La construcción de nuevas plantas de generación solar fotovoltaica en Latino América, han traído grandes desafíos en lo que respecta al diseño y construcción de sistemas de puesta a tierra (SPAT) debido a su gran tamaño.
La ingeniería evoluciona, así como las herramientas computacionales que se utilizan para modelar y resolver estos desafíos. En general existen tres (3) vías para realizar estudios de SPAT, cada una con sus propias limitaciones:
- Uso de ecuaciones o planillas de Excel con las fórmulas simplificadas de la IEEE 80 del 2013.
- Uso de software especializado que considera modelos de elementos finitos basados en una hipótesis equipotencial o DC (GSA, ETAP, CYMGRD, MALT, etc.).
- Uso de software especializado con modelos electromagnéticos completos PEEC en AC (GSA_FD).
En este artículo se comparan los resultados de un caso real, un SPAT de gran tamaño, utilizando dos modelos de resolución: DC vs AC. El objetivo es demostrar la diferencia que existe al utilizar modelos en diseños de SPAT sin considerar las limitaciones que poseen:
El modelo de suelo a considerar es de cuatro (4) capas:
Los resultados del GPR y de la resistencia de la malla se presentan a continuación:
Se pude observar que la resistencia de la malla usando la hipótesis de equipotencialidad es mucho menor que la impedancia resultante utilizando un modelo AC (un error de mas de 400%). Esto se debe a que el modelo equipotencial considera únicamente la parte real de la impedancia, es decir desprecia el efecto de la inductancia propia/mutua y capacitancia del conductor enterrado.
Cabe mencionar que al hacer uso de un modelo AC la impedancia del sistema dependerá del punto de inyección de la corriente de falla y de la topología de la malla. Por lo que es necesario simular diferentes puntos de inyección en la etapa de diseño.
A continuación, se presenta el potencial de tierra en la misma malla usando ambos modelos, estas figuras ayudan a clarificar el comportamiento de un SPAT equipotencial y los efectos que las impedancias propias y mutuas pueden tener:
En un modelo equipotencial el valor permanece relativamente constante a lo largo de la superficie de la malla, a diferencia del modelo AC dónde se puede observar cómo el potencial de tierra disminuye a medida que se aleja del punto de falla. Esta mayor diferencia de potencial entre punto y punto es la que genera riesgos en las instalaciones.
A continuación, se presentan los resultados de las tensiones de paso y contacto. Para facilitar su interpretación se debe considerar lo siguiente:
- Zonas verdes: Son las zonas seguras, corresponde al área donde las tensiones de paso y contacto están por debajo de los límites permitidos.
- Zonas amarillas: Son las zonas dónde se cumplen los voltajes de paso, pero no los de contacto. Esta zona puede ser amarilla si no existen elementos metálicos que puedan ser tocados.
- Zonas rojas: Son las zonas inseguras, donde ambos límites de paso y contacto no se cumplen.
Las gráficas anteriores permiten ver de manera rápida las zonas donde existen problemas en el SPAT. Es evidente las diferencias que pueden generarse en el uso de uno u otro modelo, mientras que el modelo equipotencial garantiza que no existen riesgos de tensiones de contacto para las personas sobre el área del parque solar, una evaluación más rigurosa considerando la impedancia de la malla evidencia situaciones donde (en función de la ubicación de la falla), el SPAT es riesgoso para el personal de la planta.
De acuerdo con los resultados, es posible afirmar que la condición de equipotencialidad (DC) genera resultados no rigurosos, es decir subestima los potenciales de paso y contacto de las instalaciones de gran envergadura, generando posibles riesgos derivados desde la etapa de diseño.
