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dimensionamiento de electrodos de puesta a tierra tipo - Cigré

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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 />

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