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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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