En esta entrada se facilita la descarga de una hoja de cálculo para el diseño y comprobación de sistemas de puesta a tierra en instalaciones de alta tensión y se lleva a cabo la resolución de un caso práctico real con la misma para explicar su utilización y el origen de las fórmulas empleadas. Link de descarga:
ÍNDICE DE CONTENIDOS
- Datos de partida
- Obtención de las tensiones máximas admisibles
- Diseño de la puesta a tierra de herrajes (alta tensión)
- Comprobación de las tensiones de paso, contacto y defecto
- Cálculo de las puestas a tierra de utilización (BT) y servicio (neutro)
- Revisión del diseño y medidas complementarias
DATOS DE PARTIDA
Se desea calcular la puesta a tierra de una estación de recarga de vehículos eléctricos conectada en alta tensión, tanto los cargadores como el centro de transformación (CT) se hallan en el exterior, solo habrá un cuadro de protecciones (CBT) de baja tensión que se instalará dentro del CT, la zona del parking está asfaltada. Los parámetros de partida son los siguientes:
- Empresa distribuidora: UFD Distribución Electricidad, SA.
- Red de distribución: subterránea, cables apantallados.
- Intensidad de defecto de la línea: 213,17 [A].
- Tiempo de despeje de falta: 0,70 [s].
- Resistividad del terreno: 250 [Ωm].
- Sistema de tierras elegido: esquema TT.
OBTENCIÓN DE LAS TENSIONES MÁXIMAS ADMISIBLES
Primero es necesario determinar las resistividades aparentes de las superficies en las zonas donde se puedan producir contactos eléctricos. En este proyecto se definen dos ubicaciones, dentro del centro de transformación, que cuenta con suelo de hormigón de 0,50 [m] hasta el terreno, y en el parking donde se instalarán los cargadores, que dispone de una capa superficial de 0,05 [m] de asfalto.
En este último caso se realiza el cálculo por si se decidiera unifilar las tierras de herrajes AT y de uso de BT poder determinar las tensiones máximas admisibles en la zona de utilización (parking). Las fórmulas expuestas (ITC-RAT 13) en la siguiente imagen permiten obtener las resistividades a considerar a efectos de cálculo a partir de los materiales de las superficies, sus espesores (hS) y la resistividad del terreno existente (ρ).
Posteriormente, a partir del tiempo de despeje de falta se obtiene el valor asociado de tensión de contacto aplicada (UCA). De este parámetro y las distintas resistividades (ρ) dependen los valores de tensión de contacto y paso máximas admisibles conforme a lo expuesto a continuación:
Rellenando los datos de partida en apartado 1) / Columna C de la hoja excel se logran los resultados de aplicar las fórmulas anteriormente expuestas, es decir, las resistividades superficiales de las dos zonas (CT/parking) y los ocho valores de tensión límite a tener en cuenta en las diferentes ubicaciones de la instalación:
- Tensión de contacto máxima admisible interior (sobre zona 1).
- Tensión de contacto máxima admisible interior (sobre zona 2).
- Tensión de contacto máxima admisible exterior (sobre terreno).
- Tensión de paso máxima admisible interior (sobre zona 1).
- Tensión de paso máxima admisible interior (sobre zona 2).
- Tensión de paso máxima admisible exterior (sobre terreno).
- Tensión de paso máxima admisible en acceso (terreno/zona 1).
- Tensión de paso máxima admisible en acceso (terreno/zona 2).
DISEÑO DE LA PUESTA A TIERRA DE HERRAJES (ALTA TENSIÓN)
Para el diseño de la puesta a tierra debe elegirse una configuración de puesta a tierra, normalmente de entre las indicadas en la Metodología UNESA o en la normativa de la empresa distribuidora, de esta configuración dependen los coeficientes necesarios para calcular las tensiones en caso de defecto.
En la hoja REF se pueden añadir otras configuraciones si se desea elegir alguna que no se encuentre entre las recogidas en la lista desplegable, también en la hoja ALT se permite el cálculo de los coeficientes de mallas y placas enterradas.
En aquellos casos que se vayan a emplear cables apantallados con la pantalla puesta tierra es posible considerar un factor reductor aplicable sobre la intensidad de defecto. Pueden tomarse de referencia los valores de la Guía-BT-18 (ED: Oct 05 / REV: 1) o calcularlo mediante el teorema de Thévenin.
En la hoja ALT introduciendo la resistencia de la puesta a tierra de las pantallas se obtiene este coeficiente, la cual puede suponerse de como máximo 40 [Ω]. Este valor se recomienda teniendo en cuenta que la tierra del neutro suele tener una resistencia bastante mayor que la de herrajes (AT) y que su límite por normativa es de 37 [Ω]. Es además el doble del valor más desfavorable que considera la norma MT 2.11.33 sobre puestas a tierra de i-DE para este parámetro.
Completando estos datos en el apartado 2) / Columna C la hoja determina los coeficientes de la configuración de puesta a tierra con los que calcular las tensiones en el siguiente paso. También se obtienen en esta sección el valor de la puesta a tierra de herrajes, la distancia mínima a respetar con las tierras de baja tensión (neutro / utilización) y la densidad de corriente de los conductores de tierra.
COMPROBACIÓN DE LAS TENSIONES DE CONTACTO, PASO Y DEFECTO
En la mayoría de instalaciones de alta tensión se adoptan por defecto ciertas medidas que permiten poder considerar las tensiones de contacto y paso nulas en muchas de las zonas con riesgo eléctrico:
- Mallazo equipotencial embebido en suelo de hormigón del CT o en la base del apoyo y puesto a tierra: esta medida permite considerar despreciables las tensiones de paso y contacto dentro del CT (UC-INT, UP-INT ~ 0 [V]) o sobre la base del apoyo, según el tipo de instalación. Esto se debe a que no hay apenas diferencia de potencial entre las masas en contacto con la mano del usuario y el suelo ni entre sus pies.
- Acerado perimetral de hormigón, uso de muros con alta resistencia eléctrica (> 10 [kΩ]) y el aislamiento de las partes conductoras que dan al exterior: estas medidas hacen despreciables las tensiones de contacto en el exterior del CT o de la base del apoyo (UC-EXT ~ 0 [V]).
Por lo tanto solo se debe calcular la tensión de paso en el acceso al CT o apoyo, que se puede considerar igual a la tensión de defecto si hay instalado un mallazo equipotencial, y la tensión de paso en el exterior sobre el terreno adyacente a la instalación de alta tensión, cuyo valor depende de la resistividad del terreno, la intensidad de defecto y el coeficiente de paso exterior.
En el apartado 3) / Columna C de la hoja hay que introducir el valor de aislamiento del CBT ubicado dentro del CT o el apoyo, que suele ser de 1 o 10 [kV]. Con los datos anteriormente indicados la hoja comprueba si la instalación de puesta a tierra diseñada cumple las tres condiciones mínimas que exige la normativa:
- Tensiones de contacto obtenidas (UP-EXT, UP-ACC) menores a sus máximos admisibles.
- Tensión de defecto inferior al aislamiento del cuadro de BT (CBT) montado dentro del CT o sobre el apoyo.
- Densidad de corriente sufrida por lo conductores por debajo de los límites según el material elegido.
A parte se realizan tres comprobaciones adicionales a fin de informar al usuario de si es viable unificar las diferentes puestas a tierra presentes en la instalación eléctrica que se esté calculando:
- Tensión de defecto (UD) inferior a 1 [kV] para poder unir la tierra de herrajes y de servicio (neutro). En instalaciones que vayan a ser cedidas a la compañía esto puede no estar permitido, depende de lo que indique la norma de la distribuidora.
- Tensión de defecto (UD) inferior a 1 [kV] (valor por seguridad, la tensión de ensayo en BT es de 1,5 [kV]) y a la tensión de contacto máxima admisible más pequeña que se dé entre las zonas donde haya masas eléctricas puestas a tierra (UC-INT-MAX-1/2) para poder unir la tierra de herrajes (AT) y de utilización (BT). La hoja considera únicamente las zonas 1 (dentro de CT/base) y 2 (en un parking en este caso práctico), pero no directamente sobre el terreno no ser lo habitual que haya masas de uso directamente encima del suelo.
- Si se cumplen las condiciones del punto 2 y además la resistencia tiene un valor menor a 2 [Ω] (RT-AT) entonces se podrán unificar las tres puestas a tierra. Esto en la práctica es muy difícil de lograr y no se suele hacer aunque se cumplan lo exigido a fin de mejorar la seguridad de la instalación.
CÁLCULO DE LAS PUESTAS A TIERRA DE UTILIZACIÓN (BT) Y SERVICIO (NEUTRO)
Los siguientes dos apartados están destinados al diseño y comprobación de las puestas a tierra de baja tensión, es decir, de servicio (neutro) y de utilización (emplazamiento). En ambos casos los parámetros a introducir son los mismos: configuración de la puesta a tierra (picas en hilera), la tensión de contacto convencional de referencia (24 o 50 [V]) y la sensibilidad del diferencial de cabecera.
En instalaciones de alumbrado exterior la ITC-BT-09 del REBT establece un valor máximo de resistencia de puesta a tierra de 30 [Ω]. Por lo tanto se puede considerar que este es el límite (RT-BT-MAX) a tener en cuenta en aquellas obras que cuenten con alumbrado exterior.
REVISIÓN DEL DISEÑO Y MEDIDAS COMPLEMENTARIAS
En este apartado se describen las medidas correctivas a llevar a cabo en el caso de no cumplir con las tensiones de contacto, paso o defecto máximas admisibles, como pueden ser por ejemplo la instalación de alfombras aislantes, la ampliación del acerado perimetral o el refuerzo de la puesta a tierra usando sales electrolíticas.
Como se puede observar en los cálculos realizados, el cuadro de baja tensión elegido no cuenta con suficiente aislamiento como para soportar la tensión defecto, por lo que deberá adquirirse un modelo con un aislamiento superior, como por ejemplo un armario de distribución de 10 [kV] o una caja de doble aislamiento de 3 [kV].
Finalmente, a título informativo, la hoja determina los valores de resistencia límite para poder unificar los diferentes sistemas de tierra. Estos siempre son muy bajos, por lo que recomendable en fase de proyecto contemplar tres puestas a tierra independientes. Si al ejecutar la tierra de herrajes se logra una resistencia menor a dichos valores, entonces se puede valorar posible una unificación a fin de ahorrar costes.
