Avances en los sistemas de puesta a tierra de energía: un nuevo modelo predictivo para la resistividad del suelo

Los sistemas de puesta a tierra de energía adecuados son esenciales para mantener la seguridad y confiabilidad de la infraestructura crítica del subsistema eléctrico, como las subestaciones. Los sistemas de puesta a tierra de energía proporcionan una ruta de baja resistencia para que las corrientes de falla eléctrica fluyan hacia el suelo, evitando descargas eléctricas, incendios y daños a equipos críticos. La investigación de la resistividad del suelo es muy importante para diseñar sistemas de puesta a tierra de energía. Para obtener sistemas de puesta a tierra más rentables y eficientes para subestaciones eléctricas, es importante seleccionar cuidadosamente ubicaciones con baja resistividad del suelo. También garantiza un rendimiento y una seguridad óptimos. Por lo tanto, una determinación precisa de la resistencia del suelo es esencial, ya que valores incorrectos pueden provocar sistemas de puesta a tierra deficientes.

La Autoridad de Generación de Electricidad de Tailandia ha establecido estándares para la resistencia del suelo requerida para las subestaciones con un límite de menos de 80 ohmios. Sin embargo, la resistividad del suelo a menudo no cumple con estos requisitos, lo que destaca la necesidad de métodos sólidos de evaluación de la resistividad del suelo. Muchos estudios han investigado la relación entre la resistividad del suelo y diversas propiedades geotécnicas, destacando la influencia del contenido de agua, el peso unitario del suelo, el contenido de sal, el contenido de arcilla y el tamaño de las partículas. A pesar de estos conocimientos, sigue siendo necesario un modelo predictivo integral que integre las relaciones entre la resistividad eléctrica del suelo y múltiples parámetros geotécnicos.

Para abordar este desafío, un equipo de investigación dirigido por el profesor Shinya Inazumi de la Facultad de Ingeniería del Instituto Tecnológico de Shibora investigó el comportamiento y la relación entre la resistividad del suelo y los parámetros geotécnicos en un ambiente de temperatura y humedad controladas. También desarrollaron un modelo predictivo basado en sus hallazgos. Su estudio estuvo disponible en línea el 8 de agosto de 2024 y se publicó en la edición de septiembre de 2024 de Engineering Journal Results, volumen 23.

“En el centro de este estudio está el desarrollo de modelos predictivos basados ​​en la relación entre la resistividad eléctrica del suelo y las propiedades geotécnicas clave. Al desarrollar modelos de correlación robustos, nuestro objetivo es predecir con precisión la resistividad del suelo en condiciones de campo. Esto tiene implicaciones importantes para el diseño. de sistemas de puesta a tierra en subestaciones eléctricas, especialmente en regiones con diversos tipos de suelo, como Tailandia”, dice el Prof. Anazumi.

En el estudio, los investigadores midieron 30 muestras de suelo de varios lugares representativos dentro de una subestación de la red eléctrica en Tailandia, utilizando un entorno de laboratorio controlado para establecer una fuerte correlación de resistividad con cada parámetro geotécnico. Se seleccionaron tres propiedades geotécnicas índice para correlacionarlas con la resistividad eléctrica del suelo: el contenido de agua, que se sabe que afecta fuertemente la resistividad; índice de plasticidad, que representa el contenido de arcilla; y densidad seca, que representa la densidad del suelo sin agua. Los resultados revelaron una relación clara entre la resistividad del suelo y el contenido de agua, aumentando la resistividad a medida que se reduce el contenido de agua. Sin embargo, se encontró que la correlación entre la resistencia y el índice de plasticidad o densidad seca era menos significativa, lo que los investigadores atribuyeron al efecto dominante del contenido de agua.

Para abordar este problema, utilizaron además un análisis de regresión múltiple no lineal para estudiar los efectos conjuntos del contenido de agua y otros parámetros del suelo. coeficiente de determinación (r²), que describe qué tan bien se ajusta un modelo a los datos observados para la correlación de la resistividad eléctrica del suelo, el contenido de agua y el índice de plasticidad, entre la resistividad eléctrica, el contenido de agua y la densidad seca se encontraron para la correlación 0,8281 y 0,7742. Estas fuertes correlaciones indican que la combinación de contenido de agua, índice de plasticidad y densidad seca proporciona un modelo predictivo confiable para la resistividad del suelo.

Sin embargo, el equipo también reconoció las limitaciones del modelo, que actualmente sólo puede predecir la resistividad del suelo en suelos cohesivos de grano fino. Esto se debe a la limitada variedad de muestras de suelo utilizadas en el estudio. Afortunadamente, esta limitación puede superarse fácilmente incluyendo un conjunto más amplio y diverso de muestras de suelo en futuras investigaciones.

“Este estudio proporciona un método para mejorar el diseño de puesta a tierra de la subestación, que es fundamental para proteger el equipo y el personal de fallas eléctricas. Los resultados pueden reducir la necesidad de pruebas y modificaciones exhaustivas del suelo, las regulaciones pueden reducir los costos y al mismo tiempo mantener el cumplimiento. El estudio desarrollado también puede adaptarse para el monitoreo ambiental”, comentó el profesor Anazumi, destacando las posibles aplicaciones más amplias de su estudio.

En general, este estudio abre nuevos caminos en la evaluación de la resistividad del suelo, lo que ayuda a la construcción rentable de sistemas de puesta a tierra para subestaciones eléctricas y allana el camino para un suministro de energía más seguro y confiable, lo cual es esencial para el crecimiento económico sostenible.