Evaluación Del Uso De Postes De Acero Que Soportan Las Lineas De Distribución Como Sistema De Puesta A Tierra En Distribución

CVIE 2004

EVALUACIÓN DEL USO DE LOS POSTES DE ACERO QUE SOPORTAN LAS LÍNEAS DE DISTRIBUCIÓN COMO SISTEMA DE PUESTA A TIERRA Gustavo García [email protected]

Maria Gracia Delgado [email protected]

Augusto Abreu José Fonseca [email protected] [email protected] C.A. Enelven Distribuidora (ENELDIS), División Coordinación Técnica, Centro de Operaciones “Caujarito”, Maracaibo, Estado Zulia. Resumen: El hurto o robo de materiales metálicos en la actualidad es uno de los principales problemas de las empresas de distribución de energía eléctrica. Uno de estos materiales son los electrodos (varillas) y el conductor de cobre sólido, que conforman los sistemas de puesta a tierra de los equipos de distribución. Este estudio propone un sistema de puesta a tierra alternativo para nuevas instalaciones, el cual cumple con los niveles técnicos exigidos en las normativas Nacionales y que sea menos susceptible al hurto. Por tanto la propuesta consiste en utilizar los postes metálicos que sirven de soportes de líneas de distribución en tensiones desde 8,3 KV hasta 34,5 KV, como sistema de puesta tierra (SPT).

electricidad. En respuesta a esta situación, surge la necesidad de diseñar un sistema de puesta a tierra que contribuya a minimizar el hurto de estos materiales ofreciendo una mayor confiabilidad a los equipos y seguridad a las personas.

Transformador de Distribución

Palabras claves: Sistema de Puesta a Tierra, Hurto, Conductor de Cobre, Varillas de Puesta a Tierra, Seguridad, Confiabilidad. Conductor de Cobre #4

1. INTRODUCCIÓN Los sistemas de puesta a tierra constituyen una función importante sobre todo en el aspecto de seguridad a las personas, equipos, referencia de potencial, así como también en la facilidad de drenar altas corrientes al momento de una falla a tierra o la incidencia de una descarga atmosférica. En la actualidad el sistema de puesta a tierra de los diferentes equipos de distribución de ENELDIS-ENELCO lo conforman los siguientes materiales: conductor (bajante) de cobre sólido #4 AWG, utilizado como elemento de conexión y varillas de acero con recubrimiento de cobre utilizadas como electrodos de puesta a tierra. El número de varillas cooperweld utilizadas para una instalación determinada varia de una (1) a tres (3) piezas, dependiendo de la resistividad del suelo donde está ubicada la instalación, manteniendo un valor máximo de 25 Ω de impedancia a tierra (ver figura 1). Desde hace años y con más auge en la actualidad, estos materiales están siendo objeto de robo en la región del Estado Zulia, causando cuantiosas pérdidas económicas por la reposición de los materiales hurtados, fallas en equipos y en especial la pérdida de la seguridad de las personas, afectando directamente la calidad del servicio de

Varilla de Tierra de 2,44 mt

Recubrimiento de Brea

Figura 1. Sistema de Puesta a Tierra Actual. Por tanto, el principal aporte de esta investigación es el de proveer un Sistema de Puesta a Tierra (SPT) que cumpla todos los requerimientos técnicos, económicos y de seguridad, el cual se convierta en una alternativa que permita a las empresas distribuidoras de servicio eléctrico asegurar la disponibilidad de los sistemas de Puesta a Tierra ante la crisis real de hurto de materiales.

2. ANTECEDENTES DEL ROBO DE MATERIALES A finales del 2003 se publicó un estudio a nivel Nacional [3] sobre el hurto de materiales y equipos eléctricos donde se demostró, mediante cifras estadísticas del año 2003, que las empresas de servicio de electricidad en Venezuela han tenido que gastar un estimado de 6500 MMBs para reponer los materiales y equipos hurtados de sus redes de distribución. Particularmente en ENELDIS-ENELCO, el impacto económico de estos hurtos ha sido de aproximadamente 300 MMBs y el de mayor impacto del grupo de empresas ha sido CADAFE con 4869 MMBs. Entre los equipos y materiales que con mayor frecuencia son hurtados de las redes eléctricas de las Empresas Distribuidoras de Venezuela, se encuentran: medidores, transformadores de distribución, tramos de líneas primarias, conductores de neutro de acometidas, conductor bajante y varillas de cobre para sistemas de puesta a tierra, guayas tensoras de postes (vientos) y luminarias de alumbrado público. 3. CONSECUENCIAS DEL ROBO DE LOS SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA El hurto de los sistemas de puesta a tierra de las redes de distribución de energía eléctrica ocasiona los siguientes inconvenientes: desmejoramiento de la calidad del servicio de electricidad, daños a los usuarios (electrocución o quemaduras) y a sus propiedades (incendios o daños a equipos), pérdidas económicas por la reposición de los materiales hurtados, aumento de los costos de mantenimiento y de reparaciones, equipos de distribución fallados por sobre tensiones, falta de operación de los descargadores de sobre tensión por ausencia de la puesta a tierra, entre otros.

El diseño propuesto debe cumplir los requerimientos mínimos establecidos en el Código Eléctrico Nacional (CEN) [1], y en el Código Nacional de Seguridad en Instalaciones de Suministro de Energía Eléctrica y de Telecomunicaciones COVENIN 734:1976 [2]. No debe estar conformado por materiales o elementos que pudiesen ser susceptibles a ser hurtados con facilidad y cumplir una vida útil mínima de 20 años. Debe presentar una ruta directa a tierra, con el propósito de evitar la conformación de pequeñas inductancias, que ante la presencia de altas corrientes o altas frecuencias, generen cargas de retorno (flashover) y la corriente fluya a tierra por otros caminos diferentes de la ruta diseñada. El electrodo debe estar libre de pintura o grasa y la tierra compactada firmemente. 4.2. Diseño propuesto: El diseño propuesto contempla utilizar los postes soportes de líneas de distribución en tensiones desde 8,3 KV hasta 34,5 KV, como sistema de puesta a tierra. Para ello, se plantea galvanizar por inmersión en caliente la base o parte inferior del poste, el cual deberá tener un espesor mínimo de 200 micras, con el fin de garantizar contacto eléctrico entre el suelo y el poste, además de ofrecer una protección ante la corrosión (ver figura 2). Por tanto se utilizará la base del poste como electrodo de puesta a tierra y al mismo tiempo la estructura como elemento de conexión entre los equipos de distribución y tierra.

Conexión a Tierra del Transformador y Pararrayo

4. SISTEMA DE PUESTA A TIERRA PROPUESTO Con el objetivo principal de reducir el índice del robo de los sistemas de puesta a tierra, en principio se plantearon una serie de requisitos técnicos que debe cumplir el nuevo diseño a ser propuesto para instalaciones nuevas, el cual posteriormente será evaluado desde el punto de vista económico para analizar su implantación y estandarización en ENELDIS-ENELCO. 4.1. Requisitos técnicos que debe cumplir la propuesta: Debe mantener un valor bajo de impedancia (menor a 25 ohm ) tanto en invierno (lluvia) como en verano, con el fin de limitar la tensión a tierra; aplicable ésto, al menos en un 50% de los tipos de suelos existentes en la región Zuliana. Facilitar la operación de los dispositivos de protección tanto de sobre corriente como de sobre tensión, drenar a tierra las corrientes indeseables que generan ruidos, lo mismo que corrientes estáticas y de fuga.

Conexión a Tierra del Equipo de Medición Base del Poste Galvanizada en Caliente

Figura 2. Sistema de Puesta a Tierra Propuesto.

5. EVALUACIÓN TÉCNICA DE LA PROPUESTA La metodología utilizada para la evaluación técnica consistió en analizar los puntos que se listan a continuación: • Comparación de las impedancias al paso de la corriente que ofrecen 40 pies de alambre de cobre calibre No 4 AWG, utilizado como conexión entre los equipo de distribución y los electrodos de tierra versus la estructura del poste como conductor de electricidad. • Evaluación de mediciones de impedancia del sistema propuesto en un terreno de pruebas. • Aspectos resaltantes del Código Eléctrico Nacional [1] y el Código Nacional de Seguridad [2] con respecto a la posibilidad de utilizar el poste como sistema de puesta a tierra. • Validación de la ecuación para el cálculo de la impedancia a tierra de la propuesta. • Evaluación de la impedancia de dispersión del electrodo ante las descargas atmosféricas. • Comportamiento ante el fenómeno de la corrosión, del poste con base galvanizada. • Implantación de pruebas piloto del sistema de puesta a tierra propuesto en dos instalaciones con servicio eléctrico. 5.1. Comparación de impedancia entre el poste de acero y el conductor de cobre sólido: En un laboratorio, mediante la utilización de un equipo de medición indirecta de impedancia a través de la inyección de corriente y medición de tensión, se obtuvieron y compararon los valores de impedancia al paso de la corriente que ofrece 40 pies de alambre de cobre calibre No. 4 AWG y el poste de 40 pies y 30.000 libras de esfuerzo en cumbre (ver tabla 1).

5.2. Evaluación de mediciones de impedancia del sistema propuesto en un terreno de pruebas: La impedancia de un sistema de puesta a tierra puede variar con los cambios estacionales del clima (en Venezuela lluvia y sequía). Esta prueba consiste en comparar la impedancia de puesta a tierra propuesta para las características típicas de resistividad de suelo de la Ciudad de Maracaibo durante diferentes períodos del año (períodos de sequía y lluvia).

Figura 3. Instalación del Poste de Prueba (Prototipo). Para esto se seleccionó inicialmente un terreno ubicado dentro de las instalaciones del centro de actividades deportivas propiedad de ENELDIS en la Ciudad de Maracaibo se donde se instaló un poste de prueba con las características descritas en sección 4.2 de este documento (ver figura 3). Mediante mediciones de resistividad de suelo, realizadas con el método de Wenner, se pudo determinar que el terreno de prueba tiende a tener características homogéneas, con un valor 16 ohm-mts.

Tabla 1. Comparación de Valores de Impedancia. Conductor de Poste de 40 Elemento Medido Cobre Sólido Pies #4 AWG Corriente Inyectada 40,22 Amp. 40,98 Amp. Tensión Medida 0,214 Volt. 0,438 Volt. Impedancia Medida 0,005 ohm. 0,01 ohm. Impedancia Calculada 0,00532 ohm. 0,01068 ohm. Puede observarse que a pesar que el acero como material presenta una impedancia al paso de la corriente, mayor al que puede ofrecer el cobre en una misma área; el poste por presentar su sección transversal mayor al conductor de cobre posee una menor impedancia eléctrica que la ofrecida por el conductor de cobre calibre No. 4 AWG. Figura 4. Mediciones en Terreno de Prueba de la Impedancia del Poste Como Electrodo.

Sobre la base de una planificación se realizaron mediciones cada dos meses. Hasta la fecha se han realizado tres mediciones de impedancia al poste como electrodo de tierra. La primera medición de impedancia fue realizada en el mes de Diciembre del 2003, la cual arrojó un valor de 5,93 ohm, en período de lluvias para esta fecha en la ciudad de Maracaibo (ver figura 4). Las mediciones realizadas en el mes de Febrero arrojaron un valor 8,60 ohm durante el transcurso del período de sequía de la zona en la Ciudad de Maracaibo. Para los meses de Abril y Junio se presentaron lluvias esporádicas y las mediciones arrojadas fueron de 11,51 ohm y 11,94 ohm, lo que indica una estabilización del valor de impedancia. 5.3. Aspectos resaltantes del Código Eléctrico Nacional [1] y el Código de Seguridad Nacional [2] sobre la posible utilización del poste de acero como electrodo de puesta a tierra: Como es conocido el Código Eléctrico Nacional es de uso obligatorio en Venezuela y los daños causados por una violación de éste, pueden justificar acciones legales contra las empresas Distribuidoras. Por tanto a continuación se hace un extracto e interpretación de los artículos de la sección 250 del CEN, que pueden servir de referencia para el uso de una estructura metálica como sistema de puesta a tierra que cumpla con lo primordial que exige este código: 1.- Seguridad para los seres vivos y 2.- Protección para los equipos. Artículos del CEN: Claramente lo descrito en el artículo 250-26 (c), permite el uso del mismo poste de distribución como electrodo de puesta a tierra, ya que el mismo es una estructura metálica que al galvanizar su base inferior e instalándolo a 1,8 mts por debajo la superficie del suelo (método normalizado de instalación de un poste 40/30) permanece efectivamente puesto a tierra. Por la geometría física del poste (forma cilíndrica) se asemeja a un tubo de gran tamaño, y según lo que describe el artículo 250-84 no se prohíbe el uso de tubos metálicos como electrodos de puesta a tierra. Por otro lado, es posible asegurar con el sistema propuesto y para cierto rango de resistividad presente en los suelos del estado Zulia, una impedancia a tierra menor a 25 ohm; en caso contrario es posible según el CEN complementar con uno o varios electrodos, no necesariamente fabricados en cobre, hasta cumplir con el requerimiento del citado artículo. En conclusión no hay nada establecido en el Código Eléctrico Nacional y el Código Nacional de Seguridad que no permita la utilización del poste como sistema de puesta a tierra siempre y cuando garantice una impedancia a tierra inferior a 25 ohm. 5.4. Cálculo Matemático de la Impedancia del Poste: La resistividad del suelo tiene un papel importante en la impedancia del electrodo, así como la profundidad, tamaño y la forma del electrodo. En la búsqueda de una ecuación

matemática que interprete geométricamente el poste se recurrió a la ecuación de la varilla simple.

R=

⎡ ⎛ 2 * l ⎞ ⎤ (1) ρ * ⎢ln ⎜ ⎟ 2 * π * l ⎣ ⎝ r ⎠ ⎥⎦

Donde: ρ: resistividad del suelo. l: profundidad del electrodo. r: radio del electrodo. Para esto se asume que la geometría de la base del poste es similar a una varilla simple. Este modelo matemático posee una debilidad y es que asume que la resistividad del suelo es homogénea en un 100%. En la realidad la resistividad del suelo no es uniforme ni constante en el tiempo ya que la misma puede variar con la humedad y cambio en la temperatura en las diferentes capas de suelo. Del resultado de las mediciones en campo se tiene que para una resistividad del suelo de 15,59 ohm – mt se obtuvo una impedancia de puesta a tierra 5,93 ohm. Comparando los resultados que se obtienen de forma matemática con la ecuación (1) para una varilla el valor (asumiendo un suelo homogéneo en un 100%) es de 5,18 ohm. Lo que implica una desviación del 14,47% la cual esta dada por la heterogeneidad absoluta del terreno de pruebas. En la tabla 2, se muestra el resultado del cálculo de la impedancia de puesta a tierra para diferentes configuraciones donde se observa que para un valor de 70 ohm – mt la base del poste alcanza un valor cercano a 25 ohm (límite establecido por el Código Eléctrico Nacional). Tabla 2. Resultado Comparativo del Cálculo Matemático de Diferentes Configuraciones.

5.5. Análisis de la Impedancia a Alta Frecuencia: A continuación se hace un análisis de la impedancia del poste sometido a altas frecuencias. Partiendo del modelo circuital desarrollado en el estudio “A Circuit Model for Grounding Systems Transients Response: Simple Electrode Configurations”[4], en la cual se establece que la capacitancia depende de las características físicas del suelo y de su constante dieléctrica. La inductancia depende de la geometría del electrodo de puesta a tierra, que para este caso son el radio y la profundidad. La impedancia depende de la geometría del electrodo y de la resistividad del suelo. Utilizando el procedimiento matemático establecido en el estudio “Modelación de Sistemas de Puesta a Tierra, ante Descargas Atmosféricas: Configuraciones Electrodicas Simples”[5], se obtiene como resultado que a una frecuencia de 20 Mhz la impedancia de un electrodo vertical de longitud de 2.44 mt y de radio 0.0079 mt (varilla cooperweld) es de 238 ohm y para el sistema de puesta a tierra conformado por la base del poste se obtiene una impedancia de 113 ohm (ver figura 5).

en la figura 6 con la inclusión de las dos varillas se redujo la impedancia en un 49,71% comparado al valor inicial del poste solo.

Figura 6. Mediciones de Prueba Piloto de la Impedancia del Poste como Electrodo. 6. EVALUACIÓN ECONÓMICA

Figura 5. Impedancia Transitoria del Poste con una Resistividad del Suelo de 70 ohm - mt. Lo que implica que la impedancia que ofrece una varilla actualmente utilizada y recomendada como electrodo de puesta a tierra, duplica a la impedancia que puede ofrecer el poste al ser utilizado como electrodo de puesta a tierra. 5.6. Evaluación de Prueba Piloto en una Instalación Eléctrica Energizada: La prueba piloto consistió en el reemplazo del poste convencional con la base de brea por un poste preparado con la base galvanizada. Se decidió realizar la prueba en una zona foránea del estado Zulia (Municipio Machiques de Perija) con el fin de evitar la interferencia de tuberías y edificaciones. Hasta la fecha se han realizado dos mediciones de impedancia con un período de una vez al mes arrojando un valor de 87,5 ohm para el mes de Abril y de 74,7 ohm en Mayo. Debido a la alta resistividad del suelo se instalaron electrodos de acero galvanizado adicionales de puesta a tierra, conectados al poste (de 2,44 mt de longitud) en configuración perimetral, ésto con el fin de lograr un valor de impedancia objetivo de 25 ohm. Como se observa

Partiendo de los costos de los servicios y materiales requeridos para la instalación de un poste de distribución de 40 pies y su respectivo sistema de puesta a tierra, y con el propósito de hacer una comparación mucho más completa con relación a la situación actual y lo propuesto por este trabajo de investigación; se deben considerar los siguientes aspectos para el análisis de las opciones: • Disponer Servicios y Materiales requeridos para la Instalación de poste de Distribución de 40 pies para ambas opciones (actual y propuesta). • Requerir Servicios y Materiales para la Instalación de un sistema especial de Puesta a Tierra (3 varillas, conectores de cobre y alambre de cobre No. 4 AWG). • Considerar las situaciones en la que por causa de hurto o robo se deban reponer los materiales que conforman el Sistema de Puesta a Tierra (configuración normalizada tres varillas). Esta situación puede ocurrir en reiteradas ocasiones. Se muestra en la figura 7, los costos asociados para la instalación y adecuación de un poste de distribución a ser utilizado como sistema de puesta a tierra, y la comparación con los costos asociados a los materiales y servicios, utilizados en la actualidad para la instalación de un poste de distribución y sistema especial de puesta a tierra; evidencia una diferencia significativa sin contar el factor robo o hurto de los materiales de cobre. Una vez desprovisto de sistema de puesta a tierra a causa del hurto, la empresa de Electricidad debe reponer dichos materiales, con el objeto de garantizar niveles de confiabilidad y seguridad de sus instalaciones y equipos; de

esta forma la propuesta de usar el poste como electrodo y conductor de puesta a tierra resulta ser más económica. COMPARACIÓN ECONÓMICA SISTEMA PROPUESTO VS. SISTEMA ACTUAL

POSTE

INTS. POSTE

VARILLAS COOPERWEL 5/8x8 PLG

CONECTOR CABEZOTE DE 5/8 PLG

ALAMBRE CU BLANDO No. 4 AWG

CONECTOR CU 3/8 PLG P/ATERR.

INST. SISTEMA ESPECIAL DE TIERRA $450

[4] J. Velazco, J. Ramírez, M. Martínez, E. Da Silva, S. Dávila, "A Circuit Model for Grounding Systems Transients Response: Simple Electrode Configurations". 27th International Conference on Lightning Protection. ICLP' 2004. Avignon - Francia. [5] J. Ramírez, M. Martínez, J. Velazco, “Modelación de Sistemas de Puesta a Tierra, ante Descargas Atmosféricas: Configuraciones Electrodicas Simples”, Universidad Simón Bolívar”, décimo encuentro Regional Latinoamericano de la Cigré (X ERLAC), 2003, Paraguay.

$400

MICROBIOGRAFÍAS DE LOS AUTORES

$350

Gustavo García. Graduado de Ingeniero Electricista en la Universidad del Zulia en el 2001. Su experiencia profesional abarca el área de desarrollo de especificaciones técnicas de materiales y normas de construcción en sistemas de distribución eléctrica, participación en proyectos de investigación, pruebas de campo y de laboratorio en el área de materiales. En la actualidad se desempeña como ingeniero de Arquitectura de Red y Normalización en ENELDIS.

$300

$250

$200

$150

$100

$50

$0 SISTEMA DE

SISTEMA

SIST. ACTUAL

SIST. ACTUAL

SIST. ACTUAL

SIST. ACTUAL

SIST. ACTUAL

PUESTA A

ESPECIAL DE

DESPUES DE 1

DESPUES DE 2

DESPUES DE 3

DESPUES DE 4

DESPUES DE 5

TIERRA

PUESTA A

REPOS. DE

REPOS. DE

REPOS. DE

REPOS. DE

REPOS. DE

PROPUESTO

TIERRA ACTUAL

MATERIALES

MATERIALES

MATERIALES

MATERIALES

MATERIALES

ROBADOS

ROBADOS

ROBADOS

ROBADOS

ROBADOS

MATERIALES Y SERVICIOS

Figura 7. Análisis económico de la propuesta. 7. CONCLUSIONES Basado en los resultados obtenidos en esta investigación se concluye que la alternativa planteada de utilizar el poste como sistema de puesta a tierra cumple con los requisitos técnicos – económicos planteados como objetivo. Se llegó a la conclusión que con el sistema de puesta a tierra propuesto se puede obtener una impedancia menor o igual a 25 ohm, siempre y cuando los suelos donde se instala presente una resistividad del suelo no mayor a 70 ohm – mt. Se planteará realizar una prueba piloto a un número mayor de postes, en especial cuando se presente un nuevo desarrollo de distribución en la zona así como evaluar el efecto de la corrosión. REFERENCIAS [1] Código Eléctrico Nacional, COVENIN 200, Codelectra, 1999. [2] Código Nacional de Seguridad en Instalaciones de Suministro de Energía Eléctrica y de Comunicaciones, Codelectra, 1976. [3] Gustavo Gonzáles, “Hurto de Materiales y Equipos en las Redes e Distribución de las Empresas Eléctricas”, Noviembre 2003.

María Delgado. Graduada de Ingeniero Electricista en la Universidad del Zulia en 1998. Se ha desempeñado en el área de planificación de redes de distribución y calidad de energía eléctrica. En la actualidad se desempeña como ingeniero conceptual en el área de ingeniería de mantenimiento de distribución en ENELDIS. Augusto Abreu. Graduado de Ingeniero Electricista en la Universidad Rafael Urdaneta en 1997. Su experiencia profesional abarca la planificación de redes de distribución y transmisión, calidad de energía eléctrica, estudios forenses de equipos de distribución, pruebas de campo y de laboratorio en el área de materiales. En la actualidad se desempeña como ingeniero conceptual en el área de ingeniería de mantenimiento de distribución en ENELDIS. Email: [email protected] José Fonseca. Graduado de Ingeniero Electricista en el Politécnico Santiago Mariño año 1998. Su experiencia profesional abarca el área de equipos de potencia y sistemas de protecciones, estudios de ingeniería forense de equipos de transmisión y planificación de mantenimiento de transmisión. En la actualidad se desempeña como ingeniero de mantenimiento de transmisión en la empresa ENELDIS.