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AutoGroundDesign


El paquete AutoGroundDesign efectúa análisis automatizados de los sistemas de puesta a tierra de cualquier perímetro arbitrario y determina una configuración de malla económica que satisfaga los criterios de seguridad del usuario y que, asimismo, sirva como diseño para mallas de puesta a tierra lo suficientemente pequeñas eléctricamente.




Descripción técnica

La única herramienta de software completamente automatizada que puede analizar y diseñar sistemas de puesta a tierra sin la intervención del usuario entre las diferentes etapas del diseño, las poderosas e inteligentes funciones de AutoGroundDesign ayudan a los ingenieros eléctricos a diseñar de manera segura y eficientemente instalaciones de puesta a tierra seguras, de formas horizontales y arbitrarias.

Un enfoque multipaso es utilizado para el diseño del sistema, comenzando con la especificación manual de los parámetros relacionados con los datos del sistema de puesta a tierra, del suelo y de la corriente de falla y con los criterios de seguridad. El proceso automatizado de diseño es iniciado posteriormente, comenzando con una malla consistente en una placa metálica enterrada (que proporciona la resistencia y las tensiones de contacto y de paso mínimas) para determinar si es posible obtener los límites de seguridad requeridos. Si la respuesta es sí, entonces se calculará un sistema de puesta a tierra que conste de un número mínimo de conductores. En función de estos resultados, se selecciona un diseño preliminar basado en la base de datos de referencia de SES, otras reglas inteligentes o de acuerdo con lo especificado manualmente por el usuario. Después, el diseño inicial es afinado recurrentemente utilizando técnicas basadas en reglas y algoritmos a fin de mejorar su rendimiento y cumplir con las exigencias de seguridad, reduciendo al mismo tiempo el costo total de la malla. Estos pasos son descritos con mayor detalle aquí abajo.

Se han analizado y construido extensas colecciones de mallas predefinidas. Se ha desarrollado una estrategia para identificar rápidamente una malla apropiada, minimizando al mismo tiempo el tamaño de la base de datos. El diseño de una malla de puesta a tierra segura y económica toma mucho menos tiempo gracias a la utilización de técnicas de automatización y de bases de datos apropiadas.



La estructura basada en componentes del paquete de software le permite enfocarse en sus necesidades inmediatas, que en un principio pueden incluir el cálculo de la resistencia de una malla simple. A medida que sus necesidades evolucionan, por ejemplo para efectuar un análisis de seguridad completo de sistemas de puesta a tierra complejos de subestaciones, usted podría desear pasar a un paquete de software con capacidades más sofisticadas.

Existen dos paquetes de AutoGroundDesign disponibles:

Este paquete puede ser utilizado para analizar cualquier sistema de puesta a tierra horizontal de forma arbitraria y puede modelar estructuras de suelo compuestas de dos capas horizontales. Permite calcular la resistencia del sistema de puesta a tierra y la elevación de potencial, así como los potenciales de tierra, en toda la región alrededor del sistema de puesta a tierra. También permite efectuar un análisis de seguridad completo de las tensiones de contacto y de paso en cualquier ubicación, dentro y fuera de la malla. También incluye un poderoso módulo que permite calcular la distribución de la corriente de falla entre el sistema de puesta a tierra y otras trayectorias metálicas como hilos de tierra aéreos, hilos de guarda, conductores neutros y pantallas o armaduras de cables. El paquete comprende asimismo un módulo de análisis de las mediciones de la resistividad que convierte los datos medidos en un modelo apropiado de suelo.

Además de incluir todo el contenido del paquete precedente, esta versión añade la capacidad de modelar estructuras de suelo consistentes en cualquier número de capas de suelo horizontales (suelos multicapa).

Ambos paquetes incluyen utilidades (por ejemplo, un módulo de cálculo de la ampacidad de los conductores (SESAmpacity), servidores gráficos, editores de texto, etc.).


Contexto

Un diseño del sistema de puesta a tierra requiere múltiples iteraciones antes de obtener una configuración segura. Por consiguiente, este proceso puede tomar demasiado tiempo. Es difícil tener en cuenta el gran número de variables, como la topología y las dimensiones del sistema de puesta a tierra, la profundidad de enterramiento, el tipo y las características de la estructura del suelo y de los materiales utilizados para los conductores de la malla (hilos horizontales y varillas de puesta a tierra, etc.) que pueden afectar el rendimiento del sistema de puesta a tierra. El paquete de software AutoGroundDesign ofrece poderosas e inteligentes funciones que ayudan a los ingenieros eléctricos en el diseño rápido y eficiente de instalaciones de puesta a tierra, sin la intervención del usuario entre las diferentes fases del diseño. AutoGroundDesign tiene en cuenta toda la complejidad del sistema basándose en estrategias y técnicas que fueron desarrolladas para permitir el diseño automatizado a aplicar en sistemas de puesta a tierra horizontales de forma arbitraria.

Constituye entonces la herramienta ideal para el examen, la mejora y la optimización de un gran número de subestaciones existentes, que necesitan ser actualizadas debido al aumento de los niveles de falla o a las nuevas exigencias de los estándares de seguridad. También se puede utilizar como el primer paso en un ciclo de diseño más complejo que requiera la intervención manual del usuario.

La ventana que permite definir o especificar interactivamente los vértices de cualquier sistema de puesta a tierra horizontal es mostrada aquí abajo:




Funcionalidades

AutoGroundDesign incluye las siguientes funcionalidades exclusivas. El paquete permite:

  • Generar diseños de sistemas de puesta a tierra basándose en una simple descripción de las instalaciones de la subestación. Los requisitos para la entrada de datos son reducidos al mínimo. Es decir, los parámetros del entorno, los datos del suelo, la zona de la malla de puesta a tierra, la corriente de falla en la malla, los datos relacionados con la seguridad, al igual que los parámetros y controles de diseño automatizados.
  • Modelar sistemas de puesta a tierra y evaluar su rendimiento. Es muy adecuado para el análisis y el diseño de una malla de puesta a tierra, siempre y cuando se puedan obviar las impedancias longitudinales de los conductores de tierra.
  • Analizar y diseñar mallas de puesta a tierra horizontales de forma arbitraria consistentes en arreglos horizontales y verticales de conductores desnudos enterrados en suelos uniformes y multicapa. Esto se logra gracias a un método de enmallado automático que tiene en cuenta cualquier forma poligonal.
  • Simplificar la especificación de la zona horizontal arbitraria de la puesta a tierra, gracias a su interfaz fácil de utilizar. La forma de esta zona se puede definir y presentar dinámicamente a partir de la interfaz. Es posible desplazar cada vértice arrastrándolo a una nueva ubicación; los datos se actualizarán inmediatamente en la tabla de datos y viceversa.
  • Efectuar diseños automatizados por medio de múltiples procedimientos, como los métodos «Automático», «Punto medio» y «Lineal». Estos procedimientos indican el progreso del proceso automatizado de diseño, utilizando bases de datos de la malla de puesta a tierra, algoritmos y técnicas inteligentes de búsqueda, así como examinan de manera más eficaz los criterios y restricciones de rendimiento y de evaluación.
  • Ofrece tres modos adicionales de operación, a saber, los modos «Estimador», «Configuración» y «Predictor de dimensiones», que permiten a los usuarios estimar rápida y precisamente la resistencia de varios sistemas de puesta a tierra (como mallas, placas, arreglo de varillas, electrodos en forma de estrella, anillos circulares, etc.) o predecir el tamaño (la dimensión) o la configuración del sistema de puesta a tierra que corresponda con dicha resistencia.
  • Incluir el análisis de los resultados intermedios de la puesta a tierra, la resistividad del suelo y la distribución de la corriente de falla como parte integral de los resultados finales, a fin de comprender mejor estos resultados mediante el análisis de todas las etapas del proceso de diseño automatizado.
  • Se han implementado técnicas eficientes e inteligentes para la generación de diferentes tipos de puntos de observación, a fin de efectuar de manera precisa los cálculos, minimizando así el tiempo de cálculo durante los pasos iterativos de diseño. Una vez terminados los cálculos, un conjunto completo de puntos de observación puede ser definido de forma automática o por medio del usuario, para generar gráficas convencionales rectangulares en 3D y en manchas en 2D, que son útiles para examinar los resultados de los cálculos.



Tecnologías y procedimientos de diseño de sistemas de puesta a tierra

Considere el proceso tradicional de diseño de un sistema de puesta a tierra de una subestación. Basándose en la experiencia y en las conexiones requeridas de la puesta a tierra en la subestación, se desarrolla y analiza una configuración preliminar del sistema de puesta a tierra. Los resultados calculados son examinados a fin de determinar si se cumplen con todos los requisitos de diseño. Si no se cumplen con todos los requisitos de diseño o si tales requisitos se exceden por un margen considerable — lo que puede sugerir la posibilidad de ahorros considerables —, se implementan modificaciones en el diseño del sistema de puesta a tierra y se procede con un nuevo análisis.

A fin de generar un diseño optimizado, es necesario familiarizarse con la estructura del suelo y la corriente real de falla que fluye en la subestación. Además, diversos factores son esenciales para el diseño, como las proporciones geométricas de la malla, su profundidad, el tipo de conductores de la malla y la presencia o no de varillas de puesta a tierra conectadas a la malla.

Un enfoque multipaso es utilizado para el diseño automatizado del sistema de puesta a tierra.

  • En primer lugar, se utiliza como referencia un sistema de puesta a tierra que consta de una placa metálica enterrada. Esto proporciona la resistencia de tierra mínima que puede ser alcanzada para una malla de un tamaño dado y determina si la resistencia de tierra deseada y los límites de seguridad serán obtenidos con una placa sólida. De no ser este el caso, el proceso es detenido y se informa al usuario que no se puede proceder con el proceso de diseño si no se toman medidas de mitigación adicionales.
  • En segundo lugar, se analiza un sistema de puesta a tierra que consta de un número mínimo de conductores —por ejemplo, los conductores a lo largo de la periferia de la malla con o sin algunos conductores dentro de la malla— para ver si se pueden alcanzar la resistencia de tierra y los límites de seguridad deseados mediante una malla dispersa. De ser así, el proceso de diseño se completa rápidamente sin necesidad de consultar la base de datos de diseños ni utilizar técnicas inteligentes iterativas.
  • En tercer lugar, se selecciona un diseño preliminar apropiado en función de la base de datos de referencia de SES y de otras reglas inteligentes, o de acuerdo con lo especificado manualmente por el usuario. La utilización de la base de datos de referencia se basa en los datos de entrada proporcionados por el usuario, como el tamaño y las proporciones geométricas de la malla, el tipo de estructura del suelo, la corriente de falla inyectada y los criterios de seguridad requeridos.
  • Por último, el diseño inicial es afinado recurrentemente utilizando técnicas basadas en reglas y algoritmos inteligentes a fin de mejorar su rendimiento y cumplir con las exigencias de seguridad, reduciendo al mismo tiempo el costo total de la malla. Si no es necesario efectuar modificaciones manuales (por ejemplo, las ubicaciones del conductor) a la malla optimizada, entonces ésta puede ser utilizada como la base para el diseño final. Se debe utilizar un paquete de software como AutoGrid Pro o MultiGround cuando sea necesario efectuar modificaciones manuales al diseño.



Estructura del diseño automatizado de sistemas de puesta a tierra

El software de diseño automatizado de sistemas de puesta a tierra integra los siguientes módulos y posee la siguiente estructura:

Módulo central de diseño automatizado de la puesta a tierra

Este módulo central y de control posee una interfaz simple que permite a los usuarios establecer rápida y eficientemente un diseño automatizado de sistema de puesta a tierra. Este modulo permite administrar y coordinar los datos de entrada y es utilizado para calibrar el proceso iterativo del diseño automático de una malla de puesta a tierra, con el objetivo final de obtener un diseño que satisfaga todas las exigencias y que aun así no sea demasiado conservador y sea, por lo tanto, económico. Los parámetros del diseño incluyen la selección de la metodología a utilizar a fin de obtener el diseño inicial del sistema de puesta a tierra, la especificación de la metodología de la base de datos de mallas a implementar para el diseño automatizado y la especificación del número máximo de iteraciones de diseño, así como el ritmo de evolución del diseño de la malla con cada iteración

Módulo de análisis de la puesta a tierra

Este módulo es utilizado para analizar los sistemas de puesta a tierra de redes eléctricas sometidos a descargas de corriente CA o CC en varias estructuras de suelo. Calcula el rendimiento de seguridad de la malla de puesta a tierra, en términos de la EPT, así como las tensiones de contacto y de paso.

Módulo de análisis del suelo

Este módulo está dedicado al desarrollo de modelos de estructuras de tierra equivalentes en función de las mediciones de la resistencia o de la resistividad aparentes. Puede generar modelos con suelos multicapa horizontales.

Módulo de análisis de la distribución de la corriente de falla

Este módulo calcula la distribución de la corriente de falla en múltiples terminales, líneas de transmisión y de distribución, utilizando un mínimo de informaciones y un simple conjunto de datos relacionados con la red. Es posible definir terminales con múltiples bloques, donde cada bloque puede tener parámetros de linea distintos, así como otras características como las longitudes de los claros y la posición de los conductores neutros y de fase pueden variar de un bloque al otro. Proporciona la corriente de falla real que fluye en una malla de puesta a tierra, al igual que las corrientes en los hilos de guarda, las estructuras de las torres y las pantallas de los cables. También se calculan y se ponen a disposición las impedancias propias y mutuas de los hilos de guarda y las pantallas de los cables.

Módulo de seguridad

Este módulo genera valores de umbrales de seguridad basados en los estándares 80 de IEEE, 479 de IEC, el propio estándar del usuario o en una combinación de los anteriores para dos zonas geométricas (al interior y al exterior de la malla), que representan áreas con umbrales de seguridad habitualmente diferentes. Los límites de la tensión de seguridad calculada se utilizan para decidir si se detiene o se continúa con el proceso de diseño. Los parámetros para determinar los límites de la tensión de seguridad son: el tiempo de disipación de la falla, la resistividad y el espesor de la capa que cubre la superficie de la tierra (por ejemplo, roca triturada), la resistividad de la capa equivalente de la subsuperficie (se trata de la resistividad del suelo por debajo de la capa que cubre la superficie de la tierra), la resistencia eléctrica del cuerpo humano, opcionalmente la resistencia de los pies especificada y la resistencia de la indumentaria de protección, como guantes y botas, y el método de cálculo del umbral de la corriente de fibrilación.

Herramientas de visualización, graficado e informe

Un módulo basado en CAD es utilizado para ver o editar mallas de puesta a tierra tridimensionales consistentes en segmentos rectilíneos. La edición requiere un paquete de software AutoGrid Pro o AutoGround/MultiGround. Los segmentos de la línea representan los conductores metálicos o los perfiles de observación. Pueden ser visualizados desde cualquier dirección y de diversas maneras en SESCAD. AutogroundDesign incluye también un visor en 3D integrado que permite observar la malla resultante.

Además, los resultados de los cálculos que se encuentran en el archivo de salida impreso pueden ser visualizados y graficados presionando el botón «Ver resumen del diseño», mientras que las gráficas e informes de los resultados de los cálculos pueden ser visualizados en SESSystemViewer o bien GRServer presionando los botones correspondientes.

GRServer es un poderoso procesador de salida que permite presentar los resultados de los cálculos en varios formatos gráficos y de impresión. Este módulo puede también mostrar los datos de entrada e incluso iniciar el módulo de análisis de la puesta a tierra.

Por último, SESSystemViewer presenta los resultados de los cálculos en 2D o en 3D directamente sobre la configuración de la malla de puesta a tierra.