03 Erico

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1

ERICOERICOERICOERICO

8º Expo Foro PEMEX – CANAME – CFE

Tecnología y soliciones eléctricas de vanguardia

Abril 2012

Sistemas de Puesta a Tierra y Sistemas Antirrobo

Ing. Ernesto Díaz Lozano C.

Director ERICO Latinoamérica

TemarioTemario

• Presentación ERICOERICOERICOERICO

• Porque los Sistemas de tierra?• Componentes y conceptos

básicos del sistema de Tierra• Sistemas para reducir el

vandalismo en los Sistemas de Tierra

Electric Railway Improvement CompanyFundada en 1903

Presencia a nivel mundial

Producción:

Electrical

Fixing & Fastening

Coorporativo Distribución:

Centro de Distribución

Almacen local

Ofnas de ventas

Primeros Investigadores

Frank H. Neff, deceased 1936

Professor of Civil Engineering 1887-1931

Professor, Emeritus 1931

Case School of Applied Science

Cleveland, Ohio

Charles (Pop) Cadwell

Professor of Mining Engineering

1896-98, 1902-1911

Case School of Applied Science

Cleveland, Ohio

2

Expansión de Productos

• 1936 – Primera demostración pública del

proceso CADWELD®

1939

Instalación de

Producto en campo

Marcas Registradas

ERICOERICOERICOERICO’ssss Six Point Protection PlanSix Point Protection PlanSix Point Protection PlanSix Point Protection Plan Porque Aterrizar?

• Protección de la gente• Protección de las Estructuras y Equipo (Una baja

impedancia permite una mejor operación de los sistemas de protección)

• Requisito en las normas (Normas = Mínimorequerimiento)

• Reducción de diferencia de potenciales• Disipación de la corriente de rayo• Descarga de cargas electrostáticas• Control del ruido

GroundingGroundingGroundingGroundingCaracterísticas deseables en los Sistemas

de tierra

• Cumplir con los requerimientos mínimos de las normasnacionales y locales

• Productos de alta cálidad, aprobados y con certificados de calidad y de pruebas

• Idealmente, baja resistencia e impedancia• Mecánicamente robusto y confiable• Resistente a la corrosión• Rentable• Expectativa de vída útil igual a la de la instalación

Un Sistema de Tierra “BARATO” es la peor inversión y es un gran riesgo.

3

¿Por qué el SPT ha adquirido mayor importancia hoy en día?

•Seguridad de Personas

•Evitar daños en Estructuras

•Evitar daños en Equipos

•Pérdidas de

Operaciones

•Continuidad en

Servicio

•Costos de Reparación

•Satisfacción de

Clientes

El diseño de los sistemas de puesta a tierra generalmente se ha basado en requisitos para reducir la resistencia eléctrica, los potenciales de toque y paso a la frecuencia fundamental. Sin embargo, el comportamiento de los sistemas de puesta a tierra en alta frecuencia es esencial para la reducción de los voltajes transitorios que se pueden presentar en los sistemas eléctricos de potencia.

TENDENCIAS DE LOS SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA

Sistema de Tierra (IEEE 100)

Definición:

Una conexión conductiva por la cual un circuítoeléctrico o equipo es conectado a tierra, o a algúncuerpo conductor relativamente grande que este en contacto con la tierra.

• Propósito:

Usado para establecer y mantener el potencial de tierra o aproximadamente ese potencial, en conductores conectados a el, y para conducir lascorrientes no deseadas a tierra.

Parametros de un Sistema de Tierra

• Proveer un sistema de baja impedancia a tierra

• Maximizar el contacto de los componentes del sistema a tierra

• Cumplir con los requerimientos de seguridad del potencial de paso y de contacto

• Disipar corrientes de falla

• Ser resistentes a la corrosión y a varios agentesquímicos

• Asegurar su desempeño continuo durante la vida útildel equipo e instalación a proteger

• Cumplir con las normas• Ser rentable

A nadie nos gustan las sorpresas!Situaciones extremas!

4

Enfoque de sistemas de Protección de ERICO

$

Tierra

Unión equipotencial

PROTECCION

Pararrayos y supresores

• Conductor del sistema de Tierra

• Connector

• Electrodo de Tierra

• Terreno

Localización y función

de los componentes

del Sistema de Tierra

Componentes del Sistema de Tierra“ La Cadena de Tierra”

CONDUCTORCONDUCTOR

• MATERIAL– COBRE, COPPERWELD, ACERO, ALUMINIO

• TAMAÑO– SUFICIENTE PARA SOPORTAR LA MÁXIMA

CORRIENTE DE FALLA EN UN TIEMPO DETERMINADO DE OPERACIÓN DE LAS PROTECCIÓNES

CONECTORCONECTOR

• LAS CONEXIONES DEBEN DE SER DE UN MATERIAL Y TAMAÑO QUE PUEDAN RESISTIR LA CORROSIÓN Y MANTENER LAS CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS ORIGINALES DURANTE EL PERIODO DE VIDA ESTIMADO DE LA INSTALACIÓN.

ESPECIFICACIÓN Para calificar conexionespermanentes utilizadas en sistemas de tierra de

subestaciones• Procedimientos de prueba para calificar conexiones permanentes

en una malla de tierra, electrodos de tierra, equipos y estructuras.• Los conectores que pasen esta especificación aseguran su

confiabilidad y desempeño satisfactorio durante la vida util de la instalación.

• Categorías de las Pruebas de Calificación (4 muestras/prueba):• Mecánicas• Fuerzas electromagnéticas• Pruebas secuenciales (Acido)• Pruebas Secuenciales (Alcalinas)

IEEE 837 Summary

TENSILE ELECT.-MAG.

4 PASSED 3 FAILED

ACID SALT FOG

4 FAILED 4 FAILED

Connector “A”, 4/0 TO 4/0

Summary

TENSILE ELECT.-MAG.

4 PASSED 4 PASSED

ACID SALT FOG

4 PASSED 4 FAILED

Connector “B”, 4/0 TO 4/0

Summary

TENSILE ELECT.-MAG.

4 PASSED 4 PASSED

ACID SALT FOG

4 FAILED 4 FAILED

Connector “T”, 4/0 TO 4/0

Summary

TENSILE ELECT.-MAG.

4 PASSED 4 PASSED

ACID SALT FOG

4 PASSED 4 PASSED

CADWELD ® XAC2Q2Q - 4/0 TO 4/0

5

Summary

TENSILE ELECT.-MAG.

1 FAILED 4 PASSED

ACID SALT FOG

4 PASSED 3 FAILED

Connector “A”, 4/0 TO 3/4” ROD

Summary

TENSILE ELECT.-MAG.

4 PASSED 3 FAILED

ACID SALT FOG

2 FAILED 3 FAILED

Connector “B”, 4/0 TO 3/4” ROD

Summary

TENSILE ELECT.-MAG.

4 FAILED 3 FAILED

ACID SALT FOG

1 FAILED 4 FAILED

Connector “T”, 4/0 TO 3/4” ROD

Summary

TENSILE ELECT.-MAG.

4 PASSED 4 PASSED

ACID SALT FOG

4 PASSED 4 PASSED

CADWELD ® GTC182Q 4/0 TO 3/4” ROD

Connector “A”, #2CYCLE #4

Connector “B”, Type “L”, #1CYCLE #8

Connector “B”, Type “C”, #1 CYCLE #10

CADWELD TAC2V2V, #2 CYCLE #57

Actualización IEEE Std 837 Actualización IEEE Std 837

Actualización IEEE Std 837

Parallel 2/0 AWG, 101.7 kApeak , 37.7 kArms – First Impulse

Ontario Hydro IEEE 837 Test

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La IEEE 837 en México

• Requerida por CFE en sus bases paralíneas de Transmisión (69 a 400 KV)

• Tanto en líneas de construccion como de operación

• CFE 00J0052 Construccion

• CFE 00JL028 Para recuperación

• Tanto para Postes como Torres de Transmisión.

Mecánica vs. Exotérmica

Estado de diferentes conectores después de 10 años instalados en las mismas condiciones de suelo

•Conexión Exotérmica

Conexión ExotérmicaCADWELDCADWELDCADWELDCADWELD®

• Exotérmica – Reacción que produce calor– Al + Cu Oxide -> Cobre + Al Oxide– Temperatura de la reacción 2500 ºC– Temperatura del material de arranque 455 ºC– Temperatura de Ignición de la soldadura 955ºC

• Cobre y muchos otros metales– Aceros; Inoxidables; fundido, Dúctil,

& hierro forjado; Bronce;Metales Refractarios

• Libre de Mantenimiento y enlace a nivel molecular

Typical Substation ConnectionConexiones Exotérmicas

Conexiones CADWELD®

7

CONECTORCONECTOR

Buena Conexión ? SI

CONECTORCONECTOR

Buena Conexión ? NO

Como se hace una ConexiónCADWELDCADWELDCADWELDCADWELD®

CADWELD es ahora incluso más fácil de usar con los últimos desarrollos en la contínua Evolución de los Productos Exotérmicos de ERICO

CADWELD Plus

CADWELD PLUS

Método simplificado para realizar conexionesExotémicas

El Sistema CADWELD PLUS

• Utiliza un Paquete de Soldadura Integrado Sellado, Desechable y Resistente a la Humedad

• El Material de Soldadura, Disco retén y Fuente de Ignición están todos incorporados en el Paquete de Soldadura

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CADWELD multi


CADWELD one shot


Costo de los Conectores

$1.00

$1.50

$2.00

$2.50

$3.00

$3.50

$4.00

Bolted Crimped Welded

Earthing Connector Costs (US$)

Cost New

Tiempo de vida promedio de los conectores

0

5

10

15

20

25

30

35

40


Average Life of Connection

Avg Life

Costo de la conexión por año

$-

$0.05

$0.10

$0.15

$0.20

$0.25

$0.30

$0.35

$0.40


Connection Cost Per Year

Cost Per Year

ELECTRODOSELECTRODOS

• Los electrodos de tierra deben de ser de un material y sección transversal que tengan una baja resistenciaeléctrica para permitir en forma rápida y segura el paso de la corriente de falla a tierra

• CFE-56100-16

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Tipo y forma de los Electrodos de tierra

Cualquier elemento metálico tal como:

• Tuberias de agua subterraneas (contacto con el terrenopor lo menos de 10’)

• Estructura metálica del edificio (cimientos, acero de refuerzo)

• Electrodos tipo Ufer (Metal y concreto)

• Electrodos

• Anillos

• Platos o mallas

ElectrodosElectrodosElectrodosElectrodos de de de de tierratierratierratierra

— Acero con recubrimiento

de Cobre

— Norma CFE 56100- 16

— Certificación del

LAPEM

• Cobre es resistente a la corrosión en la mayoría de los suelos

• Zinc se sacrifica en la mayoría de los sueloscon respecto a la mayoría de los metales

• Los mecanismos de proteción contra la corrosión son diferentes– El cobre esta diseñado para prevenir la corrosión

del acero

– El zinc retrazará la corrosión del aceroproveyendo una barrera de sacrificio

Vida útil de los Electrodos Vida útil de los Electrodos

• El espesor y el tipo de material de recubrimiento determinará la resistencia a la corrosión y la vida útil

• Electrodos Copperweld– Recubrimiento de 10 mils (.010”) de Cobre

• Electrodos Galvanizados– Recubrimiento de 3.9 mils (.0039”) de Zinc– Limitado por el proceso de galvanización

• Espesor de recubrimiento = mayor tiempo de vida útil

• Cobre vs. Zinc

Series Galvánicas

Voltage Range of Alloy

Alloy vs. Reference Electrode*

Magnesium Anodic or Active End -1.60 to -1.63Zinc -0.98 to -1.03Aluminum Alloys -0.70 to -0.90Cadmium -0.70 to -0.76Cast Irons -0.60 to -0.72Steel -0.60 to -0.70Aluminum Bronze -0.30 to -0.40Red Brass, Yellow Brass -0.30 to -0.40Copper -0.28 to -0.36Lead-Tin Solder (50/50) -0.26 to -0.35Manganese Bronze -0.25 to -0.33Silicon Bronze -0.24 to -0.27400 Series Stainless Steels -0.20 to -0.3517-4 PH Stainless Steel -0.10 to -0.20Silver -0.09 to -0.14300 Series Stainless Steels Cathodic or Noble End. -0.00 to -0.15


• Cuando un electródo pierde surecubrimiento de Cobre la corrosióninicia sobre el núcleo de acero.

• Al iniciar la corrosión la Resistencia de Contacto aumenta y la RESISTENCIA TOTAL DE LA RED TAMBIEN.

10


• Dependiendo del espesor del recubrimiento, la calidad del Cobre y suproceso de aplicación se determina la resistencia a la corrosión.

• La capacidad para soportar la corrosiónde las varillas es el factor principal paradeterminar el tiempo de vida de lasmismas


• Con recubrimiento de 7 mils o más la vida útil estimada es de 30 años.

• Al contar con certificado UL o Protocolo de CFE aseguramosun espesor mínimo de 10 mils

Mecanismos de Protección contra la Corrosión

• ¾” x 10’ electrodogalvanizado

• 11 años expuesto

NEGRP – Sitio Pawnee

Pawnee Electrodo vertical galvanizado – 10 años de Servicio

•¾” x 10’ Galvanizada

•10 años expuesta

Lone Mountain Electrodo galvanizado vertical - 11 años 10 Mesesde Servicio

11

• 5/8” x 8’ Electrodocopperweld

• 11 años expuesto

NEGRP – Sitio Pawnee NEGRP – Sitio Pawnee

Recomendación

• Los electrodos deberán de tener un recubrimiento mínimo de 10 mil de cobrepara tener una vida útil esperada de 40+ años en la mayoría de los suelos

• Los electrodos Galvanizados tienen unavida útil esperada de hasta 10 años en la mayoría de los suelos

UL467 o CFE 30o Prueba de doblez

UL 467 o CFE 30o Prueba de doblez

15

35

45

50

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Years

Zinc Galvanized Copperbonded Steel

(10 mil )

Copperbonded Steel

(13 mil )

Stainless Steel

Life Expectancy

Vida útil Esperada

12

$0.29$0.21 $0.18

$1.02

$-

$0.20

$0.40

$0.60

$0.80

$1.00

$1.20

Zinc Galvanized Copperbonded Steel

(10 mil )

Copperbonded Steel

(13 mil )

Stainless Steel

Cost per Year

Costo anual

RESISTENCIA VS DIAMETRO

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

0.50

0

0.62

5

0.75

0

0.87

5

1.00

0

1.12

5

1.25

0

1.37

5

1.50

0

ROD DIAMETER, INCHES

RE

SIS

TA

NC

E, %

RESISTANCE %

DiDiáámetrometro del del ElectrodoElectrodo vs. Resistenciavs. Resistencia

RESISTANCE VS ROD DEPTH

0

100

200

300

400

500

600

5 15

25

35

45

55

65

75

85

95

ROD DEPTH, FT

RE

SIS

TA

NC

E,

OH

MS

1/2 ROD OHMS

1" ROD OHMS

LongitudLongitud del del ElectrodoElectrodo vs. Resistenciavs. Resistencia

Duplicando la longitud del electrodo se reduce la resistencia en 40% en un suelo uniforme

Electrodo – a - TierraElectrodo – a - Tierra

• La Resistencia del electrodo se veafectada por la longitud, colocación, y lo más importante el acoplamientoe integridad de este al terreno.

• La temperatura, humedad, composiciónquímica y resistividad del terreno son parámetros indispensables de conocer paradeterminar el diseño de la red de tierra

Terreno EFECTO DE LA TEMPERATURA

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EFECTO DE LA HUMEDAD RESISTIVIDAD DEL SUELO

Sal de agua de mar

Arcilla húmeda

Concreto

Caliza

Grava & Arena

Carbón de Piedra

Roca volcánica

Hielo

0.15 a 0.25 ohm-m

2 a 12 ohm-m

40 a 1.000 ohm-m

100 a 10.000 ohm-m

1.000 a 10.000 ohm-m

1.000 a 5.000 ohm-m

10.000 a 50.000 ohm-m

10.000 a 100.000 ohm-m

Efectos de la sal contenida en la resistividaddel suelo

Added Salt % by Weight of

Moisture

Resistivity

[Ohm-m]

0 107.0

0.1 18.0

1.0 4.6

5 1.9

10 1.3

20 1.0

Para un de arcilla humeda con 15% humedad por peso, at 63o F

Efectos de la composición química del terreno

Investigar la composición química del terreno

• La composición y cantidad de sales solubles, acidos o alcalinos presentesen el suelo afectará considerablementela resistividad y el nivel de corrosión del terreno

• Determinar la profundidad del nivelfreático

GEM (Ground Enhancement Material)

• Alta Conductividad – trabaja en cualquiertipo de suelo

• Baja velocidad de corrosión• No Contaminante• Composición químicamente estable• Se considera un cemento conductivo• Facil de Instalar• Higroscópico – No requiere mantenimiento ni

adicionar agua periodicamente• Bajo costo – más económico que los

electrodos químicos• Baja resistencia a tierra permanente – no

necesita mantenimiento

GEM

• Donde usar GEM®

– Terrenos con altaResistividad

– Terrenos con bajaResistividad como protector contra la corrosión.

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Evaluación del desempeño después de más de 8 años, datosobtenidos de NEGRP Balboa, Nevada, USA

0

20

40

60

80

100

08/22/92 08/22/94 08/21/96 08/21/98 08/20/00

Vert. - drivenVert. - GEMHoriz. - concreteHoriz. - GEM

Me

asu

red

resis

tan

ce (

Ω)

0

100

200

300

400

08/22/92 08/22/94 08/21/96 08/21/98 08/20/00

Soil resistivity, R (Ωm)Soil moisture, M (%)Soil temperature, T (°C)

T,

M a

nd

R

Balboa, NEVADA

NEGRP - LONE MOUNTAIN SITE22.11 OHM-M AVERAGE SOIL RESISTIVITY

0

10

20

30

40

50

60

6/1

7/1

99

2

9/9

/199

2

12/2

/199

2

2/2

3/1

99

3

7/3

1/1

99

3

11/1

/199

3

2/2

8/1

99

4

6/2

5/1

99

4

10

/23/1

99

4

2/1

9/1

99

5

6/1

0/1

99

5

10

/20/1

99

5

1/2

7/1

99

6

3/3

0/1

99

6

5/2

5/1

99

6

6/2

9/1

99

6

8/1

0/1

99

6

10

/31/1

99

6

12

/29/1

99

6

2/2

2/1

99

7

4/2

7/1

99

7

6/2

8/1

99

7

8/3

1/1

99

7

10

/30/1

99

7

12

/13/1

99

7

RE

SIS

TA

NC

E -

OH

MS

GEM

CHEMICAL

NEGRP

GEM® Resultados de Investigaciones

• De todas las investigaciones realizadasen los electrodos con GEM el promediode resistencia fué del 50% menor en comparación con electrodos sin GEM

• GEM también redujo las variaciones de resistencia estacionales

Otros Materiales de relleno

• Bentonita– Bajo costo inicial

– Efectiva cuando está humeda

– Resistividad de 2.5 Ω·m a 300% de humedad

– Baja resistividad como resultado principalmentedel proceso eletrolítico

– Se contrae y se separa del electrodo y del terrenocuando se seca

– IEEE Std 80 – 2000 Sección 14.5• “It May Not Function Well in a Very Dry Environment,

Because It May Shrink Away From the Electrode, Increasing the Electrode Resistance”

GEM® instalado en el sitio de prueba Pecos Resistancia o ResistividadResistancia o Resistividad

• La resistividad del terreno afecta directamenteal diseño del sistema de Tierra

• La resistividad del terreno es el factor clave que determina cual va hacer la resistencia del electrodo, y a que profundidad se deberá de intalar esta para obtener una baja resistenciaa tierra.

• Varía en función del tipo de terreno, temperatura, y nivel de humedad

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Otros elementos del Sistemas de Tierra

Bond to create an equipotential ground plane

Point 4: Good bondingPoint 4: Good bondingPoint 4: Good bondingPoint 4: Good bonding

Servicios y Elementos que requieren puesta a tierra Vandalismo en los sistemas de TierraVandalismo en los sistemas de Tierra

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Vandalismo en los sistemas de TierraVandalismo en los sistemas de TierraSistemas de Tierra para reducir el

Vandalismo

Cable Compuesto

CC5A12 - 33 tinned copper, 24 galvanized steel.

Fusing capacity > 2/0 AWG

CC5A05 - 3 tinned copper, 16 galvanized steel

Fusing capacity ~ #4 AWG

CC5A04 - 1 tinned copper, 6 galvanized steel

Fusing capacity ~ #4 AWG

CC5A04CC5A05

CC5A12

6 AWG SOL

6 AWG STR 4 AWG STR

2/0 AWG STR3/0 AWG STR

Sistemas de Tierra para reducirel Vandalismo

Sistemas de Tierra para reducir el Vandalismo

Bajantes al sistema de Tierra en una Subestación

Electrodos de Acero- Cobre Pre-doblados


Bajantes al sistema de Tierra en una Subestación

Electrodos de Acero- Cobre Pre-doblados


Sistema de Tierra en una SubestaciónElectrodos de Acero- Cobre Pre-doblados

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Sistema de Tierra en una SubestaciónElectrodos de Acero- Cobre Pre-doblados











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Conclusiones

Unas especificaciones adecuadas de producto, diseño e instalación parasistemas de tierra nos dará comoresultado una protección eléctricaconfiable y de larga duración queademás reducirá el vandalismo y tendráuna larga vida útil.

Protega sus Instalaciones!

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Gracias

www.erico.com

Documents

03 Erico