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”
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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
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8.2 CONFIGURACIÓN DE LA MALLA....................................................................................................21
8.3 REPORTE DE SALIDA.....................................................................................................................21
9. CONCLUSIONES........................................................................................................................22
10. RECOMENDACIONES......................................................................................................................22
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CERTIFICADO DE CONFORMIDAD
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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:
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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
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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
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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
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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
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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
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Figura 4. Evidencia fotográfica de los resultados de resistividad medidos con el telurómetro
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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
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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
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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),
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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
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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.
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Tabla 3 Constantes del Material
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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:
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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
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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
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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
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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
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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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