TDR Malla de Tierra

DISEÑO DE MALLA DE PUESTA A TIERRA

OBRA: “TORRE DEL RELOJ”

MEMORIA DE CÁLCULO RED DE TIERRAS

DE LAS S/E INTERIOR PARA LA OBRA

“TORRE DEL RELOJ”

REV. DESCRIPCIÓNBLINDOBARRAS

FECHAElaboró Revisó Aprobó

A1 EMITIDO PARA COMENTARIOS INTERNOS J. MALAGÓN P. SANCHEZ C. JIMENEZ 14/11/2014



ContenidoCERTIFICADO DE CONFORMIDAD......................................................................................................4

1. OBJETIVO...................................................................................................................................5

2. INTRODUCCIÓN.........................................................................................................................5

3. ALCANCE...................................................................................................................................6

4. UBICACIÓN DE LA INSTALACIÓN................................................................................................7

5. CÓDIGOS Y NORMAS APLICABLES..............................................................................................8

6. CÁLCULO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA.............................................................................9

6.1 PREMISAS......................................................................................................................................9

6.1.1 MÉTODO DE MEDICIÓN DE RESISTIVIDAD........................................................................................................9

7. DISEÑO PRELIMINAR...............................................................................................................12

7.1 MODELACIÓN DEL SISTEMA.........................................................................................................13

7.2 CÁLCULO DE CALIBRE DEL CONDUCTOR........................................................................................14

7.3 CARACTERÍSTICAS DEL SUELO.......................................................................................................18

7.4 CÁLCULO DE LA CORRIENTE DE MALLA (IG)...................................................................................18

8. MODELACIÓN DE LA PUESTA A TIERRA....................................................................................19

8.1 INTRODUCCIÓN DE DATA.............................................................................................................20



A1 EMITIDO PARA COMENTARIOS INTERNOS J. MALAGÓN P. SÁNCHEZ C. JIMENEZ 14/11/2014



8.2 CONFIGURACIÓN DE LA MALLA....................................................................................................21

8.3 REPORTE DE SALIDA.....................................................................................................................21

9. CONCLUSIONES........................................................................................................................22

10. RECOMENDACIONES......................................................................................................................22






CERTIFICADO DE CONFORMIDAD






1. OBJETIVO

Presentar el informe con el diseño de la malla de puesta a tierra para la subestación tipo interior de 300 kVA, la cual alimentará a la obra en construcción TORRE DEL RELOJ, ubicada en la ciudad de Bogotá D.C. Colombia.

2. INTRODUCCIÓN

Una instalación de tierra constituye un medio para dispersar corrientes eléctricas en el terreno y para reducir los riesgos de electrocución

Una instalación de puesta a tierra debe realizar las siguientes funciones principales:

Constituir un medio para dispersar corrientes eléctricas en el terreno de manera que, en caso de falla, no influyan de manera grave sobre la continuidad del servicio.

Proteger del riesgo de electrocución las personas y los animales que se encuentran en la cercanía de la instalación.

Dispersar en el terreno las corrientes de las instalaciones de protección contra las descargas atmosféricas.

En lo que respecta la primera función debemos tomar en cuenta que cuando se presentan fallas, algunos componentes de la instalación pueden verse sometidos a solicitaciones térmicas, dieléctricas o electrodinámicas que pueden comprometer su eficiencia.

En lo que respecta al riesgo para las personas, debe observarse que la existencia de una instalación de tierra es condición necesaria pero no suficiente para garantizar la seguridad, la cual depende también de numerosos otros factores.

Las condiciones y los parámetros que pueden influir sobre la eficacia de una instalación de tierra son las siguientes:






Valor de las corrientes de falla en relación a las dimensiones y a las características de la instalación.

Duración del fenómeno.

Valor de la resistividad del terreno y su desuniformidad.

Riesgo de contacto entre puntos que pueden asumir diferente potencial.

El propósito que se persigue con el diseño que se elabora es garantizar:

La seguridad de vidas humanas e instalaciones, limitando las sobretensiones por

descargas atmosféricas.

La seguridad de vidas humanas limitando las tensiones de paso y de contacto a

valores seguros.

El correcto funcionamiento de la red de suministro de electricidad y para

asegurar una buena calidad de la energía.

Protección a los equipos e instalaciones contra tensiones peligrosas.

Dar cumplimiento a normas y reglamentos vigentes.

3. ALCANCE

El contenido de esta memoria de cálculo incluye:

Selección de la sección de conductor de cobre y largo del mismo en función de la

corriente de cortocircuito presente en la instalación.

Selección del número necesario de jabalinas a instalar con el sistema de puesta

a tierra

Verificación de las tensiones de paso y contacto máximas exigidas

En este informe se presenta la metodología, los resultados del diseño de la malla de puesta a tierra, las conclusiones y las recomendaciones, cumpliendo con los






criterios establecidos en el RETIE y la norma ANSI/IEEE Std. 80 “IEEE Guide for Safety in A.C. Substation Grounding”.

4. UBICACIÓN DE LA INSTALACIÓN

El área en estudio se encuentra ubicada en la Av. Suba con calle 100, en la ciudad de

Bogotá en la república de Colombia. En las siguientes figuras se puede apreciar el área

de localización de las instalaciones.

Figura 1 Vista Panorámica del avance de obra






Figura 2 Área contemplada para la ubicación de la Subestación y su respectiva malla de tierra

5. CÓDIGOS Y NORMAS APLICABLES

Normas Colombianas:

RETIE Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas

NTC Norma Colombiana NTC 4552-2

Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE):

ANSI / IEEE

Standard 80-2000

Método clásico de cálculo de diseño de ANSI / IEEE

Standard 80-2000

IEEE Std 142-2007Recommended Practice for Grounding of Industrial and

Commercial Power Systems, Chapter 4






6. CÁLCULO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA.

Un sistema de puesta a tierra es el conjunto de medidas que se han de tomar para

conectar una pieza eléctricamente conductora a tierra.

6.1 PREMISAS

Para las mediciones de la resistividad del terreno se utilizó un telurómetro digital de

cuatro terminales calibrado, serial 09021275, el cual cuenta con indicadores de ruido

eléctrico y verificación de las conexiones de la medición, entregando por lo tanto un

valor medido de alta confiabilidad.

En la modelación del sistema eléctrico y en los cálculos de distribución de corrientes a

tierra, se utilizó como herramienta de simulación el programa de computador ETAP el

cual es ampliamente utilizado en simulaciones para el estudio y análisis de sistemas

eléctricos de potencia, debido a la confiabilidad de sus resultados.

6.1.1 MÉTODO DE MEDICIÓN DE RESISTIVIDAD

Existen distintos métodos para medición de resistividad. En este caso, se empleó el

método de Arreglo de Wenner o de potencial, ya que su utilización se ha generalizado

por su sencillez y confiabilidad.

Para éste método se requiere que la disposición de los electrodos se haga en línea

recta y equidistantes a una distancia “a”, que en nuestro caso fue de 1m,

simétricamente respecto al punto en el que se desea medir la resistividad del suelo, no

siendo necesario que la profundidad de los electrodos sobrepase los 30 cm. El aparato

empleado es un telurómetro de cuatro terminales, siendo los dos electrodos extremos






los utilizados para la inyección de corriente de la corriente de medida (I) y los dos

centrales los electrodos de medida de potencial (V). (Ver figura 3)

Figura 3 Medición de resistividad por método Wenner

El valor de resistividad promedio de terreno fue suministrado de las mediciones

realizadas en campo. En las siguientes imágenes se observa el procedimiento utilizado

para registrar los distintos valores de resistividad obtenidos, los cuales fueron

resumidos en la tabla 1:

Tabla 1 Resistividad del suelo

Medida 1 Medida 2 Medida 3 Medida 4 Valor

Promedio

p(Ω-m) 25.7 17.21 16.32 19.39 19.67






Figura 4. Evidencia fotográfica de los resultados de resistividad medidos con el telurómetro






Para el diseño se consideró una resistividad de 19.25 ohm-metros

Para las simulaciones se tomará el nivel de cortocircuito de Baja Tensión equivalente

a 18.5kA, dato suministrado por el cliente

Se usará para los cálculos de conductores la corriente de cortocircuito del lado de

Baja Tensión del transformador, equivalente a 18.5 kA como corriente máxima de falla

a tierra, dato suministrado por el cliente, relación X/R = 10.

El sistema de puesta a tierra estará constituido por conductores de cobre, de calibre

mínimo 2/0 AWG, instalado en forma de cuadricula en el área donde se ubicará la

subestación.

Se considera que la corriente simétrica que circula por la tierra (Ig) es solo una

fracción de la corriente de cortocircuito (If) al ocurrir una falla. Por lo cual se usará el

factor de derivación (Sf) para obtener la corriente que circula por tierra, además de un

factor de corrección por proyección (Cp) y un factor de decremento (Df).

Para los factores de derivación (Sf) se utiliza el método basado en tablas y ecuaciones

presentado en las normas del estándar STD IEEE-80-2000. Este método consiste en

determinar el valor de Sf tomando en cuenta la existencia de un divisor de corriente

que se obtiene entre la resistencia de PAT (Rg) y la impedancia equivalente (Zeq)

aproximada de los posibles caminos de retorno de la corriente de falla hacia la fuente.

El tiempo de duración de la corriente de falla se consideró 0,5 seg.

7. DISEÑO PRELIMINAR

El diseño preliminar debe ajustarse de tal manera que la longitud total de los

conductores enterrados, incluyendo los electrodos, sean cuando menos igual a la






calculada en la ecuación de resistencia de tierra, para que las diferencias de potencial

permanezcan dentro de los límites tolerables.

7.1 MODELACIÓN DEL SISTEMA






7.2 CÁLCULO DE CALIBRE DEL CONDUCTOR

Los elementos del sistema de tierra conformado por los conductores de la malla, las

conexiones y los electrodos, se diseñarán de manera de que se cumpla lo siguiente:

El calibre mínimo del conductor de puesta a tierra deberá soportar la máxima corriente

de falla de cortocircuito por el tiempo de duración de despeje de la falla sin ningún tipo

de deterioro ni pérdida de vida útil.

El calibre mínimo del conductor y los otros elementos de puesta a tierra deberán tener

un alto grado de resistencia mecánica, especialmente en aquellos lugares en que

quedan expuestos a un daño físico.

Salvaguardar la vida de las personas, reduciendo los potenciales de toque y paso a

niveles seguros en condiciones de falla.

Proteger los elementos del sistema en condiciones de falla.

Las uniones eléctricas no se fundan o deterioren en las condiciones más

desfavorables de magnitud y duración de la corriente de falla a que queden expuestas.

Tengan suficiente conductividad para que no contribuyan apreciablemente a producir

diferencias de potencial locales.

La ecuación de corriente de malla de tierra, permite seleccionar el conductor de cobre y

la unión adecuada para evitar la fusión:

Donde:

I = Corriente de cortocircuito máxima del sistema (KA),






Se usa una corriente de cortocircuito de (I) de 18.5 kA suministrada por el cliente.

Se debe determinar el factor de decremento (Df)

De la siguiente tabla se obtiene el factor de decremento Df. Si se toman otros valores

de duración intermedia pueden interpolarse linealmente los valores del factor Df.

Tabla 2 Factor de Decremento Df

s = Tiempo durante el cual circula la corriente I, en segundos: 0,50 s.

Para este tiempo de despeje de falla, el factor de decremento (Df) es de

1,026 por lo que la corriente de cortocircuito a usar para determinar el calibre

del conductor de la malla viene dado por la multiplicación de esos factores

(Io*Df) para un total de 18,98 kA

A= Sección de Cobre en mm2






Tm = Temperatura máxima permisible del conductor = 1083° C

Ta = Temperatura ambiente promedio (° C) = 40° C

Tr = temperatura de referencia para la constante del material [°C].

Ta = temperatura ambiente [°C].

α0 = coeficiente térmico de resistividad a 0°C [1/°C].

αr = coeficiente térmico de resistividad a la temperatura de referencia [1/°C].

ρr = resistividad del conductor a la temperatura de referencia [μΩ-cm].

K0 = inverso del coeficiente térmico de resistividad [°C].

Tc = duración de la corriente [s].

TCAP = capacidad térmica del material por unidad de volumen a la temperatura

de referencia [J/cm3·°C]

De la tabla No. 3, constante del material, tomada de la IEEE-80-2000, se obtienen los

coeficientes plasmados en la ecuación anterior.






Tabla 3 Constantes del Material






Con estos datos y de la ecuación anterior y el factor de decremento (Df) se obtiene la

sección de cobre resultante en mm2 : 102,97 mm2

Con esta sección del conductor se determinó que el conductor apropiado para la malla de

puesta a tierra es el que se muestra en la tabla 4.

Tabla 4 Calibre de conductor seleccionado para los conductores de la malla

Calibre AWG Área (mm2) Diámetro (m) Radio (m)

4/0 107,2 0,01341 0,006705

7.3 CARACTERÍSTICAS DEL SUELO

Para la resistividad eléctrica de la superficie del terreno, se asumieron 3000 ohm – m,

grava de piedra picada de ¾ pulgadas de diámetro.

La profundidad de la capa superficial se tomó de 0.1 metros.

7.4 CÁLCULO DE LA CORRIENTE DE MALLA (IG)

Para obtener la corriente que efectivamente circulará por la malla, debemos encontrar el

factor de división de corriente (Sf) el cual determina la corriente que circula por la malla

de puesta a tierra de nuestra instalación y por la impedancia equivalente aproximada de

los demás caminos posibles de retorno a la fuente que la produce, dicha expresión viene

determinada por la siguiente expresión:






Donde:

Zeq = Impedancia equivalente caminos de retorno. Para este caso, se toma como

referencia la peor condición de operación del sistema es cuando se tiene un solo

alimentador y una salida asociada. Este cálculo es bastante conservador; de esta

manera de la tabla C.1 del std IEEE 80 se obtiene una Zeq= 3,27+j0,652

8. MODELACIÓN DE LA PUESTA A TIERRA

Para un área de terreno de 25 m2 (parcela de 5 m de largo y 5 m de ancho) donde será

instalado el transformador de 11.4kV/208 V, fue diseñada la malla preliminar con las

siguientes características:

Malla de m*n lados, con “m” como lado mayor y “n” como lado menor, para este caso,

ambos lados de la malla son iguales por lo que m= 5, n= 5; siendo la longitud del

conductor:

Suponiendo un valor de Rg igual a 3Ω se calcula el factor de división y se obtiene

Sf=50% y se procede a simular en el software Etap 7.5






8.1 INTRODUCCIÓN DE DATA

En la figura 4 se presentan los parámetros que fueron introducidos en el programa para

el diseño de la malla de la subestación de la obra Torre del Reloj.

Figura 5 Datos de entrada del Sistema de Puesta a Tierra de los transformadores de S/E Piscinas






8.2 CONFIGURACIÓN DE LA MALLA

La configuración de malla propuesta se presenta en la figura 5.

Figura 6 Configuración de la malla de la subestación






8.3 REPORTE DE SALIDA

Figura 7 Verificación de Resistencia y Voltajes de Toque y Paso de

9. CONCLUSIONES

Luego de analizar los resultados obtenidos para cada caso en estudio se llegó a las

siguientes conclusiones:

1. La Resistencia de puesta a tierra resultante del arreglo de conductores de malla es

baja, lo cual se refleja directamente en un incremento del Sf, es decir, en la corriente

circulante por la malla.

2. Los perfiles de tensión de paso calculados no superan el valor tolerable.

3. El perfil de tensión de toque excede al voltaje tolerable; sin embargo es de suma

importancia acotar que en baja tensión, el máximo valor de voltaje que se puede






obtener en el caso de un cortocircuito monofásico franco a tierra es 208V en las dos

fases sanas. Por esta razón, la ecuación dada en la IEEE-80 no aplica en BT, debido

a que las tensiones de toque y paso no pueden superar el valor del voltaje del

sistema, por lo tanto la instalación es segura y permite garantizar la integridad del

personal.

10. RECOMENDACIONES

Se recomienda utilizar el conductor de cobre desnudo calibre 4/0 AWG para las mallas de las

subestaciones en estudio.

Se recomienda la instalación de 4 jabalinas para mejorar y garantizar los perfiles de tensión

de toque y paso, y de esta manera conservar el criterio de seguridad a las personas y de la

instalación en general.




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