Sistemas de Puesta a Tierra de Baja Resistencia en Áreas Petroleras - World Energy Trade

Sistemas de Puesta a Tierra de Baja Resistencia en Áreas Petroleras

Macolla. Imagen tomada de Conkor

Macolla. Imagen tomada de Conkor

Oil & Gas
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Para los sistemas de puesta a tierra en las áreas petroleas existen alternativas de diseño de baja resistencia, adaptadas a las características de las macollas. Entre las configuraciones utilizadas se destacan las mallas conectadas a pozo petrolífero o a pozo acondicionado con coque de petróleo.

Los sistemas de puesta a tierra, contribuyen significativamente a la protección y al buen funcionamiento de los sistemas de energía eléctrica. Según IEEE Standard 80 (2000), entre los objetivos que debe cumplir el sistema de puesta se destaca el de proporcionar los medios para disipar corrientes eléctricas a tierra sin exceder los límites de operación de la red y de los equipos, así como asegurar que las personas dentro de la subestación y en sus vecindades, no estén expuestas al peligro de las corrientes eléctricas de choque.

Las zonas petroleras cuentan con instalaciones y equipos eléctricos, que deben disponer de protecciones eléctricas seguras, que permitan disminuir los riesgos provocados por corrientes de fallas. Entre las alternativas estudiadas se consideran los electrodos de grafitos, presentadas por Sánchez (2009).

Una macolla para la extracción y producción de crudo pesado, también llamada área de pozos, es donde se efectúan los procesos de extracción del crudo extrapesado (menor a 10° API), al cual se le inyecta diluente para su transporte en oleoducto hasta la estación principal.

Una macolla típica tiene un área de ocupación que varía de acuerdo a la cantidad de pozos de producción que la conforman. Por lo general la superficie total ocupada llega a ser de 15000 a 20000 m2.

El sistema eléctrico de las macollas por lo general es a 34,5 KV y están conformadas por:

  • Sistema de protección contra descargas atmosféricas.
  • Cortacorrientes.
  • Transformador de potencia.
  • Centro de potencia a baja tensión, que consta de unidades y equipos de control, cargadores de batería, rectificadores,, sistema contra incendio, aire acondicionado, centro de control de motores, tomacorrientes y servicios auxiliares.

Para el diseño del sistema de puesta de una macolla es necesario conocer:

  • Las características eléctricas (Voltaje de Operación y componentes eléctricos que la conforman).
  • Las mediciones de resistividad eléctrica aparente, realizadas por el método de Wenner (4 puntos) recomendado por IEEE 81 (1983) con distancia entre electrodos de 0,5 m a 10 m.
  • Los valores de máxima corriente de Falla a Tierra, obtenida realizando un estudio de cortocircuito.

Una configuración recomendada del sistema de puesta a tierra en una macolla consta básicamente de 4 secciones, como se muestra en la figura 1.La configuración consta básicamente de 4 secciones:

  • Sección Reticulada: Es una pequeña malla reticulada de 12x9 m, formada por retículas de 3x3 m, con 4 conductores en dirección vertical y 5 conductores en dirección horizontal. Esta sección posee una retícula adicional para controlar posibles gradientes que pudiesen originarse en la entrada de la macolla. Esta sección abarca el área del transformador.
  • Malla para Equipos e Instalaciones de 480 V: Son dos anillos perimetrales que rodean el centro de potencia y las losas de los variadores, respectivamente. Dentro de ésta sección se encuentran las conexiones de puesta a tierra de los dispositivos electrónicos ubicados en los variadores.
  • Puesta a Tierra para Dispositivos Electrónicos de Señales de Instrumentación y Control: Consta de un triángulo equilátero de 9 m de perímetro de conductor de cobre desnudo 4/0 AWG, con sendas barras copperweld de 5/8” de diámetro y 2,44 m de longitud en cada vértice. Las conexiones a éste serán, tal y como lo exige la norma IEEE Standard 80 (2000), a través de conductores de cobre trenzado 2 AWG cubiertos con aislamiento de PVC, de color verde. Este sistema de electrodos local es conectado a la barra principal del sistema de puesta a tierra de potencia ubicada en el centro de potencia. Presenta 9 m de conductor de cobre desnudo 4/0 AWG, y un aproximado de 69 m de longitud de conductor de cobre aislado Nº 2 AWG.
  • Área de Skid e Instalaciones Futuras: Anillo perimetral de 95 m de longitud para la puesta a tierra de las losas de los skid y todos los elementos metálicos presentes en el área de skid de diluentes y válvulas multipuertos; así mismo para cubrir las instalaciones futuras de recolectores de gas. Existen algunas derivaciones desde el anillo, la longitud del conductor que interconecta la malla para equipos de 480 V con el anillo perimetral de los skid es de 11 m.

Configuración geométrica del conductor de la malla de puesta a tierra. Balcedo(2013).

Figura 1. Configuración geométrica del conductor de la malla de puesta a tierra. Balcedo(2013).

En la tabla 2 se muestra un resumen con las longitudes de cada sección del arreglo de electrodos.

Debido a las altas resistividades que presentan los terrenos característicos del área de las macollas, esta red de puesta a tierra deberá estar acompañada de uno o varios sistemas de electrodos alternativos auxiliares que permitan disminuir considerablemente el valor de la resistencia de puesta a tierra del sistema. Cabe destacar que la configuración inicial, salvo el triángulo de puesta a tierra para los equipos sensibles, no posee barras como electrodos de puesta a tierra.

Tabla 2. Características de la configuración inicial de electrodos. Balcedo (2013).
Sección Longitud 4/0
AWG (m)
Longitud 2
AWG Aíslado (m)
Cantidad
Electrodos
Conexiones
Exotérmicas
Área
(m2)
Retículada 102 23 117
Malla para 480 V 65,9 11 180
Instrumentación 9 69 3 - 3,9
Skid e instalaciones
futuras
107,3 17 300
TOTAL 295,2 69 3 51 600,9

Sistemas de Electrodos Auxiliares.

Con base en revisiones bibliográficas, así como las observaciones efectuadas en las instalaciones de las macollas, los posibles sistemas de electrodos auxiliares de puesta a tierra que complementarán, o pudiesen complementar, a la configuración geométrica propuesta, son los siguientes:

  1. Tubería de un pozo de extracción de petróleo (pozo petrolífero).
  2. Pozo de puesta a tierra acondicionado.
  3. Red de puesta a tierra con conductor de acero.
  1. Pozos Petrolíferos o Pozos de Extracción de Petróleo: El pozo de extracción y producción petrolera, o pozo petrolífero, consiste en cualquier perforación del suelo diseñada con el objetivo de hallar y extraer fluido combustible, ya sea petróleo o hidrocarburos gaseosos.
  2. Pozo de Puesta a Tierra Acondicionado: Consisten en electrodos de puesta a tierra rellenos con material de baja resistividad para obtener un valor reducido de resistencia de puesta a tierra. El coque de petróleo es utilizado en la fabricación de electrodos de grafito, que se aplican en sistemas de puesta a tierra logrando una buena superficie de contacto con el suelo. Sánchez (2009).
  3. Red de Puesta a Tierra con Conductor de Acero: Es muy poco familiar el uso del acero como conductor de puesta a tierra, sin embargo, en Sen, P., Malmedal, K. & Nelson, J. (2002) se afirma que el acero ha sido utilizado en diversas partes del mundo como sustituto del cobre para la construcción de sistemas de puesta a tierra por su bajo costo, reducción del efecto o acción galvánica entre metales diferentes (particularmente con cobre), capacidad de brindar protección catódica a tuberías de acero y otras estructuras metálicas conectadas a él y mayor resistencia mecánica

En la Tabla 3 se muestran los resultados de las mediciones obtenidas en campo de las resistencias de puesta a tierra de las macollas sin electrodos auxiliares de puesta a tierra, conectados a tubería de un pozo de extracción de petróleo (pozo petrolífero) y con el pozo de puesta a tierra acondicionado con coque.

Tabla 3. Resultados de las mediciones de las tres opciones de sistemas de electrodos auxiliares. Mercado y Balcedo (2013).
  R1 (Ω)
20% XZ
R2 (Ω)
40% XZ
R3 (Ω)
60% XZ
μ k XY (m) Resistencia Medida (Ω)
Resistencia de puesta a tierra en macollas sin electrodos auxiliares
MP-3 0,1 1,36 1,44 0,22 0,6675 66,75 1,67
MP-4 0,26 0,81 1,48 1,21 0,4914 49,14 1,19
Resistencia de puesta a tierra de las macollas conectados al pozo petrolífero
MP-3 0,6 1,1 1,49 0,78 0,584 58,38 1,37
MP-4 0,7 0,9 1,13 1,15 0,507 50,71 1,07
Resistencia de puesta a tierra del pozo acondicionado con coque de las macollas
MP-6 0,6 0,9 1,3 1,33 0,455 100 y 45,56 0,93
ST-17 0,4 0,8 1,1 0,75 0,589 100 y 58,9 0,92

Los sistemas de electrodos auxiliares de mejor desempeño aplicables para la configuración propuesta para las macollas son la tubería de revestimiento de un pozo petrolífero y un arreglo de electrodos en un pozo acondicionado con coque, los cuales ofrecen excelentes resultados para disminuir la resistencia de puesta a tierra, pero sólo pueden ser implementados en macollas cuyo suelo presente una resistividad aparente inferior a los 900 Ω∙m.

Para suelos con resistividades superiores a los 900 Ω∙m, la red de puesta a tierra propuesta debe ser acondicionada completamente con coque de petróleo, resultando un valor de resistencia de puesta a tierra inferior a 1 Ω, aún en suelos de muy alta resistividad, además de ser muy factible por el uso del coque resultante de los procesos de mejoramiento del crudo llevados a cabo por la industria, el cual repercute en un ahorro económico (durante la vida útil) por cuanto evita el gasto recurrente por compra de aditivos químicos.

Referencias

IEEE 80 (2000). Guide for Safety in AC Substation Grounding, 2000. pp. 13-109 Sánchez, N. J. (2009). Estudio de sistemas de puesta a tierra mediante la utilización de electrodos de grafito. Tesis de Grado, Departamento de Electricidad.Universidad de Oriente, Barcelona, Venezuela.

IEEE 81. (1983). Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground Impedance and Earth Surface Potentials of a Ground System..

Balcedo J. (2013). Propuesta para el Diseño de Sistemas de Puesta aTierra de Baja Resistencia en las Macollas del Campo Zuata de Petroanzoátegui, Cabrútica. Tesis de Grado IngenieríaEléctrica. Universidad de Oriente, Barcelona, Venezuela.

Mercado V. y Balcedo J. (2017). Sistemas de Puesta a Tierra de Baja Resistencia en Áreas Petroleras. CIBELEC 2015. Merida. Venezuela.

Sen, P., Malmedal, K. & Nelson, J. (2002). Steel grounding design guide and application notes. Colorado Springs, Colorado. IEEE Rural electric power conference. 5-7 mayo.

Autor

Verena Mercado PoloIngeniero Electricista, Universidad del Norte (Colombia). Especialista en Automatización e Informática Industrial y Magister en Ingeniería Eléctrica, Mención Automatización e Informática Industrial, Universidad de Oriente (Venezuela). Profesor-Investigador en Pregrado y Postgrado en Universidades Nacionales e Internacionales. Con más de 23 años de experiencia en el área Industrial, docente y en investigaciones en las áreas de: Automatización de Procesos Industriales, Control de Procesos, Sistemas de Control, Instrumentación Industrial, Sistemas eléctricos de Alta, media y baja tensión, Sistemas de distribución eléctrico, Sistemas de Puesta a Tierra, calidad de la energía, estudios de armónicos, Fuentes Alternas de Energía Eléctrica, mantenimiento industrial, confiabilidad, sistemas eléctricos AC y DC en Embarcaciones Marítimas, Protección Catódica en tuberías y estructuras metálicas, Análisis de interferencias Electromagnéticas en tuberías de procesos.