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Corriente máxima de malla (IG) y factor de división

Qué es la corriente máxima de malla IG de IEEE 80, qué parte de la falla entra al suelo y cómo la reducen los hilos de guarda, neutros y tuberías.

Por Shadai García, CEO e ingeniero de protecciones de Tiza Group.

falla en la barra de la subestaciónredIfhilo de guarda y neutrosmalla de tierraIg = Sf · Ifsin otros caminos: toda If va a la tierrahilo de guarda y neutros se llevan una partecorriente de falla Ifrepartohilo de guarday neutrostierra de la malla: Igel factor Sf depende de:la resistencia de la malla y de la fallalos hilos de guarda y los neutroslas tuberías y los cables enterradosCadenaFalla IfFactor SfMalla IgFactor DfMáx. IG© tizagrp.comfalla en la barra de la subestaciónredIfhilo de guarda y neutrosmalla de tierraIg = Sf · Ifsin otros caminos: toda If va a la tierrahilo de guarda y neutros se llevan una partecorriente de falla Ifrepartohilo de guarday neutrostierra de la malla: Igel factor Sf depende de:la resistencia de la malla y de la fallalos hilos de guarda y los neutroslas tuberías y los cables enterradosCadenaFalla IfFactor SfMalla IgFactor DfMáx. IG© tizagrp.com
Corriente de malla: de la corriente de falla, el hilo de guarda y los neutros llevan una parte y el resto va a tierra por la malla. Ubicación en el sistema y principio de funcionamiento. Ilustrativo: los valores reales salen de la placa y del manual del fabricante.
Respuesta corta

La corriente máxima de malla (IG) es la corriente de diseño que pasa de la malla de la subestación al suelo durante una falla a tierra. No es toda la corriente de falla: una parte vuelve por los hilos de guarda, los neutros y los elementos enterrados. El factor de división indica qué fracción entra al suelo, y el factor de decremento agrega el efecto de la asimetría.

Respuesta corta

La corriente máxima de malla (IG) es el valor de diseño de la corriente que fluye entre la malla de puesta a tierra y el suelo que la rodea durante una falla a tierra. Se obtiene en tres pasos: se toma la corriente simétrica de falla a tierra, se aplica el factor de división (Sf) para quedarse con la fracción que realmente entra al suelo y se multiplica por el factor de decremento (Df), que incluye el efecto de la componente de corriente continua de la falla. Con IG se calculan la elevación de potencial de la malla y las tensiones de paso y de contacto. Cuál falla produce la mayor corriente se explica en tipo de falla a tierra y falla más severa.

Qué es IG y cómo se relaciona con la falla

IEEE Std 80-2013 separa tres corrientes, que no deben confundirse:

CorrienteQué es
Corriente simétrica de falla a tierraEl valor eficaz de la falla a tierra, igual a tres veces la corriente de secuencia cero
Corriente simétrica de malla (Ig)La parte de esa corriente que pasa entre la malla y el suelo; es la corriente de falla multiplicada por el factor de división
Corriente máxima de malla (IG)Valor de diseño: la corriente simétrica de malla multiplicada por el factor de decremento

El factor de división es la relación entre la corriente que entra al suelo por la malla y tres veces la corriente de secuencia cero. La norma lo trata como constante durante toda la falla, aunque en la realidad cambia con el tiempo según cómo decaen los aportes y operan los interruptores.

En la mayoría de los casos, la mayor corriente de malla produce la condición más peligrosa. Por eso el procedimiento de la norma evalúa primero qué tipo y ubicación de falla dan el mayor flujo de corriente entre la malla y el suelo, calcula Sf y la corriente simétrica de malla para esas fallas, aplica el decremento según la duración de cada falla, escoge el mayor resultado y considera los aumentos futuros de corriente de falla.

Cómo se obtiene la corriente máxima de malla
  1. Falla más severa. Tipo y ubicación que dan más corriente entre malla y suelo
  2. Factor de división. Fracción de la falla que entra al suelo por la malla
  3. Corriente simétrica de malla. Corriente de falla a tierra por el factor de división
  4. Factor de decremento. Según la duración de la falla y la asimetría de la onda
  5. Corriente máxima de malla IG. Se verifica contra aumentos futuros del nivel de falla

Cuánta corriente sale por otros caminos

Hilos de guarda y neutros

Cuando los hilos de guarda de las líneas de transmisión o los conductores neutros están unidos a la tierra de la subestación, una parte importante de la corriente de falla se desvía de la malla. Esa conexión suele aumentar la elevación de potencial en las bases de las torres y disminuirla en la subestación: cada torre cercana comparte la elevación de tensión de la malla, sea cual sea la causa, en lugar de verse afectada solo por una falla local de aislamiento.

Cables y tuberías enterrados

Los cables enterrados con pantalla o armadura en buen contacto con el suelo, y las tuberías metálicas unidas a la malla que se extienden más allá de su perímetro, tienen un efecto similar. Desvían parte de la corriente y reducen un poco la elevación de potencial y los gradientes locales.

Como el patrón de la corriente es complejo, este efecto es difícil de calcular. Además, la norma advierte que estos elementos pueden introducir peligros fuera de la subestación, que se tratan en la cláusula de áreas especiales.

De qué depende el factor de división

La norma lista cuatro factores:

  • la ubicación de la falla,
  • la impedancia de la malla,
  • los cables y las tuberías enterrados cercanos o conectados a la malla,
  • los hilos de guarda, neutros u otros caminos de retorno.

Si se ignoran los caminos adicionales de los dos últimos puntos, la división se puede calcular con componentes simétricas tradicionales, pero el resultado puede ser demasiado conservador.

Cómo se calcula la división

El cálculo consiste en construir una representación equivalente de los hilos de guarda y neutros conectados a la malla y resolverla para saber qué fracción de la corriente total fluye entre la malla y el suelo y cuál por los hilos de guarda o neutros.

La norma describe varios métodos publicados, desde modelos tramo a tramo hasta algoritmos con suelo de varias capas. En un método simplificado por tramos, cada hilo de guarda se modela con la impedancia de cada vano y la resistencia de puesta a tierra de cada torre, formando una red en escalera que se reduce a una impedancia de entrada vista desde el punto de falla; el factor de división sale de repartir la corriente entre la resistencia de la malla y esas impedancias. Los modelos detallados de hilos, conductores de fase y torres dan la mejor evaluación, y los métodos aproximados dan resultados comparables en muchos casos sencillos.

El Anexo C de la norma, de carácter informativo, ofrece curvas de Sf frente a la resistencia de la malla, basadas en un programa de cálculo de EPRI. Las curvas se agrupan en cuatro categorías según qué parte de la corriente de falla viene de fuentes remotas y cuál de fuentes locales:

CategoríaFuente remotaFuente localEjemplo típico
A100 %0 %Subestación de distribución con transformador delta-estrella
B75 %25 %Subestación de transmisión o planta con fuentes locales de secuencia cero
C50 %50 %Ídem
D25 %75 %Ídem

La categoría A funciona bien en casos prácticos; las B a D son aproximaciones gruesas y su exactitud depende de la fuente local de corriente de falla.

Efecto de las resistencias

  • Resistencia de la malla. En la mayoría de los casos basta calcular IG sin considerar la resistencia del sistema, de la malla ni de la falla. El error es pequeño y queda del lado de la seguridad. Solo en casos inusuales, cuando la resistencia estimada de la malla es grande frente a la reactancia del sistema, conviene incluirla.
  • Resistencia de la falla. Si el fallo de aislamiento ocurre dentro de la subestación, debe suponerse cero. Si ocurre fuera, en una línea conectada a la barra, se puede usar un valor mínimo conservador de la resistencia de falla, multiplicado por tres y sumado a las demás resistencias de secuencia cero. Si la resistencia real no llega a ese valor, se desprecia.

Cambios futuros

IG debe reflejar el crecimiento previsto del sistema. Si se considera el crecimiento y se ignora la división de corriente, la malla queda sobredimensionada. Una desconexión de hilos de guarda de las líneas que llegan a la subestación puede cambiar la corriente por la malla y dejar el sistema inadecuado. Agregar hilos de guarda puede reducir la parte que entra al suelo y dejar la malla existente sobredimensionada.

Dónde entra IG en el diseño

IG determina la elevación de potencial de la malla y es el dato que multiplica la resistividad del suelo en las tensiones de paso y de contacto. El procedimiento de diseño de IEEE 80 la ubica en el paso 6 del procedimiento. La corriente de falla de partida sale del estudio de cortocircuito, y la asimetría se explica en factor de pico del cortocircuito y relación X/R. La herramienta gratuita Resistencia de puesta a tierra permite ver el efecto de un cambio en la corriente.

Cómo lo hacemos en Tiza Group

Determinar IG con datos reales exige el estudio de cortocircuito, los datos de las líneas con hilos de guarda y la resistencia estimada de la malla. En Tiza Group hacemos ese cálculo dentro del estudio de puesta a tierra de subestaciones de media, alta y extra alta tensión. Conozca nuestro servicio de diseño de ingeniería y estudios o escríbanos.

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Referencias

  • IEEE Std 80-2013, IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding, cláusulas 15.1, 15.2, 15.4 a 15.7 y 15.9; Anexo C.
  • IEEE Std 80-2013, cláusula 15.11, efecto de cambios futuros.

Preguntas frecuentes

¿Por qué no se diseña la malla con toda la corriente de falla a tierra?

Porque una parte de esa corriente regresa a la fuente por los hilos de guarda de las líneas, por los neutros conectados y por cables o tuberías enterradas unidas a la malla, sin pasar por el suelo de la subestación. Diseñar con la corriente total sobredimensiona la malla; la norma indica usar solo la parte que fluye entre la malla y la tierra remota.

¿Qué pasa con IG si se retiran los hilos de guarda de una línea que llega a la subestación?

El factor de división aumenta, porque la corriente deja de tener ese camino de retorno y una fracción mayor entra por el suelo. La malla que cumplía puede quedar corta. Los cambios futuros que agreguen hilos de guarda hacen lo contrario: reducen la parte que entra a la malla y la dejan sobredimensionada.

¿Se puede incluir la resistencia de la falla para reducir IG?

Solo si la falla ocurre fuera de la subestación, en una línea conectada a la barra, y se puede asignar un valor mínimo seguro de esa resistencia. Si la falla es un fallo de aislamiento dentro de la subestación, la única suposición segura es resistencia cero.

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