Energía segura: Diseño avanzado de sistemas de puesta a tierra en parques eólicos
La instalación eléctrica de un parque eólico debe adaptarse a grandes extensiones de terreno, que pueden superar decenas de kilómetros cuadrados. La distancia entre turbinas puede alcanzar cientos de metros, lo que implica altos costos en la conexión de generadores, abarcando telecomunicaciones, interconexiones eléctricas y sistemas de tierra física. Mientras que las comunicaciones se resuelven con redes de fibra óptica y radios de largo alcance, y la interconexión eléctrica con redes subteráneas de media tensión, el diseño de sistemas de tierra física debe abordarse conforme a normativas reconocidas como IEEE 80, IEEE 81 y el más específico IEEE 2760-2020.
Infraestructura del sistema de tierra
En un parque eólico, se pueden aprovechar las mallas de los cables de distribución y los neutros de los transformadores de subestaciones para la puesta a tierra. No obstante, es fundamental instalar cables específicos de tierra en trincheras acondicionadas, así como mallas de tierra con cables, varillas, soleras y uniones. Estas mallas deben ubicarse bajo y/o alrededor de cada turbina, subestación y punto de interconexión, requiriendo un diseño detallado para garantizar su eficacia.
Pasos para el diseño de un sistema de tierras
- Plano del sitio
- Mediciones de resistividad del suelo
- Modelos de resistividad adaptados a las condiciones del terreno
- Dimensionamiento de conductores según normativas
- Evaluación de criterios de seguridad (voltajes de contacto y de paso)
- Diseño de mallas locales para turbinas y subestaciones
- Diseño de mallas locales para turbinas y subestaciones
- Cálculo de corrientes y voltajes máximos en caso de fallas
- Determinación de zonas de influencia e interacción con otras subestaciones
- Instalación y pruebas pertinentes
Herramientas de diseño
El uso de software especializado es clave para diseñar sistemas de tierra en parques eólicos debido a la cantidad de puntos a considerar. IEEE 80 proporciona guías generales, pero herramientas como CDEGS, ETAP y CYMGRD facilitan simulaciones detalladas de distribución de corriente y tensión.
Consideraciones medioambientales y geotécnicas
La resistividad del suelo varía según temperatura, humedad, precipitaciones y otras condiciones estacionales. También influyen características del suelo como pH, salinidad y capacidad de retención de humedad. En parques eólicos, el terreno puede ser heterogéneo (llanos, colinas, rocas, suelos pantanosos), lo que requiere un estudio detallado en cada ubicación.
Mediciones de resistividad de suelo
Es recomendable realizar mediciones independientes alrededor de cada turbina, subestación y punto de interconexión, evitando la generalización de una única muestra.
Modelos de resistividad
Dado que las mediciones pueden diferir, se deben modelar varias capas del terreno en distintas épocas del año para optimizar el diseño sin exceder costos.
Corrientes de falla y factor de división
Es necesario calcular las corrientes de falla a tierra en alta, media y baja tensión, así como evaluar la distribución de estas en el sistema de tierras.
Materiales para el sistema de tierras
Los materiales incluyen cables de cobre o aluminio, varillas, soleras y uniones soldadas o por compresión. Se emplean cobre puro, acero revestido de cobre y, en algunos casos, acero galvanizado o inoxidable. También se considera material adicional como cemento especial, arena y bentonita.
Interconexión con otras subestaciones
Las subestaciones de distribución y transmisión pueden interactuar significativamente. Se debe integrar información de cortocircuito, protecciones y diseño de tierras existentes para definir un modelo seguro y eficiente.
Referencias
IEEE Std 2760-2020, IEEE Guide for Wind Power Plant Grounding System Design for Personnel Safety.
IEEE Std 80, IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding.
IEEE Std 81, IEEE Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground Impedance, and Earth Surface Potentials of a Grounding System.
IEC 61400-24, Wind Turbines, Part 24: Lightning Protection.
IEEE Std 142, IEEE Recommended Practice for Grounding of Industrial and Commercial Power Systems (IEEE Green Book).
IEEE Std 386, IEEE Standard for Separable Insulated Connector Systems for Power Station Distribution System above 600 V.
IEEE Std 387, IEEE Standard for Qualifying Permanent Connections Used in Substation Grounding.
