- Generalidades
- Condiciones
ambientales - Alcance
- Normas y
reglamentos - Objetivo y naturaleza de los
sistemas de tierra. - Constitución de un sistema
de tierra. - Determinación de la
resistividad del terreno - Configuración del sistema
de tierras - Diseño de la malla
de tierras para la subestacion electrica del edificio
inteligente.
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.
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
MÍNIMA4ºC
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.- CONDICIONES
AMBIENTALES - 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
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.- NORMAS Y
REGLAMENTOS - 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:
- Protección para el personal operativo,
autorizado o no autorizado. - Protección a los equipos e instalaciones
contra tensiones peligrosas. - 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. - Apego a normas y reglamentos públicos en
vigor.
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.- 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. - DETERMINACIÓN DE LA RESISTIVIDAD DEL
TERRENO - 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 | Factor de Decremento |
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..
- 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