4447-20-MC-EL-003 0

BHP BILLITON – PAMPA NORTE
GERENCIA DE PROYECTOS
DISEÑO INGENIERIA DETALLE PLANTA DE TRATAMIENTO DE
AGUAS SERVIDAS LOCALIDAD DE BAQUEDANO
MEMORIA DE CÁLCULO
MALLA A TIERRA
0
05/04/2013
CONSTRUCCION
R.CASTILLO
F.MOLINA
N.FLORES
R. LETELIER
B
22-03-2013
REVISION CLIENTE
R.CASTILLO
F.MOLINA
N.FLORES
R. LETELIER
A
19-03-2013
REVISION INTERNA
R.CASTILLO
F.MOLINA
N.FLORES
REV
FECHA
EMITIDO PARA
POR
REV.
APR.
FDA INGENIEROS
N° FDA
4447-20-MC-EL-003
N° BHP
APR.
BHP BILLITON
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REV
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ÍNDICE
1.
GENERALES ........................................................................................................ 3
2.
CALCULOS ........................................................................................................... 5
3.
TOPOLOGIA ......................................................................................................... 5
4.
MEDICION DE LA RESISTIVIDAD ESPECÍFICA DEL TERRENO ....................... 6
5.
CALCULO DE LA RESISTIVIDAD EQUIVALENTE .............................................. 6
6.
CALCULO DE LA CORRIENTE MAXIMA DE FALLA A TIERRA ........................ 6
7.
CALCULO DE LA SECCION MINIMA................................................................... 8
8.
GRADIENTES DE POTENCIAL MAXIMOS ADMISIBLES ................................... 9
9.
CALCULO DE LOS COEFICIENTES PARA LOS GRADIENTES ......................... 9
10.
CALCULO DE LOS GRADIENTES DE VOLTAJE DE LA MALLA ..................... 10
11.
RESULTADOS FINALES .................................................................................... 12
ANEXO 1
: CALCULO DE RESISTIVIDAD DE TERRENO ........................................ 13
ANEXO 2
: CALCULO DE MALLAS DE TIERRA ...................................................... 16
ANEXO 3
: CURVA TERRENO .................................................................................. 19
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1.
GENERALES
1.1
INTRODUCCION PROYECTO
BHP Billiton ha solicitado a FDA Ingenieros el desarrollo de la ingeniería básica para el
proyecto denominado “Planta TAS Baquedano”.
Este proyecto, ubicado en la localidad de Baquedano, comuna de Sierra Gorda, a 73 km de
Antofagasta, tiene como fin la revisión y el rediseño de una Planta de Tratamiento de Aguas
Servidas, la cual, ha presentado una serie de problemas de operación y mantenimiento a raíz
del mal estado de algunos de sus componentes y debido a que el caudal de diseño
considerado ha sido superado.
Debido a la necesidad de contar con una planta de tratamiento que cumpla con el estándar
requerido para este tipo de instalaciones, y considerando el constante aumento de la
población de Baquedano, se realiza el diseño técnico de las diversas áreas involucradas con
una proyección de funcionamiento para los próximos 10 años, lo anterior considerando un
funcionamiento integral de las obras existentes con las proyectadas por esta ingeniería.
1.2
ALCANCE
El presente documento expone los resultados obtenidos en el estudio de resistividad de tierra,
realizado para la ubicación de las futuras instalaciones eléctricas, que energizarán el sistema
de impulsión para riego en el sector la cabrerana.
Además presenta las características de la malla proyectada para la protección de los equipos
eléctricos, tanto en media como en baja tensión.
Este documento se complementa con: 4447-20-PL-EL-012.
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1.3
OBJETIVOS
1.3.1 Objetivo General
El objetivo del documento es describir una malla de tierra, que genere la suficiente protección,
tanto para las personas como para los equipos que se encuentren conectados a ésta. De
acuerdo a las normas vigentes y a los criterios eléctricos vigentes.
1.3.2 Objetivos Específicos
Los objetivos específicos son los siguientes:

General la curva patrón para la caracterización de los estratos existentes.

Analizar y proyectar una malla que cumpla con las normativas de voltaje de contacto
y de paso vigentes.

Asegurar el cumplimiento de los criterios eléctricos vigentes de la zona, por parte del
diseño de la malla.
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2.
CALCULOS
En anexos se muestran los resultados detallados computacionales, para el cálculo de las
mallas de tierra, los cuales están basados en la norma IEEE Std.80-2000.Códigos y Normas.
3.
TOPOLOGIA
La topología indicada en plano de diseño, determina las siguientes características:
Malla a Tierra de Baja Tensión:
Lado A
Lado B
(m)
(m)
5
5
Da Daa
L
na nb
(m)
1
1
60
Nº
Barras
6
6
5
En que:
L  [(1  LadoA / Da ) xLadoB]  [(1  LadoB / Daa ) xLadoA]
L: Largo del cable de la malla
Da: distancia entre conductores de la malla en el lado mayor (largo).
Daa: distancia entre conductores de la malla en el lado menor (ancho).
Lado A: largo de la malla
Lado B: ancho de la malla
na: Número de conductores en el lado mayor de la malla
nb: Número de conductores en el lado menor de la malla
Profundidad de la malla 1 m
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4.
MEDICION DE LA RESISTIVIDAD ESPECÍFICA DEL TERRENO
Los resultados para cada una de las instalaciones fueron los siguientes:
5.
1 = 6,1  x m
E1 = 1 m
2 = 30,5  x m
E2 = 5
3 = 61  x m
E3 = 25
4 = 0  x m
E4 = 
m
m
m
CALCULO DE LA RESISTIVIDAD EQUIVALENTE
Mediante el algoritmo de cálculo normal (Burndkob & Yakob, ver anexo 2) se determina la
siguiente resistividad equivalente, para el área de la S/E:
Resistividad Equivalente
Malla Baja Tensión
6.
5,822
CALCULO DE LA CORRIENTE MAXIMA DE FALLA A TIERRA
I"
3  1000  KV / 3
Z1  Z 2  Z o  3( RF  RM  Z N )
I” máx. se obtiene para:
RF = Resistencia de falla = 0
ZN = Impedancia de neutro = 0
Las corrientes de cortocircuito son Icc trifásica = 13,8 kA y Icc monofásica = 8 kA, el
cálculo de la corriente de falla máxima se hará en la peor condición.
En que:
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Z1: Impedancia de secuencia positiva del sistema
Z  V
1 I x 3
cc 3
Z2: Impedancia de secuencia negativa del sistema
Z  V
2 I x 3
cc 3
Z0: Impedancia de secuencia cero del sistema
Z  Vx 3  ( Z  Z )
I
0
1
2
cc 1
Rm: Resistencia de la malla de tierra total (calculada mediante método de Schwarz)
Por tanto:
Malla
Valor de resistencia (Ohm) Valor de If real (A)
Baja Tensión
0,489
11848,63
La resistencia de la malla de tierra total (calculada mediante método de Schwarz) debe
considerar la interconexión de estas mallas con la malla equipotencial de la Planta.
Nota: Se consideró en el cálculo de la corriente de falla, los siguientes coeficientes:
1= Cc
;
Cc = Coeficiente de crecimiento
(1): Las corrientes de cortocircuito están estimadas, a esto se le suman los aportes de
los consumos existentes y proyectados.
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7.
CALCULO DE LA SECCION MINIMA
( Ac )
min
IF

1974
Log [Tm  Ta] /[ 234  Ta]  1
33T
IF = Se indica en anexo para cada instalación
TM = 1.083°C
Ta = 40°C
T = 0,5 s
Ac = Sec. Cond = mm2
El criterio normalmente usado por las empresas distribuidoras es tomar un 174% de la sección
calculada mediante la ecuación de Onderdonk.
Sección Mínima (mm2)
Cable Recomendado
29,53
N°4/0 AWG
Es decir, cables de poca dimensión, sin embargo considerando que la malla debe tener la
suficiente resistencia mecánica y en consecuencia una larga vida se recomienda cable N°4/0
(ver anexo N°3).
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8.
GRADIENTES DE POTENCIAL MAXIMOS ADMISIBLES
8.1
TENSION DE CONTACTO
Ec 
116  0,17C s  s
T
s = 3000 -m bajo S/E (cemento seco)
8.2
T:
Tiempo de operación 0,5 s
Cs:
Factor de reducción de la resistividad de la capa superficial (ver anexo N°4)
TENSION DE PASO
Ep 
116  0,7C s  s
T
9.
CALCULO DE LOS COEFICIENTES PARA LOS GRADIENTES
9.1
COEFICIENTE DE IRREGULARIDAD
Ki  0,644  0,148n
En que:
n  n n n n
a
b
c
d
Donde:
n  2L
a L
p y n 
b
L
p
4 S
n  1 ; para grilla cuadrada o rectangular
c
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n
d
 1 ; para grilla cuadrada o rectangular
Lp : Perímetro de la malla
L: Largo de la malla
S: Área de la malla
9.2
COEFICIENTE TOPOLOGICO
(  2)
2
2
( D  2h)
( 2n) n
8 )]
K m  1 [n( D

 h )
ln(
2
16hd
8Dd
4d

(
2
n1)
1h
En que:
d = diámetro de conductor = 0,0133 m
D = Espacio entre conductores (m) lado mayor (Da)
h = profundidad de enterramiento de la malla = 0,6 m
9.3
COEFICIENTE TOPOLOGICO PARA LA PERIFERIA DE LA MALLA

1
1
1  1
(n  2) 
K   
 (1 0,5
)

s   2h D  h D


10.
CALCULO DE LOS GRADIENTES DE VOLTAJE DE LA MALLA
10.1 GRADIENTE DE VOLTAJE EN EL RETICULO (MESH)
Vm  Km  Ki  e 
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IF
L
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10.2 GRADIENTE DE VOLTAJE EN LA PERIFERIA
Vs  Ks  Ki  e 
IF
L
10.3 MAXIMA ELEVACION DE POTENCIA CON LA MALLA NO INTERCONECTADA
CON OTRAS P.A.T.
EM, max = RM x If
RM = R de la malla, calculada
10.4 CRITERIOS QUE GARANTIZAN LA SEGURIDAD DE LA MALLA
En la zona cubierta por la malla, si Vm  Ec, se cumple criterio.
En la periferia de la malla, si Vs  Ep, se cumple criterio.
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11.
RESULTADOS FINALES
A continuación se indica los valores calculados del punto 10 anterior y que refleja el
cumplimiento de las exigencias de las Normas:
Malla a Tierra lado de Baja Tensión:
Voltaje de Voltaje de
Contacto
Paso
766,94
2575,61
Gradiente
Voltaje en
Retículo
697,52
Resistencia
Gradiente Voltaje
en Periferia
Cumple
1122,98
SI
de la malla
(Ohm)
0,489
Por lo tanto, la malla garantiza la seguridad de las personas, para el cortocircuito calculado.
Además, las resistencias de las mallas cumplen la condición exigida por las normas.
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ANEXO 1
:
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CALCULO DE RESISTIVIDAD DE TERRENO
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METODOLOGIA DE CALCULO DE RESISTIVIDAD EQUIVALENTE MEDIANTE
METODO DE BURNDKOB & YAKOB
Los parámetros de cálculo, según el método de Burndkob & Yakob son los siguientes:
ρi : Resistividad del estrato “i”, supuesto uniforme, en Ohm-metro.
hi : Profundidad desde la superficie al término del estrato “i”, en metros.
s : Área que cubre el perímetro de la malla de tierra, en metros cuadrados.
b : Máxima profundidad del conductor enterrado, en metros.
r
S

r02  r 2  b 2
q02  2r (r  b)
ui2  qo2  ro2  hi2
vi2  0,5(ui2  ui4  4qo2 ro2 )
Fi  1 
vi2
ro2
Con lo que finalmente el cálculo de la resistividad equivalente de m capas desde la superficie
es el siguiente:

eq
(1  m ) 
F
m
m
1
(F  F
)

i
i 1
i  1 i
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Con Fo = 0
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CALCULO DE RESISTIVIDAD EQUIVALENTE DEL TERRENO MALLA MEDIA TENSIÓN
Descripción
Símbolo Valor
Profundidad de estrato N°1
h1
1m
Profundidad de estrato N°2
h2
5m
Profundidad de estrato N°3
h3
25 m
Profundidad de estrato N°4
h4
∞
Resistividad del estrato N°1
p1
6,1 Ohms-m
Resistividad del estrato N°2
p2
30,5 Ohms-m
Resistividad del estrato N°3
p3
61,00 Ohms-m
Resistividad del estrato N°4
p4
"0" Ohms-m
Superficie de la malla
S
25 m2
Radio equivalente de superficie de malla
r
Profundidad de enterramiento de malla
h
Factores de cálculo
2,82 m
1m
2
6,96
Factores de cálculo
2
qo
21,56
Factores de cálculo
u12
29,52
Factores de cálculo
2
u2
64,52
Factores de cálculo
u32
989,52
Factores de cálculo
2
∞
Factores de cálculo
2
v1
6,52
Factores de cálculo
v22
2,42
Factores de cálculo
2
0,15
Factores de cálculo
2
v4
0
Factores de cálculo
F1
0,25
Factores de cálculo
F2
0,81
Factores de cálculo
F3
0,99
Factores de cálculo
F4
1
Resistividad equivalente del terreno
Pe
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ro
u4
v3
5,82 Ohms-m
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ANEXO 2
:
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CALCULO DE MALLAS DE TIERRA
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CALCULO DE MALLA DE TIERRA BAJA TENSIÓN
Descripción
Icc trifásica en 23 KV
Icc monofásica en 23 KV
Impedancia secuencia positiva y negativa
Impedancia de Secuencia cero
Corriente de falla real
Tiempo duración falla
Voltaje
Resistividad superficial terreno
Resistividad equivalente
Distancia del lado mayor entre cond. de malla
Distancia del lado menor entre cond. de malla
Diámetro de cond. Malla (4/0 AWG)
Prof. Enterramiento de la malla
Superficie a ocupar por malla
Lado mayor malla
Lado menor malla
N° cond. Lado mayor malla
N° cond. Lado menor malla
Largo de la malla
Perímetro de la malla
parámetro n
Factor de irregularidad de malla para Vm
Coeficiente dep. de malla
Coeficiente dep. de malla
Símbolo
Icc 3
Icc 1
X1 y X2
X0
Icc
t (tpo. de duración)
V
Ps
Pe
Da
Daa
d
h
S
A
B
nlm
nb
L
Lp
n
Ki
Km
Ks
Voltaje mano-pie tolerable
Voltaje pie-pie tolerable
Ec
Ep
766,94 V
2575,61 V
Voltaje mano-pie calculado
Voltaje pie-pie calculado
Coef. dep. de conf. Malla
Coef. dep. de conf. Malla
Resistencia de malla (Schwarz)
Vm
Vs
K1
K2
Rm2
697,52 V
1122,99 V
0,94
3,85
0,4888 Ohms
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Valor
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13810 A
8000 A
0,02 Ohm
0,05 Ohm
8128 A
0,5 seg
13,8 kV
3.000 Ohms-m
5,82 Ohms-m
1m
1m
0,0133 m
1m
25 m2
5m
5m
7
6
144 m
44 m
6,00
1,53
0,61
0,62
CALCULO DE FACTOR DE REDUCCION DE RESISTIVIDAD
El cálculo del coeficiente de reducción de la capa superficial de acuerdo a la IEEE std
80-2000, se puede realizar de dos maneras: mediante método con curvas de reducción
o mediante el método analítico, en nuestro caso utilizaremos el método analítico,
considerando que los dos métodos dan valores similares:
El cálculo de Cs es:
Cs = 1 - 0,09(1-Pe/Ps)/(2e+0,09)
En que:
Pe: Resistividad equivalente del terreno
Ps: Resistividad del terreno superficial
e: Espesor de la capa superficial = 0,2 m
Factor Reducción ==> Cs = 0,82
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ANEXO 3
:
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CURVA TERRENO
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