WO2008096024A1 - Método de simulación y diseño de instalaciones de puesta a tierra - Google Patents

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WO2008096024A1
WO2008096024A1 PCT/ES2008/000060 ES2008000060W WO2008096024A1 WO 2008096024 A1 WO2008096024 A1 WO 2008096024A1 ES 2008000060 W ES2008000060 W ES 2008000060W WO 2008096024 A1 WO2008096024 A1 WO 2008096024A1
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mesh
electrical
point
grounding
values
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PCT/ES2008/000060
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Inventor
Antonio Fernandez Otero
Evaristo Gomez Cochon
Jose Angel Alonso Guerreiro
Gonzalo Martinez Pereira
Ramon Guillan Rodriguez
Gabriel Rodriguez Vidal
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Applus Norcontrol, S.L.U.
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02G—INSTALLATION OF ELECTRIC CABLES OR LINES, OR OF COMBINED OPTICAL AND ELECTRIC CABLES OR LINES
    • H02G13/00—Installations of lightning conductors; Fastening thereof to supporting structure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D80/00—Details, components or accessories not provided for in groups F03D1/00 - F03D17/00
    • F03D80/30—Lightning protection
    • H—ELECTRICITY
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    • H02G—INSTALLATION OF ELECTRIC CABLES OR LINES, OR OF COMBINED OPTICAL AND ELECTRIC CABLES OR LINES
    • H02G13/00—Installations of lightning conductors; Fastening thereof to supporting structure
    • H02G13/60—Detecting; Measuring; Sensing; Testing; Simulating
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the present invention relates to a method for the simulation and design of grounding facilities, preferably those of a wind farm, which allows modeling a geoelectric map of the land where the wind farm is to be implanted (indicating the potential profile that appear on the ground in the event of a ground fault), as well as determine the parameters that define the grounding facilities for all the equipment for generating and / or distributing electrical energy that are part of it: wind turbines, transformation centers, power lines, transformer substations and buildings.
  • Wind energy is an important pillar in current and future energy development, leading to a strong implementation of this type of renewable energy in our country.
  • This implementation in addition to being carried out at the level of electrical energy production, has also been carried out in the auxiliary and component manufacturing industry.
  • UNESA Electricity Industry
  • Howe method see the publication "Method of calculation and project of grounding facilities for transformation centers connected to third category networks” of UNESA Madrid, 1989.
  • This method which essentially analyzes the behavior of an electrode dissipating an intensity in an infinite and homogeneous medium, assuming that the linear dissipation current is constant throughout the electrode and equal to the total dissipated current divided by the total length of the conductor, applies conservative approximations and calculations because the equations that determine and define the grounding circuit are not linear equations.
  • the Laurent Method does not take into account the length of the peaks coupled to the mesh, so that the results are somewhat conservative and give the electrode total resistance values of lands that are too high.
  • R 12 R n - 0.132 ⁇ -
  • A Area of the mesh, occupied by all the peaks that form the electrode.
  • R 22 Earth resistance of "n” electrodes of single pikes, associated in parallel.
  • R 12 Resistance of mutual coupling of the association of spades and mesh.
  • the design that results from the calculations made provides a closed geometry in terms of its modification, giving rise to configurations in which the drivers are distributed equally and allowing little flexibility, since it is only possible to "play" by varying the size of the grid squares in order to improve the grounding conditions.
  • the results obtained with the traditional methods are limited to expressing, as the sole objective, to reach a certain resistance value of total grounding and a contact and step voltage without meeting other criteria.
  • such results do not facilitate the detection of possible critical points that, depending on the case, allow specific measures to be taken instead of implying a redesign of the general land network.
  • the design of a grounding installation it is essential to have a geoelectric vision of the distribution of potentials of the land, but the existing methods do not allow to easily obtain such geoelectric modeling of the land where the grounding installation that is to be located is to be located. try.
  • the invention described here comes to solve the problem described above, in each and every one of the different aspects mentioned, constituting a method of simulation and design of grounding facilities, especially applicable in the design of park facilities wind turbines, to allow an optimum way, both economically and in terms of the safe operation of electrical equipment, to configure and reconfigure in different simulations, with the ultimate purpose of implementing the most appropriate, a grid land for wind turbines, centers of transformation, power lines, transformer substations and park buildings.
  • the method of simulation and design of grounding facilities described here from one of a series of measures (measurement of resistivities) in the future location of the facilities and other calculation variables, measuring in different parts of the park wind resistivities that give an idea of the value to be taken for the calculation, allows to obtain a distribution in three dimensions (3D) of the potentials on the surface of the land where the earth installation is.
  • 3D three dimensions
  • this method allows to configure a mesh of points that represent intersections of a plurality of conductors that form a grounding network on a site of a grounding installation that comprises at least one electrical substation, defining each point at least by Cartesian coordinates in the XYZ space and a current intensity value to the ground for the mesh.
  • the earth mesh can incorporate a plurality of spades, each electrode constituting an electrode. All the spades together with the mesh constitute the grounding of the substation.
  • the method described here basically comprises the following phases:
  • some input variables to a graphical interface that include: on the one hand, some measurements carried out in the field on the resistivities in the place of location where the substation and the wind turbines have to be located, taking at each measurement point (within the area that the substation will occupy) the resistivity values that are obtained for each separation of the measuring electrodes (1, 2, 5, 10, 15, 20, ... meters between pikes); on the other hand, the values of environmental parameters of the terrain such as humidity and temperature are also measured and entered.
  • Field measurement is a phase prior to the simulation and design method (therefore, outside the scope of this invention) that can be performed by known methods such as Wenner's or Schlumberger's method.
  • the simulation and design method that is recommended allows to introduce, for each measurement point (preferably measurements are taken at a number of points much smaller than the total that are the points of intersection of the conductors of the mesh), one or more values of resistivity together with the distance of spacing between spades, providing that it is not always possible to separate the spades the same distance.
  • the introduction of this data for each and every one of the points with which the mesh is configured can be done, for example, by means of a form filling in the fields of a table.
  • the graphic interface data that determine geometric and electrical characteristics of the electrical substation, such as the dimensions of said substation, and may optionally include the geometric configuration (square, rectangular or other plant configurations of the substation) , as well as design criteria provided by the entity that owns said electrical substation that give values of electrical parameters such as the clearance time of defect or lack in the substation;
  • Other options of said electrical design parameters are: nominal voltage of the substation, maximum expected short-circuit current intensity in bars, surface resistivity of the materials, section of the material of the conductors, maximum temperature of the grounded conductor, burial depth of the driver.
  • K and q are constants that are defined in the high voltage regulation whose value depends on the time (t) that lasts a fault or defect in the substation, being established that:
  • t duration of the fault (seconds)
  • Rp surface resistivity of each point of the grid or grounding network
  • Rp ' surface resistivity outside the mesh.
  • the maximum values of V c , V P and V A are obtained by applying the surface resistivity p s of the ground (measured in ⁇ m) in the previous expressions:
  • the maximum contact and step voltages are considered, both inside and outside the substation.
  • the voltage or potential V A is Ia access passage voltage, that is, the voltage that appears between the feet of a person who accesses the substation when he has one foot inside the substation (with resistivity Rp) and the other foot outside it.
  • the method described can calculate other parameters that allow the design of the land network, such as geometric parameters of the grounding network and the total grounding resistance of the designed network.
  • geometric parameters of the grounding network and the total grounding resistance of the designed network are possible geometric parameters that the method can establish to verify, in the simulation of the defined point mesh, the adequacy of certain values to the real needs.
  • A Conductor section (in mm 2 ), for example, of copper.
  • I Maximum intensity of ground fault (in Amps), whose value can be provided by the entity that owns the substation.
  • the input variable I represents the most unfavorable fault intensity that circulates through the installation in the event of a short circuit and is a known electrical characteristic of the substation, which in turn depends on the characteristics of the installation and its interconnection point (its value is therefore a function of the type of installation, but its calculation falls outside the scope of this invention).
  • Tm maximum temperature of the material of the conductors (at 0 C)
  • the method includes in the simulation other parameters geometric of the earthing network: burial depth, length and section of the spades. For this, it is tested with a series of standard pikes that are usually used (2 or 5 meter peaks with a diameter of 14 millimeters) and, if with these pikes it is not enough, perforations of the necessary length are made in which introduces bare copper conductor (as if it were a pica). The length of the perforation is varied little by little until the design conditions are met.
  • the method can with all these geometric parameters of the earthing network build a sketch with the geometric distribution of the conductors determining the distance between them, which can subsequently serve the designer as an execution plane when finally installing the network designed, with the parameters chosen from the results of one or several simulations.
  • a geoelectric map of the land can be constructed that shows in three dimensions the distribution of the potentials in the land surface in each point of the simulation, also in respective three-dimensional graphs indicates the contact potentials (V c ) and the maximum potential differences of each point with respect to the points separated by a certain distance, allowing to see also which points are exceeding a voltage of step (V P ) given and represented by a plane in this 3D space.
  • the obtaining of the output variables is carried out with the corresponding expressed formulas that constitute a model based on the theory of circuits that allows analyzing the behavior of any earthing network and calculating the values of currents and potentials at any point inside and outside of the own network, before any regime of stationary operation.
  • This model is based on the construction of an electrical circuit that faithfully represents the electrical behavior of the earthing network.
  • This circuit can be called "Equivalent circuit of the earthing network" and is generally formed by resistive, inductive and capacitive elements connected together in an appropriate manner, whose values are determined from the physical characteristics of the circuit.
  • the earth resistance and, therefore, the earth potential depend almost exclusively on the area covered by an electrode. Therefore, for this purpose the number of conductors used is almost indifferent, provided that the same surface is covered. If a mesh with fewer conductors were configured, keeping them equally spaced, the contact potentials would increase significantly.
  • the mesh or grounding network designed by a traditional method is therefore always regular, since all its conductors are equally spaced. Defining a compression coefficient (c), 0 ⁇ c ⁇ 1, which indicates the degree of concentration of conductors in the peripheral area of the land network, the traditional design gives a mesh with compression coefficient equal to the unit.
  • the method of the invention allows the design of the earth mesh with a variable spacing, concentrating the conductors more on the periphery, that is, varying the compression coefficient c and being c ⁇ 1, so that contact potentials are achieved similar and even inferior, with considerable material savings.
  • the model proposed here unlike other methodologies based on circuit theory or on the equations of the transmission line, takes into account all the resistive, inductive and capacitive couplings existing between the different conductors that constitute the network of conductors .
  • the internal resistance and inductance of the conductors which are calculated considering their dependence with the frequency of the current (Skin effect), are also not neglected.
  • this invention offers an environment that allows input variables to be introduced in a comfortable and simple way, which in turn provides the results in an understandable and intuitive way.
  • the proposed model requires as input variables a series of dot matrices that represent the intersections of the different conductors of the ground network, together with the start and end points of each conductor, as well as for each of these points You have to know the XYZ coordinates and, to all this, you have to add a list with all the conductors, between which nodes they are and their corresponding series of electrical parameters, the friendly environment of a graphical interface is essential to introduce the designs of The earth mesh.
  • each of the elementary conductors is modeled as a branch consisting of resistive and inductive elements in series.
  • the resistive component represents the internal ohmic resistance of each conductor.
  • the inductive components correspond to the internal and external own inductance that the conductors present when they are traveled by variable currents and with the mutual inductances between each two conductors.
  • [u] is an array of potential means of each branch of the equivalent circuit
  • [/] is a matrix of intensities of a longitudinal current in each branch of the equivalent circuit, which represents the current that drains the grounding network to the surrounding terrain.
  • each elementary conductor remains in which the grounding network modeled by an equivalent circuit in ⁇ is subdivided, with resistors and inductances in series and conductances and capacities in parallel.
  • the Image Method can be applied, which consists in replacing the non-conductive medium with the images with respect to the ground of the conductors that form the network of conductors., Allowing to analyze the problem as if of a single infinite medium and homogeneous it was.
  • the present method of simulation and design of grounding installations is a considerable improvement because it is based on iterative calculations that give a more exact solution, obtaining more economical models in its execution and more precise from the point of security view.
  • the method object of the invention allows mesh modifications to be carried out in many different ways, so that it meets the design criteria without having to vary all its geometry, thus obtaining an efficient grounding network with low cost: - The density of ground conductors can be varied.
  • the separation of conductors can be varied by concentrating them more on the edges and less in the center.
  • the new method described obtains a 3D view of the distribution of potentials on the surface of the land, for what is known
  • Figure 1. Shows a graphic representation of a grounding mesh for a wind farm specified according to the simulation and design method object of the invention, according to a possible embodiment.
  • Figure 2. Shows a profile of resistivities measured at the points of the location of wind turbines in the wind farm.
  • Figure 3. Shows a profile of resistivities measured at the points of the location of an electrical substation of the wind farm.
  • Figure 4. Shows a geoelectric map of the terrain that graphically represents in three dimensions a distribution of the tensions on the surface of the terrain at each point by a traditional design method.
  • Figure 5. Shows a geoelectric map of the terrain that graphically represents in three dimensions a distribution of the tensions on the surface of the terrain at each point, by the design method object of the invention.
  • Figure 6. Shows a three-dimensional graph of the distribution of contact voltages at each point obtained for another possible example of a network simulated by the design method object of the invention.
  • Figure 7. Shows a three-dimensional graph of the distribution of the tensions on the surface of the land at each point obtained for another possible example of a network simulated by the design method object of the invention.
  • Figure 8. Shows a three-dimensional graph of the distribution of the differences in maximum tensions at each point and of the admissible step voltage, obtained for another possible example of a simulated network by the design method object of the invention.
  • the four electrodes are placed in a straight line and at the same penetration depth, depending on the resistivity measurements of the distance between electrodes and the resistivity of the ground, but, on the contrary, they do not depend appreciably on the size and material of the electrodes , although they do depend on the kind of contact that is made with the earth.
  • the designer first, through the graphic interface that is used in this method, makes the specification of the objective grounding network, configuring the number of conductors, represented in respective XY Cartesian coordinate axes, according to an essentially rectangular geometry and specifying width, length and depth by default of said mesh.
  • a perimeter can be specified around the mesh that it is desired to include in the simulation defining an outer mesh.
  • the method makes a representation of all the points or nodes, separation segments between them and their length, relative to the mesh itself, the outer mesh and the spades, such as It is shown in Figure 1, where the black line mesh and the outer mesh with thicker lines have been drawn, although in reality they can be distinguished in the graphic interface using different colors for the different meshes, pikes and new segments.
  • Voltage levels existing in the installation high voltage and medium voltage.
  • the resulting ground installation for The substation would be formed by a regular grid of 11x16 grids, formed by 12x17 conductors.
  • the traditional design is based on a network of interconnected horizontal conductors, forming the grounding mesh, where the grounding resistance is almost exclusively dependent on the area covered. This grounding mesh covers 28 x 42 m, complemented by an outer perimeter ring at 1.5 meters and 4 holes of 80 meters separated 100 m from each other.
  • the maximum defect potential acquired by the land network is 6040 V, giving rise to a maximum contact potential of 376 V, which is obtained at an outside point in the vicinity of a corner of the fence.
  • Figure 4 the results obtained with this traditional method are visualized.
  • Figure 5 shows the distribution of contact potential obtained by applying the method object of the invention, which allows the number of conductors that configure the phase to be progressively decreased.
  • the method of the invention modifies the geometry of the grounding mesh by compressing the conductors in the outermost parts of said mesh and less in the center. In this process of adjusting the compression coefficient, conductors can be eliminated, so that material and execution costs are saved, while also complying with the regulations regarding the passage and contact voltages.
  • Table 3 Comparison of the contact potential values obtained for the earthing network according to the traditional model v according to the optimized model of the invention
  • the design executed according to the optimized model of the invention represents a significant saving in the execution of the land network, either in rocky terrain or on land. In this case the savings approach 50% of the total cost.
  • this method can build a geoelectric map of the land that presents in three dimensions the distribution of the absolute potentials at each point, as illustrated in Figure 7, and in another graph, shown in Figure 8, the map shows the maximum potential differences for each point with respect to separate points, for example a distance of 1 m with the contact potential, representing in that same graph a plane with the permissible passage potential to distinguish at a glance the points of the network that exceed it.

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Abstract

Este método es de especial aplicación en parques eólicos, configurando una malla de puntos intersección de los conductores que forman la red de tierras en el terreno de la instalación. Cada punto se define por unas coordenadas XYZ y una intensidad a tierra, la malla puede incorporar múltiples picas. El método de simulación y diseño permite en una interfaz gráfica: - introducir al menos un valor de resistividad para cada punto, una distancia de separación entre picas y unos valores de parámetros medioambientales del terreno, medidos en dicho terreno; - introducir unos valores de parámetros geométricos y eléctricos de la subestación; - calcular como variables eléctricas de salida al menos unos valores de tensión de contacto, tensión de paso y tensión de acceso para cada punto; - construir un mapa geoeléctrico del terreno determinado por la distribución de las variables eléctricas de salida en cada punto de la malla.

Description

MÉTODO DE SIMULACIÓN Y DISEÑO DE INSTALACIONES DE PUESTA
A TIERRA
D E S C R I P C I Ó N
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un método para Ia simulación y el diseño de instalaciones de puesta a tierra, preferentemente las de un parque eólico, que permite modelar un mapa geoeléctrico del terreno donde se desea implantar el parque eólico (que indica el perfil de potenciales que aparecen en el terreno ante una falta a tierra), así como determinar los parámetros que definen las instalaciones de puesta a tierra para todos los equipos de generación y/o distribución de energía eléctrica que forman parte del mismo: aerogeneradores, centros de transformación, líneas eléctricas, subestaciones transformadoras y edificios.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
La energía eólica constituye un pilar importante en el desarrollo energético actual y futuro, dando lugar a una fuerte implantación de este tipo de energía renovable en nuestro país. Esta implantación además de realizarse a nivel de producción de energía eléctrica se ha realizado también en Ia industria auxiliar y de fabricación de componentes.
Hasta Ia fecha, prácticamente todos los procesos de diseño de las instalaciones de los parques eólicos se basan en cálculos independientes de los diferentes elementos eléctricos que se unen, de manera que se obtiene una puesta a tierra común, con Ia que se garantiza, por un lado, en Ia mayoría de los casos, el cumplimiento de los requisitos legales del Reglamento sobre Condiciones Técnicas y Garantías de Seguridad en Centrales Eléctricas, Subestaciones y Centros de Transformación (RCE) así como de sus instrucciones técnicas complementarias (MIE-RAT) y, por el otro lado, se asegura el funcionamiento operativo de Ia propia instalación.
Estos criterios actuales de diseño se basan en recomendaciones y criterios dictados por Ia Asociación Española de Ia
Industria Eléctrica (UNESA), que se fundamentan en el método de Howe (ver Ia publicación "Método de cálculo y proyecto de instalaciones de puesta a tierra para centros de transformación conectados a redes de tercera categoría" de UNESA Madrid, 1989). Este método, que esencialmente analiza el comportamiento de un electrodo disipando una intensidad en un medio infinito y homogéneo, suponiendo que Ia corriente de disipación lineal es constante en todo el electrodo e igual a Ia corriente total disipada dividida por Ia longitud total del conductor, aplica aproximaciones y cálculos conservadores debido a que las ecuaciones que determinan y definen el circuito de puesta a tierra no son ecuaciones lineales.
Más concretamente, se exponen a continuación las ecuaciones empleadas para el cálculo de las resistencias de tierra para electrodos de malla con picas incorporadas, según dos métodos conocidos: el Método de Laurent aplicado por el Reglamento eléctrico y otro denominado Método de Schwarz que constituye un cálculo más simplificado y de fácil aplicación (ver el artículo "Analytical Expressions for the Resistance of Grounding Systems" del autor S. J. Schwarz en Ia revista AIEE Trans., páginas 1011-1016, Volumen 73, Pt IMB, Agosto 1954).
La fórmula de Laurent utilizada por el Reglamento eléctrico para el cálculo de mallas con picas, se expresa como sigue:
Rr = ^ + ? Ar L siendo:
Rτ = Resistencia total del electrodo de tierras A = Área de Ia malla L = Longitud total de Ia malla r = Radio del conductor
Figure imgf000005_0001
El Método de Laurent no tiene en cuenta Ia longitud de las picas acopladas a Ia malla, por Io que los resultados son un tanto conservadores y da unos valores de resistencia total del electrodo de tierras demasiado altos.
Para electrodos de malla usuales, las fórmulas de Schwarz se simplifican, de modo que asumiendo una malla con forma cuadrada, un conductor enterrado de radio r = 8 mm, una profundidad de enterramiento media de 80 cm con unas picas de longitud unitaria Lp = 3m y diámetro d =
19 mm, Ia resistencia total del electrodo de tierras se calcula mediante las siguientes expresiones simplificadas:
κτ = RnR22 - Rn
Rn + R22 - 2R12
donde:
Figure imgf000005_0002
R12 = Rn - 0,132^-
siendo: A = Área de Ia malla, ocupada por todas las picas que forman el electrodo.
L = Longitud total de los conductores de Ia malla n = Número total de picas φ = Resistividad del terreno Rτ = Resistencia total del electrodo de tierras
R11 = Resistencia de una malla sola
R22 = Resistencia de tierra de "n" electrodos de picas solas ¡guales, asociadas en paralelo. R12 = Resistencia de acoplamiento mutuo de Ia asociación de picas y malla.
La mayor parte de los electrodos de malla llevan asociadas picas. La resistencia total es inferior a Ia de cada uno de los componentes, considerados separadamente. Lo que el diseñador técnico debe comprobar es el número de picas a introducir, ya que su montaje suele ser un coste adicional elevado.
En efecto, a Ia vista de las ecuaciones expresadas anteriormente, se comprueba que los procedimientos actuales de cálculo y diseño de Ia red de puesta a tierra para subestaciones se basan en desarrollos teóricos harto laboriosos, que además pretenden proporcionar un resultado exacto basándose en métodos teóricos con aproximaciones en casos muy groseras para facilitar el cálculo y empleando factores de seguridad elevados.
Ninguno de los procedimientos existentes se basan en métodos iterativos que determinen por si mismos Ia solución más precisa, bien sea desde el punto de vista económico o desde el de Ia seguridad.
Hoy en día, es deseable emplear métodos de solución iterativos, que hace 30 años no eran nada fáciles de resolver de una manera efectiva y práctica, pero con el desarrollo de Ia tecnología informática ya no se da Ia limitación anterior, por Io que se hace necesario revisar las recomendaciones UNESA para aplicar modelos más exactos.
Por otra parte, el diseño que resulta de los cálculos efectuados proporciona una geometría cerrada en cuanto a su modificación, dando lugar a configuraciones en las que los conductores se reparten de forma equiespaciada y permitiendo poca flexibilidad, puesto que únicamente es posible "jugar" variando el tamaño de las cuadriculas de Ia malla con el fin de mejorar las condiciones de puesta a tierra. Asimismo, los resultados obtenidos con los métodos tradicionales se limitan a expresar, como único objetivo, alcanzar un determinado valor de resistencia de puesta a tierra total y una tensión de contacto y de paso sin atender a otros criterios. Aparte, tales resultados no facilitan Ia detección de posibles puntos críticos que, según el caso, permitan tomar medidas puntuales en vez de implicar un rediseño de Ia red de tierras general. En el diseño de una instalación de puesta a tierra es fundamental disponer de una visión geoeléctrica del reparto de potenciales del terreno, pero los métodos existentes no permiten obtener fácilmente tal modelado geoeléctrico del terreno donde se ha de emplazar Ia instalación de puesta a tierra que se trate.
En el caso particular del diseño de las instalaciones de puesta a tierra de un parque eólico, hay que considerar además que el parque presenta particularidades o características que los diferencian de otras instalaciones eléctricas, tales como pueden ser Ia distribución geográfica de los centros de producción de energía y sus puestas a tierra, las resistividades relativamente altas de los terrenos donde habitualmente se ubican las instalaciones, etc. Es por todo ello, que se considera de mucha utilidad y aplicación Ia elaboración de un mapa geoeléctrico del terreno donde se va a implantar el parque eólico..
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La invención que aquí se describe viene a resolver Ia problemática anteriormente expuesta, en todos y cada uno de los diferentes aspectos comentados, constituyendo un método de simulación y diseño de instalaciones de puesta a tierra, especialmente de aplicación en el diseño de las instalaciones de parques eólicos, para permitir de una forma óptima, tanto desde el punto de vista económico como en Io referente al funcionamiento seguro de los equipos eléctricos, configurar y reconfigurar en distintas simulaciones, con Ia finalidad última de implantar Ia más adecuada, una red de puesta a tierra para los aerogeneradores, centros de transformación, líneas eléctricas, subestaciones transformadoras y edificios del parque.
El método de simulación y diseño de instalaciones de puesta a tierra que aquí se describe, a partir de una de una serie de medidas (medida de resistividades) en Ia futura ubicación de Ia instalaciones y otras variables de cálculo, midiendo en diferentes lugares del parque eólico las resistividades que dan una idea del valor que hay que tomar para el cálculo, permite obtener una distribución en tres dimensiones (3D) de los potenciales en Ia superficie del terreno donde está Ia instalación de tierra. Además y opcionalmente, con Ia información que se obtiene del estudio de las resistividades se puede generar un mapa con las características eléctricas del terreno.
En concreto, este método permite configurar una malla de puntos que representan intersecciones de una pluralidad de conductores que forman una red de puesta a tierra en un terreno de emplazamiento de una instalación de puesta a tierra que comprende al menos una subestación eléctrica, definiendo cada punto al menos por unas coordenadas cartesianas en el espacio XYZ y un valor de intensidad de corriente a tierra para Ia malla. La malla de tierra puede incorporar una pluralidad de picas, constituyendo cada pica un electrodo. La totalidad de picas junto con Ia malla constituyen Ia puesta a tierra de Ia subestación. El método que aquí se describe comprende básicamente las siguientes fases:
- Introducir unas variables de entrada a una interfaz gráfica que comprenden: por un lado, unas medidas efectuadas en campo sobre las resistividades en el lugar de emplazamiento donde se han de ubicar Ia subestación y los aerogeneradores, tomando en cada punto de medida (dentro del área que ocupará Ia subestación) los valores de resistividad que se obtienen para cada separación de los electrodos de medida (1 , 2 ,5, 10, 15, 20, ...metros entre picas),; por otro lado, también se miden e introducen los valores de parámetros medioambientales del terreno tales como humedad y temperatura. La medición en campo es una fase previa al método de simulación y diseño (por tanto, fuera del alcance de esta invención) que puede realizarse por métodos conocidos tales como el de Wenner o el método de Schlumberger. El método de simulación y diseño que se preconiza permite introducir, para cada punto de medida (preferiblemente se toman medidas en un número de puntos mucho menor que el total que son los puntos de intersección de los conductores de Ia malla), uno o más valores de resistividad junto con Ia distancia de separación entre picas, previendo que no siempre se va a poder separar las picas una misma distancia. La introducción de estos datos para todos y cada uno de los puntos con los que se configura Ia malla puede hacerse, por ejemplo, mediante un formulario rellenando los campos de una tabla.
- Introducir también como variables de entrada a Ia interfaz gráfica datos que determinan características geométricas y eléctricas de Ia subestación eléctrica, tales como las dimensiones de dicha subestación, pudiendo incluir opcionalmente Ia configuración geométrica (cuadrada, rectangular u otras configuraciones de planta de Ia subestación), así como criterios de diseño facilitados por Ia entidad propietaria de dicha subestación eléctrica que dan unos valores de parámetros eléctricos tales como el tiempo de despeje de defecto o falta en Ia subestación; otras opciones de dichos parámetros eléctricos de diseño son: tensión nominal de Ia subestación, intensidad de corriente de cortocircuito máxima prevista en barras, resistividad superficial de los materiales, sección del material de los conductores, temperatura máxima del conductor puesto a tierra, profundidad de enterramiento del conductor.
- Calcular a partir de las variables de entrada unas variables eléctricas de salida que comprenden unos valores de tensión en Ia superficie del terreno, definida como Ia tensión que aparece entre Ia superficie del terreno y un punto de referencia de potencial cero -típicamente el infinito- (en definitiva Ia tensión absoluta en Ia superficie), unos valores de tensión de contacto (Vc). y de tensión de paso (VP). La instalación de puesta a tierra se diseña de manera que no se superen unos determinados valores máximos de tensión de contacto (Vc) y de tensión de paso (VP), así como un valor máximo de tensión de acceso (VA) para cada punto, pudiendo calcular los valores admisibles y/o máximos de tales potenciales, aplicando respectivamente las siguientes expresiones:
K f + h5Rpλ t" { 1000 J
Figure imgf000010_0001
donde K y q son unas constantes que vienen definidas en el reglamento de alta tensión cuyo valor depende del tiempo (t) que dura una falta o defecto en Ia subestación, estando establecido que:
K=72 y q =1 para t < 0,9 segundos K=78,5 y q = 0,18 para 0,9 < t < 3 segundos t = duración de Ia falta (segundos)
Rp = resistividad superficial de cada punto de Ia malla o red de puesta a tierra
Rp' = resistividad superficial fuera de Ia malla. Los valores máximos de Vc, VP y VA se obtienen aplicando Ia resistividad superficial ps del terreno (medida en Ω m) en las anteriores expresiones:
Figure imgf000010_0002
Pmm t" { íoooj
Figure imgf000010_0003
donde: p's = Resistividad superficial del terreno fuera de Ia malla de puesta a tierra
(de Ia subestación).
Se consideran las máximas tensiones de contacto y de paso, tanto dentro como fuera de Ia subestación. La tensión o potencial VA es Ia tensión de paso de acceso, es decir, Ia tensión que aparece entre los pies de una persona que accede a Ia subestación cuando tiene un pie dentro de Ia subestación (con resistividad Rp) y el otro pie fuera de ella.
Adicionalmente, el método que se describe puede calcular otros parámetros que permiten el diseño de Ia red de tierras, como pueden ser parámetros geométricos de Ia red de puesta a tierra y Ia resistencia de puesta a tierra total de Ia red diseñada. Entre los posibles parámetros geométricos que el método puede establecer para comprobar, en Ia simulación de Ia malla de puntos definida, Ia adecuación de ciertos valores a las necesidades reales, está el cálculo de Ia sección del conductor (A), por ejemplo cobre, mediante Ia fórmula:
Figure imgf000011_0001
donde:
A = Sección del conductor (en mm2), por ejemplo, de cobre. I = Intensidad máxima de defecto a tierra (en Amperios), cuyo valor puede ser proporcionado por Ia entidad propietaria de Ia subestación. La variable de entrada I representa Ia intensidad de falta más desfavorable que circula por Ia instalación en caso de cortocircuito y es una característica eléctrica conocida de Ia subestación, que depende a su vez de las características de Ia instalación y de su punto de interconexión (su valor es función pues del tipo de instalación, pero su cálculo cae fuera del ámbito de esta invención). Tm = temperatura máxima del material de los conductores (en 0C) Ta = temperatura ambiente (en 0C) en el lugar del terreno t = tiempo de despeje de Ia falta en segundos.
En el caso más frecuente de diseño de instalaciones de puesta a tierra, es decir, que incorporan picas para las que se perfora el terreno, también puede interesar para decidir el diseño final de Ia instalación a implantar, que el método incluya en Ia simulación otros parámetros geométricos de Ia red de puesta a tierra: profundidad de enterramiento, longitud y sección de las picas. Para ello, se prueba con una serie de picas estándar que son las empleadas habitualmente (picas de 2 o 5 metros con diámetro de 14 milímetros) y, si con estas picas no es suficiente, se realizan perforaciones de Ia longitud necesaria en las que se introduce conductor de cobre desnudo (como si fuera una pica). La longitud de Ia perforación se va variando poco a poco hasta que se cumplen las condiciones de diseño.
El método puede con todos estos parámetros geométricos de Ia red de puesta a tierra construir un croquis con Ia distribución geométrica de los conductores determinando Ia distancia entre ellos, el cual puede servirle al diseñador ulteriormente como plano de ejecución a Ia hora de instalar finalmente Ia red diseñada, con los parámetros elegidos de los resultantes de una o varias simulaciones.
Con los valores de salida obtenidos, que son los potenciales de cada punto de Ia malla de tierra proporcionados por el algoritmo de cálculo, se puede construir un mapa geoeléctrico del terreno que muestra en tres dimensiones Ia distribución de los potenciales en Ia superficie del terreno en cada punto de Ia simulación, también en respectivas gráficas tridimensionales indica los potenciales de contacto (Vc) y las diferencias de potencial máximas de cada punto con respecto a los puntos separados en una determinada distancia, permitiendo ver además qué puntos están superando una tensión de paso (VP) dada y representada por un plano en este espacio 3D.
La obtención de las variables de salida se realiza con las correspondientes fórmulas expresadas que constituyen un modelo basado en Ia teoría de circuitos que permite analizar el comportamiento de cualquier red de puesta a tierra y calcular los valores de corrientes y potenciales en cualquier punto dentro y fuera de Ia propia red, ante cualquier régimen de funcionamiento estacionario. Este modelo se basa en Ia construcción de un circuito eléctrico que representa de manera fiel el comportamiento eléctrico de Ia red de puesta a tierra. A dicho circuito podemos denominarlo "Circuito equivalente de Ia red de puesta a tierra" y está generalmente formado por elementos resistivos, inductivos y capacitivos conectados entre sí de forma adecuada, cuyos valores se determinan a partir de las características físicas del circuito.
El análisis de dicho circuito equivalente de Ia red de puesta a tierra mediante métodos tradicionales proporciona Ia información necesaria acerca del funcionamiento de Ia red de puesta a tierra cuando es excitada por fuentes de corriente senoidal pura en uno o varios puntos.
Tal y como es bien conocido, Ia resistencia de tierra y, por tanto, el potencial de tierra dependen casi exclusivamente del área abarcada por un electrodo. Por Io tanto, a estos efectos es casi indiferente el número de conductores que se utilicen, siempre que se abarque Ia misma superficie. Si se configurara una malla con menos conductores, manteniéndolos equiespaciados, los potenciales de contacto se incrementarían notablemente. La malla o red de puesta a tierra diseñada por un método tradicional es pues siempre regular, ya que todos sus conductores están equiespaciados. Definiendo un coeficiente de compresión (c), 0 < c < 1 , que indica el grado de concentración de conductores en Ia zona periférica de Ia red de tierras, el diseño tradicional da una malla con coeficiente de compresión igual a Ia unidad.
El método de Ia invención, sin embargo, permite diseñar Ia malla de tierras con un espaciamiento variable, concentrando los conductores más en Ia periferia, es decir, variando el coeficiente de compresión c y siendo c < 1 , de forma que se logran potenciales de contacto similares e incluso inferiores, con un considerable ahorro de material.
El modelo que aquí se propone, a diferencia de otras metodologías basadas en Ia teoría de circuitos o en las ecuaciones de Ia línea de transmisión, tiene en cuenta todos los acoplamientos resistivos, inductivos y capacitivos existentes entre los diferentes conductores que constituyen Ia red de conductores. Además, tampoco se desprecian Ia resistencia e inductancia internas de los conductores, que son calculadas considerando su dependencia con Ia frecuencia de Ia corriente (efecto Skin). Para poder realizar este modelado de Ia red de tierras, esta invención ofrece un entorno que permite introducir las variables de entrada de una manera cómoda y sencilla, que a Ia par proporciona los resultados de forma comprensible e intuitiva. Puesto que el modelo propuesto precisa como variables de entrada una serie de matrices de puntos que representan las intersecciones de los distintos conductores de Ia red de tierra, junto con los puntos de inicio y fin de cada conductor, así como para cada uno de estos puntos tiene que conocer las coordenadas XYZ y, a todo esto, hay que añadir una lista con todos los conductores, entre que nodos se encuentran y su correspondiente serie de parámetros eléctricos, se hace imprescindible el entorno amigable de una interfaz gráfica para introducir los diseños de Ia malla de tierra.
Por ejemplo, en una malla simple de 10x10 conductores, con un método convencional de diseño se tendrían que definir 100 puntos con sus respectivas coordenadas XYZ y 180 conductores con sus nodos origen y final, que de forma manual resulta largo y tedioso aparte del riego a cometer errores en Ia introducción de los datos. Además de todo esto, hay que tener en cuenta que habría que realizar este proceso para cada malla que se quiera llevar a simulación. La malla de puesta a tierra que se considera para llevar a cabo los cálculos de las variables de salida está formada por un conjunto de conductores metálicos arbitrariamente orientados e interconectados entre si y se asume que dichos conductores elementales cumplen una serie de condiciones que permiten simplificar los cálculos: i) Se supone que los conductores elementales son rectilíneos. En caso de redes con conductores curvos, éstos serán aproximados por un número suficiente de conductores rectilíneos. ii) Los conductores son delgados, es decir, que el diámetro de los conductores debe ser mucho menor que su longitud. iii) La sección de los conductores es circular. En general se supone que los conductores utilizados son cilindricos, y en base a esta condición serán deducidas las expresiones para el cálculo de resistencia e inductancia internas ; sin embargo no existe ninguna dificultad en generalizar el resultado a conductores con otras formas.
Para construir un circuito eléctrico equivalente que modela el funcionamiento de Ia red de conductores, se establecen las expresiones necesarias para calcular los valores de los distintos elementos resistivos, inductivos y capacitivos que constituyen dicho circuito, en el que cada uno de los conductores elementales es modelado como una rama constituida por elementos resistivos e inductivos en serie. El componente resistivo representa Ia resistencia óhmica interna de cada conductor. Los componentes inductivos se corresponden con Ia inductancia propia interna y externa que presentan los conductores cuando son recorridos por corrientes variables y con las inductancias mutuas existentes entre cada dos conductores. Por otra parte, el flujo de comente que en cada elemento conductor fluye al entorno a través de su superficie, es modelado mediante dos fuentes iguales de corriente situadas en cada extremo y cada una de valor igual a Ia mitad de Ia corriente total drenada por el correspondiente elemento. Los valores de estas corrientes dependen de los potenciales medios de todas las ramas que constituyen Ia red de tierras, según una relación matricial de Ia forma: [I]= [G]-[U] donde LGJ es una matriz de coeficientes inductivos y capacitivos,
[u] es una matriz de potenciales medios de cada rama del circuito equivalente,
[/] es una matriz de intensidades de una corriente longitudinal en cada rama del circuito equivalente, que representa Ia corriente que drena Ia red de puesta a tierra al terreno circundante.
De esta manera, queda cada conductor elemental en que se subdivide Ia red de puesta a tierra modelado mediante un circuito equivalente en π, con resistencias e inductancias en serie y conductancias y capacidades en paralelo.
En al caso real más sencillo, existe un medio conductor semi- infinito que es Ia tierra, separado por un plano de otro medio no conductor semi-infinito que es el aire. A efectos prácticos se supone que el semi- espacio ocupado por el aire es y, por Io tanto sus características físicas serán constantes en todo él, considerando nula su conductividad eléctrica (σ a¡re = o) y que su permitividad coincide con Ia del vacío (εa¡re = ε0). El terreno, en cambio se considera un medio conductor e inicialmente se supone un modelo de suelo uniforme, con propiedades constantes en todo él. En estas condiciones, se puede aplicar el Método de las Imágenes, que consiste en sustituir el medio no conductor por las imágenes respecto al suelo de los conductores que forman Ia red de conductores., permitiendo analizar el problema como si de un único medio infinito y homogéneo se tratase.
No obstante, en los casos prácticos reales, los terrenos distan mucho de ser homogéneos, presentando en general irregularidades y heterogeneidades difícilmente predecibles. El modelo aquí propuesto permite trabajar con casos reales, estratificando el terreno horizontalmente en dos capas, y simplemente aplicando en cada una el ya mencionado Método de las Imágenes. La existencia de dos planos de separación y, por Io tanto, de tres medios con distintas características provoca Ia aparición de infinitas imágenes obtenidas a partir de sucesivas reflexiones y refracciones que se producen entre dos planos. Por Io tanto, el potencial en cualquier punto debe ser calculado como superposición de los creados por todas y cada una de las infinitas imágenes. De esta forma, en el cálculo de los coeficientes de conductancia que forman Ia matriz [G] aparecen las sumas de unas series de infinitos términos que en general serán convergentes y que son calculadas mediante métodos iterativos de análisis numérico.
Por otro lado, una vez que se realizan todos los cálculos, tras una simulación, se obtienen otras matrices de salida en las que se indican los niveles de tensión en cada uno de los puntos y en Ia superficie del terreno entre otros parámetros de diseño. Las matrices resultantes por sí solas no proporcionan un resultado visual de los perfiles de tensiones, por Io que tales resultados no son manejables. En Ia fase de diseño hay que realizar multitud de modificaciones o reconfiguraciones sobre una primera malla de partida para hacer distintas simulaciones, Io que hace que Ia entrega pura y dura de los datos no sea útil como herramienta de diseño en sí misma. Por ello, este método también usa una interfaz gráfica para entregar a su salida unos perfiles de tensión en 3D que permiten comprobar con un simple vistazo si el diseño de Ia red es el más adecuado.
Mediante el algoritmo de cálculo (matrices y proceso iterativo) se obtienen los valores de tensión que aparecerían en Ia malla de puesta a tierra al circular por ella Ia corriente de falta y, a partir de esta matriz de salida, se construye el perfil 3D de las tensiones en Ia superficie del terreno, las tensiones de contacto y de paso para Ia malla que se ha diseñado. Si estos valores están por encima de Va, Vc ó Vp, se realizan modificaciones en Ia malla hasta ajustar que en ningún punto de Ia superficie de Ia misma se superen los valores máximos de Vc, Va o Vp. El algoritmo de cálculo a partir de las variables de entrada
(resistividad, resistencia del conductor de cobre de Ia malla, de las características geométricas de Ia malla,...) genera una matriz a Ia que Ie aplica unos determinados cálculos eléctricos obteniendo otra matriz de salida que proporciona Ia tensión que aparece en cada punto de Ia malla. Esta malla de salida es Ia que se utiliza para realizar Ia representación 3D de las diferentes tensiones.
Frente a los métodos existentes, el presente método de simulación y diseño de instalaciones de puesta a tierra supone una considerable mejora porque se basa en cálculos iterativos que dan una solución más exacta, obteniendo modelos más económicos en su ejecución y más precisos desde el punto de vista de Ia seguridad.
Otro inconveniente del diseño que resulta de los cálculos efectuados mediante el método tradicional, como se comentó en los antecedentes de Ia invención, es que da una geometría cerrada de Ia malla, dando lugar exclusivamente a configuraciones en las que los conductores se reparten de forma equiespaciada, donde sólo es posible cambiar el tamaño de las cuadriculas para intentar mejorar las condiciones de puesta a tierra. Por el contrario, el método objeto de Ia invención permite realizar modificaciones de malla de muy diversas maneras, para que cumpla los criterios de diseño sin necesidad de tener que variar toda su geometría, obteniendo así una red de puesta a tierra eficiente con bajo coste: - Se puede variar Ia densidad de conductores de tierra.
- Se puede variar Ia separación de conductores concentrándolos más en los bordes y menos en el centro.
- Realizar modificaciones puntuales en aquellos puntos donde no se cumplen los criterios de diseño, añadiendo conductores, variando Ia profundidad de enterramiento, variando Ia geometría, etc..
Al mismo tiempo, mientras que los resultados obtenidos con un método tradicional se restringen al establecimiento de un determinado valor de resistencia de puesta a tierra y una tensión de contacto total sin atender a otros criterios de diseño, el nuevo método descrito obtiene una visión 3D del reparto de potenciales en Ia superficie del terreno, por Io que se conoce
Ia tensión en cada punto en vez de un valor único de malla. Esto es una gran ventaja al permitir realizar modificaciones puntuales allí donde no se cumplen los criterios de diseño y tener localizados los puntos más peligrosos, a fin de poder tomar medidas adicionales para incrementar Ia seguridad allí donde se estime necesario.
Otras notables ventajas que aporta el método descrito al sector de Ia energía eólica son:
• Elaboración del mapa con el perfil de tensiones en el que se sitúa Ia instalación eólica Io cual repercute en un conocimiento más exacto de puntos peligrosos desde el punto de vista de Ia seguridad de las personas con el consiguiente avance en Ia verificación de las tensiones de paso y de contacto. Caracterizar el terreno del parque con un mapa geoeléctrico en 3D, permite prever posibles puntos críticos en cuanto a Ia seguridad de las personas y aplicar de una manera más eficiente los criterios de diseño de Ia instalación eléctrica.
• Optimización de Ia instalación de puesta a tierra desde el punto de vista de materiales (ahorro de cobre principalmente) y ejecución de Ia misma (tiempo de ejecución reducido con las ya existentes capacidades de procesamiento informático). Se logran mejoras en Ia eficiencia de construcción y montaje del parque eólico basadas en ahorros en Ia cantidad de material empleado para realizar Ia malla de puesta a tierra de entre un 20% y un 40% por un diseño óptimo de Ia malla de tierras. Este hecho da pié a abordar temas de normalización para el diseño de parques eólicos.
• Elaboración de un protocolo o procedimiento para comprobación práctica de los requisitos eléctricos referidos a Ia medida de las tensiones de paso y contacto (TPC) conforme con Ia legislación vigente, según un criterio que tiene en cuenta especialmente el diseño de Ia instalación de puesta a tierra con las particularidades del parque eólico.
• Mejora en las condiciones de explotación del parque eólico debido a un mejor conocimiento de Ia red de tierras, Io que redunda en una actuación más eficiente del sistema de protecciones de Ia instalación, satisfaciendo con garantías los requerimientos fundamentales de cualquier instalación de puesta a tierra de un sistema eléctrico: seguridad de las personas ante posibles fallos del sistema eléctrico y correcto funcionamiento de Ia instalación en su operación. El presente método otorga al diseñador un conocimiento más profundo de las condiciones de explotación del parque eólico con vistas a mejorar Ia selectividad de las protecciones eléctricas, ante fallos en el sistema o ante sobretensiones de maniobra y/o atmosféricas, e induce a perfeccionamientos en el diseño del resto de las instalaciones del resto del parque eólico y sus componentes.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar Ia descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado Io siguiente: Figura 1.- Muestra una representación gráfica de una malla de puesta a tierra para un parque eólico especificada según el método de simulación y diseño objeto de Ia invención, de acuerdo a una posible realización.
Figura 2.- Muestra un perfil de resistividades medidas en los puntos del terreno de ubicación de unos aerogeneradores del parque eólico.
Figura 3.- Muestra un perfil de resistividades medidas en los puntos del terreno de ubicación de una subestación eléctrica del parque eólico.
Figura 4.- Muestra un mapa geoeléctrico del terreno que representa gráficamente en tres dimensiones una distribución de las tensiones en Ia superficie del terreno en cada punto por un método de diseño tradicional. Figura 5.- Muestra un mapa geoeléctrico del terreno que representa gráficamente en tres dimensiones una distribución de las tensiones en Ia superficie del terreno en cada punto, por el método de diseño objeto de Ia invención.
Figura 6.- Muestra una gráfica tridimensional de Ia distribución de las tensiones de contacto en cada punto obtenidas para otro posible ejemplo de red simulada por el método de diseño objeto de Ia invención.
Figura 7.- Muestra una gráfica tridimensional de Ia distribución de las tensiones en Ia superficie del terreno en cada punto obtenidas para otro posible ejemplo de red simulada por el método de diseño objeto de Ia invención.
Figura 8.- Muestra una gráfica tridimensional de Ia distribución de las diferencias de tensiones máximas en cada punto y de Ia tensión de paso admisible, obtenidas para otro posible ejemplo de red simulada por el método de diseño objeto de Ia invención.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN Una realización práctica de Ia invención puede describirse en el siguiente ejemplo de simulación y diseño de las instalaciones de puesta a tierra de un parque eólico. En Ia planificación previa del parque en cuestión se han previsto 55 aerogeneradores con una potencia instalada cercana a 50 MW que vierte su potencia a una subestación de 66KV.
Para conocer Ia resistividad del terreno donde se planea ubicar las 55 máquinas y Ia subestación eléctrica, como fase previa al proyecto de Ia red de tierras de Ia instalación se han realizado las oportunas medidas de campo. Tales mediciones pueden, por ejemplo, llevarse a cabo con el conocido método Wenner que mide Ia resistividad del suelo mediante Ia inserción de cuatro electrodos en el suelo con espaciamientos entre electrodos de prueba cada vez mayores para obtener el perfil de resistividad en un punto dado. Por Io general, para cada espaciamiento se toman dos lecturas de resistividad en direcciones perpendiculares entre sí. Los cuatro electrodos se colocan en línea recta y a una misma profundidad de penetración, dependiendo las mediciones de resistividad de Ia distancia entre electrodos y de Ia resistividad del terreno, pero, por el contrario no dependen en forma apreciable del tamaño y del material de los electrodos, aunque sí dependen de Ia clase de contacto que se haga con Ia tierra. Estas medidas dan a conocer las características eléctricas del terreno y junto con los datos técnicos del parque, se inician los trabajos de diseño mediante el método objeto de esta invención.
El diseñador primeramente, a través de Ia interfaz gráfica que se utiliza en este método, realiza Ia especificación de Ia red de puesta a tierra objetivo, configurando el número de conductores, representados en respectivos ejes de coordenadas cartesianas XY, según una geometría esencialmente rectangular y especificando ancho, largo y profundidad por defecto de dicha malla. Además, puede especificarse un perímetro alrededor de Ia malla que se desea incluir en Ia simulación definiendo una malla exterior. Gráficamente, el método hace una representación de todos los puntos o nodos, segmentos de separación entre ellos y longitud de los mismos, relativos a Ia propia malla, a Ia malla exterior y a las picas, tal como se muestra en Ia Figura 1 , donde se ha dibujado Ia malla en línea negra y Ia malla exterior con líneas más gruesas, aunque en Ia realidad se pueden distinguir en Ia interfaz gráfica empleando diversos colores para las diferentes mallas, picas y nuevos segmentos. Para realizar Ia toma de datos de Ia resistividad del terreno, se efectúan unas cuantas medidas de Ia resistividad del terreno en una serie puntos del área que ha de ser ocupada por Ia subestación. Para ello en cada uno de los puntos escogidos (6 ó 7 dependiendo de las dimensiones y del espacio disponible para Ia subestación) se realiza Ia medida de Ia resistencia del terreno para cada separación de los electrodos de prueba
(que son 4): 1 , 2 ,5, 10, 15, 20, ...metros entre picas, con Io que al final se obtiene una correlación entre Ia medida realizada y cada separación de picas, pasando a obtener un valor de resistividad en función de Ia profundidad de terreno a través de Ia ecuación de Wenner. Normalmente, con estos 6 ó 7 ensayos se tiene definido un modelo de resistividad del terreno en el lugar de Ia futura instalación (un único valor de resistividad para el modelo de una capa o dos par el modelo de dos capas). Este valor es el utilizado como característico del terreno para el diseño de Ia malla de tierra. Tras Ia medida de resistividad en Ia ubicación de los 55 aerogeneradores y Ia subestación, se obtienen en este ejemplo práctico unos valores de resistividad para cada punto bastante elevados, del orden de 3000 Ω m, que se introducen en las simulaciones para cada distintas profundidades de picas. Las siguientes tablas indican respectivamente los valores medidos en un fuste para los aerogeneradores y en Ia subestación eléctrica según diversas distancias de separación de los electrodos de prueba, que se traducen en las respectivas gráficas de las Figuras 2 y 3. Tabla 1 : Medidas en un fuste en Ia ubicación de los aeroqeneradores
Figure imgf000023_0001
Tabla 2: Medidas en un fuste en Ia ubicación de Ia subestación transformadora
Figure imgf000023_0002
Para poder efectuar el diseño de Ia red de tierra es necesario conocer otros parámetros del parque como son:
Niveles de tensión existentes en Ia instalación: alta tensión y media tensión.
Corriente de cortocircuito
Tiempo de despeje de Ia falta Régimen de neutro Dimensiones de Ia subestación etc.
Con todas estas variables de entrada como criterios de diseño, se procede al diseño de Ia malla o red de tierra de Ia subestación y generadores.
Si el diseño de Ia red se efectúa según el modelo tradicional, es decir, con los conductores que conforman Ia red de tierras todos equiespeciados, para poder satisfacer los criterios de diseño y cumplir con Ia norma MIE-RAT13, Ia instalación de tierra resultante para Ia subestación estaría formada por una malla regular de 11x16 cuadrículas, formada por 12x17 conductores. El diseño tradicional se plantea en base a una red de conductores horizontales interconectados entre sí, conformando Ia malla de puesta a tierra, donde Ia resistencia de puesta a tierra es dependiente casi exclusivamente del área abarcada. Esta malla de puesta a tierra abarca 28 x 42 m, complementada con un anillo perimetral exterior a 1 ,5 metros y 4 perforaciones de 80 metros separadas 100 m entre sí. La malla de puesta a tierra diseñada por el método tradicional es regular, puesto que los conductores están uniformemente espaciados, es decir, el coeficiente de compresión c = 1.0. Toda Ia malla y el anillo perimetral exterior están realizados con conductor de cobre de 50 mm2 de sección enterrado a una profundidad mínima de 0.8 m. En cada aerogenerador se instala un electrodo de puesta a tierra constituido por un anillo de cable de cobre de 95 mm2 con un diámetro de 8 m, enterrado a 1 m de profundidad, complementados con dos picas verticales de 5 m. Los electrodos de todos los aerogeneradores y Ia subestación se unen entre sí mediante un cable de cobre desnudo de 50 mm2 enterrado en zanja. El máximo potencial de defecto que adquiere Ia red de tierras es de 6040 V, dando lugar a un potencial de contacto máximo de 376 V, que se obtiene en un punto exterior en las proximidades de una esquina de Ia valla. En Ia Figura 4, se visualizan los resultados obtenidos con este método tradicional. Para poder comparar resultados entre el método de diseño tradicional y el de Ia presente invención, se representa en Ia Figura 5 Ia distribución de potencial de contacto obtenida aplicando el método objeto de Ia invención, el cual permite disminuir progresivamente el número de conductores que configuran Ia malla de Ia subestación, variando su grado de compresión y manteniendo un cierto margen de seguridad. Se ha establecido como criterio de diseño Ia restricción de no superar el 50% de Ia tensión de contacto admisible que se cumple con una malla de 5x8 cuadrículas, formada por 6x9 conductores, con un coeficiente de compresión c=0.8. Al permitir variar este coeficiente, el método de Ia invención modifica Ia geometría de Ia malla de puesta a tierra comprimiendo los conductores en las partes más externas de dicha malla y menos en el centro. En este proceso de ajustar el coeficiente de compresión, se pueden ir eliminando conductores, por Io que se ahorra material y costes de ejecución, sin dejar de cumplir igualmente con el reglamento en cuanto a las tensiones de paso y contacto.
La siguiente tabla resume Ia comparativa.
Tabla 3: Comparación de los valores de potencial de contacto obtenidos para Ia red de puesta a tierra según el modelo tradicional v según el modelo optimizado de Ia invención
Figure imgf000025_0001
Reduciendo el número de conductores de Ia malla, que pasa de tener 12x17 a 6x9 conductores variando el coeficiente de compresión, se logran tensiones de contacto de 471 V frente a los 376V del diseño tradicional. La tensión de contacto máxima solamente aumenta en unos 100V con el diseño propuesto, pero Ia disminución del número de conductores casi al 50% supone un ahorro económico considerable sin merma de Ia seguridad de Ia instalación, conforme se expresa en Ia tabla siguiente:
Figure imgf000026_0002
Figure imgf000026_0001
Figure imgf000026_0003
Como se puede comprobar, el diseño ejecutado según el modelo optimizado de Ia invención supone un ahorro importante en Ia ejecución de Ia red de tierras, bien, sea en terreno rocoso o bien sobre tierra. En este caso los ahorros se aproximan a un 50% del coste total. En definitiva, se consigue diseñar una red de tierras con unas características técnicas muy aceptables, cumpliendo sobradamente los criterios de diseño y a Ia vez una reducción más que considerable en Ia inversión que hay que realizar para su ejecución real.
Aparte de los potenciales de contacto, tal como se representan para otro ejemplo de simulación en Ia Figura 6, este método puede construir un mapa geoeléctrico del terreno que presenta en tres dimensiones Ia distribución de los potenciales absolutos en cada punto, como se ilustra en Ia Figura 7, y en otra gráfica, mostrada en Ia Figura 8, el mapa muestra las diferencias de potencial máximas para cada punto con respecto a puntos separados por ejemplo una distancia de 1 m con el potencial de contacto, representando en esa misma gráfica un plano con el potencial de paso admisible para distinguir de un vistazo los puntos de Ia red que Io superan.
Los términos en que se ha redactado esta memoria deberán ser tomados siempre en sentido amplio y no limitativo. Algunas realizaciones preferibles de Ia invención se describen en las reivindicaciones dependientes que se incluyen seguidamente.

Claims

R E I V I N D I C A C I O N E S
1.- Método de simulación y diseño de instalaciones de puesta a tierra, especialmente de aplicación en parques eólicos, donde se configura una malla de puntos definidos por unas coordenadas cartesianas en el espacio que representan intersecciones de una pluralidad de conductores que forman una red de puesta a tierra, con un valor de intensidad de corriente a tierra, en un terreno de emplazamiento de una instalación de puesta a tierra que comprende al menos una subestación eléctrica e incorporando dicha malla una pluralidad de picas, caracterizado porque comprende las siguientes fases:
- introducir por medio de una interfaz gráfica al menos una distancia de separación entre picas (D), un valor de resistividad (Rp) al menos en un punto para cada separación de picas y unos valores de parámetros medioambientales del terreno, medidos en dicho terreno;
- introducir por medio de dicha interfaz gráfica unas dimensiones de Ia subestación eléctrica y unos valores de parámetros eléctricos de dicha subestación eléctrica;
- calcular unas variables eléctricas de salida que comprenden unos valores de tensión de contacto (Vc), tensión de paso (VP), tensión de acceso (VA) y tensión en Ia superficie del terreno para cada punto.
2.- Método según reivindicación 1 , caracterizado porque los parámetros medioambientales del terreno comprenden humedad y temperatura ambiente (Ta).
3.- Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los parámetros eléctricos de Ia subestación eléctrica comprenden una temperatura máxima del material de los conductores (Tm) y un tiempo de despeje de falta de Ia subestación eléctrica (t).
4.- Método según reivindicaciones 2 y 3, caracterizado porque los valores de tensión de contacto (Vc), tensión de paso (VP) y tensión de acceso (VA) máximas permitidas para cada punto se calculan respectivamente mediante las siguientes fórmulas: κ ( Jj£\ c tq { 1000 J
Figure imgf000029_0001
donde:
Rp es el valor de Ia resistividad superficial de cada punto de Ia malla de puesta a tierra, Rp' es el valor de Ia resistividad superficial fuera de Ia malla,
K y q son unas constantes cuyos valores están establecidos según sigue:
K=72 y q =1 cuando 0 < t < 0,9 K=78,5 y q = 0,18 cuando 0,9 < t < 3, expresando el tiempo de despeje de falta de Ia subestación eléctrica (t) en segundos.
5.- Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los parámetros eléctricos de Ia subestación eléctrica comprenden una intensidad máxima de defecto a tierra (I) de Ia subestación y Ia fase de cálculo de las variables de salida adicionalmente comprende:
- calcular un parámetro geométrico de Ia red de puesta a tierra que se selecciona entre sección del conductor, sección de las picas, longitud de las picas y profundidad de las picas.
6.- Método según reivindicaciones 2, 3 y 5, caracterizado porque Ia sección del conductor (A) se calcula mediante Ia fórmula:
Figure imgf000030_0001
A = sección del conductor expresada en mm2. I = intensidad máxima de defecto a tierra, medida en Amperios. Tm = temperatura máxima del material de los conductores (en 0C) Ta = temperatura ambiente medida en 0C en el terreno t = tiempo de despeje de Ia falta expresado en segundos.
7.- Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en Ia configuración de Ia malla de puntos, se varía un coeficiente de compresión (c) dentro de un rango de valores: 0 < c ≤ 1 , que determina el espaciamiento de conductores en Ia zona periférica de Ia red de tierras.
8.- Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque adicionalmente comprende, después de Ia fase de cálculo de las variables de salida, una fase de:
- construir un mapa geoeléctrico del terreno determinado por una distribución representada gráficamente en tres dimensiones de al menos una de las variables eléctricas de salida en cada punto de Ia malla.
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