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Sistemas de tierra

Enviado por camacaroorlando



  1. Generalidades
  2. Condiciones ambientales
  3. Alcance
  4. Normas y reglamentos
  5. Objetivo y naturaleza de los sistemas de tierra.
  6. Constitución de un sistema de tierra.
  7. Determinación de la resistividad del terreno
  8. Configuración del sistema de tierras
  9. Diseño de la malla de tierras para la subestacion electrica del edificio inteligente.
  1. GENERALIDADES

Estas especificaciones y criterios de diseño eléctrico serán empleados en el proyecto eléctrico denominado EDIFICIO INTELIGENTE, el cual será utilizado principalmente como oficinas

1.2 Constitución:

El "EDIFICIO INTELIGENTE" estará constituido por ocho módulos de forma hexagonal, formando un conjunto de 6 edificios (2 edificios estas conformados por 2 módulos), intercomunicados y agrupados.

Se contara con servicios auxiliares para el funcionamiento del conjunto de edificios y están calculados para una densidad de población de 120 personas por nivel, por edificio, tomando en cuenta futuras ampliaciones.

Los servicios de los edificios son:

  • Sistema hidroneumático de bombeo.
  • Sistema contra incendio.
  • Sistema de aire acondicionado.
  • Sistema de recuperación de agua pluvial.
  • Sistema de carcamo de bombeo.
  • Sistema de riego.
  • Sistema de filtración de agua.
  • Sistema de agua tratada.
  • Sistema de reserva diesel.
  • Sistema de elevadores.
  • Sistema de energía regulada.
  • Respaldo de suministro y generación de energía al 100 %.
  • Sistema de monitoreo de parámetros eléctricos.
  • Circuito cerrado de televisión,
  • Etc.
  1. Los transformadores deben operar en el interior del inmueble, en atmósfera limpia, por lo que el equipo debe tener acabado estándar y garantizar un nivel de vida de 20 años, operando bajo las siguientes condiciones:

    TEMPERATURA AMBIENTE MÁXIMA

    40ºC

    TEMPERATURA AMBIENTE MÍNIMA

    4ºC

    TEMPERATURA AMBIENTE PROMEDIO

    30ºC

    PRESIÓN BAROMÉTRICA

    750 mm Hg.

    HUMEDAD RELATIVA

    10 a 90%

    ALTITUD

    2,280 msnm.

    El medio ambiente contiene polvo en suspensión y alta corrosión por contaminación, por lo que el sistema de tierras y sus accesorios deben ser construidos con materiales resistentes a la corrosión a manera de garantizar un nivel de vida superior a los 20 años.

    El diseño de los sistemas de tierras se debe considerar, que van a estar operando en presencia de humedad, polvo, roedores e insectos, por lo que se requiere que el diseño sea apropiado para las condiciones de este medio ambiente y contar con facilidades para recibir mantenimiento.

  2. CONDICIONES AMBIENTALES
  3. ALCANCE

La ingeniería de diseño eléctrico comprende la elaboración de planos y especificaciones de materiales para el sistema de tierras, y conexiones a tierra de dispositivos eléctricos y electrónicos.

El objetivo del diseño será proveer una instalación eléctrica con las siguientes características:

  • SEGURIDAD
  • FLEXIBILIDAD
  • CONFIABILIDAD
  • FACILIDAD DE EXPANSIÓN
  • SIMPLICIDAD
  • ECONOMIA
  1. Deben cumplir con las partes aplicables de la última edición de las normas que se indica a continuación:

    ANSI:

    American National Standard Institute.

    NEMA:

    National Electric Manufactures Association.

    ASTM:

    American Society of Testing Materials.

    NMX-J-118:

    Norma Mexicana para Equipo Eléctrico.

    NFPA

    National Fire Protecction Association.

    NEC

    National Electrical Code.

    IEEE

    Institute of Electrical and Elelctronic Engineers.

    NOM-001-SEDE-1999

    Norma Oficial Mexicana relativa a las instalaciones destinadas al suministro y uso de la energía eléctrica.

  2. NORMAS Y REGLAMENTOS
  3. OBJETIVO Y NATURALEZA DE LOS SISTEMAS DE TIERRA.

La correcta conexión a tierra de todo el sistema eléctrico, es un factor de suma importancia para la seguridad del personal y del equipo eléctrico en sí.

El propósito que se persigue con la existencia de los sistemas de tierra es:

  1. Protección para el personal operativo, autorizado o no autorizado.
  2. Protección a los equipos e instalaciones contra tensiones peligrosas.
  3. Evitar que durante la circulación de falla a tierra, se produzcan diferencias de potencial entre distintos puntos de la instalación, proporcionando para esto, un circuito de muy baja impedancia para la circulación de estas corrientes.
  4. Apego a normas y reglamentos públicos en vigor.
  1. Una instalación de puesta a tierra se compone esencialmente de electrodos, que son los elementos que están en íntimo contacto con el suelo (enterrados) y de conductores, utilizados para enlazar a los electrodos entre si y a éstos, con los gabinetes de los equipos y demás instalaciones expuestas a corrientes nocivas, manteniendo al mismo tiempo, una superficie equipotencial a su alrededor.

    Sobre este tema, la NOM-001-SEDE-1999 señala en su capítulo para subestaciones, que el área de la sección transversal mínima de los conductores para una malla de tierra es de 107.2 mm2 (4/0 AWG).

    La resistencia eléctrica total del sistema de tierra, debe conservarse en un valor (incluyendo todos los elementos que forman al sistema) menor a 25 OHMS, para subestaciones hasta 250 KVA y 34.5 KV., 10 ohms en subestaciones mayores a 250 KVA hasta 34.5 KV y de 5 ohms, en subestaciones que operen con tensiones mayores a los 34.5 KV.

  2. CONSTITUCIÓN DE UN SISTEMA DE TIERRA.

    La resistividad del terreno es de 100 Ohms / metro, la cual se determino en base a tablas, considerando que el terreno esta compuesto principalmente por arcillas.

  3. DETERMINACIÓN DE LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO
  4. CONFIGURACIÓN DEL SISTEMA DE TIERRAS

Para la correcta operación del sistema eléctrico y dado que se involucran equipos electrónicos, se construirán cuatro tipos de sistema de tierras:

  • Sistema de Tierras para Electrónica.
  • Sistema de Tierras para Fuerza.
  • Sistema de Tierras de Pararrayos:
  • Sistema de tierras para señales electromagnéticas y cargas estáticas.

8.1 Sistema de Tierras para Electrónica.

Utilizado para la puesta a tierra de los equipos electrónicos y de control, consta de una serie de electrodos instalados remotamente del local de unidades de energía ininterrumpible del edificio inteligente, enlazados entre si por medio de cobre desnudo Cal. 4/0 AWG. En el interior del local de las unidades de energía ininterrumpible del edificio inteligente, se instalo una barra de cobre electrolítico de 3.600 x 0.1016 x 0.009525 mts., montada a 2.60 mts. sobre nivel de piso terminado con una leyenda indicativa, que es de uso exclusivo para el sistema de electrónica. Conectada a el sistema de tierras remotas mediante cable de cobre Cal. 4/0 AWG. Aislamiento THW – LS 90 °C, con marcas en los extremos y a intervalos no mayores de 3.0 color verde; a las concentraciones de tableros para cada nivel de cada modulo, los tableros para el sistema regulado de energía se conectaran con cables paralelos de calibre adecuado a la capacidad del interruptor termomagnético principal de cada tablero, de características similares al Cal. 2 AWG y dejando como preparación cocas de cable.

Dado que en este sistema no se considera la conducción a tierra de grandes corrientes de falla, para su elección se considera la resistividad existente en el terreno, el tipo de electrodo instalado y lo estipulado en la NOM-001-SEDE-1999, relativo a la sección de conductores utilizados para la puesta a tierra de equipos, seleccionados en función de la capacidad del interruptor que protege a los circuitos en cuestión.

Como electrodo de puesta a tierra se utiliza el tipo EP - ET, marca Parres ó similar, construido de cobre electrolítico aleación 110 de contenido químico a base de magnesio, coke y sulfato de cobre con un recubrimiento plateado y 19 cm. de diámetro por 119 cm. de longitud. Este sistema debe estar completamente aislado del sistema de tierras de pararrayos y enlazado al sistema de tierras para fuerza, por medio de un puente de conexión. en el edificio de distribución.

La resistencia a tierra máxima en este sistema debe ser de 2 Ohms, en el caso de no alcanzar la resistencia deseada, se instalara, algún elemento químico para reducir la resistividad del terreno y alcanzar así, la resistencia a tierra requerida.

8.2 Sistema de Tierras para Fuerza.

Utilizado para conectar a tierra todos los elementos de la instalación que en condiciones normales de operación no están sujetos a tensiones, pero que pueden tener diferencia de potencial con respecto a tierra a causa de fallas accidentales en los circuitos eléctricos, así como los puntos de la instalación eléctrica en los que es necesario establecer una conexión a tierra para dar mayor seguridad, mejor funcionamiento y regularidad en la operación y en fin, todos los elementos sujetos a corrientes eléctricas importantes de corto circuito y sobretensiones en condiciones de falla.

Este sistema se constituye de una malla de tierras remota localizada en la zona de hombre muerto entre los edificios E y D, consta de una serie de electrodos enlazados entre si, con un cable de cobre desnudo Cal. 4/0 AWG, de la malla del sistema de tierras se llega a el local de la subestación eléctrica principal en la planta sótano del edificio inteligente E, mediante cable de cobre desnudo Cal. 4/0 AWG, a una barra de cobre electrolítico de 3.600 x 0.1016 x 0.009525 Mts., montada a 2.60 Mts. sobre nivel de piso terminado con una leyenda indicativa, que es de uso exclusivo para el sistema de fuerza. En las trincheras del local se transportara el conductor de cobre desnudo para la conexión a tierra de los elementos metalicos de la subestación. La puesta a tierra de los elementos se hara mediante cable de cobre desnudo Cal 1/0 AWG. a las concentraciones de tableros para cada nivel de cada modulo, los tableros para el sistema normal – emergencia de energía se conectaran con cables paralelos de calibre adecuado a la capacidad del interruptor termomagnético principal de cada tablero.

La resistencia a tierra en cualquier punto del sistema, no debe ser mayor a 10 Ohms. Para la conexión a tierra de los equipos, se instalarán en los edificios, una barra de cobre electrolítico de 1.500 x 0.1016 x 0.009525 Mts., montadas en todos los casos a 0.60 Mts. sobre nivel de piso terminado con una leyenda indicativa, que es de uso exclusivo para el sistema de fuerza en las concentraciones de tableros de cada nivel de cada modulo.

8.3 Sistema de Tierras en Pararrayos.

Como su nombre lo indica, se destina para drenar a tierra las corrientes producidas por descargas atmosféricas y se conforma con electrodos tipo copperweld, Marca Mexerico o similar y cable tipo pararrayos de cobre Clase 1, 27 hilos, Marca Condumex o similar.

La distancia del edificio con respecto al hincado del electrodo, no debe ser menor a 2.50 Mts. y debe quedar totalmente aislado de los sistemas de tierras para fuerza y para electrónica.

La resistencia a tierra en cualquier punto del sistema, no debe ser mayor a 10 ohms, para lo cual en caso necesario, se implementarán arreglos de electrodos en Delta y/o un agregado de elementos químicos para reducir la resistividad del terreno, recomendados por la NOM-001-SEDE-1999 Art. 250-83.

8.4 Sistema de Tierras Para Señales Electromagnéticas y Cargas Estáticas.

El principio utilizado para este sistema es el de una jaula de Faraday, que es en pocas palabras un cuarto blindado contra interferencias de radiofrecuencias. Esta jaula aisla al receptor de las fuentes radiacionales y permite observar con precisión su funcionamiento con señales debiles calibradas que se generan cuidadosamente en el interior de la jaula, teniendo así un medio libre de interferencia en el cual es posible efectuar medidas a bajo nivel.

Para el blindaje de campos magnéticos, el material debe tener propiedades ferromagnéticas.

El hecho que exista una conexión de la jaula a una tierra directa no tiene el menor efecto sobre las propiedades de un blindaje.

Las características principales que deben cuidarse en la construcción de una jaula de Faraday son: La atenuación, en su valor mínimo garantizado, la gama de frecuencia protegida, el tipo de interferencias que debe blindarse, ventilación adaptabilidad para hacer modificaciones, tipo de entrada y alambrado.

En caso de ser necesario una gran atenuación, el blindaje puede constar de varias paredes que formen casquetes concéntricos aislados entre si,

Como se están considerando campos magnéticos de muy alta frecuencia y microondas se utilizara lamina sólida perforada de acero, fija sobre un marco de madera. La cosntrucción de la jaula de Faraday se realizara de manera que el blindaje interior y el exterior se conecten en un solo punto. A fin de reducir los efectos de antena debido a las penetraciones de elementos metálicos como grapas clavos, etc, para la fijación de las laminas en el bastidor de madera, se procura evitarlas y si es preciso se aplica soldadura para que formen una sola pieza con el blindaje, o bien la utilización de clavos de plastico de diámetro inferior a la abertura normal de la malla.

Para evitar los efectos de inducción de campo magnético por la penetración del blindaje por partes metálicas, ya sea del interior al exterior o viceversa, se utilizaran filtros en las entradas de todo alambre que penetre, incluyendo tierras, y preferiblemente se localizan cerca del punto de conexión entre el blindaje interior y exterior.

Se acostumbra emplear un transformador de aislamiento antes del filtro para tener la alimentación desconectada de la tierra y evitar accidentes a personas en el interior de la jaula

Se recomienda que se instalen entradas hermeticas de doble puerta, para mantener el blindaje todo el tiempo.

Este sistema se constituye de dos o mas mallas de tierras conformando un blindaje concentrico del cuarto electrico localizada en la zona del site,

9 DISEÑO DE LA MALLA DE TIERRAS PARA LA SUBESTACION ELECTRICA DEL EDIFICIO INTELIGENTE.

En sotano del edificio E, se alojaran dos subestaciones eléctricas constituidas por tres transformadores de 750 KVA, con relación de transformación de 23,000-480/277 Volts, conexión Delta - Estrella enfriamiento a base de silicón líquido.

La limitación de sobretensiones son particularmente importantes en sistemas que operan a voltajes mayores a los 1,000 volts, ya que los equipos para esta clase de voltaje están diseñados con menor margen que los de baja tensión, refiriéndose a las pruebas de 60 Hz y al voltaje de operación.

9.1 Determinación de la corriente de corto circuito de falla a tierra.

Para la determinación de las corrientes de corto circuito, se utilizó el método por unidad (ver memoria de cálculo de corto circuito), dando como resultado en el bus principal de media tensión, un valor de:

Para la determinación de las corrientes de corto circuito, se utilizo como potencia de cortocircuito 300 MVA, trifásico, en cada una de las acometidas de la subestación.

Donde:

Icc = Corriente de corto circuito trifasica en Amp.

MVA = Potencia de cortocircuito ttrifasica en MVA.

KV = Tension de suministro en KV.

De las condiciones del problema tenemos:

9.2 Ajuste de la corriente de falla.

Cualquier ampliación que sufra este sistema posterior a lo considerado, será en forma de transformadores independientes, por lo que este factor es igual a uno ( A = 1 ).

9.2.2 Por tiempo de duración de la falla.

Se considera que al ocurrir una falla a tierra, los interruptores operan eliminando la falla del sistema, lógicamente tendremos un tiempo de duración de la falla menor a 0.1 segundos que equivale a 6 ciclos, por esta razón aplicaremos un factor de 1.25 (D = 1.25) según la siguiente tabla:

Duración de la Falla (ciclos)

Factor de Decremento (D)

0.5

1.65

6

1.25

15

1.10

30 ó más

1.10

Entonces la corriente de falla quedará:

Donde:

Icc = Corriente de corto circuito trifasica en Amp.

A = Factor de seguridad

D = Factor de decremento.

De las condiciones del problema tenemos:

9.3 Diseño de malla propuesto.

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

Acot. en Mts.

Cable de cobre desnudo Cal. 4/0 AWG.

Electrodo de tierra.

L = Longitud de conductor ( L ) = 300.0 mts.

Profundidad de enterramiento = 0.60 mts. (considerados desde el lecho bajo de loza)

Area (A) = ancho x largo = 213.64 mts.2.

Número de conductores transversales menos dos (N) = 6

9.3.1 Radio Equivalente ( r )

Donde:

r = Radio equivalente en m.

Ar = Area total encerrada por el la malla propuesta m2

De las condiciones del problema tenemos:

Resistencia esperada en la malla:

Donde:

R = Resistencia de la malla esperada en Ohms.

r = Radio equivalente en m.

= Resistividad del terreno Ohms metro.

L = Longitud del conductor en m.

De las condiciones del problema tenemos:

9.4 Cálculo de la Sección del Conductor:

De la tabla de Onderdonk, considerando conexiones soldables y una falla con duración menor a los 0.1 segundos, tenemos que el calibre mínimo recomendado para evitar la fusión del cable se detemrina con la constante 6.5 c.m./amp., por lo que la sección mínima del conductor será:

Donde:

S = Seccion del conductor en c m.

KON = Constante de Onderdonk.

De las condiciones del problema tenemos:

Equivalente al calibre 1/0 AWG, pero se utilizará el mínimo recomendable por la norma de Cal. 4/0 AWG, con sección 107.2 mm 211,600 c m..

  1. Cálculo de la longitud necesaria de conductor:

La longitud se calcula de acuerdo a la siguiente fórmula:

Donde:

L = Longitud de conductor enterizado para mantener el voltaje de malla dentro de los límites de seguridad.

km = Factor que depende del dimensionamiento de la malla.

Ki = Factor de corrección por irregularidad del flujo de corriente a tierra.

r = Resistividad del terreno.

t = Duración máxima de la falla.

r s = Resistividad en la superficie del terreno.

Cálculo de km.

Donde:

Km = Factor que depende del dimensionamiento de la malla.

D = Espaciamiento entre conductores en la malla.

d = Diámetro de los conductores.

h = Profundidad de enterramiento del conductor.

n = Número de conductores transversales paralelos.

De las condiciones del problema tenemos:

Cálculo de Ki :

Donde:

Ki = Factor de corrección por irregularidad del flujo de corriente a tierra.

n = Número de conductores transversales paralelos.

De las condiciones del problema tenemos:

La longitud mínima de cable enterrado debe ser:

La longitud de calculo es menor que la indicada en la configuración de la malla.

182.3 < 3000.0 Mts.

9.5 Cálculo del potencial tolerables.

Maximo aumento de potencial E en la red.

Donde:

E = Potencial máximo de la malla.

Icc = Corriente de corto circuito trifasica en Amp.

R = Resistencia de la malla esperada en Ohms.

De las condiciones del problema tenemos:

Potencial soportable por el cuerpo humano Voltaje de paso.

Donde:

EPT = Voltaje de paso tolerable para el cuerpo humano.

t = Duración máxima de la falla.

r s = Resistividad en la superficie del terreno.

De las condiciones del problema tenemos:

Volts

Potencial soportable por el cuerpo humano Voltaje de contacto.

Donde:

ECT = Voltaje de contacto tolerable para el cuerpo humano.

t = Duración máxima de la falla.

r s = Resistividad en la superficie del terreno.

De las condiciones del problema tenemos:

Volts

9.6 Cálculo del potencial de contacto o de malla.

Emplearemos la siguiente fórmula:

Donde:

VC = Voltaje de contacto o de malla.

LT = Longitud de conductor enterizado para mantener el voltaje de malla dentro de los límites de seguridad.

km = Factor que depende del dimensionamiento de la malla.

Ki = Factor de corrección por irregularidad del flujo de corriente a tierra.

r = Resistividad del terreno.

Icc = Corriente de corto circuito trifasica en Amp.

De las condiciones del problema tenemos:

9.7 Cálculo del potencial de paso.

Donde:

VP = Voltaje de paso o de malla.

LT = Longitud de conductor enterizado para mantener el voltaje de malla dentro de los límites de seguridad.

ks = Factor que.

ki = Factor de corrección por irregularidad del flujo de corriente a tierra.

r = Resistividad del terreno.

Icc = Corriente de corto circuito trifasica en Amp.

De las condiciones del problema tenemos:

Cálculo de Ks :

Donde:

ks = Factor que.

D = Espaciamiento entre conductores en la malla.

h = Profundidad de enterramiento del conductor.

n = Número de conductores transversales paralelos.

De las condiciones del problema tenemos:

Numero mínimo de varillas requerido:

Donde:

Ar = Area total encerrada por el la malla propuesta m2

NV = Numero mínimo de varillas.

De las condiciones del problema tenemos:

El numero de electrodos colocados en la malla, son 10.

Verificacion de las condiciones de seguridad.

De las condiciones del problema tenemos:

Como el potencial tolerable por el cuerpo humano VCH es superior a la elevación del potencial de malla calculado, el arreglo seleccionado en este punto es aceptable.

 

 

 Orlando Camacaro


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