He pasado años suministrando subestaciones de estilo americano y si hay un tema que constantemente se subestima es la conexión a tierra. Los ingenieros hablan de transformadores y aparamenta todo el día, pero ¿del sistema de puesta a tierra? Esa es la parte que no ves... hasta que algo sale mal. Y cuando sale mal, sale muy mal.
Hablemos de lo que realmente sucede debajo de la grava en una subestación estadounidense.
¿Qué hace realmente la conexión a tierra?
Antes de profundizar en los componentes, seamos claros a propósito. El sistema de puesta a tierra en una subestación no se trata sólo de darle un lugar al que acudir la corriente de falla. Se trata de controlar los gradientes de voltaje en todo el sitio durante una falla. Cuando ocurre una falla de línea a tierra, una corriente masiva fluye hacia la tierra. Esa corriente crea diferencias de voltaje entre puntos de la superficie del suelo. Si esas diferencias aumentan lo suficiente, una persona parada allí podría convertirse en parte del potencial de paso del circuito y los términos que escuchará son potencial de contacto.
Un sistema de puesta a tierra diseñado adecuadamente mantiene esos gradientes por debajo de umbrales peligrosos. Todo lo demás (protección de equipos, disipación de rayos) es secundario para mantener con vida al personal.
Componentes del sistema de puesta a tierra
La red de tierra: esta es la columna vertebral
Olvídese simplemente de las "varillas de tierra". El corazón de cualquier sistema de puesta a tierra de subestaciones estadounidenses es la red de tierra enterrada. Es exactamente lo que parece: una malla de conductores de cobre desnudo, típicamente 4/0 AWG o más, enterrados entre 12 y 18 pulgadas debajo de la superficie, abarcando toda el área de la subestación.
Esta cuadrícula hace dos cosas. En primer lugar, proporciona un camino de baja impedancia para que las corrientes de falla se propaguen hacia la tierra. En segundo lugar, y esto es fundamental, iguala el potencial en todo el sitio. Cada punto de la red tiene esencialmente el mismo voltaje durante una falla, lo que significa que los gradientes de voltaje de la superficie están controlados.
El tamaño de la red se basa en la magnitud y duración de la corriente de falla. Un fallo de 40 kA durante 30 ciclos requiere una determinada sección del conductor. Si se hace más pequeño, el cobre se vaporizará. He visto las consecuencias de eso. No es bonito.
Varillas de tierra: la interfaz con la Tierra
La red por sí sola no es suficiente. Necesita electrodos para acoplar esa rejilla al suelo circundante. Ahí es donde entran las varillas de conexión a tierra, típicamente de acero aglomerado con cobre, de 8 a 10 pies de largo, colocadas a intervalos a lo largo del sitio y unidas a la red.
En suelos de alta resistividad, es posible que vea varillas más profundas (40, 60, incluso 100 pies) o varillas mejoradas químicamente con materiales de relleno para reducir la resistencia. El objetivo es una resistencia combinada de rejilla y electrodo lo suficientemente baja como para limitar el aumento de voltaje durante las fallas. Los objetivos típicos son 1 ohmio o menos, aunque las condiciones del suelo a veces lo hacen imposible.
Conductores de puesta a tierra: uniéndolo todo
Cada pieza del equipo en la subestación (tanques de transformadores, gabinetes de interruptores, marcos de interruptores, puertas de cerca, incluso el neutro de la línea de transmisión entrante) se vuelve a conectar a esta red. Estas conexiones utilizan soldadura exotérmica (Cadweld es la marca que escuchará) o engarces de alta compresión. Las conexiones atornilladas se corroen con el tiempo. Las conexiones soldadas no.
Funciones del sistema de puesta a tierra
El sistema de puesta a tierra en las subestaciones americanas cumple varias funciones importantes:
Paso de seguridad del personal y control de potencial de contacto
Este es el trabajo uno. La red está diseñada utilizando IEEE 80, el "Libro Verde", que proporciona fórmulas para los voltajes de paso y de contacto máximos permitidos según la duración de la falla y el peso corporal. El espaciado de la red, el tamaño de los conductores y la profundidad se calculan para garantizar que durante una falla, el voltaje entre los pies de una persona (paso) o entre la mano y los pies (toque) se mantenga por debajo de los umbrales letales.
Protección de equipos
Los neutros de los transformadores están sólidamente conectados a tierra en la mayoría de las subestaciones de servicios públicos estadounidenses. Durante una falla, el sistema de puesta a tierra proporciona la ruta de retorno. Sin él, las fallas de fase a tierra se convierten en fallas de fase a fase: mucha más energía, mucho más daño. El sistema de puesta a tierra también disipa la energía de las sobretensiones del rayo y drena las cargas estáticas de los cables blindados.
Referencia del sistema
La red de tierra establece una referencia de voltaje estable para toda la subestación. Todos los voltajes de fase se miden en relación con esta tierra. También ayuda a los sistemas de detección a detectar fallas a tierra: si el neutro está conectado a tierra, una falla de fase a tierra crea una ruta de corriente clara que los relés de protección pueden detectar e interrumpir.
Consideraciones de diseño: lo que realmente impulsa la ingeniería
Resistividad del suelo: la variable incontrolable
Puedes diseñar la cuadrícula perfecta en papel, pero el suelo decide si funciona. Las mediciones de resistividad son lo primero que se hace en cualquier sitio de subestación nueva. El método de cuatro pines de Wenner consiste en accionar cuatro sondas en una línea de manera estándar, inyectar corriente entre las dos externas, medir el voltaje entre las dos internas y calcular la resistividad.
El suelo arenoso y seco puede darte miles de ohmímetros. La arcilla húmeda podría darte decenas. La cuadrícula está diseñada en torno a lo que realmente hay en el suelo. Si la resistividad es demasiado alta, se agregan varillas, se extiende la rejilla o se utilizan tratamientos químicos.
Dimensionamiento de la corriente de falla para el peor de los casos
La red debe sobrevivir a la corriente de falla máxima que la empresa de servicios públicos puede entregar, durante el tiempo máximo de eliminación de los dispositivos de protección. No se trata sólo de capacidad térmica, sino también de distribución actual. Durante una falla, la corriente no fluye uniformemente hacia la red. Se concentra en los puntos de inyección. El diseño debe tener en cuenta estos gradientes para evitar el sobrecalentamiento local o voltajes superficiales peligrosos.
IEEE 80-La Biblia
Todos los diseños de puesta a tierra de subestaciones estadounidenses en los que he trabajado hacen referencia a IEEE Std 80, la "Guía de seguridad en la puesta a tierra de subestaciones de CA". No es una lectura fácil, pero contiene las ecuaciones, métodos y criterios de aceptación que definen si un sistema de puesta a tierra es seguro. La rejilla simétrica, los cálculos de espaciamiento, las fórmulas de voltaje tolerable, todo proviene de este estándar.
El ángulo NEC
Para la entrada de servicio y las partes de la subestación del lado del cliente, se aplica el Código Eléctrico Nacional (NEC). Esto rige aspectos como el tamaño del conductor del electrodo de puesta a tierra, la conexión de sistemas derivados por separado y las conexiones a los electrodos de las tuberías de agua, si existen. Las partes propiedad de las empresas de servicios públicos a menudo siguen los estándares IEEE y específicos de las empresas de servicios públicos en lugar de NEC, pero los límites pueden desdibujarse.
Comparación con otros tipos: no es realmente el punto
Veo artículos que comparan la puesta a tierra de subestaciones estadounidenses conSubestación tipo caja europeaySubestación subterráneaY, sinceramente, la física es la misma en todas partes. Las diferencias no están en los fundamentos, sino en los estándares a los que se hace referencia y las prácticas de construcción típicas. Los diseños europeos pueden hacer referencia a IEC 61936, pero los objetivos son idénticos: baja resistencia, gradientes controlados, equipos unidos. La verdadera diferencia es la escala: las subestaciones de transmisión estadounidenses tienden a ser más grandes, con corrientes de falla más altas, lo que requiere redes más extensas.
Mantenimiento: lo que realmente falla
Las rejillas de tierra están enterradas. No puedes verlos corroerse. No puedes ver las conexiones aflojadas. La única forma de saber que el sistema aún está intacto es realizar una prueba.
Las pruebas de caída de potencial miden la resistencia de la red. Las mediciones de potencial de paso y contacto verifican la seguridad durante la operación energizada. En casos graves, puede excavar para inspeccionar las conexiones o utilizar métodos electromagnéticos para mapear la red. La corrosión es el enemigo: los metales diferentes, el suelo ácido, las corrientes CC perdidas de los ferrocarriles cercanos o las líneas HVDC la aceleran.
Lo que les digo a los clientes
Si va a comprar una subestación estadounidense, esto es lo que quiero que pregunte sobre el sistema de puesta a tierra:
¿Cuál es la resistencia de la red objetivo y cómo se calculó en base a pruebas de suelo reales en el sitio?
¿Qué corriente de falla se asumió y qué tiempo de eliminación?
¿Se ha revisado el diseño para determinar el posible cumplimiento de pasos y toques según IEEE 80?
¿Todas las conexiones están soldadas de forma exotérmica o se utilizan terminales mecánicos?
¿Cuál es el plan de inspección y prueba después de la instalación?
Porque esta es la verdad: el transformador llegará brillante y nuevo. El cuadro contará con certificados de prueba. El sistema de puesta a tierra quedará enterrado en la tierra y olvidado. Pero cuando ocurre una falla, ese cobre enterrado es lo único que se interpone entre un apagón seguro y una muerte.
Conclusión
En conclusión, el sistema de puesta a tierra en las subestaciones americanas es un componente complejo y crítico de la infraestructura eléctrica. Desempeña un papel vital para garantizar la seguridad eléctrica, proteger los equipos y mantener la estabilidad del sistema. Como proveedor deSubestación americana, Entiendo la importancia de proporcionar sistemas de puesta a tierra de alta calidad que cumplan con los estrictos requisitos regulatorios y las necesidades específicas de cada subestación.
Si está buscando una subestación estadounidense o necesita actualizar su sistema de puesta a tierra existente, le recomiendo que se comunique con nosotros para realizar una consulta. Nuestro equipo de expertos puede ayudarle a diseñar e instalar un sistema de puesta a tierra confiable que cumpla con sus requisitos. No dude en contactarnos para discutir sus necesidades de adquisiciones e iniciar el proceso de negociación.
Referencias
- IEEE Std 80-2013, Guía IEEE para la seguridad en la puesta a tierra de subestaciones de CA.
- IEEE Std 81-2012, Guía IEEE para medir la resistividad de la tierra, la impedancia de la tierra y los potenciales de la superficie de la tierra de un sistema de puesta a tierra.
- Código Eléctrico Nacional (NFPA 70), Artículo 250: Conexión a tierra y unión.
