Agosto 2022 - Energiminas (2022)

IV. ACTIVIDADES EN CAMPO
A. Inspección inicial y mediciones de prueba
Antes de iniciar las mediciones, se debe adelantar un proceso de inspección y reconocimiento de las instalaciones, donde se detecten las condiciones particulares que permita hacer los ajustes a nivel de planificación operacional.
Para el diagnóstico de la CHI, se realizó una inducción por parte de los funcionarios de ITAIPU, lo cual permitió ajustar los procedimientos y determinar necesidades particulares. Adicionalmente, se efectuaron unas mediciones de prueba, en las cuales se comprobó la ausencia de tensiones peligrosas en los sistemas de puesta a tierra y se incrementó paulatinamente la corriente, verificando que no se afectara ningún componente del sistema eléctrico ni se pusiera en riesgo su operación, con lo cual se demostró la seguridad de la metodología propuesta (ver Figura 2).

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B. Medición de Equipotencialidad
Es la medición más importante para diagnosticar el SPT de una subestación, pues comprueba la integridad de las conexiones entre todos los elementos que componen el Sistema.

Normas aplicadas: IEC 61000-4-16, IEC 61000-5-2/5.3.2, IEC 61557-4, IEEE 1100, IEEE 602, IEEE 80, IEEE 1100 y NEC.

Método aplicado: Kelvin, que consiste en la inyección de corriente directa con una fuente regulada y la medición simultánea de tensión para calcular la resistencia de interconexión (ver Figura 3).

Criterio aplicado: la resistencia de interconexión entre dos puntos en corriente continua debe ser menor a 100 mῼ.

Puntos clave:
– Tener precaución con las tensiones de corriente alterna en vacío.
– Los sistemas de control y protecciones que estén migrando a sistemas digitales, requieren de una especial atención.
– El circuito para medición no puede interferir nunca con el sistema eléctrico normal de operación.

C. Resistencia de puesta a tierra
Un buen sistema de puesta a tierra debe presentar una baja resistencia respecto a una tierra remota, para minimizar el GPR y en consecuencia el riesgo.

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Normas aplicadas: IEEE 81, IEEE 80, IEC 60364-4-442.
Método aplicado: La norma IEEE 81 permite la medición con un generador de impulsos portátil que inyecte corrientes mayores a 100 A y registrar las señales de corriente y tensión en osciloscopios (ver Figura 4). En la SEMD se midió la resistencia de puesta a tierra aplicando el método de caída de potencial con electrodo de corriente a 1700 metros aproximadamente, en territorio de Brasil (ver Figura 5).

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En la Figura 6 se muestra un oscilograma típico obtenido con el generador de impulsos en la medición de resistencia de puesta a tierra.

Criterio aplicado: El valor de resistencia de puesta a tierra para subestaciones de alta tensión debe ser menor de 1 ohmio [4]. La resistencia de puesta a tierra de la SEMD medida fue de 0,254 ῼ, lo cual significa que mantiene sus valores de diseño.

Para las torres de transmisión, se realizó la medición de resistencia de puesta a tierra con un telurómetro de 25 kHz que ofrece una solución segura y confiable, pues desacopla los cables de guarda. Se utilizó el método de caída de potencial con el electrodo de corriente a 100 m.

Puntos clave:
– La fase de planeación es determinante
– La medición se debe efectuar en época sin lluvias
– Medir potenciales de superficie antes que la resistencia, es una buena práctica
– Mantener la línea de medición lo más recta posible facilita el manejo de cables.
– Los cables de potencial y de corriente deberán estar separados para evitar su acoplamiento.
– Para determinar el valor oficial, se deben tomar mínimo tres medidas.
– Considerar la componente reactiva para evitar errores en el proceso de medición.
– Es recomendable medir la impedancia de puesta a tierra.

D. Tensiones de paso y de contacto
Toda instalación eléctrica debe disponer de un SPT diseñado en función del tiempo de despeje de la falla a tierra, de la resistividad del suelo y de la corriente de falla, para que en cualquier punto accesible a personas, las tensiones de paso y contacto sean seguras. Las tensiones de seguridad se midieron en la SEMD, en la Casa de Fuerza y en las torres.

Norma aplicada: IEEE 81.2 para los equipos y procedimientos e IEEE 80 para los umbrales.

Método aplicado: El método denominado “simulación del cuerpo humano” por la IEEE 81.2, numeral 12.5, se basa en inyectar corriente y medir tensión. Las mediciones se deben realizar en todos los puntos de exposición del personal, tales como: área de operación de seccionadores, entrada y salida de líneas, sitios externos a la malla perimetral o puertas de acceso. En la Figura 7 se muestra un oscilograma típico obtenido con el generador de impulsos en las mediciones de tensiones de seguridad.

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Criterio aplicado: La tensión máxima de contacto para un ser humano de 50 kg es el criterio a aplicar, por ser de norma. Teniendo en cuenta un tiempo de despeje de la falla de 500 ms, se tomó como umbral ocupacional 164 V, para evaluar las mediciones. ITAIPU solicitó además, estudiar el caso específico del umbral para un niño de 20 kg en el caso de las torres, para lo cual se tomó 73,5 V como umbral.

Puntos clave:
– Extremar las medidas de seguridad pues se trata de inyectar impulsos de media tensión.
– Alertar a las personas que se encuentren cerca del sitio de inyección y aislar el área.
– Para la medición en torres, se debe verificar la conexión a tierra de la estructura a medir.
– Previo a la medición de tensiones de paso y contacto en una subestación, se debe realizar la medición de equipotencialidad para verificar que los equipos a medir estén sólidamente conectados a la malla de puesta a tierra con el fin de evitar potenciales peligrosos para las personas y equipos.

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E. Resistividad del terreno
ITAIPU está localizada en la zona continental denominada Cratón, masa que por su edad geológica no ha sufrido fragmentaciones o deformaciones por los movimientos orogénicos y que se caracteriza por la predominancia de arcillas caoliníticas color rojizo, con una estructura muy estable.

Norma aplicada: IEEE 81 que describe en detalle las técnicas o métodos de medición de resistividad del suelo.

Método aplicado: Se utilizó el método de Wenner, por ser el más aceptado, adecuado y práctico para diseños eléctricos.

Criterio aplicado: Seleccionar cuatro zonas para determinar si presentaban variaciones significativas. Con los datos obtenidos y el software disponible se realizaron modelamientos multicapa a diferencia de las mediciones de hace 40 años que se tomó como una sola capa.

Puntos clave:
– Los sitios de medición deben estar alejados de la subestación o las torres, para no tener interferencias.
– La separación de electrodos máxima es de 8 m
– Realizar mediciones Norte-Sur y Este-Oeste.
– Tomar nota sobre las condiciones ambientales (temperatura y condiciones de humedad del suelo).
– Medir en tiempo seco.
– Hacer un estudio geológico de la zona, que comprenda: capacidad de intercambio catiónico, contenido de sales solubles y su concentración, humedad relativa y granulometría, entre otras.

El pH es una de las propiedades fisicoquímicas más importantes del suelo, determina su solubilidad y también tiene efecto sobre la concentración disponible de iones, la capacidad de intercambio catiónico y otras propiedades del suelo. Se incluyó su medición para complementar la caracterización del terreno, para lo cual se siguió el procedimiento de la Empresa Brasilera de Pesquisa Agropecuaria – EMBRAPA, aplicándolo en tres muestras tomadas de diferentes excavaciones.

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F. Corrientes de modo común
En subestaciones se pueden presentar corrientes por conductores de puesta a tierra, y eliminarlas totalmente se torna muy difícil. Estas corrientes pueden ser peligrosas al realizar mediciones, puesto que pueden provocar tensiones de contacto elevadas. Además, la circulación de estas corrientes puede generar interferencias o daños en equipos electrónicos sensibles.

Norma aplicada: La IEEE 1100 establece los máximos valores que deben admitirse.

Método aplicado: La utilización de un amperímetro de pinza puede ser suficiente o de osciloscopios en casos más complejos. En ITAIPU se tiene previsto un proyecto para el estudio detallado de este tema.

Criterio aplicado: La corriente máxima admisible en los conductores del sistema de puesta a tierra, en condiciones normales de operación normal, no debe sobrepasar 10 A para subestaciones de alta y extra alta tensión.

G. Registro de información de campo
Dada la gran cantidad de información que se maneja en este tipo de trabajo de ingeniería, se debe tener especial cuidado en conservar de forma sistemática, todos los datos, fotos, registros, manuales, planes, procedimientos, instructivos, fichas técnicas, actas, reportes, tanto en medio físico como magnético.

V. ANÁLISIS DE LA INFORMACIÓN
Las mediciones de campo obtenidas, se deben analizar con base en el cumplimiento de los criterios normativos internacionales y en cálculos particulares del sistema en estudio. Para la SEMD, ITAIPU calculó la corriente de falla a tierra monofásica simétrica a nivel de 500 kV en 36,2 kA, lo cual permitió calcular la corriente asimétrica en 38,082 kA, de los cuales 11,958 kA van efectivamente a tierra, siendo la condición la más exigente.

A. Elaboración de estadísticas
Con el procesamiento de los datos obtenidos en campo y la comparación con los criterios normativos aplicables, se deben realizar estadísticas y tablas de resultados que permitan visualizar de forma concreta el grado de cumplimiento de los criterios normativos en las instalaciones. Pará la SEMD se logró determinar:

Que el 92,6 % de los puntos medidos de equipotencialidad de la subestación, cumplen el criterio.

Que el 100% de los puntos medidos cumplen el criterio para las tensiones de paso.

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Que el 99,57% de los puntos medidos cumplen el criterio para las tensiones de contacto.

B. Conclusiones y recomendaciones

Componente esencial de la metodología. A partir de la gran cantidad de información recopilada y aplicando el método deductivo, se debe realizar un proceso de razonamiento que lleve necesariamente a proponer un nuevo conocimiento basado en hechos, que representan las conclusiones.

Es muy importante agrupar las ideas principales y resumir lo investigado, explicar el porqué de los resultados obtenidos y formular unas recomendaciones concretas y particulares a la instalación bajo estudio.

Este análisis de información, debe llevar a:
– Actualizar la información del SPT
– Caracterizar el estado real del SPT
– Rediseñar de ser necesario
– Identificar los puntos críticos o potencialmente peligrosos.
– Tomar medidas preventivas y correctivas
– Proponer planes de mantenimiento
– Unificar criterios de materiales e instalación.
– Fijar prioridades de intervención para mejorar
– Elaborar un informe con hallazgos y soluciones para llevar el SPT a los más altos estándares.
– Detectar necesidades de capacitación

C. Plan de acción
En esta etapa se deben presentar propuestas de solución a las no conformidades encontradas por medio de programas de mantenimiento preventivo y correctivo.

Algunas de las acciones propuestas para grandes subestaciones pueden incluir: Intervenir las conexiones a tierra de los tableros (puentes equipotenciales, barrajes de tierra), modificar topología de conexión a tierra de equipos, mejorar la malla de puesta a tierra (instalar electrodos profundos, disminuir tamaño de cuadrícula, aumentar área de la malla, aumentar la capa y el diámetro de la grava, utilizar suelo artificial, incrementar el número de varillas, en el caso de las torres, construir anillos equipotenciales e instalar contrapesos), revisar sistemas de control, realizar programas de mantenimiento de conexiones, eliminar la corrosión, aplicar pintura conductiva, limitar acceso a puntos identificados como críticos y a zonas de peligro, entre otras buenas prácticas. Tales acciones serán consideradas por ITAIPU en la planeación del mantenimiento.

D. Priorización de actividades de mejoramiento.
Planteadas las soluciones a las no conformidades, estas se deben priorizar de acuerdo con el nivel de riesgo que represente para las personas y la instalación, generando programas y planes de mantenimiento a corto, mediano y largo plazo.

VI. CONCLUSIONES
a. La aplicación de la metodología Triádica demostró que es posible hacer un diagnóstico completo del SPT sin poner en riesgo las personas, las instalaciones o el sistema eléctrico en operación, por complejo que sea.
b. Esta metodología permitió superar el reto de realizar todas las mediciones sin hacer desconexiones de equipos ni interrupciones en la operación del sistema eléctrico.
c. Esta metodología recoge los aspectos relevantes para auditar y certificar el SPT de subestaciones y plantas de generación, en cualquier lugar del mundo, proporcionando una visión clara de las acciones de mantenimiento para garantizar un buen desempeño de las instalaciones.
d. Cumplir los procedimientos normativos, elimina las interpretaciones subjetivas.

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e. El éxito de este trabajo, radicó en la excelente coordinación entre funcionarios de ITAIPU y los ingenieros responsables de las mediciones, durante todas las etapas descritas en la metodología.

VII. AGRADECIMIENTOS
Este artículo se desarrolló gracias al apoyo de la ITAIPU Binacional y SEGELECTRICA.

VIII. REFERENCIAS

[1] ITAIPU, «Desde los primeros pasos,» ITAIPU BINACIONAL 30 AÑOS, p. 5, 2004.
[2] IECO-elc, «Memoria de calculo malha de terra – 6453.10.0301.P.R0,» 1981.
[3] IECO-elc, «Instrucao para medicao da resistencia de aterramento – 6453.20.0301.P.R0B,» 1982.
[4] IEEE, IEEE std 80 guide for safety in AC substation grounding, 2013.
[5] IEEE, IEEE std 81 guide for measuring earth resistivity, ground impedance, and earth surface potencial of a grounding system, 2012.
[6] A. Elek, “Proving the Adecuacy of Station Grounds” AIEE Trans. Communications and Electronics- Nov 1962 pag 368-376. New York.
[7] S.T. Sobral et al. Grounding Measurements at the Itaipu Generation Complex using the “Extended Elek Method” IEEE Transactions on Power Delivery, vol 3, N° 4, October 1988, pg1553-1563.
[8] IEEE Std 81.2 (1991). IEEE Guide for Measurement of Impedance and Safety Characteristics of Large, Extended or Interconnected Grounding Systems
[9] IEEE Std. 1100 (2005). Recommended Practice for Powering and Grounding Electronic Equipment.
[10] IEC 60364-5-54. Part 5-54 (2011): Selection and erection of electrical equipment-Earthing arrangement, protective conductors and protective bonding conductors.
[11] ABNT NBR 15749 (2009). Medicao de Resistencia de aterramento e de potenciais na superficie do solo em sistemas de aterramento.
[12] Norma Reglamentadora NR10
[13] 6453.10.0301.P.R0 Memoria de cálculo SEMD Malha de Terra, patios 66 kV, 220 kV e 500 kV
[14] 6453-10-G3600-P Memorial de Cálculo – Malla de Aterramento. Subestação da Margem Direita. 2014
[15] Casas-Ospina, Favio. TIERRAS, Soporte de la Seguridad Eléctrica. Icontec. Quinta Edición.

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