Cálculo y Diseño de Sistema de Puesta a Tierra (IEEE, CNE)

CALCULO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA
1
ALCANCE
2
DEFINICIONES
Se presenta el procedimiento para el diseño de la malla de puesta a tierra para el sistema de
telecomunicaciones y la estructura metálica; se plantea el diseño de la misma y se evalúa su
comportamiento ante condiciones del sitio. La metodología se toma de la norma IEEE Std. 80
[3]; y se sigue las recomendaciones para el cálculo preliminar de redes de tierra en plantas y
subestaciones eléctricas de la norma IEEE Std. 142 [5]. Adicionalmente, se considerarán las
normativas aplicables contenidas en el Código Nacional de Electricidad [1], [2] vigentes.
-
-
3
Resistividad del terreno: Representa la resistencia eléctrica específica del suelo (a
cierta profundidad o de un estrato del suelo) para oponerse a la circulación de
corriente. Se obtiene indirectamente al procesar un grupo de medidas de campo; su
magnitud se expresa en Ω.m y es inversa a la conductividad.
Resistencia eléctrica: Es la relación entre la diferencia de potencial en un material y la
densidad de corriente que resulta del mismo. Numéricamente es la resistencia
ofrecida por un cubo de 1 m x 1 m x 1 m, medida entre dos caras opuestas.
RESISTIVIDAD DEL TERRENO
Las medidas de la resistividad del terreno se toman según el estudio de suelo. Con las medidas
registradas se realiza el cálculo del modelo a ser utilizado en el diseño de la malla de puesta a
tierra.
La fuente y el equipamiento del sistema de baja tensión y tensión estabilizada se halla ubicado
en el edificio – primer piso (calicata 01,02,03).
Bajo el pavimento de concreto existente en este sector, en las calicatas C-01 y C-03, se
registraron capas de relleno de arena fina, gravosa, arcillosa y/o limosa, medianamente densa,
que se extienden hasta profundidades iguales a 1.60 y 0.90 m, respectivamente. A continuación
en estas calicatas y bajo el pavimento en las otra calicatas (C-02), se registraron estratos de
arcilla limosa, arenosa, de plasticidad baja, blanda a compacta. Seguidamente, a partir de
profundidades comprendidas entre 2.00 y 2.50 m, se encontró una capa de suelo orgánico
arcilloso y limoso, de plasticidad baja a media, blando a medianamente compacto, de espesor
variable entre 0.50 y 0.80 m. Finalmente, a partir de profundidades comprendidas entre 2.80 y
3.10 m, subyace hasta el límite de la profundidad investigada (6.00 m), un depósito de grava
arenosa, mal graduada, medianamente densa a densa, con piedras y bolones redondeados de
14 pulg de tamaño máximo.
A continuación un extracto del estudio de suelos realizado:
Figura 1 Resistividades de Terrenos Típicos, del Tomo Utilización,
del CNE
Fuente : CNE
De los valores antes indicados y según la estratificación del tipo de suelos podemos afirmar:
El Promedio para el tipo de suelos SC
200 Ω – m para el tipo de suelos, el tipo de terreno GP
corresponde a un 30% de la profundidad del terreno utilizado. Promedio para el tipo de suelos
GP
1000 Ω – m.
Con base en los datos mostrados para la zona de construcción se obtiene el modelo de dos
capas mostrado en la Figura 2.
2.- Modelo suelo de dos capas
Valores medidos de resistividad:
Distancia entre electrodos:
insertar valores en Tabla 1
Resistividad aparente ρa:
Distancia entre electrodos para resistividad aparente a:
Resistividad capa superior ρ1:
Resistividad capa inferior ρ2:
Relación ρ2 / ρ1:
Relación ρa / ρ1:
Relación a/h (Gráfico de Sunde):
Profundidad primera capa h (Gráfico de Sunde):
Coeficiente reflexión K:
1,048.76
Ω∙m
3.96
m
278.33
Ω∙m
1,107.50
Ω∙m
3.98
3.77
5.27
0.75
m
0.60
Nota:
Si en el modelo de suelo de dos capas se obtiene un coeficiente de reflexión negativo,
es recomendable utilizar el modelo de resistividad uniforme ya que es más desfavorable.
Figura 2. Resultado del modelo de dos capas de resistividad del terreno (.m)
4
CALIBRE DEL CONDUCTOR
El calibre del conductor se calculó empleando la metodología descrita en el capítulo 11 del
documento de referencia [3].
El cálculo se realiza, tomando el criterio de seleccionar corriente de soportabilidad de corta
duración de los equipos de 10 kA, con un tiempo de duración de la falla de corto circuito de
0,5 s y conexiones en soldadura exotérmica.
Para determinar el calibre mínimo se emplea la ecuación (40) o la Ecuación 42 de la IEEE 80
versión 2000
CÁLCULO DE LA SECCIÓN CONDUCTOR
1.-Datos Generales
Descripción cable :
Temperatura ambiente :
100 Copper, annealed soft-drawn
40 ºC
Intensidad de falta (valor eficaz):
10 kA
Tiempo de la falta:
Conductividad del material:
0.5 s
100 %
o
0.00393 ºC-1
Coeficiente de resistividad térmico a 20 C:
K0 :
Temperatura de fusión:
234 ºC
1083 ºC
Resistividad ρr a 20oC
Capacidad térmica TCAP:
Sección mínima:
Sección mínima normalizada:
1.72 μΩ∙cm
3.42 J/(cm3∙ºC)
25.08909 mm2
35 mm2
2.- DC Offset de la Corriente
Considerar:
Frecuencia de red:
Tiempo de falta:
Relación X / R:
Constante tiempo del DC offset Ta
Factor de reducción Df:
Intensidad corriente asimétrica:
Sección mínima:
Sección mínima normalizada:
Si
60 Hz
0.5 s
10
0.026526 s
1.026183
10.26183 kA
25.746 mm2
35 mm2
Nota:
Si el cable seleccionado es hard drawn copper y se requiere por razones mecánicas la resistencia de éste,
la temperatura de fusión deberá ser 250 o C
En ese caso:
Sección minima:
Sección minima normalizada:
41.67665 mm2
50 mm2
2
Por lo tanto se consideró una sección mínima de 70 mm , que corresponde a un cable (2/0
AWG ) para el lado de Baja Tensión la sección del conductor debe ser según CNE.
5
DISEÑO DE LA RED DE TIERRA
Empleando la herramienta de cálculo de malla de puesta a tierra se realizaron simulaciones
hasta determinar el espaciamiento de cables óptimos de la malla de tierra de la subestación que
cumplan con los requerimientos.
5.1
DISEÑO PROPUESTO DE LA MALLA DE PUESTA A TIERRA.
La malla de puesta a tierra presentará un conductor de cobre desnudo de sección trasversal de
70 mm2 (2/0 AWG) la cual estará interconectada mediante soldadura exotérmica. La
configuración de la malla es rectangular de 10 m por 10,0 m, con retículas de 3.35 m, y cuatro
electrodos de cobre de ¾”x 2,4m en las cuatro esquinas de la misma, como se muestra en la
figura No 4 y en los detalles consignados en el plano anexo.
El calibre del conductor que conectará la malla de puesta a tierra y el equipo o algún barraje
equipotencial debe ser no menor a 50 mm2 esto para poder cumplir el CNE (Tabla 1 Minima
Seccion de Conductor para enlaces equipotenciales).
Tabla 1 Minima Seccion de Conductor
equipotenciales
para enlaces
En la Figura Nº 4 se muestra la configuración de la malla seleccionada (Malla de 10 m x 10 m
con retículas de 3.35 m y 4 electrodos de Cu de ¾” x 2,4 m, los detalles constructivos se pueden
observar en el plano.
Figura 3 Diseño de Malla Poyectada
10m
3.35m
3.35m
3.35m
3.35m
10m
3.35m
3.35m
Figura 6 . Diseño 3D
D1 = 0.6m
W =10.0m
L1 =10.0m
D2 =2.4 m
ᴓ =4pulg de 9onducti
de cemento
5.2
EVALUACIÓN DE RESULTADOS
Empleando la herramienta de cálculo de mallas de tierras, se realizaron simulaciones hasta
determinar el espaciamiento de cables óptimos, la resistividad solicitada.
El cambio total de terreno reduce en 40% a 60% la resistividad del terreno.
El uso de bentonita tiene una reducción de 5% a 15% la resistividad del terreno.
Si un total de reducción de un 42.5% el uso de ambos.
Y con el cemento conductivo en todo el contorno del conductor y la varillas según planos
Figura 4 . Resultados Recalculados obtenidos con Tierra de cultivo,
bentonita y tratamiento con cemento conductivo
CÁLCULO DE LA RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA
COMBINACIÓN DE MALLA Y PICAS
1.- Cálculo Resistencia Puesta a Tierra Conductores Enterrados
Resistividad del terreno:
Diseño inicial Puesta a Tierra:
Longitud total de los conductores Lc:
Profundidad de enterrado conductor h:
Diámetro del conductor d:
Radio efectivo conductor a':
Área total del mallado A:
1) Curvas de Schwarz
Tipo de Curva:
350.71
2
1
Ω∙m
Rectangular
80.00
m
0.60
m
0.01
m
0.08
m
100.00
m2
CURVA A
Coeficiente k1:
Coeficiente k2:
2) Kercel
1.37
Coeficiente Kercel k1:
Coeficiente Kercel k2:
Método de cálculo:
k1:
k2:
1.37
5.65
6.46
Kercel
1.37
6.46
Resistencia PAT conductor R1:
8.43
Ω
350.71
Ω∙m
2.- Cálculo Resistencia Puesta a Tierra Picas
Resistividad del terreno:
Diseño inicial Puesta a Tierra:
Longitud de cada pica Lr:
Diámetro pica 2b:
Radio de Tramamiento
Resistividad del Cemento Conductivo ρ0:
Número de picas nR:
Longitud total picas LR:
Resistencia PAT picas R2:
Resistencia PAT picas R2 con tratamiento :
2
Rectangular
2.40
m
0.02
m
0.05
m
0.02
Ω∙m
1.70
4.00
4.08
m
22.58
Ω
38.39
3.- Cálculo Resistencia Mutua Puesta a Tierra
Resistencia PAT mutua Rm :
13.51
Ω
1.97
Ω
4.- Cálculo Resistencia Puesta a Tierra
Resistencia PAT Rg:
Figura 5 Resultados de Calculo según IEEE
TENSION DE MALLA DE PASO: Se consideró una Corriente de falla de 1.223KA debido a la
corriente de cortocircuito q llega al tablero principal de 8kA y la dispersión lograda en la
estructura metálica y cableado.
CÁLCULO DE LA TENSIÓN DE MALLA Y DE PASO
1.-Datos Generales
Resistividad del terreno ρ:
Diseño inicial puesta a tierra:
Distancia entre conductores D:
Diámetro del conductor d:
Profundidad cable enterrado h:
Factor geométrico n:
Tipo de mallado:
Factor Kii:
Factor Kh:
Factor Km:
Factor geométrico Ki:
Factor geométrico Ks:
Corriente de falla IG:
Longitud total efectiva LM:
Longitud total conductores Lc:
Longitud picas total LR:
Longitud efectiva LS
Tensión de malla Em:
Tensión de paso ES:
166.43 Ω∙m
2
Rectangular
3.33 m
0.01 m
0.600 m
4
4
Picas en el perimetro
1.00
1.26
0.68
1.24
0.42
1,223.57
A
106.87
m
80.00
m
9.60
m
76.16
m
1,606.64
V
1,380.78
V
CÁLCULO DE LA TENSIÓN DE MALLA Y DE PASO
¿Em =
1606.64
<
Etouch=
1 SI
1
COMPROBAR
¿ES =
1380.78
2194.10
?
7723.22
?
Estep
<
Estep=
1 SI
1
DISEÑO PAT CORRECTO
DISEÑO CORRECTO
Se verificó que las tensiones de contacto producidas durante fallas a tierra, no superan las
admisibles por una persona de 50 kg y 70 kg de peso que se encuentre expuesto a
ocurrencia de las mismas, lo cual se da ante contactos con superficies metálicas conectadas a la
malla de puesta a tierra. A pesar de que en ciertos puntos perimetrales no se cumplen
estas tensiones, debe considerarse que en los mismos puntos no hay posibilidad de ocurrencia
de tensiones de contacto.
6
ESPECIFICACIONES PARA EL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA
Se presentan las especificaciones generales para el suministro de los materiales y herramientas
requeridos para la puesta a tierra de los equipos y estructuras correspondientes a la ampliación
de la subestación.
6.1
EXCAVACIÓN Y PROFUNDIDAD DE LA RED
Se excavarán zanjas para instalar el conductor de cobre desnudo a 0.50mx 0,60 m de
profundidad desde la superficie del terreno. Posteriormente, se rellenarán y compactarán con
material de préstamo que en este caso es tierra de cultivo con bentonita y sales.
6.2
CABLES
Los cables de cobre desnudo serán fabricados con alambre de cobre suave, electrolítico,
recocido, sin estañar, trenzados en capas concéntricas. Estos cables cumplirán con los requisitos
establecidos por la norma ASTM-B8 [6].
El cable especificado será de 19 hilos y sus secciones será de 70 mm2 (2/0 AWG) para retícula de
la malla de puesta a tierra principal y 35mm2 para las colas de conexión de los equipos,
estructuras, tuberías y otras conexiones menores de acuerdo con lo indicado en los planos.
6.3
EMPALMES
Todas las conexiones entre cables de la retícula principal de puesta a tierra y entre la retícula
principal y las colas de conexión de equipos y elementos metálicos se harán con soldadura
exotérmica.
6.4
ELECTRODOS DE TIERRA (VARILLAS)
Las varillas de puesta a tierra de 19 mm (3/4”) de diámetro y 2,4 m de longitud, serán de cobre
bajo la norma.
6.5
CONDICIONES DE INSTALACIÓN
La malla de tierra de la subestación será construida como se indica en los planos de diseño y la
ubicación de la malla de tierra y colas es ilustrativa, ella se debe localizar lo más cerca posible al
sitio indicado, verificando que no exista interferencia con los cimientos y otras obras civiles.
7
CONCLUSIONES
Mediante la distribución óptima de conductores que se estimó y el modelo del suelo de dos
capas, se obtuvo que la malla de puesta a tierra tiene una resistencia de 1.97 para el lado de
Baja Tensión.
DOCUMENTOS DE REFERENCIA
[1]
Código Nacional de Electricidad – Suministro 2011.
[2]
Código Nacional de Electricidad – Utilización 2006.
[3]
IEEE Std. 80, “Guide for Safety in AC Substation Grounding”.
[4] IEEE Std. 81, “Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground Impedance, and
Earth
Surface Potentials of a Ground System”.
[5]
IEEE Std. 142, “Recommended Practice for Grounding of Industrial and
Commercial
Power Systems”.
[6] ASTM – B8, “Concentric Lay Stranded Copper Conductors, Hard, Medium
Hard, or
Soft: Standard Specification”.
[7]
ASTM – B3, “Soft or Annealed Copper Wire”.
[8]
ANSI – UL 467, “Standard for Grounding and Bonding Equipment”.
[9] PR20 – COES “Procedimiento Técnico del Comité de Operación Económica del
SEIN”.