Curso Mallas ATP y ASPIX

8/13/2019 Curso Mallas ATP y ASPIX

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CURSO DE DISEO DE MALLAS DE PUESTA A TIERRA

Elaborado por: Jos Dariel Arcila

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Ejemplo de diseo de malla de puesta a tierra de una subestacin utilizando AlternativeTransients Program-ATP y ASPIX

Este ejemplo muestra la metodologa para el diseo de mallas de puesta a tierra siguiendo los criterios de

seguridad de la norma IEEE 80. El ejemplo muestra el procedimiento para el diseo de la malla de puesta a tierrade una subestacin con niveles de tensin de 115 kV y de 34.5 kV.

1 Herramientas de softwareste ejemplo de diseo se desarrolla con la ayuda de las siguientes herramientas de software:

Alternative Transients Program ATP: se puede acceder sin cargo siempre y cuando firme la licencia de uso delATP, se puede obtener a travs de los grupos de usuarios. La informacin sobre el licenciamiento y sobre losgrupos de usuarios se ver en el sitio web: http://www.emtp.org/

Aspix: se puede obtener una versin Trial por 30 das, sta versin permite realizar simulaciones y ver losresultados, no permite guardar o generar informes. Se puede solicitar una licencia de prueba sin costo quenormalmente ofrecen por 30 das y sin limitaciones de funcionalidad. El programa se puede descargar delsiguiente sitio web: http://www.spartalightning.com/download

Aspix Resistivity Analyzer: es una hoja de clculo que permite procesar las medidas de resistividad tomadaspara obtener un modelo de dos capas. Esta hoja es libre y se puede descargar del sitio web:http://www.spartalightning.com/download

2 Metodologa para el diseoPara el diseo de la malla de puesta a tierra se sigue una metodologa que contempla las siguientes etapas:

1. Medida y procesamiento de las mediciones de resistividad2. Cuadrcula de la malla3. Clculo de la resistencia de puesta a tierra de la malla con el diseo inicial4. Clculo de la distribucin de corrientes a tierra5. Clculo de las tensiones de toque y de paso6. Verificacin de las tensiones y de paso7. Si las tensiones de toque y de paso calculadas son superiores a los valores tolerables, entonces se requiere

redisear la cuadrcula y repetir el proceso desde el punto 2.

3 Informacin de entradaPara el diseo de la malla de puesta a tierra se requiere la siguiente informacin:

Diagrama unifilar del sistema de potencia con los parmetros y datos de los equipos Niveles de cortocircuito Datos de los transformadores de potencia Vista en planta de la subestacin y de la malla de puesta a tierra
http://www.emtp.org/http://www.emtp.org/http://www.spartalightning.com/downloadhttp://www.spartalightning.com/downloadhttp://www.spartalightning.com/downloadhttp://www.spartalightning.com/downloadhttp://www.spartalightning.com/downloadhttp://www.spartalightning.com/downloadhttp://www.spartalightning.com/downloadhttp://www.emtp.org/


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Mediciones de resistividad del terreno

4 Descripcin del casoEste ejemplo consiste en el diseo de la malla de puesta a tierra de una subestacin con niveles de tensin de115 kV y 34,5 kV, con tres lneas de 115 kV, un transformador de potencia de 25 MVA y tres circuitos dedistribucin a 34,5 kV. El diagrama unifilar general se muestra en la Figura 1, la subestacin a la cual se ledisear la malla de puesta a tierra es la Subestacin Carga 1 .

Equivalente CortocircuitoIcc1 = 7 kAIcc3 = 9 kA

115 kV

150 MVA

Ynyn0D11Z1 = 14% Z 0= 14%

230 kV

Lnea doblecircuito de 36 km

34,5 kV

25 MVA Dyn5Z1 = 12%Z0= 12%

Lnea circuitosencillo de 58 km

34,5 kV

25 MVA Dyn5Z1 = 12%Z0= 12%

SubestacinFuente

SubestacinCarga 1

SubestacinCarga 2

115 kV 115 kV

Figura 1. Diagrama unifilar

La subestacin est compuesta por tres bahas de lnea a 115 kV, una baha de transformador a 115 kV, untransformador de 25 MVA, cuatro bahas a 34,5 kV (tres para circuitos de distribucin y una para el transformadorde potencia), como se muestra en la Figura 2.


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Figura 2. Vista en planta de la subestacin

La subestacin tendr una capa de gravilla de 20 cm de espesor y con una resistividad de 2500 m. El tiempomximo de despeje de fallas o de duracin de la falla es de 500 ms. Los cables de la malla tendrn unaprofundidad de enterramiento de 50 cm.

5 Mediciones de resistividad

Las mediciones fueron tomadas utilizando el mtodo de Wenner para una separacin de electrodos de hasta 8metros y utilizando el mtodo de Schulumberger Palmer para separacin de electrodos de tensin de hasta 32metros. Las mediciones de resistividad se muestran en la Tabla 1.


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Tabla 1. Mediciones de resistividad

Mtodo Wenner Mtodo Schlumberger-Palmer

a (m) a (m) c(m) a (m) c(m)2 4 8 16 4 32 4

193.1 168.5 139.6 101.7 210.7167.7 185.3 185 211.4 66.9

222.3 129.5 117.9 164.4 123.4

245.2 175.6 84 147.2 93.2

Para el procesamiento de las mediciones de resistividad y obtencin del modelo de dos capas se utiliza elanalizador de resistividades de Aspix. ste procesador es una hoja de Excel que genera una curva de resistividadcon probabilidad del 70% de no ser superada. A partir de sta curva, el analizador de resistividad busca losparmetros de resistividad de la capa superior, resistividad de la capa inferior y profundidad de la capa superiorque mejor se adapten a las mediciones obtenidas. sta herramienta muestra una grfica donde se puedenapreciar las resistividades medidas y las calculadas por el analizador, permitiendo comparar que tanto se acerca elmodelo a las mediciones. La Tabla 2 muestra el procesamiento de las mediciones de resistividad de la Tabla 1.

Tabla 2. Procesamiento de las mediciones de resistividad del terreno

El analizador de resistividad nos entrega los siguientes parmetros para el modelo de las dos capas:

Resistividad de la capa superior ( 1) = 256.14 m Resistividad de la capa inferior ( 2) = 136.35 m Profundidad de la capa superior (H) = 1.82 m

a (m)c(m) a (m)c(m) a (m)c(m) a (m)c(m)

2 4 8 16 4 32 4

P1 (Ohm_m) 193.1 168.5 139.6

P2 (Ohm_m) 167.7 185.3 185

P3 (Ohm_m) 222.3 129.5 117.9

P4 (Ohm_m) 245 .2 175 .6 84

P5 (Ohm_m)P6 (Ohm_m)

P7 (Ohm_m)

P8 (Ohm_m)

P9 (Ohm_m)

P10 (Ohm_m)

Average 207.1 164.7 131.6

Std Dev 33.82 24.47 42.3Resistivity_70% 223.6 177.4 150.4

Resistivity 2LModel 223.3 176.7 146.8

Estimated 2 layer soil parameters

1 (Ohm_m)

2 (Ohm_m)

k

H(m) Wenner Method Schulumberger-Palmer Method

256.14136.35

-0.311.82

101.7

164.4

10000.00 1.0010000.00 1.00

0.99 - 0.9920.00

210.7

2 11 .4 66.9

Resistivity Analyzer

a (m)Profile

Unequally Spaced - Schlumberger-PalmerMethod

Equally Spaced - Wenner Method

123.4

1 47 .2 93.2

45.334 62.518

177.134 145.573

0.10

Upper Limit Lower Limit

156.175 123.55

162.309165.02

Resistivity AnalyzerVersion 1.0http://www.spartalightning.com/

0

50

100

150

200

250

0 5 10 15 20 25 30 35

R e s i s t i v i t y

( o h m - m

)

Voltage Electrodes Separation Distance a (m)

Resistivi ty_70% Resistivi ty 2LModel

a a a

I

V

c a

V

c

I

Analyze


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6 Diseo Inicial

6.1 Cuadrcula de la malla

El diseo de la malla de puesta a tierra debe ser tal que garantice las condiciones de seguridad de las personas

ante las fallas y que adems requiera la mnima cantidad de materiales y de obra. Un mtodo de diseo consisteen trazar inicialmente una malla de puesta a tierra de tal forma que se facilite la conexin a tierra de losdiferentes equipos de la subestacin. ste primer trazado de la malla de puesta a tierra debe tener en cuenta losiguiente:

Cada equipo requiere como mnimo la conexin a tierra de su estructura. Si el cerramiento de la subestacin es mediante una malla metlica, debe considerarse un cable de la malla de

puesta a tierra para controlar las tensiones de toque. Normalmente puede ser un cable a un metro dedistancia de la malla de cerramiento, enterrado a 50 cm de profundidad. Este cable debe interconectarse conla malla interna cada 20-50 m dependiendo de la resistividad.

Cable haciendo un rectngulo alrededor de los transformadores a 0.5 1 m por fuera de la fundacin. Cable haciendo un rectngulo por fuera de las columnas de los prticos a una distancia de 1 m. Trazar retculas mnimas para facilitar las conexiones a tierra de los equipos y de sus estructuras.

Para el caso del ejemplo, el cerramiento exterior es con muro, por lo cual no es necesario un cable enterradoperimetral. En la Figura 3se muestra la malla de la subestacin trazada utilizando los criterios expuestos.


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Figura 3. Cuadrcula de la malla de puesta a tierra

A continuacin se realiza el anlisis de sta malla de puesta a tierra para saber si ste primer diseo cumple conlos requerimientos de seguridad o si es necesario mejorarlo.

6.2 Resistencia de puesta a tierra

Una vez se conocen los datos de resistividad del terreno y la geometra de la malla, se puede calcular el valor de laresistencia de puesta a tierra. Inicialmente, no se conoce el valor de la corriente mxima que circular por la

malla de puesta a tierra. Esta corriente ser calculada ms adelante y no se requiere conocer su valor para elclculo de la resistencia de la malla. Dado que el programa requiere algn dato de corriente, podemosseleccionar un valor de 1000 A. La Tabla 3 muestra los parmetros que se utilizarn para la simulacin.


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Tabla 3. Parmetros de la simulacin

Parmetro Parmetro en Aspix Valor

Resistividad de la capa superior del terreno en Ohm_m Upper layer resistivity (Ohm_m) 256.14

Resistividad de la capa inferior del terreno en Ohm_m Lower layer resistivity (Ohm_m) 136.35Espesor de la capa superior del terreno en metros Upper layer thickness (m) 1.82

Resistividad de la capa de material superficial (grava). Crushed rock resistivity (Ohm_m) 2500

Espesor de la capa de material superficial en metros Thickness Crushed rock surfacing (m) 0.2

Duracin de la falla a tierra para el clculo de las tensiones detoque y de paso tolerables

Fault duration (s) 0.5

Corriente a travs de la malla de puesta a tierra en amperios Maximum grid current (A) 1000

Estos parmetros se ingresan al programa Aspix mediante la opcin Simulation Settings del men Simulation. La Figura 4muestra los parmetros cargados en el programa.

Figura 4. Ajustes de la simulacin en Aspix

El siguiente paso consiste en ingresar al programa los datos fsicos de la malla de puesta a tierra. Para esto, seagregan cada uno de los cables y cada una de las varillas que conforman la malla de puesta a tierra. En ste

ejemplo, la malla de puesta a tierra est conformada solamente por conductores horizontales, los cuales seadicionan haciendo Click Derecho sobre Horizontal Conductors y luego Click sobre New Conductor. La Figura5 muestra los datos que se deben ingresar por cada conductor.


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Se ejecuta la simulacin usando la opcin Rundel men Simulation. Una vez se ejecuta la simulacinpodemos ver los resultados mediante la opcin Simulations Results del men Results. Los resultados semuestran en una ventana con una tabla como se muestra en la Figura 7.

Figura 7. Resultados de la simulacin

De la tabla de resultados, hasta el momento, solamente tenemos el valor de resistencia de puesta a tierra(2.267 ). Aun no se ha calculado el valor de la corriente por la malla requerido para el clculo de las tensionesde toque y de paso.

6.3 Distribucin de corrientes a tierra

Para el clculo de las tensiones de toque y de paso, se requiere conocer la mxima corriente que circular a travsde la malla de puesta a tierra. Una primera aproximacin es asumir sta corriente como el valor mximo de lacorriente de falla a tierra que se presente en la subestacin, teniendo en cuenta todos los niveles de tensin. staaproximacin puede funcionar en algunos casos, sin embargo, puede conducir a la realizacin de diseos bastanteconservativos y costosos.

Para realizar un diseo menos conservativo, se puede calcular el valor de la mxima corriente que realmentecircular a travs de la malla de puesta a tierra de la subestacin. La corriente de falla a tierra circula tanto por lamalla de puesta a tierra como por los cables de guarda de las lneas de transmisin y de los circuitos dedistribucin. Para conocer cmo se reparte la corriente de falla a tierra existen diferentes metodologas, en steejemplo, se realizarn simulaciones detalladas de fallas a tierra utilizando el programa ATP.

En el caso que se est analizando es importante tener en cuenta la corriente de la falla a tierra que se deriva atravs de los cables de guarda de las torres de las lneas a 115 kV, por lo cual se deben modelar en formadetallada los tramos de lnea ms cercanos a la subestacin con sus puestas a tierra. La Tabla 4 muestra los datosde los conductores de fases y de guarda, y su disposicin fsica en la torre.


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Tabla 4. Parmetros de las lneas a 115 kV

Se asumi un vano promedio de 300 m y una resistencia de puesta a tierra de las torres de 30 , se modelaron enforma detallada los 20 tramos de lnea ms cercanos a la subestacin (6 km en total), la parte restante se modelcomo un solo tramo. La Figura 8muestra la red simulada en el programa ATP.

Figura 8. Red simulada en el ATP

Se simularon fallas monofsicas y bifsicas a tierra, en los niveles de 115 kV y 34,5 kV. El caso en el cual seobtiene la mayor corriente a travs de la malla de puesta a tierra corresponde a una falla bifsica a tierra en ladode 34,5 kV en un punto muy cercano a la subestacin, asumiendo que los circuitos a 34,5 kV no tienen cable deguarda. La Figura 9 muestra cmo se distribuyen las corrientes por las diferentes puestas a tierra para sta falla.

Subestacin Carga 1

Subestacin Carga 2

Subestacin Fuente

Malla subestacin 1Puesta a tierra delas torres


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Figura 9. Distribucin de corrientes a tierra para el caso ms crtico

Las corrientes no se pueden sumar en forma aritmtica debido a que existe un ngulo de desviacin entre ellasocasionado principalmente por la componente inductiva de los cables de guarda, ste desfase se puede ver en laFigura 10.

Figura 10. Corrientes a tierra

El valor mximo de corriente por la malla de puesta a tierra es de 1121 A, y es el valor que se utilizar paracalcular las tensiones de toque y de paso.

Malla subestacin 1 Puesta a tierraen el punto defalla Puesta a tierra de las torres de la lnea

doble circuito a 115 kV

Puesta a tierra de las torres de la lnea de un circuito a 115 kV

115 kV

34.5 kV

2720 A 1121 A

815 A

875 A 2720 A

Cables de guarda

Cable de guarda

(file Ejemplo_Aspix.pl4; x-v ar t) c:MALL -NEUT c: -MALL c:CG1 -MALL c:CG2 -MALLc:FALL -

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10[s]-4000

-3000

-2000

-1000

0

1000

2000

3000

4000[A]

Corriente a tierra en lafalla y corriente por elneutro del transformador

Corriente que circula porla malla de la subestacin

Corriente que circula porlos cables de guarda


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El efecto de la componente de corriente continua de la corriente de cortocircuito es despreciable debido a que larelacin X/R del sistema en la subestacin analizada es menor que 10 y que el anlisis de la malla se hace para untiempo de 500 ms.

6.4 Tensiones de toque y de paso

Para calcular las tensiones de toque y de paso debemos cambiar el valor supuesto de 1000 A de corriente a travsde la malla por el valor calculado de 1121 A. ste valor se cambia mediante la opcin Simulation Settings delmen Settings, se debe cambiar el parmetro Maximum Grid Current (A) (ver Figura 4). Adems, se debenadicionar las regiones o reas en las cuales se calcularn las tensiones de toque y de paso. Estas regiones seseleccionan teniendo en cuenta los siguientes criterios:

La malla de puesta a tierra debe controlar tensiones de paso tanto en el interior como en el exterior de lasubestacin, sin embargo, no es necesario calcular sta tensin de paso en reas demasiado grandes porquelas tensiones de paso son mximas en el permetro de la malla de puesta a tierra, es decir, que si lascontrolamos en el permetro, quedan controladas en cualquier otro sitio. Por lo anterior, un buen criterio escalcular las tensiones de paso en una regin que cubra el rea total de la malla de puesta a tierra.

Las tensiones de toque se deben controlar en todos los sitios donde las personas puedan tocar objetosmetlicos conectados con la malla de puesta a tierra (estructuras metlicas, transformadores, tableros, postesmetlicos, etc.). Normalmente, estos objetos metlicos se encuentran dentro del permetro de la malla y elcriterio utilizado para el trazado de la malla es que su permetro cubra un metro por fuera del rea de losequipos. Por esto, un criterio vlido es calcular las tensiones de toque en una regin que cubra toda el reade la malla de puesta a tierra.

Las reas en las cuales se calcularn las tensiones de toque y de paso se adicionan haciendo Click Derecho sobreChart Areas y luego Click sobre NewChart Area. El programa mostrar la ventana que se muestra en la Figura

11.

Figura 11. Datos de reas para tensiones de toque y de paso

Las reas que se pueden definir en el programa Aspix son de forma rectangular y se definen por las coordenadasdel punto inicial (x, y), por el nmero de puntos en la direccin X y en la direccin Y que se van a calcular, y


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por la distancia entre puntos o resolucin. Para el caso que se est analizando, se pueden definir las cinco reasque se muestran en la Figura 12.

Figura 12. reas para la simulacin

Con las reas para la simulacin definidas se corre el programa con la opcin Run del men Simulation yluego, con la opcin Simulations Results del men Results, se puede ver la tabla de resultados que muestraen la Figura 13. La tabla de resultados muestra un resumen de la simulacin, se pueden ver los valores deresistencia de puesta a tierra y los valores mximos de tensiones de toque y de paso calculados en las reasdefinidas. Adems, se muestran las tensiones de toque y de paso tolerables para personas de 50 kg y de 70 kg depeso de acuerdo con la norma IEEE 80. En ste ejemplo, se tomar como criterio de seguridad que no se superenlas tensiones de toque y de paso tolerables para personas de 50 kg.

El programa Aspix tambin permite ver las grficas de tensiones de toque y de paso en todas las reasconfiguradas. stas grficas pueden ser en dos dimensiones o en tres dimensiones y se pueden ver usando lasopciones Touch Voltage 3D Chart, Step Voltage 3D Chart, Touch Voltage 2D Chart y Step Voltage 2DChart del men Results. stas grficas se muestran en la Figura 14, la Figura 15, la Figura 16 y la Figura 17.

rea 1

rea 2

rea 3

rea 4

rea 5


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Figura 13. Resultados de la simulacin

Figura 14. Tensiones de toque Vista 3D


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Figura 15. Tensiones de toque vista 2D

Figura 16. Tensiones de paso vista 3D


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Figura 17. Tensiones de paso vista 2d

Como puede observarse en los resultados de la Figura 13, la tensin de toque tolerable para una persona de 50 kges de 677.8 V, valor que es superado por la tensin de toque calculada en la malla que alcanza los 914.2 V. Latensin de paso tolerable es de 2219.1 V y es superior la tensin de paso calculada de 406.5 V. En resumen, conste diseo inicial se superan las tensiones de toque tolerables, es decir, que el diseo no cumple con los criteriosde seguridad y por lo tanto debe ser modificado.

7 Diseo modificado

7.1 Cuadrcula de la malla

Las modificaciones al diseo inicial deben ir orientadas a la disminucin de las tensiones de toque, para lo cualexisten diferentes alternativas tales como:

Disminuir la elevacin de tensin de la malla de puesta a tierra durante la falla (GPR), para lo cual lasalternativas son: reducir la resistencia de puesta a tierra, disminuir el nivel de cortocircuito y disminuir laporcin de corriente que circula a travs de la malla.

Reducir el tamao de las cuadrculas de la malla instalando conductores en el interior de las cuadrculas deldiseo inicial.

La primera opcin que se va a probar para disminuir la tensin de toque es la disminucin del tamao de lascuadrculas de la malla. Para esto, se deben ubicar los puntos que presentaron las mayores tensiones de toque enel diseo inicial. En la Figura 18se pueden observar las regiones donde se presentaron las mayores tensiones detoque, la modificacin al diseo consiste en adicionar cables en las cuadrculas que contienen stas regiones, laFigura 19muestra el diseo modificado.


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Figura 18. Puntos crticos para las tensiones de toque

Figura 19. Malla de puesta a tierra Diseo modificado

7.2 Resistencia de puesta a tierra

Se ejecuta el programa y se obtiene una resistencia de puesta a tierra de 2.09 , como se muestra en la Figura 20.


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Figura 20. Resultados Diseo Modificado

7.3 Distribucin de corrientes a tierra

En el programa ATP, se modifica el valor de la resistencia de puesta a tierra correspondiente a la subestacin 1(ver Figura 8) y se ejecuta la simulacin. La Figura 21 muestra cmo se distribuyen las corrientes por lasdiferentes puestas a tierra para el caso ms crtico.

Figura 21. Distribucin de corrientes a tierra Diseo modificado

Malla subestacin 1 Puesta a tierraen el punto defalla Puesta a tierra de las torres de la lnea

doble circuito a 115 kV

Puesta a tierra de las torres de la lnea de un circuito a 115 kV

115 kV

34.5 kV

2732 A 1188 A

793 A

856 A 2732 A

Cables de guarda

Cable de guarda


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El valor mximo de corriente por la malla de puesta a tierra es de 1188 A, y es el valor que se utilizar paracalcular las tensiones de toque y de paso.

7.4 Tensiones de toque y de paso

Para calcular las tensiones de toque y de paso debemos cambiar el valor de 1121 A de corriente a travs de lamalla por el valor de 1188 A que se obtuvo para el diseo modificado. ste valor se cambia mediante la opcinSimulation Settings del men Settings, se debe cambiar el parmetro Maximum Grid Current (A) (verFigura4). Las reas para el clculo de las tensiones de toque y de paso se mantienen iguales a las utilizadas para lasimulacin con el diseo inicial.

Se corre el programa con la opcin Run del men Simulation y luego, con la opcin Simulations Results delmen Results se puede ver la tabla de resultados que muestra en la Figura 22.

Figura 22. Resultados Diseo modificado

La Figura 23, la Figura 24, la Figura 25 y la Figura 26, muestran las grficas en dos dimensiones y en tresdimensiones de tensiones de toque y de paso calculadas en la malla.

Como puede observarse en los resultados de la Figura 22la tensin de toque tolerable para una persona de 50 kges de 677.8 V, valor que es superior a la tensin de toque calculada en la malla que alcanza los 657.1 V. Latensin de paso tolerable es de 2219.1 V y es superior a la tensin de paso calculada de 396.1 V. ste diseomodificado controla las tensiones de toque y de paso, hacindolas inferiores a los valores tolerables, es decir, quecumple con los criterios de seguridad y puede adoptarse como el diseo definitivo.


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Figura 23. Tensiones de toque Diseo modificado Vista 3D

Figura 24. Tensiones de toque Diseo modificado - vista 2D


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Figura 25. Tensiones de paso Diseo modificado - vista 3D

Figura 26. Tensiones de paso Diseo modificado - vista 2d

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