mayo <strong>de</strong> 2009<br />
Comité <strong>de</strong> Estudio B4 - Alta Tensión en Corriente Continua y Electrónica <strong>de</strong> Potencia<br />
XIII/PI-B4 -01
esistencia, operar a bajas <strong>de</strong>nsida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> corriente y niveles <strong>de</strong> tensiones <strong>de</strong> paso y toque acor<strong>de</strong> a las normas<br />
<strong>de</strong> seguridad correspondientes. Estas especificaciones inci<strong>de</strong>n en el tamaño y la forma <strong>de</strong> los <strong>electrodos</strong>,<br />
llegando a ocupar, en algunos casos, incluso <strong>de</strong>cenas <strong>de</strong> hectáreas.<br />
Por otra parte, el funcionamiento <strong>de</strong>l electrodo pue<strong>de</strong> provocar un aumento <strong>de</strong> la temperatura <strong>de</strong>l mismo y<br />
<strong>de</strong>l suelo más próximo. Este efecto produce una disminución <strong>de</strong> la humedad y por en<strong>de</strong> un aumento <strong>de</strong> la<br />
resistividad, que finalmente conlleva a un aumento <strong>de</strong> la resistencia <strong>de</strong>l electrodo.<br />
La inyección por tiempos prolongados <strong>de</strong> corriente a la <strong>tierra</strong>, la cual produce un aumento <strong>de</strong> potencial<br />
eléctrico en el suelo circundante, hace que exista la necesidad <strong>de</strong> tener que realizar mitigaciones a distintas<br />
instalaciones que pue<strong>de</strong>n verse interferidas. Esto último, si bien es un tema <strong>de</strong> interés, no se aborda<br />
extensamente en la presente publicación.<br />
Este documento presenta una herramienta y una metodología para el <strong>dimensionamiento</strong> <strong>de</strong> un electrodo<br />
terrestre, la cual permite estimar las dimensiones que la instalación tendrá y, por en<strong>de</strong>, los requerimientos <strong>de</strong><br />
suelo. A<strong>de</strong>más, con esta misma herramienta es posible estimar en forma preliminar el área <strong>de</strong> influencia que<br />
los <strong>electrodos</strong> tendrán, lo cual resulta útil para i<strong>de</strong>ntificar la aptitud ambiental <strong>de</strong>l sitio <strong>de</strong> instalación<br />
estudiado.<br />
2 DIMENSIONAMIENTO DEL ELECTRODO<br />
2.1 Criterio <strong>de</strong> <strong>dimensionamiento</strong><br />
El <strong>dimensionamiento</strong> <strong>de</strong> un electrodo se basa en una metodología <strong>de</strong> “ensayo y error”, en la cual si los<br />
resultados no cumplen las restricciones im<strong>puesta</strong>s por el diseñador, se <strong>de</strong>ben recalcular los parámetros <strong>de</strong><br />
interés, cambiando ciertos datos <strong>de</strong> entrada.<br />
Los datos <strong>de</strong> entrada al programa se divi<strong>de</strong>n en datos fijos y las variables <strong>de</strong> diseño (ver Figura 1). En el<br />
primer <strong>tipo</strong> se consi<strong>de</strong>ran los parámetros <strong>de</strong>l suelo (resistividad y características térmicas) y la corriente <strong>de</strong>l<br />
sistema HVDC, mientras que en el segundo <strong>tipo</strong> se encuentran el radio <strong>de</strong>l electrodo (R), su profundidad (h)<br />
y su sección <strong>de</strong> coke (s), las cuales son las variables que modificarán el diseño en el caso <strong>de</strong> que alguna<br />
restricción no se cumpla.<br />
Como se ve en la Figura 1, la herramienta <strong>de</strong> cálculo entrega cuatro resultados, <strong>de</strong> los cuales cada uno <strong>de</strong><br />
ellos está restringido <strong>de</strong> la siguiente manera:<br />
El primero <strong>de</strong> ellos, la resistencia <strong>de</strong>l electrodo (Re), pue<strong>de</strong> verse limitada producto <strong>de</strong> las pérdidas que el<br />
operador <strong>de</strong>l sistema HVDC está dispuesto a aceptar.<br />
El segundo resultado, la tensión <strong>de</strong> paso máxima (Emax), tiene relación con el gradiente <strong>de</strong> potencial máximo<br />
que una persona pue<strong>de</strong> tolerar. Este valor se calcula con la corriente máxima <strong>de</strong>l sistema y correspon<strong>de</strong> al<br />
gradiente máximo se produce en las inmediaciones <strong>de</strong>l electrodo. El valor límite que este parámetro pue<strong>de</strong><br />
llegar se suele calcular mediante la ecuación (1) <strong>de</strong>scrita en [2], don<strong>de</strong> ρs es la resistividad superficial <strong>de</strong>l<br />
suelo:<br />
E = 5 + 0.<br />
03⋅<br />
ρ<br />
max permitido<br />
s<br />
(1)<br />
La <strong>de</strong>nsidad <strong>de</strong> corriente (J) <strong>de</strong>be estar limitada <strong>de</strong>bido a la corrosión <strong>de</strong>l material <strong>de</strong>l electrodo y los efectos<br />
<strong>de</strong> la electroósmosis. El valor típico es <strong>de</strong> 1 A/m 2 [1] para la corriente nominal <strong>de</strong>l sistema HVDC. No es<br />
necesario consi<strong>de</strong>rar la corriente máxima <strong>de</strong>l sistema si es que operará con esta por un tiempo corto (<strong>de</strong>l<br />
or<strong>de</strong>n <strong>de</strong> las horas).<br />
Finalmente, la temperatura <strong>de</strong>l electrodo (T°) se limita a un valor menor o igual a 100 °C, la temperatura en<br />
que el agua hierve [1]. Un valor superior implica un aumento rápido <strong>de</strong> la resistencia <strong>de</strong>l electrodo. Esta<br />
temperatura se <strong>de</strong>be alcanzar <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> un periodo <strong>de</strong>terminado que el diseñador consi<strong>de</strong>re apropiado para<br />
su sistema.<br />
2
Si alguno <strong>de</strong> estos cuatro resultados no cumplen con las restricciones, entonces se <strong>de</strong>be modificar la variable<br />
<strong>de</strong> diseño pertinente en el or<strong>de</strong>n <strong>de</strong> preferencia que se indica en la Figura 1. Este or<strong>de</strong>n <strong>de</strong> preferencia se<br />
propone según el grado <strong>de</strong> influencia que cada una <strong>de</strong> estas variables produce en el resultado. Después <strong>de</strong><br />
analizar la sensibilidad <strong>de</strong> los resultados con las variables <strong>de</strong> diseño, quedó en evi<strong>de</strong>ncia que el radio es la<br />
que más influye, sin embargo, esto pue<strong>de</strong> producir que el electrodo resulte <strong>de</strong> un tamaño excesivo, siendo<br />
más económico, por ejemplo, aumentar la profundidad <strong>de</strong> enterramiento.<br />
DATOS<br />
ENTRADA<br />
DATOS FIJOS<br />
Parámetros<br />
<strong>de</strong>l suelo<br />
Corriente <strong>de</strong>l<br />
sistema<br />
VARIABLES<br />
DISEÑO<br />
Radio<br />
Electrodo<br />
Profundidad<br />
<strong>de</strong>l Electrodo<br />
Sección <strong>de</strong><br />
Coke<br />
2.2 Información necesaria para el <strong>dimensionamiento</strong><br />
RESULTADOS<br />
Resistencia<br />
Electrodo<br />
Tensión <strong>de</strong><br />
paso máxima<br />
Densidad <strong>de</strong><br />
corriente<br />
Temperatura<br />
electrodo<br />
Cumple<br />
límite<br />
Sobre límite<br />
Recalcular<br />
Cumple<br />
límite<br />
Sobre límite<br />
Recalcular<br />
Cumple<br />
límite<br />
Sobre límite<br />
Recalcular<br />
Cumple<br />
límite<br />
Sobre límite<br />
Recalcular<br />
Re Final<br />
Aumentar<br />
Radio<br />
Aumentar<br />
profundidad<br />
Aumentar<br />
sección coke<br />
E max Final<br />
Aumentar<br />
Radio<br />
Aumentar<br />
profundidad<br />
Aumentar<br />
sección coke<br />
J Final<br />
Aumentar<br />
Radio<br />
Aumentar<br />
sección coke<br />
T°Final<br />
Aumentar<br />
Radio<br />
Aumentar<br />
sección coke<br />
Fig. 1. Criterio <strong>de</strong> <strong>dimensionamiento</strong> <strong>de</strong>l electrodo<br />
Antes <strong>de</strong> proce<strong>de</strong>r con el <strong>dimensionamiento</strong>, el diseñador <strong>de</strong>be disponer <strong>de</strong> información necesaria tanto <strong>de</strong>l<br />
sitio a instalar el electrodo como <strong>de</strong> las condiciones <strong>de</strong> operación <strong>de</strong>l sistema HVDC. Los parámetros que se<br />
<strong>de</strong>ben <strong>de</strong>finir, medir y/o estimar son los siguientes:<br />
1. Corriente máxima <strong>de</strong> operación monopolar<br />
2. Corriente nominal <strong>de</strong> operación monopolar<br />
3. Tiempo máximo <strong>de</strong> operación monopolar con electrodo<br />
4. Resistividad superficial <strong>de</strong>l sitio <strong>de</strong> instalación<br />
5. Conductividad y capacidad térmica <strong>de</strong>l sitio <strong>de</strong> instalación<br />
6. Temperatura ambiente <strong>de</strong>l suelo en el sitio <strong>de</strong> instalación<br />
7. Resistencia máxima <strong>de</strong> <strong>puesta</strong> a <strong>tierra</strong> permitida por el sistema <strong>de</strong> transmisión.<br />
3
2.3 Herramienta <strong>de</strong> cálculo<br />
La herramienta principal que se utiliza para calcular los parámetros <strong>de</strong> interés <strong>de</strong>l electrodo es el Método <strong>de</strong><br />
las Imágenes [3]. Este método ha sido ampliamente utilizado para calcular mallas <strong>de</strong> <strong>tierra</strong> AC, y se basa en<br />
corrientes ficticias puntuales en un punto fuera <strong>de</strong>l medio don<strong>de</strong> se encuentra el punto <strong>de</strong> inyección real <strong>de</strong><br />
corriente en el suelo. Con este método es posible mo<strong>de</strong>lar un terreno <strong>de</strong> dos capas paralelas <strong>de</strong> distinta<br />
resistividad (ρ1 y ρ2).<br />
Con éste método es posible calcular los potenciales en la superficie, el potencial <strong>de</strong> paso, la resistencia <strong>de</strong><br />
<strong>puesta</strong> a <strong>tierra</strong>, la <strong>de</strong>nsidad <strong>de</strong> corriente. La temperatura se calcula mediante el método <strong>de</strong>scrito en [2], el cual<br />
se resume más a<strong>de</strong>lante en la presente publicación.<br />
El electrodo pue<strong>de</strong> estar ubicado en cualquiera <strong>de</strong> las dos capas <strong>de</strong> suelo mo<strong>de</strong>ladas (Figuras 2-(a) y 2-(b)),<br />
sin embargo, se <strong>de</strong>be tener en cuenta que en caso que el electrodo se disponga en la segunda capa <strong>de</strong> suelo,<br />
para que la capa 1 no sea obviada por las imágenes, y por en<strong>de</strong> el método funcione <strong>de</strong> manera correcta, la<br />
profundidad <strong>de</strong>l electrodo con respecto a la capa 2 no <strong>de</strong>be ser mayor al espesor <strong>de</strong> la capa 1 (|h-H| ≤ H). En<br />
las Figuras 2-(a) y 2-(b), H es la profundidad <strong>de</strong> la capa 1 <strong>de</strong> suelo, h la profundidad <strong>de</strong> enterramiento <strong>de</strong>l<br />
electrodo y s la sección <strong>de</strong> coke <strong>de</strong>l electrodo.<br />
H<br />
h<br />
s<br />
ρ1<br />
ρ2<br />
Fig. 2-(a). Electrodo en primera capa <strong>de</strong> suelo Fig. 2-(b). Electrodo en segunda capa <strong>de</strong> suelo<br />
La aplicación <strong>de</strong> este método para el caso <strong>de</strong> los <strong>electrodos</strong> es la siguiente: se mo<strong>de</strong>la un anillo a partir <strong>de</strong><br />
líneas rectas en el cual se <strong>de</strong>finen los parámetros α, R, l y φ (ver figura 3-(a)) que orientan las barras para<br />
formar un círculo. En la Figura 3-(a): α es el ángulo <strong>de</strong> separación entre el inicio y término <strong>de</strong> la línea recta<br />
(o barra) tomando como vértice el centro <strong>de</strong>l anillo, R es el radio <strong>de</strong>l anillo, l es el largo <strong>de</strong> la barra y φ el<br />
ángulo <strong>de</strong> separación entre el eje x y la barra i. Una vez obtenidos estos parámetros, el método simula un<br />
electrodo como el <strong>de</strong> la figura 3-(b), en que se tienen los puntos <strong>de</strong> inicio <strong>de</strong> cada barra (puntos ver<strong>de</strong>s) y las<br />
barras <strong>de</strong> un <strong>de</strong>terminado largo (líneas rojas).<br />
Fig. 3-(a). Parámetros electrodo anillo Fig. 3-(b). Electrodo anillo en Matlab<br />
Y[m]<br />
H<br />
14.5<br />
14<br />
13.5<br />
13<br />
12.5<br />
12<br />
1200<br />
1000<br />
800<br />
Z[m]<br />
600<br />
h<br />
400<br />
200<br />
0<br />
-200<br />
-600<br />
s<br />
-400<br />
-200<br />
0<br />
X[m]<br />
200<br />
ρ1<br />
ρ2<br />
400<br />
600<br />
4
Cabe señalar, que la cantidad <strong>de</strong> barras suficiente para configurar el electrodo con el método <strong>de</strong> las imágenes<br />
es <strong>de</strong> ocho y la separación entre puntos <strong>de</strong> cálculo <strong>de</strong> 1 m. Sobre la separación entre puntos se hablará más<br />
a<strong>de</strong>lante.<br />
Potencial eléctrico en la superficie<br />
El potencial <strong>de</strong> la superficie <strong>de</strong>l suelo se calcula sumando el potencial que produce cada barra mediante<br />
superposición. Las ecuaciones que calculan el potencial en la superficie <strong>de</strong>l suelo para un electrodo situado<br />
en la segunda capa y en la primera capa respectivamente son:<br />
V<br />
pj<br />
V<br />
pj<br />
=<br />
K<br />
''<br />
∞<br />
∞<br />
⎡ ρ2<br />
⋅ K 21 ⋅ Ii<br />
⎧ ' n ' n<br />
' n−1<br />
' n<br />
∑ ⎢ ⋅ ⎨∑<br />
[ ( K12<br />
) ( K13<br />
) D ji ( Ysi<br />
− 2nH<br />
) ] + ∑ ( K12<br />
) ( K13<br />
) D ji ( 2nH<br />
− Ysi<br />
)<br />
⎣<br />
4π ⋅ l<br />
⎩<br />
i= 1 n=<br />
0<br />
n=<br />
1<br />
=<br />
K<br />
∑<br />
i=<br />
1<br />
⎡ ⎧<br />
⎢ ⎪D<br />
⎢ ρ1<br />
⋅ Ii<br />
⎪<br />
⋅ ⎨<br />
⎢<br />
∞ 4π ⋅ l ⎪<br />
⎢<br />
⎣<br />
⎪⎩<br />
∑<br />
n=<br />
1<br />
[ ]<br />
∞<br />
' n−1<br />
' n '<br />
( Ysi<br />
) + ∑ [ ( K12<br />
) ( K13<br />
) ( K12<br />
⋅ D ji ( Ysi<br />
+ 2nH<br />
) + D ji ( 2nH<br />
− Ysi<br />
) ) ]<br />
n=<br />
1<br />
' n ' n−1<br />
'<br />
[ ( K12<br />
) ( K13<br />
) ( K13<br />
⋅ D ji ( Ysi<br />
− 2nH<br />
) + D ji ( − 2(<br />
n −1)<br />
H − Ysi<br />
) ) ]<br />
ji<br />
El <strong>de</strong>talle <strong>de</strong>l mo<strong>de</strong>lo <strong>de</strong> cálculo se pue<strong>de</strong> encontrar en [4]<br />
Este método <strong>de</strong> cálculo necesita especificar una distancia <strong>de</strong> separación entre los puntos que <strong>de</strong>finen el<br />
espacio en la superficie <strong>de</strong>l terreno a simular. La elección <strong>de</strong> la separación entre puntos <strong>de</strong>termina la<br />
precisión <strong>de</strong>l cálculo. Una menor separación significa una mayor cantidad <strong>de</strong> puntos que calcular, y por lo<br />
tanto, un mayor tiempo <strong>de</strong> cálculo. Entonces, para el cálculo <strong>de</strong> los parámetros <strong>de</strong>l electrodo se adopta una<br />
separación entre puntos menor o igual a 1 m, mientras que para el cálculo <strong>de</strong>l área <strong>de</strong> influencia se<br />
recomienda tomar una separación <strong>de</strong> 100 m entre puntos.<br />
Gradiente <strong>de</strong> potencial<br />
Dada la simetría <strong>de</strong> un electrodo <strong>tipo</strong> anillo, para calcular la tensión <strong>de</strong> paso sólo basta tomar los potenciales<br />
obtenidos en una “recta” que corte el anillo en el centro, y no en toda la superficie. Esto da origen a la<br />
siguiente ecuación para un corte en el eje z:<br />
( 1,<br />
i)<br />
−V<br />
( 1,<br />
i −1)<br />
Z(<br />
i)<br />
− Z(<br />
i −1)<br />
⎫⎤<br />
+ ⎪⎥<br />
⎪<br />
⎬<br />
⎥<br />
⎪<br />
⎥<br />
⎪<br />
⎥<br />
⎭⎦<br />
V<br />
V paso =<br />
(4)<br />
En esta ecuación, se resta la tensión entre el punto (x,z)=(1,i) y el punto (x,z)=(1,i-1), don<strong>de</strong> i representa a los<br />
puntos don<strong>de</strong> se calcula el potencial en el eje z y se divi<strong>de</strong> por la distancia que existe entre los puntos <strong>de</strong>l<br />
mismo. Si el electrodo no fuese simétrico, sería necesario calcular la tensión <strong>de</strong> paso en toda la superficie<br />
próxima para distintas direcciones y luego <strong>de</strong>terminar el valor máximo.<br />
Resistencia <strong>de</strong> <strong>puesta</strong> a <strong>tierra</strong> y <strong>de</strong>nsidad <strong>de</strong> corriente<br />
La resistencia eléctrica <strong>de</strong>l electrodo se calcula simplemente por la ley <strong>de</strong> Ohm, es <strong>de</strong>cir, la tensión en el<br />
electrodo mismo dividido por la corriente total que circula por él, tal como se muestra en la ecuación (5).<br />
La <strong>de</strong>nsidad <strong>de</strong> corriente se calcula como la corriente <strong>de</strong>l electrodo dividido por la superficie total <strong>de</strong>l<br />
electrodo, tal como se muestra en la ecuación (6).<br />
⎫⎤<br />
⎬⎥<br />
⎭⎦<br />
(2)<br />
(3)<br />
5
R<br />
Temperatura <strong>de</strong>l electrodo<br />
e<br />
Ve<br />
= (5)<br />
I<br />
I<br />
J = (6)<br />
4s ⋅ 2πR<br />
En el método <strong>de</strong> cálculo <strong>de</strong> la temperatura <strong>de</strong>scrito en [4] se utiliza la función <strong>de</strong> temperatura <strong>de</strong> la ecuación<br />
(7), pro<strong>puesta</strong> en [2], don<strong>de</strong> θmax es la temperatura máxima <strong>de</strong>l electrodo, k es una constante con valor<br />
1,03082, T la constante <strong>de</strong> tiempo <strong>de</strong> la ecuación (8), θamb la temperatura natural <strong>de</strong>l suelo y t el tiempo <strong>de</strong><br />
funcionamiento <strong>de</strong>l electrodo en segundos. Si bien este no es un método preciso <strong>de</strong>l cálculo <strong>de</strong> temperatura,<br />
permite estimar <strong>de</strong> manera conservadora el or<strong>de</strong>n <strong>de</strong> magnitud <strong>de</strong>l tiempo en que el electrodo pue<strong>de</strong> operar<br />
sin problemas, para un límite <strong>de</strong> temperatura dado.<br />
kt<br />
⎛ ⎞<br />
θ<br />
⎜<br />
−<br />
⎟<br />
+<br />
⎝ ⎠<br />
−<br />
T<br />
( t) = θ ⋅ ⎜1<br />
e ⎟ θamb<br />
3 VALIDACIÓN<br />
max (7)<br />
γ ⋅θ<br />
T =<br />
ρ ⋅ J<br />
Para validar el método se realizaron dos comparaciones: la primera compara los resultados <strong>de</strong>l programa con<br />
los <strong>de</strong> la publicación Performance of HVDC Ground Electro<strong>de</strong> in Various Soil Structures [5], usando para<br />
ello los mismos datos <strong>de</strong> entrada que se <strong>de</strong>tallan en ésta y el método analítico <strong>de</strong>scrito en EPRI [2]. El<br />
segundo método compara los resultados <strong>de</strong>l programa con el método analítico <strong>de</strong>scrito por EPRI en [2] para<br />
corroborar que las curvas equipotenciales obtenidas con el método <strong>de</strong> las imágenes tienen valores similares.<br />
El método <strong>de</strong> cálculo <strong>de</strong> la temperatura se asume validado ya que es un procedimiento usado anteriormente<br />
[2].<br />
3.1 Validación <strong>de</strong> parámetros <strong>de</strong>l electrodo<br />
En [5], se utiliza para el cálculo <strong>de</strong> los parámetros <strong>de</strong>l electrodo y <strong>de</strong>l potencial el módulo MALZ <strong>de</strong>l<br />
software <strong>de</strong> elementos finitos CDEGS.<br />
Los parámetros <strong>de</strong>l electrodo que esta publicación muestra como datos <strong>de</strong> entrada a su programa son los<br />
siguientes: R=517,6 m; s=0,6 m; h=1,524 m; I=1800 A. Utilizando estos datos, se obtienen los resultados <strong>de</strong><br />
la Tabla I, en la que se muestran los resultados y mo<strong>de</strong>los <strong>de</strong> suelo utilizados por el software comercial<br />
propuesto por dicha publicación, el método analítico que se muestra en [2] que utiliza la ecuación (9), y el<br />
método <strong>de</strong> las imágenes propuesto en este artículo.<br />
e<br />
2<br />
(8)<br />
6
TABLA I. COMPARACIÓN DE RESULTADOS ENTRE DISTINTOS MÉTODOS DE CÁLCULO<br />
Tipo <strong>de</strong> valor Ítem<br />
Datos<br />
Resultados<br />
Método con<br />
Elementos<br />
Finitos (CDEGS)<br />
Resistividad <strong>de</strong> Capas [Ωm]<br />
Método<br />
Analítico<br />
Método <strong>de</strong> las<br />
Imágenes<br />
Capa 1 70 70 70<br />
Capa 2 36 - 100<br />
Capa 3 100 - -<br />
Profundidad [h]<br />
Capa 1 12 infinita 15<br />
Capa 2<br />
15<br />
(3 metros <strong>de</strong> espesor)<br />
- infinita<br />
Capa 3 infinita - -<br />
Potencial electrodo [V] 116 102 128,91<br />
Resistencia electrodo [Ω] 0,064 0,057 0,072<br />
Densidad <strong>de</strong> corriente [A/m2] 0,233 0,228 0,231<br />
Tensión <strong>de</strong> paso [V/m] 4,4 (Emax = 7,1) 4 (Emax = 7,1) 3,27 (Emax = 7,1)<br />
El mo<strong>de</strong>lo <strong>de</strong> suelo que se usó para ingresar los datos al programa correspon<strong>de</strong> a la columna <strong>de</strong> método <strong>de</strong><br />
las imágenes <strong>de</strong> la tabla anterior. Dado que el método permite solo dos capas <strong>de</strong> distinta resistividad, fue<br />
necesario suprimir una <strong>de</strong> las capas que utiliza el método CDEGS. Debido al poco grosor <strong>de</strong> la capa <strong>de</strong> 36<br />
Ωm (las profundida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> las capas <strong>de</strong> la Tabla I se toman siempre <strong>de</strong>s<strong>de</strong> la superficie) no se consi<strong>de</strong>ra<br />
<strong>de</strong>masiado influyente en los resultados, por lo que sólo se utilizan las capas <strong>de</strong> 70 Ωm y <strong>de</strong> 100 Ωm para las<br />
capas uno y dos respectivamente. Otra forma <strong>de</strong> realizar una simplificación, es mo<strong>de</strong>lar una capa equivalente<br />
mediante el método <strong>de</strong> Burgsdorf y Yakobs <strong>de</strong>scrito en [6].<br />
El potencial <strong>de</strong>l electrodo y la resistencia calculadas con el método <strong>de</strong> las imágenes son un 11,13% y 11,9%<br />
mayores respectivamente a los resultados obtenidos con el método CDEGS, lo cual se consi<strong>de</strong>ra un error<br />
aceptable (se asume que el método CDEGS es más preciso en sus resultados al usar métodos numéricos para<br />
sus cálculos). Por otra parte, la <strong>de</strong>nsidad <strong>de</strong> corriente tiene un valor <strong>de</strong> 1,03% menor con respecto al<br />
calculado con el método CDEGS. Finalmente la tensión <strong>de</strong> paso fue un 25,68% menor con respecto al valor<br />
<strong>de</strong>l método CDEGS, siendo el valor que más diferencia posee.<br />
Las diferencias <strong>de</strong> los resultados se <strong>de</strong>ben principalmente a tres razones: omitir una capa <strong>de</strong> menor<br />
resistividad que influye en disminuir la resistencia <strong>de</strong>l electrodo y su potencial, la cantidad <strong>de</strong> barras con que<br />
se simula el electrodo y la separación entre puntos que se utiliza para el cálculo. Para corroborar lo anterior,<br />
se realizó el mismo cálculo pero con 12 barras y una separación entre puntos <strong>de</strong> 0,5 m, obteniendo esta vez<br />
un potencial 9,87% mayor, una resistencia 10,63% menor, una <strong>de</strong>nsidad <strong>de</strong> corriente igual a 0,231 y una<br />
tensión <strong>de</strong> paso 22,06% menor (todos los valores comparados con el método CDEGS).<br />
3.2 Curvas equipotenciales - Área <strong>de</strong> Influencia<br />
Para validar el cálculo <strong>de</strong>l potencial en la superficie lejana <strong>de</strong>l electrodo, el método <strong>de</strong> las imágenes se<br />
compara con los resultados <strong>de</strong>l método analítico [2] que utiliza la ecuación (9) y que correspon<strong>de</strong> a un<br />
terreno homogéneo (con una única capa <strong>de</strong> resistividad).<br />
7
V<br />
( x)<br />
ρ ⋅ I<br />
=<br />
2π<br />
⋅ x<br />
Implementando un electrodo <strong>de</strong> 380 m <strong>de</strong> radio y enterrado en 3 m <strong>de</strong> profundidad, con una corriente <strong>de</strong><br />
3.000 A y una resistividad homogénea <strong>de</strong>l terreno <strong>de</strong> 350 Ωm, se obtienen las curvas <strong>de</strong> la figura 4.<br />
Tensión [V]<br />
10000,00<br />
1000,00<br />
100,00<br />
10,00<br />
1,00<br />
1 10 100 1000 10000 100000<br />
Distancia [m]<br />
Fig. 4. Comparación <strong>de</strong> curvas homogéneas<br />
Homogéneo<br />
El error entre las curvas <strong>de</strong> la figura anterior es <strong>de</strong> 10,79% a los 4 km, y luego disminuye hasta llegar a un<br />
error <strong>de</strong> 0,38% a los 100 km, por lo que a partir <strong>de</strong> los 4 km se consi<strong>de</strong>ra que el error no es significativo.<br />
La diferencia que se obtiene antes <strong>de</strong> los 4 km es producto <strong>de</strong> que la fórmula usada para el terreno<br />
homogéneo no asimila don<strong>de</strong> se encuentra el electrodo, sin embargo, el método <strong>de</strong> las imágenes muestra que<br />
a los 760 m se encuentra el electrodo y por en<strong>de</strong> existe un aumento <strong>de</strong> potencial que disminuye<br />
paulatinamente y no sigue por lo tanto la curva homogénea.<br />
4 APLICACIÓN<br />
A modo <strong>de</strong> ejemplificar la utilidad <strong>de</strong>l método, se presenta en este capítulo un ejemplo <strong>de</strong> <strong>dimensionamiento</strong><br />
<strong>de</strong>l electrodo con el método explicado en este artículo. Para este cálculo se utilizaron valores típicos <strong>de</strong><br />
conductividad y capacidad térmica (1,3 W/m°C y 1300000 J/m 3 °C respectivamente), una temperatura natural<br />
<strong>de</strong>l suelo <strong>de</strong> 30°C y una resistividad <strong>de</strong> 100 Ωm en la primera capa y 500 Ωm en la segunda bajo los 5 m <strong>de</strong><br />
profundidad. La corriente <strong>de</strong>l supuesto sistema es <strong>de</strong> 2750 A y no presenta un máximo transitorio.<br />
Utilizando el mo<strong>de</strong>lo <strong>de</strong> suelo indicado en la Figura 5-(a) y un electrodo con las especificaciones que ahí se<br />
presentan, se obtienen los resultados <strong>de</strong> la Tabla II, <strong>dimensionamiento</strong> 1.<br />
Se pue<strong>de</strong> observar que para el primer caso no se cumple la restricción <strong>de</strong> tensión <strong>de</strong> paso y que la <strong>de</strong>nsidad<br />
<strong>de</strong> corriente es levemente superior a 1 A/m 2 . Estos resultados indican que es necesario cambiar a las<br />
especificaciones <strong>de</strong>l <strong>dimensionamiento</strong> 2 <strong>de</strong> la Tabla II, logrando en este caso cumplir con las restricciones.<br />
Aumentando drásticamente el diámetro <strong>de</strong>l electrodo se cumplen todas las restricciones. Sin embargo, un<br />
gran tamaño pue<strong>de</strong> ser perjudicial al proyecto en términos <strong>de</strong> costos y espacio a ocupar. Una alternativa <strong>de</strong><br />
solución es aumentar la profundidad <strong>de</strong>l electrodo y así disminuir el diámetro (Figura 5-(b)), cumpliéndose<br />
aún todas las restricciones (ver <strong>dimensionamiento</strong> 3 <strong>de</strong> la Tabla II). La temperatura <strong>de</strong>l electrodo 1 presenta<br />
un límite <strong>de</strong> operación menor a los 10 días, mientras que el electrodo 3 pue<strong>de</strong> operar poco menos <strong>de</strong> 35 días<br />
sin sobrepasar los 100°C (Fig 6-(a) y 6-(b)).<br />
Matlab<br />
(9)<br />
8
H=5m<br />
s=0,5m D=400m<br />
h=2m<br />
ρ 1 =100 Ωm<br />
ρ 2 =500 Ωm<br />
H=5m<br />
s=0,5m D=780m<br />
h=4m<br />
ρ 1 =100 Ωm<br />
ρ 2 =500 Ωm<br />
Fig. 5-(a). Dimensionamiento <strong>de</strong> electrodo 1 Fig. 5-(b). Dimensionamiento <strong>de</strong> electrodo 3<br />
Dimensionamiento<br />
Temperatura [°C]<br />
120,00<br />
100,00<br />
Diámetro<br />
[m]<br />
TABLA II. RESULTADOS PROGRAMA MATLAB<br />
Profundidad<br />
[m]<br />
Resistencia<br />
electrodo [Ω]<br />
Tensión<br />
electrodo<br />
[V]<br />
Tensión <strong>de</strong><br />
paso<br />
máxima<br />
[V/m]<br />
Tensión <strong>de</strong><br />
paso límite<br />
[V/m]<br />
Densidad <strong>de</strong><br />
corriente<br />
[A/m 2 ]<br />
1 400 2 0,619 1701,07 20,63 8 1,094<br />
2 940 2 0,310 852,13 7,98 8 0,466<br />
3 780 4 0,361 991,99 7,81 8 0,561<br />
80,00<br />
60,00<br />
40,00<br />
20,00<br />
0,00<br />
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45<br />
Días<br />
120,00<br />
100,00<br />
80,00<br />
60,00<br />
40,00<br />
20,00<br />
0,00<br />
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45<br />
Fig. 6-(a). Temperatura electrodo 1 Fig. 6-(b). Temperatura electrodo 3<br />
5 CONCLUSIONES<br />
El presente documento presenta los criterios básicos para estimar las dimensiones <strong>de</strong> un electrodo <strong>de</strong> <strong>puesta</strong> a<br />
<strong>tierra</strong> para un sistema <strong>de</strong> transmisión HVDC. Queda en evi<strong>de</strong>ncia que los criterios <strong>de</strong> diseño son distintos a<br />
los <strong>de</strong> una <strong>puesta</strong> a <strong>tierra</strong> AC convencional, dado que los parámetros y restricciones que se <strong>de</strong>ben tomar en<br />
consi<strong>de</strong>ración también son distintos.<br />
El método <strong>de</strong> las imágenes es <strong>de</strong> utilidad para estimar los parámetros y aproximar la dimensión <strong>de</strong> un<br />
electrodo terrestre en forma <strong>de</strong> anillo en un terreno <strong>de</strong> dos capas paralelas <strong>de</strong> distinta resistividad. Es un<br />
método sencillo <strong>de</strong> programar y permite hacer cálculos, modificaciones y sensibilida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> manera rápida.<br />
Cabe mencionar que el método <strong>de</strong> las imágenes es posible <strong>de</strong> adaptar para diseñar <strong>electrodos</strong> asimétricos,<br />
como son los <strong>de</strong> forma <strong>de</strong> estrella, lineales, circulares discontinuos, etc. Junto con esto, se pue<strong>de</strong> conocer el<br />
área <strong>de</strong> influencia que la inyección <strong>de</strong> corriente a la <strong>tierra</strong> producirá alre<strong>de</strong>dor <strong>de</strong>l electrodo en forma<br />
aproximada.<br />
Lo anterior es válido sólo si las características <strong>de</strong>l terreno son homologables a un terreno <strong>de</strong> dos capas<br />
paralelas. Para saber esto, es necesario realizar previamente estudios <strong>de</strong> resistividad en la zona <strong>de</strong> instalación<br />
<strong>de</strong>l electrodo, en una superficie tal que haya certeza que éste pudiera caber <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> ella.<br />
Temperatura [°C]<br />
Días<br />
9
6 REFERENCIAS<br />
[1] CIGRE Working Group, General Gui<strong>de</strong>lines for the Desing of Ground Electro<strong>de</strong>s for HVDC Links,<br />
1998.<br />
[2] EPRI EL-2020, HVDC Ground Electro<strong>de</strong> Design. Research Project 1467-1 Final Report, 1981.<br />
[3] J. Yañez, Mallas <strong>de</strong> <strong>tierra</strong> en terreno estratificado. Memoria Universidad <strong>de</strong> Chile, 1981.<br />
[4] L. Vallejos, Proyecto <strong>de</strong> electrodo <strong>de</strong> <strong>puesta</strong> a <strong>tierra</strong> terrestre para sistema HVDC. Trabajo <strong>de</strong> título<br />
ingeniero civil electricista. Universidad <strong>de</strong> Chile, 2008.<br />
[5] W. Ruan, J. Ma, J. Liu, F.P. Dawalibi, R.D. Southney, “Performance of HVDC Ground Electro<strong>de</strong> in<br />
Various Soil Structures”, Power System Technology, 2002, pp. 962-968, Vol. 2.<br />
[6] A.I. Yakobs, “Reduction of multi-layer electric structures of earth to two-layer structure equivalent in<br />
<strong>de</strong>signing complex earthing systems”, Electric Technology in USSR, No. 8, 1970, pp. 29-23.<br />
10