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ELECTRICIDAD INDUSTRIAL

PROTECCIÓN “MALLA TIERRA” Resumen de malla

NOMBRE: Andrés Barría – Felipe Mancilla – Gerardo Silva CARRERA: Electricidad Industrial ASIGNATURA: Sistema de Puestas a Tierra PROFESOR: José Manuel Moya Santander FECHA: 03 / 12 / 2017

1

Objetivos 

Propone diseño de un sistema de puestas a tierra en alta tensión, en función de los parámetros de seguridad y mantenimiento, establecidos por la normativa vigente. o

Calcula tensión de malla y tensión de paso en la periferia, con base en las características del reticulado de una malla en A.T. y de las condiciones de una falla a tierra.

o

Desarrolla el diseño de una malla y tensión de malla, tensión de paso, tensión de paso en la periferia.

o

Organiza plan de mantenimiento y certificación del estado de un sistema de puestas a tierra en alta tensión.

2 Fundamento Teórico. Toda instalación eléctrica cubierta en dicho reglamento debe disponer de un sistema de puesta a tierra (SPT), en tal forma que cualquier punto accesible a las personas que puedan transitar o permanecer allí, no estén sometidas a tensiones de paso o de contacto que superen los umbrales de soportabilidad, cuando se presente una falla, y se debe tener presente que el criterio fundamental para garantizar la seguridad de los seres humanos, es la máxima corriente que pueden soportar, debida a la tensión de paso o de contacto y no el valor de la resistencia de puesta a tierra tomado aisladamente. Un bajo valor de resistencia de puesta a tierra es siempre deseable para disminuir el máximo potencial de tierra, por tanto al diseñar un sistema de puesta a tierra, es fundamental determinar tensiones máximas aplicadas al ser humano en caso de falla [1]. En el presente artículo desarrollara la metodología para el diseño de una malla de puesta a tierra teniendo en cuenta los aspectos normativos. La malla de tierra es un conjunto de conductores desnudos que permiten conectar los equipos que componen una instalación a un medio de referencia, en este caso la tierra. Tres componentes constituyen la resistencia de la malla de tierra: •

La resistencia del conductor que conecta los equipos a la malla de tierra.

•

La resistencia de contacto entre la malla y el terreno.

•

La resistencia del terreno donde se ubica la malla.

Una malla de tierra puede estar formada por distintos elementos:

2.1

•

Una o más barras enterradas.

•

Conductores instalados configuraciones.

•

Un reticulado instalado en forma horizontal que puede tener o no barras conectadas en forma vertical en algunos puntos de ella.

horizontalmente

formando

diversas

Objetivos de una malla.

2.1.1 Los objetivos fundamentales de una malla de tierra son: •

Evitar tensiones peligrosas entre estructuras, equipos y el terreno durante cortocircuitos a tierra o en condiciones normales de operación.

•

Evitar descargas eléctricas peligrosas en las personas, durante condiciones normales de funcionamiento.

•

Proporcionar un camino a tierra para las corrientes inducidas. Este camino debe ser lo más corto posible.

2.2 Tipos de mallas. Se deben distinguir dos tipos de mallas en una instalación eléctrica que son: • Mallas de alta tensión. • Mallas de baja tensión. Ambas mallas deben estar separadas de modo que la inducción de voltajes de la malla de alta en la de baja sea £ a 125 V, a menos que la resistencia de cada una de ellas, en forma separada, sea inferior a 1 W , en este caso pueden las mallas conectarse entre sí. La resistencia de una malla de baja tensión, según la norma editada por la Superintendencia de Servicios Eléctricos y Combustibles (SEC) queda limitada como se muestra en la expresión (5.1).

(5.1) Donde: 65V : valor de tensión máximo a que puede quedar sometida una persona cuando sucede un cortocircuito a tierra. I : valor máximo de la corriente de falla monofásica, definida por la corriente de operación de las protecciones.

2.3 Requisitos de una malla a tierra Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta a tierra son los siguientes: A. Debe tener una resistencia tal, que el sistema se considere sólidamente puesto a tierra. B. La variación de la resistencia, debido a cambios ambientales, debe ser despreciable de manera que la corriente de falla a tierra, en cualquier momento, sea capaz de producir el disparo de las protecciones. C. Impedancia de onda de valor bajo para fácil paso de las descargas atmosféricas. D. Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencial peligrosos entre sus puntos vecinos. E. Al pasar la corriente de falla durante el tiempo máximo establecido de falla, (es decir disparo de respaldo), no debe haber calentamientos excesivos. F. Debe ser resistente a la corrosión.

3 Desarrollo A continuación, se realizará un cálculo de malla a tierra con sus respectivas formulas

3.1

Datos ‐ ‐ ‐ ‐ ‐

Intensidad de cortocircuito trifásico (Icc 3 Ø) = 2890 A Intensidad de cortocircuito monofásico (Icc 1 Ø) = 1750 A Tiempo de operación (Top.) = 0,5 s Potencia (S)= 500 Kva Voltaje (V) = 23000/380v

3.2 Cálculos de Curva -

Con los siguientes datos obtenidos en la medición del terreno, se debe establecer una curva:

-

Con ayuda de Microsoft Excel se ingresan los datos para obtener nuestra curva a utilizar

-

Tras conseguir lo anterior, se debe apreciar la curva que tenga más puntos en común entre la alta cantidad de “Curvas Orellana”

“La con mayor número de coincidencias es la curva K-2 n° 10”

-

Con nuestra curva ya elegida, solo debemos llevar nuestra cruz de campo a un papel logarítmico para establecer nuestros estratos y ρ (Rho).

K2 – 10

1 – 1.5 – 0.2

“Cruz de Campo”

Rho - ρ1 = 320 Ωm - ρ2 = 320 x 1,5 =} 480 Ωm - ρ3 = 320 x 0,2 =} 64 Ωm

Estratos -E1 = 0,22 m -E2 = 0,22 x 10 =} 2,2m -E3 = 1000

Profundidades -h1 = 0,22 m -h2 = 0,22 + 2,2 =} 2,42 m -h3= 0,22 + 2,2 + 1000 =} 1002,42 m

3.3

Malla por utilizar

Nuestra malla por plantear consta de 36 mts2 (6 metros de forma vertical y 6 metros de forma horizontal), y con un reticulado de 1,5 mts como demuestra la siguiente imagen:

6 METROS

6 METROS

1,5 METROS

1,5 METROS

3.4

Resistividad equivalente del terreno.

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 𝜌 1 , 𝜌 2 , …𝜌 n y espesores h 1 , h 2 ,…h n-1 . En un terreno homogéneo de resistividad 𝜌 eq ; esto, es un terreno que produjera los mismos valores de resistencia y las mismas solicitaciones que el terreno real. Según el método de Burdoff-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 un 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 𝑆𝑢𝑝.𝑀𝑎𝑙𝑙𝑎

𝑟= √

𝜋

36

= √𝜋

𝑟°′ = 𝑟 2 − 𝑏 2 = 3,3852 − 0,62 = 11,098

𝑞°′ = 2 ∗ 𝑟(𝑟 + 𝑏) = 2 ∗ 3,385(3,385 + 0,6) = 26,978

= 3,385

𝑉1 = =

1 [𝑞°′ 2

+ ℎ12 + 𝑟°′ − √(𝑞°′ + ℎ12 + 𝑟°′ )2 − 4 ∗ 𝑞°′ ∗ 𝑟°′ ]

1 [26,978 + 0,222 2

+ 11,098 − √(26,978 + 0,222 + 11,098)2 − 4 ∗ 26,978 ∗ 11,098]

= 11,0645

𝑉

𝐹1 = √1 − 𝑟°´1 = √1 −

11,0645 11.098

= 0,055

𝑉2 = =

1 [𝑞°′ 2

+ ℎ22 + 𝑟°′ − √(𝑞°′ + ℎ22 + 𝑟°′ )2 − 4 ∗ 𝑞°′ ∗ 𝑟°′ ]

1 [26,978 + 2,422 2

= 8,435 𝑉

𝐹2 = √1 − 2 𝑟°´

+ 11,098 − √(26,978 + 2,422 + 11,098)2 − 4 ∗ 26,978 ∗ 11,098]

8,435

= √1 − 11,098 = 0,49

𝑉3 = =

1 [𝑞°′ 2

+ ℎ32 + 𝑟°′ − √(𝑞°′ + ℎ32 + 𝑟°′ )2 − 4 ∗ 𝑞°′ ∗ 𝑟°′ ]

1 [26,978 + 1002,422 2

+ 11,098 − √(26,978 + 1002,422 + 11,098)2 − 4 ∗ 26,978 ∗ 11,098]

=0

𝑉

𝐹3 = √1 − 𝑟°´3 0

= √1 − 11,098 =1

Finalmente:

𝜌𝑒𝑞 = =

𝐹3 𝐹1 𝐹2−𝐹1 𝐹3−𝐹2 + 𝜌 + 𝜌 𝜌1 2 3

1 0,055 0,49−0,055 1−0,49 + 480 + 64 320

= 110,535 Ωm

3.5

Fusible

Lo primero a realizar es calcular la curva del fusible, para ello es necesario la corriente nominal y voltaje de línea

𝐼𝑛 =

𝑆 √3 ∗ 𝑉𝐿

∗ 1,5 =} 𝐼𝑛 =

500𝑘𝑣𝑎 √3 ∗ 23000

∗ 1,5 =} 𝑰𝒏 = 𝟏𝟖, 𝟖𝟐𝑨

- S = potencia aparente =} 500Kva - VL = Voltaje de línea =} 23kV Luego aproximar nuestro resultado para poder ser identificado con una de las curvas de fusible, en nuestro caso será de 20T.

Con una operación de 0.5 segundos nos arroja una corriente de 250 A, obteniendo como conclusión los siguientes resultados:   

Intensidad de falla (If) = 250 A Intensidad de falla auxiliar (Ifa)= If + 400 A = 650 A Intensidad de falla máxima (Ifm) = 1750 A

3.6 Resistencia de falla Esta resistencia de falla permite limitar el paso de la corriente a los valores de falla auxiliar, considerando tanto los valores de cortocircuito monofásico como trifásico, además será la indicadora de nuestra resistencia de malla máxima.

( 3𝑉 𝑓𝑛 ) 2 − (𝑋1 + 𝑋2 + 𝑋3)2 √( 𝐼𝑓𝑎 1Ø ) 2 𝑅𝐹 = 9

- V = Voltaje =} 23Kv - Fa = Falla auxiliar =} 650 A - X = Parámetros

Parámetros: 𝑿𝟏 = 𝑿𝟐 =

𝑉 𝑓𝑛 𝐼𝑐𝑐 3Ø

=}

𝑋1 = 𝑋2 =

23000/√3 2890

=}

𝑿𝟏 = 𝑿𝟐 = 𝟒, 𝟓𝟗

- V = Voltaje =} 23Kv - Icc = Intensidad de cortocircuito trifásico =} 2890 A

3𝑉 𝑓𝑛 𝑿𝟎 = − (𝑋1 + 𝑋2) 𝐼𝑐𝑐 1Ø

23000 3∗( ) √3 =} 𝑋0 = − (4,59 + 4,59) 1750

=} 𝑿𝟎 = 𝟏𝟑, 𝟓𝟖

- V = Voltaje =} 23Kv - Icc = Intensidad de cortocircuito monofásico =} 1750 A

Resultado:

𝑅𝐹 =

( 3 ∗ 23000/√3 ) 2 − (4,59 + 4,59 + 13,58)2 √ ( 650) 2 9

=} 𝟏𝟖, 𝟗𝟔Ω

3.7

Resistencia de la malla según Laurent

La resistencia de malla según Laurent es un método de cálculo que solo considera como parámetros fundamentales la longitud de nuestro conductor y el radio equivalente de esta.

Por lo anterior, a este cálculo se le denomina como un método de aproximación y que su resultado siempre será mayor a nuestro valor real

𝑅𝐿 =

ρ𝑒𝑞 ρ𝑒𝑞 + =} 4∗𝑟 𝐿

- ρeq = Rho equivalente =} 110,53 Ω - r = Radio de malla =} 3,38 - L= longitud de conductor =} 60 m

110,53 110,53 + =} 𝑹𝑳 = 𝟏𝟎, 𝟎𝟔Ω 4 ∗ 3,38 60

3.8 Resistencia de la malla a tierra según Schwarz. La resistencia de la malla de tierra de una subestación depende del terreno en el cual se instale, la superficie de la cubierta, la resistividad equivalente del terreno, el valor de la resistencia de los electrodos, etc. Según Schwarz.

𝐾1 = 1,43 − = 1,43 −

2,3−ℎ𝑒 − √𝑠𝑢𝑝. 2,3−0,6 √36

𝐴

0,044 ∗ 𝐵

𝐾2 = 5,5 −

6

− 0,044 ∗ 6

= 5,5 −

= 1,103

𝑠𝑒𝑐𝑐.

𝑑 = (2 ∗ √

𝜋

= 4,75

) /1000

21,2

= (2 ∗ √

𝜋

) /1000

=5,195*10-3

𝑅𝑠𝑤 = =

𝜌𝑒𝑞 2∗𝐿 𝐾1∗𝐿 [𝑙𝑛 ( ) 𝜋∗𝐿 √ℎ∗𝑑 √𝑠𝑢𝑝. 110,535 𝜋∗60

[𝑙𝑛 (

= 8,182 Ω

− 𝐾 2]

2∗60 √0,6∗(5,195∗10−3 )

)

1,103∗60 √36

− 4,75]

8∗ℎ𝑒 √𝑠𝑢𝑝. 8∗0,6 √36

+ (0,15 − + (0,15 −

ℎ𝑒

𝐴

)∗𝐵 𝑠𝑢𝑝.

√ 0,6

6

)∗6

√36

3.9 Calculo para If’ Al valor de la corriente de falla obtenido anteriormente se debe agregar dos factores, por concepto de las componentes de C.C. en los primeros instantes de la IF y por el crecimiento vegetativo del sistema.

Para los 650 Amp de IF, el tiempo de operación del fusible es de 0.05 Seg. Por tabla se aplica un factor de decremento (FD) de 1.40

Tabla de Factores F= 50 Hz T(seg)

FD

0.01

1.70

0.02

1.62

0.04

1.50

0.05

1.40

0.08

1.32

0.10

1.25

0.25

1.10

0.50

1.00

Formula: 𝐼𝑓 ′ = 𝐼𝑓𝑎 ∗ 𝐹𝐷 =} 650 ∗ 1.40 =} 𝐼𝑓′ = 910 𝐴

- Ifa = Intensidad de falla auxiliar =} 650 A - FD = Factor Decremento =} 1.40

3.10 Sección del conductor La sección de nuestro conductor está establecida por norma eléctrica, pero no por ello deja de ser importante conocer nuestro conductor

𝑆𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 =

𝐼𝑓′ 𝑇𝑚 − 𝑇𝑎 √log( 234 + 𝑇𝑎 + 1) 33 ∗ 𝑡

Valores: If’ = Corriente de falla aplicada a factor de decremento {910 A} Tm = Temperatura máxima a ser aplicada (considerar termofusión) {1083°C} Ta = Temperatura ambiente {25°C} t = Tiempo de aplicación de corriente {0,5s}

Resultado:

𝑺𝒆𝒄𝒄𝒊ó𝒏 =

910 1083 − 25 √log( 234 + 25 + 1) 33 ∗ 0,5

=}

910 =} 𝑆𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 = 𝟐, 𝟑𝟎𝒎𝒎𝟐 394,8

4 Voltajes de paso y de contacto A continuación, se presentará un cuadro con distintas resistividades para distintos materiales que serán agregados sobre la superficie de nuestra malla a tierra.

TIPO DE SUELO O RESISTIVIDAD AGUA OHM - METROS Agua de mar. 2 Arcilla. 40 Agua subterránea 50 Aguas en suelos de rocas 90 Mezclas de arcillas 100 Pizarra, esquisto y gres. 120 Turba, limo y lodo. 50 Agua de lago y torrente. 250 Arena. 2.000 Grava de morena. 3.000 Concreto 15.000 Granito. 25.000 Hielo. 100.000

TIPICA LIMITES NORMALES 0.10 – 10 8 - 70 10 - 150 30 - 150 4 - 300 10 – 1.000 5 - 250 100 - 40 200 – 3.000 40 – 10.000 3.000 – 30.000 10.000 – 50.000 10.000 – 100.000

Sobre nuestra malla tierra pondremos una capa de concreto que consta de 15k Ω/m de resistividad

4.1 Voltaje de paso Es la diferencia de potencial entre 2 puntos del terreno, separados por la distancia de un paso, el que se supone igual a 1 metro, en el sentido de la máxima gradiente de potencial

Formula:

𝑉𝑃 =

116 + 0.7 ∗ 𝜌𝑠 √𝑡

=}

116 + 0.7 ∗ 15000 √0.5

- ρs = Resistividad típica superficie =} 15k Ω/m - t = Tiempo de exposición =} 0.5 s

=}

𝑽𝑷 = 𝟏𝟓𝟎𝟏𝟑, 𝟑 𝑽

4.2 Voltaje de Contacto Es la diferencia potencial, entre una estructura metálica puesta a tierra y un punto de la superficie del terreno, a una distancia horizontal, respecto a la estructura igual al alcance de una persona.

Formula:

𝑉𝐶 =

116 + 0.17 ∗ 𝜌𝑠 √𝑡

=}

116 + 0.17 ∗ 15000

- ρs = Resistividad típica superficie =} 15k Ω/m - t = Tiempo de exposición =} 0.5 s

√0.5

=}

𝑽𝑷 = 𝟑𝟕𝟕𝟎, 𝟑 𝑽

5 Voltajes máximos tolerables por el cuerpo La influencia del camino de la corriente en el cuerpo humano, en algunos casos puede ser mortal, es por esto que se representa una tabla con una serie de factores de fibrilación con la que actúan los distintos tipos de contactos que puede tener el cuerpo humano con la electricidad.

5.1

Voltaje Mano – Pie

Formula: 𝑉𝑚𝑝 = 𝐾𝑚 ∗ 𝐾𝑖 ∗ 𝜌𝑒𝑞 ∗

𝐼 𝐿

Factores: 1) 𝑲𝒎 =

1 𝐷2 𝐿 𝑛 2𝜋 16∗ ℎ∗𝑑

1

3

5

7

+ 𝜋 𝐿𝑛 [4 ∗ 6 ∗ 8] =}

1 1.52 − 𝐿 𝑛 2𝜋 16∗0.6∗(5,195∗10 3)

1

3

Km = 0.414

2) 𝑲𝒊 = 0.65 + 0.17 ∗ 𝑛 =} 0.65 + 0.17 ∗ 5 Ki = 1,5

Resultado 𝑉𝑚𝑝 = 0.414 ∗ 1,5 ∗ 110,535 ∗ - Km = Factor =} 0.414 - Ki = Factor =} 1,5 -ρeq = Rho equivalente =} 110,535 Ω -L = Longitud de conductor =} 60m -I = Intensidad de falla =} 910 A

5

7

+ 𝜋 𝐿𝑛 [ 4 ∗ 6 ∗ 8 ]

910 =} 𝑽𝒎𝒑 = 𝟏𝟎𝟒𝟏, 𝟎𝟕 𝑽 60

5.2 Voltaje Pie – Pie Formula: 𝑉𝑝𝑝 = 𝐾𝑠 ∗ 𝐾𝑖 ∗ 𝜌𝑒𝑞 ∗

𝐼 𝐿

Factores:

𝑲𝒔 =

𝑲𝒔 =

1 1 1 1 1 1 1 1 1 + ( + + + + )] [ + 𝜋 2ℎ 𝐷 + ℎ ℎ 2 3 4 5 6

1 1 1 1 1 1 1 1 1 + + ( + + + + )] [ 𝜋 2 ∗ 0.6 1.5 + 0.6 0.6 2 3 4 5 6

Ks = 0.6467

1) 𝑲𝒊 = 0.65 + 0.17 ∗ 𝑛 =} 0.65 + 0.17 ∗ 5 Ki = 1,5

Resultado 𝑉𝑝𝑝 = 0.6467 ∗ 1,5 ∗ 110,535 ∗ - Ks = Factor =} 0.6467 - Ki = Factor =} 1,5 -ρeq = Rho equivalente =} 110,535 Ω -L = Longitud de conductor =} 60m -I = Intensidad de falla =} 910 A

910 =} 𝑽𝒑𝒑 = 𝟏𝟔𝟐𝟔, 𝟐𝟑 𝑽 60

6 Conclusión

En el presente informe les mostramos nuestro proyecto de creación malla de descarga a tierra. Durante la elaboración de la misma fuimos utilizando cada una de las herramientas que se nos fueron entregando a lo largo del curso. Para empezar el análisis se realizan las mediciones, teniendo eso procedemos a buscar las variantes para armar nuestra curva. Teniendo la curva se procedemos a la confección. Lo más importante en la creación una malla son las características que esta debe cumplir, dependiendo el proyecto en donde se necesite. Las principales características que nuestra malla debe cumplir son:  

Evitar voltajes peligrosos entre estructuras, equipos y el terreno, durante fallas o condiciones normales de operación Ayude a que actúen rápidamente los dispositivos de protección de los circuitos, esto se logra haciendo que la malla tengo una

Por último, el suelo en donde se tenga que instalar la malla es muy importante, ya que depende es este mismo las medidas de la malla, la profundidad y si es necesario la preparación del suelo mediante tratamientos químicos. En este informe vemos lo importante que es el cálculo y las características que se necesitan de una malla, el hecho que con un buen tratamiento del suelo se puede abaratar costos y espacio físico, además de ser vital el determinar de manera correcta la elección de la curva que se utilizara.