Puestas a tierra de líneas de transmisión
Por: Ingeniero Jaime León Ortiz
Introducción
Los elementos a tener en cuenta para el diseño de una línea de transmisión desde el punto de vista de descargas atmosféricas son:
- Ángulo de apantallamiento
- Sistema de puesta a tierra de las estructuras
Los cuales son ajustados de modo que ofrezcan una tasa de salidas preestablecida según los criterios básicos del proyecto.
Con respecto a los espaciamientos eléctricos de las líneas de transmisión, las exigencias atmosféricas tienen menor importancia a medida que el nivel de tensión se eleva, debido al aumento del nivel de aislamiento de las líneas de transmisión.
La cantidad de aisladores de una línea de transmisión se diseña de tal forma que soporte todo “sobrevoltaje interno” (sobrevoltajes por maniobra y sobrevoltajes de baja frecuencia), pero no todo “sobrevoltaje extremo” (impulso de voltaje ocasionado por descargas atmosféricas). Lo anterior porque la longitud de la cadena de aisladores sería tan grande que el costo del aislamiento resultaría exageradamente alto.
Con respecto a los sobrevoltajes de baja frecuencia se deben hacer correcciones por variables ambientales tales como: densidad relativa del aire, humedad absoluta y relativa, precipitación (lluvia), contaminación y viento (factor determinante del ángulo de balanceo). Pero cuando el aislamiento está sometido a impulsos de origen atmosférico no se hacen correcciones por variables ambientales porque no alteran el comportamiento del aislamiento (lluvia, humedad, etc.).
Con respecto al ángulo de apantallamiento, se dice que el blindaje efectivo de los cuadros conductores se logra cuando la posición de los cables de guarda es tal, que el número de salidas debido a la incidencia de los rayos en los conductores de fase (descargas directas) sea igual a cero. Cuando lo anterior no puede ser logrado se diseña con una metodología de cálculo para la determinación del índice de salidas por descargas directas (en los conductores de fase).
De acuerdo con las mediciones efectuadas en las líneas de transmisión se establece que la falla del blindaje está asociada con rayos de baja intensidad de corriente y las salidas por descargas en los cables de guarda o en las torres son debidas a rayos con corrientes de alta intensidad.
La principal inquietud del presente artículo es analizar las salidas por flameos inversos que se ocasionan por tener altas resistencias de puesta a tierra en las torres.
1. Descripción del fenómeno
Cuando una descarga atmosférica cae en un cable de guarda, la corriente debida a la descarga fluye en ambos sentidos a través de la impedancia impulso del cable de guarda. (La corriente y la tensión) se propagan hasta llegar a la torre, bajan por esta y se encuentran con una resistencia de puesta a tierra que disipa la energía asociada con la descarga atmosférica. (Figura 1 (a)).
Lo mismo podemos decir cuando la descarga atmosférica cae directamente en la torre. (Figura 1 (b)).
Según la descripción anterior, una descarga atmosférica, puede considerarse como una fuente de corriente capaz de hacer fluir una corriente permanente (la asociada con el rayo) a través de una impedancia. La tensión producida por la descarga es producto de la corriente y de la impedancia a través de la cual fluye.
Las descargas atmosféricas que inciden en los vanos de los cables de guarda y en las torres, tienen la tendencia de caer en las proximidades de éstas, porque se constituyen en los puntos más elevados de las líneas de transmisión. Dependiendo del tipo de torre y de su masa metálica pueden llegar a caer hasta el 60% de los rayos en las proximidades de la torre.
Cuando la descarga atmosférica cae en el cable de guarda, induce una fracción de su potencial en los conductores de fase (factor de acople capacitivo entre conductores y cable de guarda).
El problema se presenta cuando la resistencia de puesta a tierra de la torre es alta y la corriente del rayo “rebota” o sea que desarrolla una alta tensión que eleva el potencial de la torre de transmisión con relación a la resistencia de puesta a tierra.
La descarga atmosférica que cae en el cable de guarda o directamente en la torre, al llegar a la base de la torre (suelo) y encontrar una alta resistencia (resistencia de puesta a tierra de la estructura) no encuentra un medio propicio para el esparcimiento de la corriente del rayo de manera eficiente, y hace que la torre alcance un alto potencial eléctrico, que aumenta súbitamente la tensión entre el brazo de la torre y el conductor de fase, hasta el punto que se supera el aislamiento proporcionado por el aire exterior a la cadena de aisladores y se presenta un flameo desde el brazo de la torre (que se encuentra a un alto potencial) y el conductor de base.
Lo anterior es lo que se conoce como flameo inverso y se llama así porque se genera desde el brazo de la torre hacia el conductor de fase, como puede apreciarse en la figura 2.
Además la corriente a través de la torre también produce un campo magnético variable entre el conductor de fase y la torre, que contribuye al flameo inverso.
Según todo lo anterior para obtener un número de salidas de la línea aceptable, la resistencia de puesta a tierra debe ser muy baja y más aún cuando el nivel ceráunico es alto.
2. Resistencia de puesta a tierra
La resistencia de puesta a tierra está directamente relacionada con la composición natural del suelo, (características físicas y químicas), es decir, que el suelo será de resistencia baja cuando sea altamente húmedo, con composición arcillosa y con un alto contenido de minerales conductores. Al contrario se presentará una alta resistencia de puesta a tierra cuando el suelo sea de composición seca y altamente rocosa, lo que implica que la resistencia de puesta a tierra puede variar con la época del año.
Lo anterior tiene lógica, pues la corriente asociada con la descarga atmosférica al llegar a la base de la estructura encuentra o no, según la composición del suelo un medio propicio para disipar la energía del rayo.
Cuando una línea de transmisión tiene continuas salidas debido a flameos inversos por altas resistencias de puesta a tierra en las estructuras, se debe buscar mejorar (bajar) la resistencia que la corriente asociada al rayo encuentra al llegar al suelo.
Sabiendo el nivel ceráunico de la zona por donde cruza la línea de transmisión, podemos por medio de una gráfica probabilística de distribución de rayos, calcular el valor de la corriente de rayo que aceptaremos nos produzca flameo inverso (la anterior decisión, se toma dependiendo del grado de confiabilidad que pretendemos dar a la línea de transmisión); con dicha corriente y con el voltaje de flameo de la cadena de aisladores podemos buscar el valor necesario de resistencia de puesta a tierra.
En la práctica una línea de transmisión no tiene un valor constante de resistencia de puesta a tierra, sino que presenta una gama de valores según la localización de las distintas torres, por lo que, lo primero al querer mejorar las puestas a tierra de una línea de transmisión es medir que valores de resistencia tiene cada torre.
Ante el anterior problema, la respuesta más lógica técnicamente que podría ocurrírsenos, sería colocar una malla de tierra en la base de cada estructura, pues dicha malla de tierra disiparía las corrientes asociadas con los rayos. Solución que tiene limitante desde el punto de vista económico.
En vista de lo anterior, los procedimientos seguidos en la práctica son:
a) Cables de contrapeso
La utilización de cables de contrapeso es de práctica común y consiste en enterrar horizontalmente cables conductores pegados a las estructuras de las torres, la resistencia disminuirá con el aumento de la longitud y con aumento del diámetro del contrapeso enterrado (hasta cierto punto).
El sistema de puesta a tierra se comporta como una impedancia transitoria, variando desde su valor inicial hasta el valor de resistencia de dispersión.
En la figura 3 están indicadas las curvas que muestran esta variación para determinada configuración de contrapesos.
Un cable de contrapeso tiene una impedancia inicial de impulso, dependiendo de las condiciones del suelo, normalmente de 150 a 200 ohmios. Con la propagación de la onda de corriente a través del contrapeso, esta impedancia de impulso es reducida a su resistencia de dispersión en un período de tiempo dependiendo de la longitud del cable y de la velocidad de propagación de impulso.
FIGURA 3. VARIACIÓN DE LA IMPEDANCIA TRANSITORIA Y EFECTO DEL NÚMERO DE CONTRAPESOS.
Z 150Ω – Impedancia de impulso. (inicial)
R 10 Ω – Resistencia de dispersión
N Número de cables de contrapeso.
De la anterior figura podemos observar que al colocar más contrapesos bajamos el valor total de la impedancia transitoria inicial. (Es como colocar resistencias de aproximadamente 145 ohmios en paralelo).
Los impulsos atmosféricos se propagan en una estructura con una velocidad aproximada del 80% de la velocidad de la luz, o sea:
Además, los impulsos atmosféricos se propagan en un contrapeso con una velocidad del orden de un tercio de la velocidad de la luz, o sea:
Según lo anterior un contrapeso de 300m, con una impedancia de impulso de aproximadamente 150 ohms, tardaría 6 microsegundos para que su resistencia efectiva sea reducida a su resistencia de dispersión.
Del mismo modo, un cable de contrapeso de 75m, con una impedancia de impulso de aproximadamente 150 ohms, solo necesitará 1.5 microsegundos para reducir su resistencia efectiva a su resistencia de dispersión.
Lo anteriormente descrito, sirve para demostrar que desde el punto de vista de respuesta transitorio (fenómenos muy rápidos), es mejor la utilización de varios cables contrapesos con longitudes menores que un cable contrapeso con longitud muy grande.
La impedancia de impulso inicial de los contrapesos, depende de las condiciones del suelo (normalmente de 150 a 200 ohms) y no depende directamente de la longitud del cable. Por lo que la longitud del contrapeso debe ser tal que el tiempo que tarde el impulso en ir a la punta y volver, sea superior al tiempo de crecimiento del fenómeno. Como estamos hablando de una descarga atmosférica, la cual es normalizada por una onda de 1,2 x 50 μs o superior garantizándonos que cuando la onda vuelve, (el fenómeno) ya se encuentra decreciendo. (Figura 4).
Como conocemos las velocidades de propagación del impulso en la torre y en los contrapesos y el tiempo de crecimiento del fenómeno, podemos calcular la longitud del contrapeso.
Visualicemos la distancia que ha de recorrer el impulso según la figura 5.
Estableciendo que la transición es prácticamente completa en el tiempo necesario para la onda retornar del extremo remoto del cable contrapeso.
Supongamos una torre de 30m. de altura. El tiempo que transcurre mientras recorre la estructura será:
También sabemos que:
Como es el espacio de ida y vuelta, el contrapeso debe tener una longitud de aproximadamente 62 mts.
Obtendríamos un valor un poco más corto de la longitud de contrapesos, si asumimos un tiempo total más cercano al pico de la onda normalizada (1.2 µs), o si tenemos una estructura más alta.
Si el contrapeso es muy largo, la parte crítica de la descarga (el ascenso) ya pasó y el impulso no ha llegado a la punta del contrapeso, lo que podría verso como “enterrar la plata”.
Algunos tipos de arreglos de cables contrapesos, utilizados para el mejoramiento de las puestas a tierra de las estructuras de una línea de transmisión son mostrados en la figura 6.
Los arreglos (a) y (b) son muy costosos y solo traen ventaja para fenómenos de baja frecuencia (60Hz), pues es el caso de los contrapesos muy largos.
El arreglo más común es el (e).
Figura 6
Los contrapesos teóricamente no tienen que ser demasiado profundos, pero si están muy superficiales pueden ser saqueados fácilmente.
b) Varillas de contrapeso
La utilización de varillas de contrapeso en nuestro medio se hace principalmente para aterrizar pararrayos (copperweld) y consiste en enterar verticalmente varillas conductoras pegadas a las estructuras de las torres y al igual que con los cables de contrapeso la resistencia disminuirá con el aumento de la longitud y aumento del diámetro de la varilla enterrada (hasta cierto punto).
La utilización de varillas de contrapeso se basa en el principio de que la resistencia del suelo mejora con la profundidad (premisa que no es cierta en todos los casos).
Mientras más profundas queden las varillas, mejor será su comportamiento, pero más complicada y costosa su colocación. En países como Canadá, entierran varillas muy profundas (hasta 10m) que son enterradas por etapas y van siendo ensambladas cuando la anterior está enterrada, método que solo es posible en suelos blandos como los arcillosos.
En cuanto a los arreglos de varillas de contrapeso no hay algo muy establecido, pero lo que sí es cierto, es que mientras más separadas estén las varillas, más bajo será el valor de puesta a tierra obtenido, pues menos “copado” estará el medio alrededor de cada varilla.
c) Combinación de cables y varillas de contrapeso
Cuando el arreglo de cables de contrapeso llega a ser del tipo (g) (figura 6) y aún no se ha logrado un valor de resistencia de puesta a tierra aceptable, se procede a enterrar varillas de contrapeso, aunque también se encuentran los demás arreglos de la figura 6 combinados con varillas.
d) Aplicación de sal y carbón
La aplicación de sal común fue muy utilizada hasta hace muy poco tiempo, con la característica de que si rebaja la resistencia del terreno, pero es una solución temporal, porque al pasar el tiempo el agua va lavando la sal y por consiguiente va aumentando de nuevo la resistencia del terreno.
Por lo anterior, se complementa la adición de sal al terreno con la adición de carbón (de origen vegetal) pues este último absorbe el agua salada y la retiene. Después de una descarga, parte del agua salada absorbida por el carbón se “seca” y el carbón absorbe más agua, por lo que cada vez el carbón tendrá agua menos salada. Además con el pasar del tiempo y debida a la misma humedad, el carbón se desintegra y permite que se lave la sal.
Es una práctica equivocada utilizar carbón mineral porque este no absorbe (retiene) el agua salada, y sería como tratar de mejorar la resistividad del suelo agregando pequeños trozos de material conductor.
La adición de sal y carbón (vegetal) tienen además la desventaja de que cuando es una zona altamente rocosa es prácticamente imposible su aplicación.
Otra desventaja de la aplicación de sal como medio para rebajar la resistencia de puesta a tierra se presenta si hay electrodos de hierro, pues esta contribuye a su corrosión, especialmente en terrenos ácidos.
e) Adición de bentonita
La utilización de bentonita como un agregado al terreno en que se construye la puesta a tierra es un método que se utiliza solo en casos extremos cuando el tipo de suelo es altamente rocoso, arenisco o volcánico y no es posible utilizar métodos convencionales, o por medio de estos obtener valores satisfactorios de puesta a tierra.
La bentonita geológicamente es uno de los más puros minerales de arcilla. El componente principal de la bentonita es la montmorillonita (pudiendo llegar al 80%) por lo que determina las propiedades fundamentales de ésta. Lo más importante de la estructura de la montmorillonita es que está formada por tres planos de mallas. Estos planos elementales se superponen paralelamente y forman una especie de tejido de capas. Entre estos tejidos de capas hay espacios vacíos llamados huecos intercristalinos. Estos huecos tienen la propiedad de absorber diversas sustancias, en especial el agua. Por lo anterior se concluye que para nuestro caso, la propiedad más importante de la montmorillonita y por ende de la bentonita, es la facilidad intercristalina de dilatación.
Otra propiedad de la montmorillonita es la permeabilidad de los poros y espacios intercristalinos. Con la absorción de humedad cambia el volumen y la forma exterior de las partículas. Este aumento de volumen disminuye la permeabilidad de los poros de modo que se retiene la humedad por la estructura cristalina formada.
Básicamente el procedimiento de mejoramiento de puesta a tierra a base de bentonita, consiste en rellenar las grietas naturales, aberturas y huecos libres que existen en el terreno mediante una masa que envuelve las partículas de terreno y las une eléctricamente, formando una gran superficie buena conductora de electricidad.
Si el terreno no presenta grietas o huecos naturales, es necesario producirlos artificialmente en la proximidad de la puesta a tierra. Estas grietas pueden producirse mediante pequeñas explosiones que no afecten la resistencia mecánica del terreno. (la cantidad de explosivo dependerá de las propiedades de la roca).
Con esto se producen fisuras capilares extensas en la roca como consecuencia de la onda de choque producida y además por el sacudón que se produce simultáneamente.
La bentonita por ser una sustancia conductora de la electricidad, su utilización es muy apropiada como masa de relleno y unión, además protege a la puesta a tierra contra la corrosión. Por lo anterior también se utiliza bentonita en suelos de baja resistividad específica, de
acción corrosiva ácida en los que se pretende proteger el electrodo o conductor de tierra contra la corrosión (por ejemplo suelos con aguas subterráneas ácidas).
3. Comentarios Finales
Aunque los cables de guarda proporcionan total protección a los conductores de fase contra las descargas atmosféricas (descargas directas), ocurren salidas del servicio por flameos inversos que se deben a resistencias de puesta a tierra elevadas. Para vencer esta dificultad surgen dos posibilidades: aumentar el nivel del aislamiento de la línea o disminuir la resistencia de puesta a tierra. Sin embargo, una selección óptima del aislamiento debe ser hecha cotejando los dos factores: fallas del apantallamiento y descargas disruptivas inversas. Lo que conducirá a una correcta localización de los cables de guarda y una adecuada selección de la puesta a tierra de las estructuras.
Para dar una idea de valores de puesta a tierra, podemos decir que: son muy buenos valores de 20 ohms o menos y que valores por encima de 50 o 60 ohms ya son preocupantes; para suelos altamente rocosos se pueden encontrar valores superiores a los 350 ohms.
El método más común en nuestro medio para mejorar las puestas a tierra es la utilización de contrapesos.
Desde el punto de vista de respuesta transitoria, es mejor la utilización de varios cables contrapeso con longitudes menores, a una cantidad reducida de cables contrapeso con longitudes muy largas.
Según la deducción teórica del presente documento, se tiene que los primeros 60m de cables de contrapeso son los más efectivos.
Con la combinación de contrapesos y varillas, se obtienen casi siempre valores aceptables de puesta a tierra.
Las resistencias de puesta a tierra obtenidas a partir de sal común y carbón vegetal, aumentan con el pasar del tiempo.
Para la obtención de valores de puesta a tierra en suelos altamente rocosos, está la opción de usar bentonita, que generalmente en dichos suelos permite construir puestas a tierra mejores y más baratas que empleando los sistemas convencionales.
Bibliografía
1. ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE. “Transmission line reference book – 345 kv and above”, second edition. General Electric Co. Pittsfield, Ma USA – 1982.
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3. MONTOYA , ROMAN R., “Selección de aislamiento en líneas de transmisión a extra alta tensión”, Medellín 1987.
4. ORTUONDO , NAVARRO G. “Método para el mejoramiento de puestas a tierra en terrenos de alta resistividad”, Santiago de Chile
