Ingeniería de Detalles

Nuevo Nivel Mina

El Teniente

TITULO1

TITULO2

N° Cliente NumeracionCliente

N° SKM YX00052-06551-EEE-CA-E2-0004

Revisión VersionDoc

N° Contrato 4501176134

Contenido

1. Objetivos 4

2. Introducción 4

3. Alcance y límite de batería 4

4. Antecedentes 5

5. Antecedentes Previos 6

6. Metodología 7

6.1 Generalidades 7

7. Hipótesis de Cálculo 8

8. Resumen de Resultados 10

9. Conclusiones y recomendaciones 10

10. Anexos 11

Anexo A. Método Burgdorf – Yakobs – Resistividad Equivalente 12

Anexo B. Cálculos MathCAD 14

Anexo C. Estudio de Resistividad de Terreno 24

Anexo D. Resultados ETAP 25

Historial y Estado del documento

Rev. Elabora Revisa ApruebaFecha Aprob.

Gte.de

ProyectoSKM

Gte.de

Ingeniería

CODELCO

Gte.de

Proyecto

CODELCO

Tipo de Revisión

B RPV CRD RVD 30.06.11 E. Arzola E. Córdova J. RevueltaPARA REVISIÓN CLIENTE

C PSC MNG ESG/IQM 15.03.13 R. Bravo L. Chamy J. Revuelta REVISIÓN CLIENTE

0 PSC MNG ESG/IQM R. Bravo L. Chamy J. Revuelta PARA DISEÑO

La firma de Codelco en ningún caso, libera la responsabilidad del consultor, de la calidad del

diseño encomendado.

Distribución de copias

Revisión DT N° Cantidad Fecha Emitido para

B 103 1 30.06.11 J. Revuelta

C 4534 1 15.03.13 J. Revuelta

0 1 J. Revuelta

Impreso: 16 de mayo de 2013

Guardado: 16 de mayo de 2013

Nombre del archivo: YX00052-06551-EEE-CA-E2-0004

Autor: PEDRO SILVA

Gerente de Proyecto: RICARDO BRAVO

Nombre de Registro: /tt/file_convert/55cf9282550346f57b96fbd7/document.doc

Nombre del Proyecto: Ingeniería de Detalles Nuevo Nivel Mina El Teniente

Nombre del documento:TITULO1 TITULO2

Versión de documento: VersionDoc

Número del Proyecto: YX00052

1. Objetivos

El objetivo de esta memoria de cálculo es dimensionar la malla de puesta a tierra (MPT) de la

Subestación Confluencia 110/33kV.

2. Introducción

El diseño de una malla de puesta a tierra debe considerar en general lo siguiente:

Evitar diferencias de potencial peligrosas entre estructuras o cualquier elemento expuesto y el

terreno, o con elementos cercanos. Esto debe cumplirse durante una falla, así como también bajo

condiciones de operación nominales.

Proporcionar una vía de baja resistencia a la corriente de falla, lo que permite una rápida y eficaz

operación del sistema de protecciones (relés, fusibles, pararrayos, etc.).

Proporcionar un diseño seguro tanto a las personas como a los equipos eléctricos ante incluso una

falla franca monofásica a tierra en 110 kV (evento más desfavorable desde un punto de vista del

diseño de la MPT).

3. Alcance y límite de batería

El alcance de esta memoria considera el dimensionamiento de la malla de puesta a tierra a instalar en

la Subestación Confluencia.

La Subestación Confluencia que se encuentra considerada como parte del Proyecto “Ingeniería Detalle,

Nuevo Nivel Mina, (División El Teniente)”, de la Vicepresidencia de Proyectos (VP) de Codelco

Chile.

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4. Antecedentes

Esta Memoria de Cálculo considera los siguientes documentos como referencia:

D.S. N° 72 Reglamento de Seguridad Minera (reemplazado por D.S. 132).

NCh Elec 5/2001 Norma Electricidad. Instalaciones de Corrientes Fuertes.

IEEE 80-2000 Guía para la seguridad en la puesta a tierra de subestaciones AC.

T11M408-I1-SKM-00000-INFEL02-0000-012 Informe Técnico Estudio de Cortocircuito

T11M408-I1-SKM-00000-CRTEL02-0000-001 Adenda N°1 a Criterio de Diseño Corporativo

Electricidad.

T08M209-F1-AMEC-010-INFCN02-0000-007 Informe Técnico Mediciones de Resistividad del

Terreno.

YX00052-06551-EEE-DG-D3-D001 Disposición De Malla De Tierra Subestación Confluencia -

Planta

YX00052-06551-EEE-DG-D3-D002 Disposición De Malla De Tierra Subestación Confluencia -

Secciones

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5. Antecedentes Previos

Para realizar este estudio se considera como referencia los valores de medición de la resistividad del

terreno del sector kilometro 50,5 de la Carretera del Cobre, correspondientes al sondeo N° 2 del

informe técnico “Mediciones de Resistividad del Terreno” Nº T08M209-F1-AMEC-010-INFCN02-

0000-007 (ver Anexo C), desarrollado en la etapa de ingeniería básica del proyecto. De este informe se

destaca lo siguiente:

Las mediciones de resistividad de terreno fueron realizadas en febrero de 2009.

El esquema de medición usado corresponde al método de Schlumberger, de acuerdo a lo solicitado

por el Cliente.

Este informe señala que la parte del suelo que está más expuesta a variaciones estacionales de la

resistividad son los primeros decímetros, ya que éste puede secarse o congelarse según las

condiciones ambientales. No obstante, el subsuelo retiene bastante humedad, de modo que la

parte que se seca o congela es de poco espesor, dependiendo de la compacidad y composición del

suelo.

De lo anterior se supone que aproximadamente sólo los primeros 10 cm a 15 cm, presentan

variaciones.

El congelamiento del subsuelo podría sobrepasar el medio metro ante una exposición prolongada a

una carga de nieve o hielo. A más profundidad la resistividad del subsuelo se mantiene constante a

lo largo del año.

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6. Metodología

6.1 Generalidades

En el diagrama en bloques de la Figura 6.1-1 muestra la metodología iterativa adoptada.

Figura 6.1-1 Metodología de Cálculo

Donde

Ig : Corriente irradiada en la malla,

Rg : Resistencia del sistema de puesta a tierra

MPT : Malla de puesta a tierra

Para el modelamiento de la malla de puesta a tierra se utilizó el módulo de malla de puesta a tierra del

software ETAP v7.5.1 de Operation Technology Inc, con el objeto de comprobar las tensiones de paso

y contacto calculadas, ver Anexo D.

El modelamiento de la interconexión de las mallas se realizó con el software MathCAD 14.

A partir de las mediciones de terreno, se realizó un modelo “bi-capa”. La primera capa, corresponde al

espesor y valor de la resistividad de la medición original, mientras que la segunda capa de profundidad

“infinita”, fue calculada utilizando el método de Burgsdorf-Yakobs. Para mayor información sobre la

metodología empleada ver Anexo A.

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7. Hipótesis de Cálculo

Para el diseño de la malla de puesta a tierra se tomaron en cuenta las siguientes consideraciones:

La norma IEEE Std. 80-2000 establece dos opciones de peso para las personas: 50 kg y 70 kg.

Tomando en cuenta el tipo de persona que circulará por la malla, para efectos de este estudio se

consideró personas de 70 kg de peso.

El nivel de cortocircuito monofásico en 110 kV calculado en la Subestación Confluencia está

indicado en Informe Técnico Estudio de Cortocircuito N° T11M408-I1-SKM-00000-INFEL02-

0000-012. Como criterio de diseño se considerará una corriente de cortocircuito monofásica de

12,554 kA y un factor X/R =8 (año 2026).

Como criterio conservador, el análisis contempla la influencia de la malla de puesta a tierra aérea

conectada a la malla de puesta a tierra de la subestación Minero lo que se realiza a través de los

cables de guardia que llegan hasta la torre de entrada de la línea aérea Minero – Confluencia,

como elementos mitigadores de corriente de falla residual dispersada por la malla. En atención a

lo anterior, se considera un Factor de División de Corriente (relación entre la corriente de falla y la

parte de ésta que circula por la malla) de Sf=70%.

Se considera además un Factor de crecimiento del sistema eléctrico de 1,2.

El modelamiento del terreno consideró un terreno bi-estratificado, con lo cual la modelación de la

resistividad del terreno equivalente es más cercana a la realidad en comparación con la

modelación de un estrato equivalente.

El tiempo de operación de las protecciones considerado es de 0,5 segundos. La normativa IEEE 80

recomienda considerar que el tiempo de despeje de una falla debe ser menor que 0,5 seg.

La temperatura ambiente para el diseño de la malla es de 40°C, según recomendación normativa

IEEE 80.

Para la capa superficial en el exterior de la Subestación Confluencia se consideró 0,15 [m] de

gravilla limpia de un tamaño aproximado de 1 a 2 pulgadas, con una resistividad de 3000 [Ωm].

La profundidad de enterramiento de la malla de puesta a tierra es de 0,6 metros, evitando así, el

efecto de congelación del terreno.

Se consideró un reticulado fuera del perímetro de la Subestación Confluencia a un (1) m de las

rejas y muros, de modo de minimizar los potenciales peligrosos de contacto.

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Se consideró usar cable 4/0 de cobre desnudo en la construcción de la malla, acorde a los cálculos

realizados en el Anexo A.

El valor esperado de la resistencia de la malla de puesta a tierra (PAT) debe ser menor a 3 Ohm

para el cumplimento de la normativa chilena NSEG 5. E.n.71.

El cálculo de los parámetros eléctricos de la malla de puesta a tierra está basado en la norma IEEE

80-2000.

Debido a que no existen mediciones de resistividad del terreno, las mediciones consideradas para este

estudio son las realizadas en las cercanías del kilometro 50.5 de la Carretera del Cobre, a 1km del

futuro emplazamiento de la Subestación en cuestión. Por lo tanto, se recomienda previo a la

construcción de la malla de puesta a tierra de la Subestación Confluencia, medir la resistividad del

terreno, de modo de mejorar la exactitud en el cálculo.

De la medición de resistividad del terreno, se obtienen los siguientes valores de resistividad para un

modelo de terreno bi-estratificado, calculado según método de Burgsdorf – Yakobs (Ver Anexo A).

Capa Resistividad (ohm-m) Espesor (m)Gravilla (Material Superficial) 3000 0,151 (Capa Superior) 6,925 1,82 (Capa Inferior) 300 ∞

Tabla 7-1 Detalle de bi-estratificado calculado por método Burgsdorf-Yakobs.

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8. Resumen de Resultados

Dimensión malla : 70 x 30 m

Reticulado : 5 x 5 m

Profundidad enterramiento : 0,6 m

Área de la malla : 2100 m2

Resistencia de la malla : 0,375 Ohm

Corriente Irradiada en la malla : 11050,631 A

Tensión de paso tolerable : 3307,229 V

Tensión de paso Calculada : 87,748 V

Tensión de contacto tolerable : 993,331 V

Tensión de contacto calculada : 127,44 V

9. Conclusiones y recomendaciones

Al realizar una sensibilización de los parámetros correspondientes a las hipótesis de cálculo usados en

el diseño de la MPT de la Subestación Confluencia, el valor que más impactó fueron las mediciones de

resistividad del terreno. Se recomienda realizar mediciones de resistividad del terreno durante el

desarrollo de las obras tempranas, exactamente antes que se comience con el desarrollo de plataformas

para la ubicación de la S/E. Cabe destacar que estos resultados serán más cercanos a las condiciones

finales de operación de la malla.

El tiempo de permanencia de falla puede ser menor según las protecciones seleccionadas, pero para efectos de calculos y seguridad será considerado un tiempo de apertura de 0,5 segundos.

Las mallas están diseñadas en cumplimiento de la norma chilena NCh 5/2001 (NSEG 5. E.n.71.

Reglamento de Instalaciones Eléctricas de Corrientes Fuertes) e IEEE 80-2000, en relación a los

valores que deben tener la resistencia mínima requerida, los voltajes de paso y los voltajes de contacto.

Se debe utilizar unión tipo termofusión en el armado de las mallas y un molde por cada cincuenta

termofusión. Además se debe dejar en cada malla de tierra una cámara de registro para medición y

verificación de su resistencia de puesta a tierra.

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10. Anexos

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Anexo A. Método Burgdorf – Yakobs – Resistividad Equivalente

Una forma ideal de realizar cálculos de resistencia y solicitaciones de voltaje para una puesta a tierra

ubicada en un terreno de 2 o más estratos, sería de disponer de una resistividad equivalente que

transforme un terreno en resistividad ρ1, ρ2, …ρn y espesores h1, h2,…hn-1 . En un terreno

homogéneo de resistividad ρeq; o sea, un terreno que produjera los mismos valores de resistencia y las

mismas solicitaciones que el terreno real.

Según el método de Burgsdorf-Yakobs el cual propone una equivalencia de un sistema de 3 o más

estratos, a un sistema de 2 estratos, equivalente dentro de un margen aceptable.

De acuerdo con Burgsdorf-Yakobs, una puesta a tierra compuesta por un conjunto de conductores

horizontales enterrados a una profundidad “h” y un conjunto de barras verticales de longitud “l”, se

aproxima a una prisma metálico recto en la medida que se incrementa el número de elementos

verticales y su resistencia disminuye en forma asintótica hasta un valor mínimo.

Sobre la base antes expuesta, esta equivalencia aproximada a las primeras “n” capas hasta una

profundidad de “h”, queda determinado por los siguientes parámetros y expresiones:

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Finalmente:

Donde:

A : Área de la malla de puesta a tierra (m)

R : Radio equivalente del área de la malla (m)

h : Profundidad de la malla (m)

hi : Profundidad de la capa i (m)

ρ : Resistividad equivalente del terreno

ρi : Resistividad equivalente de la capa i (Ohm-mt)

S : Área que cubre el perímetro del electrodo de tierra (m 2 )

Para un terreno de 3 capas, la situación de resistividad y profundidad puede clasificarse según la figura

N° 2.

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Anexo B. Cálculos MathCAD

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Anexo C. Estudio de Resistividad de Terreno

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Anexo D. Resultados ETAP

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