Sistemas de puesta a tierra, interferencias electromagnéticas y el sector del sistema eléctrico

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La mayoría de los ingenieros en energía eléctrica deben enfrentarse regularmente con problemas de diseño y operacionales en los cuales porciones de las corrientes de fase que siguen a lo largo de trayectorias indeseadas dan como resultado varios efectos que van desde molestias menores hasta fallas espectaculares. Un número significativo de dichos problemas se relaciona con sistemas de puesta a tierra e interferencia electromagnética. Una buena compresión de estos temas y herramientas apropiadas de software de ingeniería son críticas para cada una de las empresas de servicios públicos preocupada por la seguridad y la confiabilidad de sus sistemas y sus responsabilidades frente al público y sus empleados. La siguiente discusión subraya la importancia de los sistemas de puesta a tierra y de la interferencia electromagnética.

1. Idealmente, las redes del sistema de transmisión deben generar corrientes de distribución de tres fases en la red que sean balanceadas. Normalmente entonces, tales corrientes se restringen a fluir a lo largo de trayectorias metálicas predeterminadas o por la tierra. En la práctica, sin embargo, existe siempre un desbalance debido a los componentes asimétricos del sistema o las cargas. Ello da como resultado flujos de corriente en las así llamadas 'trayectorias no energizadas' y en la tierra. La consecuencia de ello varía entre efectos imperceptibles y molestias menores hasta daños significativos del equipo y riesgos de seguridad. Además de tales condiciones de desbalance de 'estado estable', se debe regularmente tratar con condiciones anormales que van desde condiciones de falla activadas naturalmente (tales como las descargas atmosféricas) hasta averías del equipo o fallas y vandalismo.

2. Las técnicas de análisis del flujo eléctrico normal y anormal balanceado de tres fases son bien entendidas y perfectamente predecibles. Sin embargo, la corriente que fluye por fuera de la red de tres fases (es decir, por la tierra, los hilos de guarda, los hilos de neutro, las pantallas metálicas y varias estructuras metálicas) son extremadamente difíciles de estimar utilizando la teoría de circuitos convencional o métodos aproximativos, principalmente porque las corrientes neutras ya no se encuentran limitadas a fluir a lo largo de las trayectorias dedicadas (tales como los hilos de guarda), sino que pueden fluir libremente por el suelo a lo largo de complicadas trayectorias tridimensionales.

3. Los efectos de tales flujos de corriente son numerosos y abarcan muchas especialidades de los sistemas de transmisión eléctrica tales como:

1. Sistemas de puesta a tierra y todas sus ramificaciones que van desde:
   • aspectos de seguridad (tensiones de contacto y de paso y potenciales transferidos).
   • acoplamiento conductivo de tuberías y estructuras metálicas.
   • incremento del potencial de tierra (GPR) y sus efectos sobre equipo de telecomunicaciones y desplazamientos de fase y de neutro.
   • averías de los sistemas protectores debidas a las corrientes que circulan y los estreses de tensión sobre el sistema electrónico de circuitos.
   • problemas transitorios que tienen que ver con descargas atmosféricas y conmutación del equipo de los sistemas de transmisión eléctrica tales como interruptores y bancos de condensadores.
2. Problemas de interferencia electromagnética tales como:
   • inducción sobre gasoductos, oleoductos y tuberías de distribución de agua.
   • ruido audible en los sistemas de circuitos telefónicos y de telecomunicaciones.
   • acoplamiento en cercados y estructuras metálicas alargadas.
3. Los campos magnéticos y eléctricos y los aspectos públicos relacionados, los cuales tiene que ver con:
   • campos magnéticos originados por corrientes residuales en sistemas de distribución.
   • campos magnéticos generados por conductores de neutro enterrados y tubos que transportan corrientes 'residuales'.

4. Efectuar cálculos precisos de tales efectos era virtualmente imposible (excepto para casos genéricos muy simples) antes de la llegada de la era de la 'computadora' y del 'software'. Hoy en día, el software especializado junto con poderosas plataformas computacionales permiten predicciones precisas de tales efectos. La complejidad de los fenómenos, sin embargo, requiere no solo especialización y compromiso con la parte de ingeniería, sino también una conciencia genuina de administración y de apoyo a fin de que los beneficios de esta nueva adquisición de conocimiento resulten en significativos beneficios económicos de la inversión. Los beneficios directos e indirectos, sin embargo, pueden ser fenomenales: normalmente de 10 a 100 veces la inversión dentro de cinco años y de más de 1 000 veces dentro de los siguientes 10 a 20 años. Dichos beneficios se resumen a continuación.

5. Los beneficios que resultan de la inversión en soluciones de análisis de ingeniería y de vanguardia con respecto a problemas relacionados con sistemas de puesta a tierra e interferencia electromagnética se pueden categorizar como se muestra a continuación:

1. Beneficios para la empresa de servicios públicos propietaria del sistema de transmisión:
   • diseños de ingeniería precisos y realistas que proporcionan un rendimiento óptimo con un costo económico. Los problemas potenciales se identifican en la etapa de diseño y, de esta manera, se evitan costosas adiciones o modificaciones al sistema de mitigación operacional.
   • se eliminan largas discusiones y argumentos y opiniones conflictivos puesto que se utilizan métodos acreditados y probados para generar el diseño.
   • se hace posible la estandarización basada en un modelado completo.
   • casos judiciales que tienen que ver con accidentes, problemas potenciales y aspectos ambientales se pueden disputar o se puede llegar a un acuerdo sobre ellos sin el recurso de la ley y con gran confianza y compresión de los eventos, los temas y las responsabilidades.
   • la calidad y la superioridad de los diseños tendrán significativos efectos a largo plazo sobre la confiabilidad de la red y darán como resultado una reducción substancial de las fallas y defectos del sistema de transmisión que provengan de la frecuencia industrial y los estreses de tensión transitorios generados por la conducción de los sistemas de puesta a tierra y la interferencia electromagnética.
2. Beneficios para el público:
   • un suministro de energía más económico y confiable como consecuencia de menos fallas del sistema de transmisión y menos averías en el equipo.
   • instalaciones del sistema de transmisión más seguras y menos problemas de interferencia inductiva.
   • mitigación o eliminación de campos electromagnéticos ambientales.
   • mayor confianza y confiabilidad en la empresa pública de transmisión de energía gracias a una percepción de liderazgo al evaluar con precisión las preocupaciones del público.
3. Beneficios para el ingeniero de la empresa de servicios públicos quien:
   • no se encuentra más sin ayuda cuando se enfrente con complicados problemas de ingeniería o se encuentre frustrado con diseños o sistemas de mitigación basados en métodos poco confiables o incompletos.
   • adquiere conocimiento y entendimiento significativos acerca de un tema de ingeniería difícil y altamente exigente.
   • se siente útil, respetado y apreciado por sus colegas y la dirección de la empresa.

Las siguientes publicaciones y artículos proporcionan un testimonio escrito de los beneficios directos que se derivaron de un número de empresas de servicios públicos que actualmente se encuentran utilizando el paquete de software CDEGS.