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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

AutoGroundDesign es 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 fases del diseño.

Este paquete de software ofrece poderosas e inteligentes funciones que ayudan a los ingenieros eléctricos en el diseño rápido y eficiente de instalaciones de puesta a tierra seguras, de formas horizontales y arbitrarias. Un enfoque multipaso es utilizado para el diseño automatizado del sistema de puesta a tierra. Se utiliza una malla que consta de una placa metálica enterrada, que proporciona la resistencia y las tensiones de contacto y de paso más bajas, como el punto de partida para determinar si se pueden satisfacer los límites de seguridad. Si la respuesta es sí, entonces se calcula un sistema de puesta a tierra que consta de un número mínimo de conductores. A partir de estos resultados, se determina un diseño preliminar con base en la base de datos de referencia de SES, otras reglas inteligentes o según lo especificado manualmente por el usuario. Seguidamente, el diseño inicial se refina recursivamente utilizando técnicas basadas en estándares 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. Se han analizado y construido extensas colecciones de mallas predefinidas. Se ha Implementado una estrategia para identificar rápidamente una malla apropiada, con lo cual, al mismo tiempo, se minimiza el tamaño de la base de datos. El tiempo dedicado a diseñar una malla de puesta a tierra segura y económica se minimiza gracias a la utilización de técnicas de automatización y de las bases de datos apropiadas.



La estructura basada en componentes del paquete de software le permite enfocarse en sus necesidades inmediatas, desde los cálculos de la resistencia de una malla simple hasta un completo análisis de seguridad de complejos sistemas de puesta a tierra de subestaciones. Solo tiene que añadir más componentes a medida que sus necesidades evolucionen. Los paquetes típicos de AutoGroundDesign incluyen:

Incluye todo el contenido del paquete de suelo uniforme, además de un poderoso módulo que efectúa los cálculos de 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 de neutro o pantallas y armaduras de cables.

Este paquete combina todas las funcionalidades encontradas en los dos paquetes precedentes que son compatibles con suelos de dos capas horizontales.

Incluye todo el contenido de los paquetes precedentes y añade la capacidad de modelar estructuras de suelo compuestas de cualquier número de capas de suelo horizontales (suelos multicapa). Tenga en cuenta que este paquete no se puede ordenar sin los módulos de análisis de la resistividad ni de distribución de la corriente de falla.

Todos los paquetes anteriores 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 dificil 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 especializado 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 con base en estrategias y técnicas 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, mejora y 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.

A continuación, se muestra la pantalla donde se pueden realizar los dibujos o especificar los vértices de cualquier sistema de puesta a tierra de forma horizontal arbitraria:




Funcionalidades

AutoGroundDesign presenta las siguientes funcionalidades exclusivas. El paquete:

  • Genera 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 se redujeron 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.
  • Modela sistemas de puesta a tierra y evalúa su rendimiento.  Es muy adecuado para el análisis y diseño de una malla de puesta a tierra, siempre y cuando se puedan obviar las impedancias longitudinales de los conductores de tierra.
  • Analiza y diseña mallas de puesta a tierra horizontales de forma arbitraria que constan de arreglos horizontales y verticales de conductores desnudos enterrados en suelos uniformes y multicapa.  Esto se logra con un método de enmallado automático que tiene en cuenta cualquier forma poligonal.
  • Asimismo, su interfaz fácil de utilizar permite simplificar la especificación de la zona horizontal arbitraria de la puesta a tierra. La forma de esta zona se puede definir y mostrar dinámicamente a partir de la interfaz. Cada vértice se puede desplazar arrastrándolo a una nueva ubicación y los datos se actualizan inmediatamente en la cuadrícula de datos y viceversa.
  • Efectúa diseños automatizados por medio de múltiples procedimientos, como los métodos Automático, Punto medio y Lineal. Estos procedimientos especifican adecuadamente 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 el rendimiento y evalúan los criterios y restricciones de manera más eficaz.
  • 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.
  • Se incluyen 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 examen de todos los pasos 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 en tanto que se minimiza el tiempo de cálculo durante los pasos iterativos de diseño.  Una vez terminados los cálculos, se puede definir un conjunto de puntos de observación de forma automática o por medio del usuario, para producir gráficas convencionales rectangulares en 3D y en manchas en 2D, que son útiles para examinar los resultados de los cálculos. 




Historia del desarrollo del programa

SES implementó el primer software automatizado de diseño de mallas de puesta a tierra a comienzos de los años 90. El software poseía una interfaz de menús basada en caracteres (en entorno DOS) y se llamaba AutoGrid. Su utilización se limitaba a mallas rectangulares enterradas en suelos uniformes o de dos capas horizontales. El tiempo de cálculo representaba el principal obstáculo para la utilización sistemática de esta funcionalidad automatizada.

En 2004, SES desarrolló la primera versión de un paquete especializado basado en Windows llamado AutoGroundDesign. En el lanzamiento de 2005, se integraron los módulos de análisis de las mediciones de la resistividad del suelo, de la distribución de la corriente de falla y de evaluación de los cálculos de seguridad al paquete especializado AutoGroundDesign. Se lanzaron en el paquete un nuevo enfoque iterativo y un procedimiento mejorado de selección de puntos de observación, que dieron como resultado tiempos de cálculo más cortos. Además, se introdujeron placas metálicas, al igual que un robusto y flexible procedimiento de creación de mallas y varillas que permiten especificar mallas y varillas separadas a intervalos desiguales. Sin embargo, AutoGroundDesign, todavía se limitaba a las mallas rectangulares. Finalmente, en 2012, AutoGroundDesign pudo comenzar a manipular sistemas de puesta a tierra horizontales de forma arbitraria.




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. Basándonos en la experiencia y en los requerimientos ligados con la puesta a tierra en la subestación, se desarrolló y analizó una configuración preliminar del sistema de puesta a tierra. Los resultados de los cálculos 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 de diseño al sistema de puesta a tierra y se inicia nuevamente el análisis del diseño.

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

Se utiliza un enfoque multipaso 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 realizable para una malla de un tamaño dado y determina si la resistencia de tierra deseada y los límites de seguridad se lograrán con una placa sólida.  De no ser este el caso, entonces se detiene todo el proceso y se informa al usuario que no se puede proceder con el proceso de diseño si no se toman medidas adicionales de mitigación.
  • 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 deseada y los límites de seguridad con una malla dispersa.  Si es 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 a partir de la base de datos de referencia de SES y otras reglas inteligentes, o según 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 se refina recursivamente utilizando técnicas basadas en estándares y algoritmos inteligentes a fin de mejorar su rendimiento y cumplir con las exigencias de seguridad, mientras que al mismo tiempo se reduce 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 simple interfaz que permite a los usuarios establecer rápida y eficientemente un diseño automatizado de sistemas de puesta a tierra. El objetivo final del módulo es de administrar y coordinar los datos de entrada, los criterios de seguridad y las decisiones de progreso del proceso, a fin de obtener un diseño de la malla que cumpla con todos los requisitos. Los parámetros globales del diseño automatizado se controlan por medio de este módulo para seleccionar la metodología a utilizar a fin de obtener el diseño inicial de los sistemas de puesta a tierra, especificar la metodología de la base de datos de mallas a implementar para el diseño automatizado y especificar el número máximo de iteraciones de diseño, así como el ritmo al cual evoluciona el diseño de la malla.

Módulo de análisis de la puesta a tierra

Dicho módulo se utiliza para analizar redes de tierra del sistema de potencia sujetas a corrientes de frecuencia de potencia por CA o CC descargadas en varias estructuras del suelo. Calcula el rendimiento de seguridad de la malla de puesta a tierra en términos del GPR y las tensiones de contacto y de paso.

Módulo de análisis del suelo

Este módulo se dedica a implementar modelos de estructuras de tierra equivalentes con base en los datos medidos de la resistividad del suelo. Puede generar modelos con suelos multicapa horizontales.

Módulo de análisis de la distribución de la corriente de falla

Dicho módulo calcula la distribución de la corriente de falla en múltiples terminales, líneas de transmisión y líneas de energización que utilizan una mínima información y un simple conjunto de datos con respecto a la red. Proporciona la corriente de falla real que fluye hacia 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 límite de seguridad basados en los estándares IEEE 80, IEC 479, el propio estándar del usuario o una combinación de los anteriores. 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 superificie 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 del vestuario protector, como por ejemplo, guantes y botas y el método de cálculo del límite de la corriente de fibrilación.

Herramientas de visualización, graficado e informe

Un módulo basado en CAD se utiliza para ver o editar mallas de puesta a tierra tridimensionales que constan de segmentos rectilíneos. La edición requiere un paquete de software como AutoGrid Pro o AutoGround/MultiGround. Los segmentos de la línea representan los conductores metálicos o los perfiles de observación. Pueden visualizarse a partir de cualquier dirección, en una gran variedad de formas. Otro módulo de informes y gráficas sirve como un poderoso procesador de datos de salida a fin de mostrar los resultados de los cálculos en varios formatos gráficos y de impresión. Este módulo también posee la capacidad de ver los datos de entrada e, incluso, lanzar el módulo de análisis de la puesta a tierra.

Finalmente, un tercer módulo gráfico muestra simultáneamente los resultados de los cálculos en 2D o 3D directamente sobre la configuración del sistema de la malla de puesta a tierra.