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OG IA NO L TEC PROTECCION

G IN EN IER

TIERRAS FISICAS PARARRAYOS POWER QUALITY

IA

INVESTIGACION

MANUAL TECNICO DE PRODUCTO

DESARROLLO

INGENIERIA Y DISEÑO EN REDES S.A. DE C.V.

GENERALIDADES

IDERSA

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Hablar de sistemas de puesta a tierra es hablar del siguiente paso lógico en tecnología. Los sistemas de comunicaciones se han sofisticado al máximo, trátese de redes de datos o de cualquier otro tipo de comunicación; así también los instrumentos de precisión de alta electrónica y en general lo que esta era tecnológica significa. Benjamín Franklin fue el primer investigador que trabajó con el estudio de las descargas atmosféricas; descubrió en el año de 1740 la naturaleza eléctrica de los rayos, fue entonces que ideó atraer y bajar estas cargas mediante su famosa cometa y la llave en su mano a través de la cual saltaban chispas. Fue El quien inventó un sistema para “proteger” edificios e instalaciones mediante una varilla metálica en lo alto, conectada a un cable bajante que conducía eventualmente las descargas hasta otra varilla, metálica también, pero esta hundida en la tierra para descargar ahí la tremenda energía eléctrica contenida en las nubes.

Benjamín Franklin

Desde entonces, el uso de las varillas como sistemas de tierra se ha mantenido, aunque se han creado algunas variantes tratando de disminuir la resistencia que ofrece el terreno, llamada apropiadamente como resistividad; así entonces, se usan varillas mas profundas; conexiones en delta; electrodos en “L”; químicos como activador entre el terreno y las varillas; hojas rehiletes para crear mayor superficie de contacto con el terreno; o mayor número de varillas interconectadas. De este último ejemplo nació también el sistema de mallas, en el que mediante cálculos de resistividad combinados con el terreno y activadores químicos, dan como resultado una distribución de tensiones y corrientes dentro de los rangos de seguridad humana. Sin embargo, en esencia, sigue el mismo principio inventado por Franklin, las varillas como sistema de tierra física. Desde luego se han creado también métodos y procedimientos unos más precisos que otros con el propósito de mejorar el sistema. Ya sean el calibre de los cables, la calidad de las conexiones, el control de curvaturas y las distancias, el control de las acciones galvánicas por metales disímbolos; la separación de las aplicaciones de potencia de las de equipos delicados, o la interconexión de masas, en fin, todos una serie de cambios que en su momento han resultado en alguna ventaja contra los anteriores. En otro aspecto de la misma problemática, se han creado normativas locales e internacionales, con relación al uso de la tierras físicas en los diferentes equipos y sistemas eléctricos y electrónicos, sobre todo a causa del vertiginoso desarrollo de la microelectrónica y todos sus alcances en todos los rincones, prácticamente, de la tecnología. TODOS LOS DERECHOS RESERVADOS “IDERSA” - LOS LOGOTIPOS Y MARCAS EN ESTA PUBLICACION SON MARCAS REGISTRADAS POR SUS RESPECTIVOS DUEÑOS. EL CONTENIDO DE ESTA MEMORIA TECNICA SE BASA EN ESTUDIOS Y RECOPILACION DE INFORMACION TECNICO-CIENTIFICA DE FUNCIONAMIENTO PARA SISTEMAS NO TRADICIONALES DE ATERRIZAJE ELECTRICO.

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1.2. Qué es un sistema de puesta a tierra. Es el conjunto formado por electrodos y líneas de tierra de una instalación eléctrica. La función es forzar o drenar al terreno las intensidades de corriente que se puedan originar por cortocircuito, por inducción o por descarga atmosférica. La Norma Oficial Mexicana (NOM) en su Articulo 250 y otras Normas Eléctricas Internacionales como la IEEE disponen el uso correcto e invariable del sistema de Tierra Física EN TODA INSTALACIÓN ELÉCTRICA , Las razones son: a)Seguridad Humana b)Seguridad de operación de los sistemas 1.3. Definiciones Electrodo de puesta a tierra: a) Naturales, son los que resultan de las instalaciones hidráulicas, estructurales y/o metálicas en cualquier edificación. b) Artificiales, son los conductores metálicos que exprofeso se entierran para conexión eléctrica del sistema

Estructuras Aplicaciones

Estructuras Línea de tierra: Conductor o conjunto de ellos que unen la instalación eléctrica y los electrodos para los propósitos de protección Punto de puesta a tierra: Es el punto o barra de interconexión entre el electrodo y los servicios de puesta a tierra. TODOS LOS DERECHOS RESERVADOS “IDERSA” - LOS LOGOTIPOS Y MARCAS EN ESTA PUBLICACION SON MARCAS REGISTRADAS POR SUS RESPECTIVOS DUEÑOS. EL CONTENIDO DE ESTA MEMORIA TECNICA SE BASA EN ESTUDIOS Y RECOPILACION DE INFORMACION TECNICO-CIENTIFICA DE FUNCIONAMIENTO PARA SISTEMAS NO TRADICIONALES DE ATERRIZAJE ELECTRICO.

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1.4 . Las diferentes Aplicaciones de Sistemas de Puesta a Tierra y sus Objetivos. Básicamente los sistemas de tierra física tienen tres propósitos: a) Protección contra sobre-voltajes b) Estabilización de tensión c) Trayectoria de corriente para facilitar sobre-corrientes en dispositivos. 1.-Sistema de Puesta a Tierra de Fuerza (Funcionamiento o de Retorno) (“XO” del transformador, Neutros de Tablero principal, Tableros de distribución y Centros de carga). Este sistema tiene como objetivo drenar las corrientes indeseables cuando se presenta un evento transitorio de falla por corto circuito entre fases o de fase(s) a tierra y retorna cargas monofásicas. Estas fallas tienen que ver con CORRIENTE. 2.- Sistema de Puesta a Tierra de Protección (Tierra Física) se logra uniendo todas las partes metálicas a un solo punto común y su objetivo es brindar la protección a seres humanos y equipo. Este sistema tiene que ver con VOLTAJE. 3.- Sistema de Puesta a Tierra de Señales Electrónicas (Cero Lógico) Este sistema nos permite evitar la contaminación con ruido de alta frecuencia las aplicaciones que deberán estar en cero de potencial (Racks y gabinetes de telecomunicaciones, Conmutadores, Servidores, PLC´s, en general la electrónica). Su objetivo es dar una plataforma de comunicación a la electrónica. Este sistema tiene que ver con FRECUENCIAS. 4.-Sistema de Puesta a Tierra de protección Electroestática (Masas) Este sistema se logra uniendo todas las partes metálicas no energizadas (Todo lo que se considera masa). Y tiene como objetivo principal drenar las diferencias de potencial de dos o mas masas a tierra protegiendo la vida humana. Este sistema tiene que ver con CARGAS.

Unir todos los electrodos de los diferentes sistemas entre si, cuidando de no violar la siguiente regla: CADA SISTEMA DE TIERRAS D E B E C E R R A R ÚNICAMENTE EL CIRCUITO ELÉCTRICO QUE LE CORRESPONDE. Esto es que a nivel subsuelo los sistemas se interconectan evitando así sistemas de puesta a tierra independientes como lo prohíbe la NOM.

5.-Sistema de Puesta a Tierra de protección Atmosférica (Rayos) Este sistema nos permite canalizar los impulsos electromagnéticos de alta frecuencia que se generan con los rayos, el objetivo principal de este sistema es el de seguridad humana y de los propios equipos. Este sistema tiene que ver con ENERGIA. Una vez que se determino que sistemas de puesta a tierra se instalaran se deberá cumplir con la norma que nos indica:

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Con ello se logra limitar la diferencia de potencial que en un momento puede presentarse entre estructuras metálicas y tierra; o posibilitar la detección de fallas a tierra y asegurar la coordinación de protecciones controlando los riesgo para personal y equipo; limitar sobretensiones en la red eléctrica en condiciones de operación.

Punto Critico

Punto Critico

Así también los criterios de niveles seguros de tensión de toque y de paso, requieren ineludiblemente de un sistema de tierra física. 1.5. Resistividad y Resistencia

RESISTENCIA Tensión de paso RESISTENCIA A TIERRA: La resistencia es la característica de los materiales que consiste en oponerse al flujo de la corriente eléctrica, la cual esta en función de la resistividad y de las dimensiones físicas, como la longitud, el área o el volumen de los materiales. De acuerdo a la Ley de Ohm, se obtiene la siguiente expresión: R = r L / A = r L² / V = r V/ A²

Paso de la energía desde un pie al otro por la diferencia de potencial existente entre ellos lo cual produce conducción de energía.

(1)

Donde: R = resistencia en Ohm (W) r = resistividad en ohm-metro (W.m) L = longitud en metros (m) A = área o sección transversal en metros cuadrados (m ²) V = volumen en metros cúbicos (m³) De la ley de Ohm: R = E/I => E/I = r L/A

(2)

Por lo tanto: E = I r L/A

(3)

Donde: E = tensión en volts I = corriente en amperes La Resistividad es una propiedad de los materiales, en este caso del terreno o suelo, de oponerse al paso o circulación de la corriente eléctrica, que es independiente de las dimensiones físicas, cuyas características dependen de la constitución química que es afectada por la humedad, compactación, temperatura y otros. TODOS LOS DERECHOS RESERVADOS “IDERSA” - LOS LOGOTIPOS Y MARCAS EN ESTA PUBLICACION SON MARCAS REGISTRADAS POR SUS RESPECTIVOS DUEÑOS. EL CONTENIDO DE ESTA MEMORIA TECNICA SE BASA EN ESTUDIOS Y RECOPILACION DE INFORMACION TECNICO-CIENTIFICA DE FUNCIONAMIENTO PARA SISTEMAS NO TRADICIONALES DE ATERRIZAJE ELECTRICO.

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La tierra está formada por diferentes elementos, con capas muy heterogéneas, huecos, ríos subterráneos en algunos casos; su estado es afectado frecuentemente por las condiciones climatológicas como la lluvia, las heladas, la variación de la temperatura, etc.. Por lo anterior, la resistividad del terreno puede ser muy diferente de un lugar a otro y puede afectarse según la época del año en función de los siguientes factores: a) La composición propia del terreno. b) La estratigrafía. (Diferentes estratos por capas no homogéneas) c) La granulometría. (Tamaño y porosidad de los granos) d) La concentración de las sales solubles. (Electrolito) e) El estado higrométrico. (Grado de humedad) f) La temperatura. (°C) g) La compacidad. (Compactación) La Resistencia Total de un sistema de Tierra R, está formada por la suma de los valores resistivos de los elementos que la conforman, como son los siguientes: a) La resistencia total del conductor o los conductores. b) La resistencia de contacto entre el conductor y electrodo. c) La resistencia de contacto entre la superficie del electrodo y el terreno. La resistencia del terreno en el que esté enterrado el electrodo.

Tipo de terreno Terreno pantanoso Limo Humus Turba húmeda Arena arcillosa Arena de sílice Suelo pedregoso con pasto Suelo pedregoso Calizas blandas Calizas compactas Calizas agrietadas Pizarras Rocas de mica y cuarzo Granitos Hormigón Grava

Antenas de Telecomunicaciones Necesariamente deben estar bien referidas a tierra para poder transmitir una señal mas clara y sin interferencia

Resistividad (W.m) Hasta 30 20 a 100 10 a 150 5 a 100 50 a 500 200 a 3000 300 a 500 1500 a 3000 100 a 300 1000 a 5000 500 a 1000 50 a 300 800 1500 a 10000 2000 a 3000 3000 a 5000

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Material Acero Aluminio Bronce Cobre Carbono Hierro Latón Manganina Mercurio Nicrom Níquel Oro Plata Plomo Tungsteno

Resistividad (r) Punto de a 20ºC (W.m) fusión (ºC) 18x10-8 -8 2.8x10 -8 7x10 1.7x10-8 3.5x10-8 10x10-8 -8 68x10 -8 44x10 -8 95x10 100x10-8 7.8x10-8 -8 2.4x10 -8 1.6x10 -8 22x10 5.6x10-8

1,510 659 1,080 3,500 1,530 900 910

1,450 1,065 960 330 3,400

1.6. Mediciones Como un avance en la técnica de medición de estos sistemas se incluye la teoría de operación de nuevos equipos para la medición de puesta a tierra. En estos sistema es posible efectuar mediciones por un lado mas completas al posibilitar la medición de toda la red, incluyendo cableados, conexiones adicionalmente a los valores de tierra y electrodos; es decir medición integral del sistema. Ver en el modulo 5 la medición del sistema MASS@TIERRA. 1.7.

Tableros con neutro y TF conectados entre si

Tablero sin barra de Tierra física

Problemática general

A modo de resumen de este primer capítulo, se plantea la problemática general del uso de los sistemas tradicionales de puesta a tierra y por ello es la justificación de la ingeniería MASS@TIERRA. La falta de seguimiento a la normativa es el principal problema de la puesta a tierra por un lado y la errónea interpretación es la segunda, ambos aunados con la divulgación de información técnica que de igual forma no se apega a la normativa, sea por interés económico o por falta de documentación. Frecuentemente se encuentran problemas de desintegración dentro de las empresas, de tal modo que cada departamento interpreta y aplica criterios separados cayendo consecuentemente en discrepancias que terminan en sistemas no equipotenciales y mal integrados. En otras ocasiones, las industrias enfrentan problemas de alta resistividad o zonas con altos niveles de descargas atmosféricas y abandonan el problema o deciden adquirir sistemas inseguros por que suponen que resulta muy caro invertir en un sistema integral que cumpla con las normas internacionales de seguridad. TODOS LOS DERECHOS RESERVADOS “IDERSA” - LOS LOGOTIPOS Y MARCAS EN ESTA PUBLICACION SON MARCAS REGISTRADAS POR SUS RESPECTIVOS DUEÑOS. EL CONTENIDO DE ESTA MEMORIA TECNICA SE BASA EN ESTUDIOS Y RECOPILACION DE INFORMACION TECNICO-CIENTIFICA DE FUNCIONAMIENTO PARA SISTEMAS NO TRADICIONALES DE ATERRIZAJE ELECTRICO.

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3.- Justificación técnico-económica 3.1 Normativa de puesta a tierra: ¿Es necesario contar con un sistema de puesta a tierra física en nuestras instalaciones eléctricas, sean del tipo residencial, comercial ó industrial? LA NORMA OFICIAL MEXICANA (NOM) ESPECIFICA EN SU NOM-001-SEDE-1999 EN SU ARTICULO 250 QUE TODA INSTALACIÓN ELÉCTRICA DEBE DE CONTAR Y UTILIZAR ADECUADAMENTE Y DE MANERA IMPRESCINDIBLE DE UN SISTEMA DE PUESTA A TIERRA QUE GARANTICE LA SEGURIDAD HUMANA Y LA DE LOS EQUIPOS. La norma antes enunciada justifica su obligatoriedad por las dos razones de seguridad que enumera y porque todos los sistemas de una cadena productiva son respaldados por la fuerza motriz que nos genera la ELECTRICIDAD, situación que se ejemplifica en la gráfica siguiente: En donde nos muestra que todo Sistema, ya sea de producción, información, comunicación, iluminación, seguridad, etc., para su funcionamiento deben de contar con un Sistema Eléctrico, el cual debe de estar bien soportado por una plataforma de tierras físicas bien definido. Cadena Productiva

SISTEMA ELECTRICO

Sistema de Producción Sistema de Información Sistemas de Comunicación Sistemas de Iluminación Sistemas de Seguridad Sistemas de Control Otros Sistemas

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3.2 Los costos de las fallas: Una vez que determinamos que el sistema de puesta a tierra es imprescindible por Normativa veremos como se comporta desde el punto de vista económico el contar con un sistema de puesta a tierra eficiente y seguro. El garantizar la continuidad y eficiencia de todos los sistemas en un proceso productivo (Industrial, Comercial, Institucional, etc.) nos permitirá entonces direccionar los esfuerzos de mejora continua en los procesos que nos permiten generar mayor utilidad dentro de nuestro entorno productivo. En la siguiente grafica observemos como es que se distribuyen los porcentajes de las fallas en los sistemas productivos, teniendo en mayor porcentaje las fallas imputables a la parte eléctrica (hasta en un 60%). Costo de las Fallas OTROS

Falla por transcientes Capacitores quemados por no tener lineas de descarga de tierra física.

PRODUCCION

INFORMATICA

60% COMUNICACIONES

ELECTRICO

Y aun más a detalle observamos en la siguiente grafica los porcentajes de las fallas de la red eléctrica en cada uno de los Calentamiento sectores en que podemos subdividir (hasta en un 40% las fallas por las tierras físicas) . Aislamiento de embobinado de Porcentaje de Fallas transformadores secos dañado por el excesivo calentamiento al no RESPALDO tener carcasas y neutro bien referidos a tierra, produciendo OTROS temperaturas en cables mayores a 70ºC PROTECCION Y CONTROL 40% REGULACION

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3.3 Los costos de la inversión: Ahora bien es cierto que cuando el sistema eléctrico no esta “fallando” no existe una justificación técnica de inversión, pero existen varios factores que nos demuestran lo contrario y que a través de las siguientes gráficas estaremos determinándolas. La siguiente gráfica nos muestra como se esta comportando el mercado en general con la actualización de sus inversiones de acuerdo a las prioridades de mantenerse a la vanguardia en materia de competitividad. Periodos de Actualización de Sistemas HARDWARE SOFTWARE 12 a 36 meses

Actualización de sistemas

COMUNICACIONES 10 AÑOS ELECTRICO 15 AÑOS

Actualización de sistemas Cuando nuestras redes eléctricas operan fuera de estándares (calibres mal seleccionados por cargas adicionadas al proyecto inicial, desbalanceo de cargas, vida útil de cables, accesorios caducos, etc.). Es cierto que nuestra red nos estará otorgando el servicio pero a UN ALTO COSTO. Estas condiciones se generan casi siempre por un mantenimiento deficiente y una mala o nula planeación de inversión en los procesos productivos. Uno de los conceptos que vienen a revolucionar el sector eléctrico es el de CALIDAD DE LA ENERGIA, que muy poco se manejaba, pero hoy día el tener que estar competitivos en los mercados globalizados y los costos tarifários de la compañías suministradoras del energético, es casi obligado contar con una auditoria exhaustiva de nuestra red eléctrica, para así poder generar la re-ingeniería que nos permita tener una utilización optimizada de la energía eléctrica.

Actualización de sistemas

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La justificación económica bien pudiera tenerse desde la perspectiva de la siguiente gráfica en donde se han considerado los gastos en las proporciones que un proceso productivo en termino generales invierte, observamos que el gasto menor es el de la parte eléctrica y a su vez lo que representa el sistema de puesta a tierra y que ambos representan la plataforma de desempeño optimo de toda la inversión en general. Inversión en Sistemas $

SISTEMAS DE TIERRA

ELECTRICO COMUNICACION INFORMACION PRODUCCION

3.4. Comparativa de MASS@TIERRA contra los Sistemas convencionales de tierra: La constante evolución del entorno económico y tecnológico en todos los ámbitos, genera la aplicación de nuevos procesos, productos y servicios que estén acorde a esta necesidad de actualización permanente, es por ello que la plataforma de desempeño de la que hemos estado hablando a lo largo de este capitulo no puede permanecer ajeno.

La mayoría de las veces las fallas producen perdidas mas grandes que el invertir en la seguridad de funcionamiento de los sistemas.

Una revisión a la antigüedad de algunos de los sistemas, comparados con respecto de los sistemas de puesta a tierra física, nos da la pauta a generar los cambios necesarios al respecto. La siguiente gráfica nos muestra como se han quedado rezagados los sistemas convencionales de puesta a tierra que nacieron hace casi 240 años. Avance de Sistemas HARDWARE SOFTWARE 12 a 36 meses COMUNICACIONES 5 a 10 AÑOS ELECTRICO 10 a 15 AÑOS TIERRAS FISICAS MAS DE 200 AÑOS

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Asi mismo podremos ponderar de estos sistemas de puesta a tierra (Electrodo de varillas) cuatro condiciones desfavorables para su desempeño: 1.- Sistema Bidireccional (Logra disipar corrientes de falla pero asi mismo recibe Impulsos Electromagnéticos del subsuelo). 2.-Vida útil corto (Materiales de construcción, método de instalación, operación como anódo de sacrificio) 3.- Variables no controlables (Temperatura ambiente, temperatura del terreno, humedad, época del año, resistividad, etc.) 4.- Forma de disipación (En forma de ondas concéntricas, aumenta el riesgo de corriente por la tensión de paso y tensión de toque.

Aplicación

La tabla comparativa que a continuación se presenta nos permite valorar de acuerdo a nuestra aplicaciones y al nivel de seguridad que queramos operen nuestros equipos y por consecuencia nuestros procesos productivos.

Disipación

MASS@TIERRA vs Mallas, Varillas, Electrodos Químicos Tipo de Servicio que se REQUIERE

SISTEMAS MASS@TIERRA

Mallas, Varillas y Electrodos Químicos

Impedancia permanente y baja.

Permanente

Corto Tiempo

Masas

Confina EMI / RFI Reduce Voltaje de Paso y Toque. Eficientiza red eléctrica

Sistema Tradicional

Aplicación

Requiere Mantenimiento Areas Equipotenciales Permanentes.

Inducción Electrómagnetica

Corto Tiempo

- --

Masas

- --

Proporciona campo catódico Es un sistema unidireccional para el flujo de corriente. Reduce el factor de perdidas en transformadores

+ + + + ++ + + + + + Disipación

Minimiza el efecto Joule en Transformadores. Separa tierras, neutros, 3er hilo, “0” lógico, masas y Pararrayos.

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Cumple con las Normas IEEE y NOM TODOS LOS DERECHOS RESERVADOS “IDERSA” - LOS LOGOTIPOS Y MARCAS EN ESTA PUBLICACION SON MARCAS REGISTRADAS POR SUS RESPECTIVOS DUEÑOS. EL CONTENIDO DE ESTA MEMORIA TECNICA SE BASA EN ESTUDIOS Y RECOPILACION DE INFORMACION TECNICO-CIENTIFICA DE FUNCIONAMIENTO PARA SISTEMAS NO TRADICIONALES DE ATERRIZAJE ELECTRICO.

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En resumen de la tabla anterior podemos decir que los sistema de puesta a tierra de electrodo tipo varilla, malla, químico, aun pueden ser utilizados en ciertas aplicaciones siempre y cuando se haya valorado el nivel de seguridad que requiera la red en cuestión y que al igual que todos los productos de cualquier marca que se apliquen, deben cumplir con los estándares de instalación que cada fabricante requiere para cumplir con las garantías que ofrezca. 3.5 Conclusión:

LOS OBJETIVOS Y LOGROS DE LAS EMPRESAS DEPENDEN DE LA CONTINUIDAD Y LA CALIDAD DE OPERACIÓN DE SUS SISTEMAS.

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ESPECIFICACIONES Y FUNDAMENTOS

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4.- Especificaciones y fundamentos 4.1. La Ingeniería MASS@TIERRA MASS@TIERRA es el resultado de un trabajo profesional de investigación y pruebas para la re-ingeniería aplicada a los actuales criterios de aterrizaje, donde se respetan las normas establecidas, considerando el actual entorno tecnológico y su problemática en virtud de los rigurosos requerimientos para los sistemas eléctricos y electrónicos de alta precisión, alto desempeño, continuidad y seguridad de operación. MASS@TIERRA es un sistema del tipo estructural de alta eficiencia de disipación y baja impedancia permanente. El sistema como hemos mencionado esta soportado por leyes de la física, normativas y lineamientos internacionales a los cuales hacemos referencia en su apartado de la presente memoria técnica en el capitulo 7. La función primaria de MASS@TIERRA es la de proporcionar seguridad para los seres humanos que están en contacto con equipos e instalaciones eléctricas cuando presentan condiciones de fallas de corto circuito o descargas atmosféricas así como para la operación eficiente de sistemas eléctricos y electrónicos sensibles y delicados. 4.2. Fundamentos El símbolo siguiente nos representa el comportamiento del sistema MASS@TIERRA, la construcción de la estructura cerrada (cuerpo gaussiano) con placa triangular arriba y cono en la parte baja (efecto capacitivo), nos permiten generar una área catódica en la parte superior y anódica en la parte inferior logrando obtener una alta capacidad de disipación y confinamiento a tierra, de manera acentuada por la propiedad de las puntas como se observa. La tecnología MASS@TIERRA nos permite confinar a mayor profundidad cualquier potencial, primeramente por confinamiento anódico y por la propiedad de las puntas, cumpliendo así con lo dispuesto por normativa de minimizar el riesgo por la TENSION DE PASO Y TENSION DE TOQUE.

Símbolos Efecto Capacitivo

Esta parte del sistema se fundamenta en la ley de Ohm incluyendo la resistividad de los elementos por separado para dar la resistencia total del sistema; interconexiones, electrodos, transportes, transporte Inter-electrodos y finalmente terreno.

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Las siguientes expresiones matemáticas demuestran las formas y dimensiones halladas para la solución del sistema: R = r L /A; ----------------------------------------(1) R = E /i; => E /i = r L /A---------------------(2) Por lo tanto: E = i r L /A---------------------------------------(3) R- resistencia en Ohms; r- resistividad en Ohms; L- longitud en metros; A- área en metros; E- tensión en volts; i- corriente en amperes. Apoyados por la ley de Ohm el electrodo de MASS@TIERRA cumple con el proposito de incrementar la superficie de contacto (A) y así lograr obtener un alto desempeño por la disminución de la resistencia total del sistema, es decir, esto afecta las dimensiones del electrodo; en la misma línea de razonamiento, al disminuir la superficie, hasta llegar al extremo se justifica el uso de puntas; con ello se incrementa la tensión (E) ejercida sobre el terreno en la parte mas profunda de la instalación provocando que se acentúen las descargas en esa zona.

POTENCIAL MAGNETICO TERRESTRE

El aterrizaje con el sistema MASS@TIERRA garantiza mediante un estricto apego a las normas, una resistividad baja y permanente siempre £ a 2W (ohms). Este valor siempre independiente de las condiciones del terreno, esta basado en el estudio comparativo de las ventajas y desventajas de los diversos métodos de aterrizaje, obteniendo así, un sistema en donde se han eliminado partes y procedimientos que solo complican su implementación y garantía de operación. Integrado en un solo dispositivo, MASS@TIERRA incrementa la capacidad de corriente por utilizar una superficie mayor de contacto, y eliminando partes y dispositivos innecesarios, adicionalmente, en otras de sus características, el sistema MASS@TIERRA tiene integrado un filtro magnético, de 3,200 Gauss, aproximadamente treinta y dos mil (32,000) veces más potente que el de las lineas de orientación del campo magnético terrestre (cuyo valor es de 0.1 Gauss). Lo que significa que predispone la corriente hacia tierra de forma unidireccional, dándole así una cualidad más, que lo distingue de otros sistemas de puesta a tierra. El tener integrados todos los elementos en una sola pieza de ingeniería, nos permite controlar a nivel electrodos el acoplamiento de todas las masas a nivel subsuelo como lo exige la norma y así no depender de cables adicionales para hacer el acoplamiento de impedancias. TODOS LOS DERECHOS RESERVADOS “IDERSA” - LOS LOGOTIPOS Y MARCAS EN ESTA PUBLICACION SON MARCAS REGISTRADAS POR SUS RESPECTIVOS DUEÑOS. EL CONTENIDO DE ESTA MEMORIA TECNICA SE BASA EN ESTUDIOS Y RECOPILACION DE INFORMACION TECNICO-CIENTIFICA DE FUNCIONAMIENTO PARA SISTEMAS NO TRADICIONALES DE ATERRIZAJE ELECTRICO.

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SELECCIÓN Y CÁLCULO DE LA CAPACIDAD DE LOS CABLES Y ELECTRODOS MASS@TIERRA... Basándonos en la Norma (NOM-001-SEIE-1999), para la selección del tamaño nominal de los conductores, la capacidad de conducción de corriente de los conductores de 0 a 2000 V nominales se debe considerar como máximo los valores especificados en las Tablas de capacidad de conducción de corriente (Tablas 310-16 a 319-19) y sus observaciones correspondientes o dadas por cada fabricante de los conductores. Para calcular la capacidad de conducción de corriente de los conductores se hará con la siguiente formula general: Ecuación:

I=

TC - ( TA +ª TD ) ( 1 + YC ) RCA

Donde: TC = Temperatura del conductor en °C. TA = Temperatura ambiente en °C. ªTD= Incremento de la temperatura por pérdidas del dieléctrico. RCD= Resistencia de c.c. del conductor a la temperatura TC. YC = Componente de resistencia c.a. debida a los efectos superficial y de proximidad. RCA = Resistencia térmica efectiva entre el conductor y el ambiente que lo rodea. De la ecuación antes mencionada se calculan las Tablas de aplicación y la siguiente Tabla, de la cual se tomó la temperatura de fusión del cobre (1083 °C) a diferentes ciclos (15 y 30 Hz.). CORRIENTES DE FUSION DE CONDUCTORES EN KA Ca.

Conductor

4 2 1/0 2/0 3/0 4/0 250 KCM 300 KCM 350 KCM 400 KCM 500 KCM 750 KCM 1000 KCM

TEM DE OPERACION 75° TEMP. DE OPERACION 90°

15 30 60 15 30 60 ciclos ciclos ciclos ciclos ciclos ciclos 7 4 0.98 12 6 1.2 14.5 10 6 18 13 9 21 14 15 9 30 21 30 18.5 16 24 39 27 36 23 20 25 47 33 43 29 25 30 60 42 54 35 30 39 70 49 63 42 38 46.5 84 59 74 49 44 54 98 69 85 61 57 66 113 80 94 83 63 74 124 102 96 143 100 119 162 138 158 198 156 187 208 181

Bajo este criterio general se seleccionaron los conductores para la conexión del neutro, las carcazas y tableros de conexión en las subestaciones eléctricas para proporcionar calidad de energía, así como cada una de las aplicaciones.

SECCION MINIMA DE UN CONDUCTOR ATENDIENDO A LA ELEVACION DE SU TEMPERATURA

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ESPECIFICACIONES Y FUNDAMENTOS

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MASS@TIERRA

Partiendo de la expresión de la energía: ( R I² t) Donde:

“R” es la resistencia del conductor “I” es la intensidad de la corriente “t” es el tiempo en transformase en calor

Satisfaciendo el equilibrio térmico “calor generado es igual a calor disipado”. 0,24 R I² = M L p ( T - To ) Donde: M : es el calor perdido (expresado en calorías) por unidad de superficie de enfriamiento L : es la longitud del conductor r p : es el perímetro de la sección, la diferencia entre la temperatura T : temperatura del conductor, alcanzada por aquel To : temperatura del ambiente, En donde R depende de la naturaleza del conductor y M de las condiciones en que se verifique el enfriamiento. Teniendo en cuenta el valor de R en función de la longitud y de la sección resulta:

Por lo que queda:

0,24

( L / S ) I² =

0,24

p I²

=

M L p ( T To )

M S p ( T - To )

Esta expresión es general para todos los casos y demuestra que la elevación de temperatura es independiente de la longitud y que para una misma corriente y sección, o iguales condiciones de enfriamiento, la elevación de temperatura es tanto menor cuanto mayor sea el perímetro, o lo que es lo mismo, para una misma elevación de temperatura, la corriente I admisible para una sección dada aumenta con el perímetro de esta.

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MASS@TIERRA

TEMPERATURA OPERACION

PESO KIT COMPLETO

Nominal -(45A CA) (30A CC) Maxima -(65A CA) (30A CC)

-10°C a 80°C

8.5 Kg.

85 Amperes

Nominal -(85A CA) (70A CC) Maxima -(110A CA) (95A CC)

-10°C a 80°C

10.8 Kg.

KIT DE MEDIA

600 Amperes

Nominal -(600A CA) (505A CC) Maxima -(780A CA) (690A CC)

-10°C a 80°C

45.0 Kg Incluye 1 saco

MTKIT03

KIT DE ALTA

1000 Amperes

Nominal -(1000A CA) (840A CC) Maxima -(1300 CA) (1150A CC)

-10°C a 80°C

49.5 Kg Incluye 2 sacos

MTSDAK-02

KIT PARARRAYOS

100 Metros de diámetro de cobertura

N/A

-20°C a 90°C

3.5 Kg.

MODELO

DESCRIPCION

CAPACIDAD

CORRIENTE A 90 CICLOS

MTKITDM

KIT DOMESTICO

45 Amperes

MTKIT01

KIT DE BAJA

MTKIT02

COMPUESTO ACONDICIONADOR DE TERRENO El acondicionador de terreno MASS@TIERRA es una mezcla de materiales utilizados para disminuir la resistencia e incrementar la capacitancia del electrodo de puesta a tierra y así mismo otorgar integralmente un punto de baja impedancia permanente. La presentación del acondicionador de terreno MASS@TIERRA es en forma de polvo en color gris obscuro con una densidad de ~ 1350 kG./M³ con un alto indice de compactación en combinación con el agua alcanzando una densidad de ~ 1750 kG./M³ y después de 28 días realizada la mezcla su fuerza de compresión alcanza su máximo nivel, garantizando el comportamiento integral aun en zonas de altas vibraciones. La mezcla del acondicionador con agua en proporción de 0.74 litro x 1 kilo, nos dara la mezcla adecuada de para el manejo del material, esta mezcla una vez que alcanza su dureza máxima obtiene una compresión promedio de 5.3 kPA = 0.77 PSI.y estara en condiciones de proporcionar las siguientes propiedades eléctricas: CONDUCCION ELECTRICA ALTAMENTE EFICIENTE. EFECTO CAPACITIVO POR SU CAPACIDAD DE ALMACENAR Y LIBERAR UNA GRAN CANTIDAD DE ENERGIA ABSORCION RAPIDA DE GRANDES CANTIDADES DE ENERGIA GENERA UNA EFICIENTE TRANSFERENCIA ENTRE EL ELECTRODO DE PUESTA A TIERRA Y EL TERRENO NATURAL.

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MASS@TIERRA

Otra de la propiedades del acondicionador de terreno MASS@TIERRA es el cumplimiento a la normativa ecológica vigente al no contaminar los mantos fréaticos. El uso del acondicionador de terreno MASS@TIERRA es de acuerdo al modelo del electrodo MASS@TIERRA que se vaya a instalar, así como a la cantidad de contra-antena (electrodo horizontal de interconexión) que se tenga planeado instalar. La tabla siguiente nos permitira saber la cantidad de material del acondicionador para cada caso. CAPACIDAD DIMENSIONES

MODELO

DIMENSIONES CANTIDAD DE EXCAVACION COMPUESTO

ELECTRODO

MTKITDM

45 Amperes

90x9 cm.

40x40x115 cm.

ELECTRODO

MTKIT01

85 Amperes

40x14 cm.

40x40x90 cm.

ELECTRODO

MTKIT02

600 Amperes

50x30 cm.

90x90x130 cm.

ELECTRODO

MTKIT03

1000 Amperes

60x45 cm.

90x90x210 cm.

175 Amperes

100x5x5 cm.

100x40x60 cm.

CONTRA-ANTENA CABLE DESNUDO 2/0

90 cm.

Profundidad

90 cm.

Largo y Ancho

Incluido 6 Kg. Incluido 6 Kg. Incluido 25 Kg Incluido 50 Kg 3 Kg. x mt. lineal

90 cm.

90 cm. D: 30 cm.

90 cm. 30 cm.

80 cm.

50 cm.

Pieza de Cobre (circular o Cuadrada)

Cable desnudo de cobre 5 cm. 5 cm.

30 cm.

CONTRA-ANTENA

Compuesto Organico

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Excavación Tipo 2 (aplicada al MTKIT02)

CONCEPTO

Excavación Tipo 1 (aplicada al MTKIT02)

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MASS@TIERRA

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SISTEMA PARARRAYOS MASS@TIERRA El sistema de pararrayos de la marca MASS@TIERRA es un sistema basado en el concepto de repeler las descargas atmosféricas (rayos), debido a que el sistema oferta cargas del mismo valor, esto es de acuerdo al siguiente dibujo lo que se presenta. El 95% de la carga baja de las nubes estadísticamente tiene carga negativa (catódica), nuestro sistema de puesta a tierra genera una preponderancia negativa (catódica) en el terreno, esta valencia negativa es llevada a la punta del pararrayos generando que se tengan cargas iguales y por consecuencia se repelen las descargas de valor negativo. Para el 5 % restante de las nubes tendrán valor positivo (anódico), y que se te tiene posibilidad de tener descargas, es necesario contar con un sistema de tierras de baja y permanente impedancia, para que podamos garantizar a planeta tierra este gran volumen de energía,

5% ++ ++ + ++ + ++ ++

- -- - - -- -------- ----- - 95% -- ----- ---------- -- -

Los sistemas MASS@TIERRA garantizan una impedancia menor o igual a 2 ohms de manera permanente, ademas de disponer de un cálculo de sus electrodos para poder ofertar un camino seguro y eficiente a la descarga (rayo). El electrodo de MASS@TIERRA que nos garantiza disipar la corriente de la descarga atmosférica es el modelo MTKIT03, como mínimo con una capacidad de 1000 amperes a 90 ciclos , es decir a segundo y medio, que una vez que se traduce a el tiempo

- - -- ------- ------ - --- -

en que se presentan las descargas (nanosegundos (FS)) luego entonces esto nos permite, contar con un rango bastante amplio para disiparlo a planeta tierra, aunado a todo esto la forma de disipar del electrodo de MASS@TIERRA, descargando mas profundamente en el terreno (efecto de las puntas) , minimiza el riesgo de corriente de paso.

PUNTA PARARRAYOS

PUNTA PARARRAYOS

La punta pararrayos de MASS@TIERRA esta construida de acero inoxidable con un eje central vertical y 3 laterales para descargas laterales (torres a gran altura y/o zonas montañosas), el acero inoxidable nos permite tener por sus características un tiempo de cebado muy eficiente, con respecto al cobre con la ventaja sobre de este ultimo de estar libre de mantenimiento por oxidación y ademas de ser muy resistente a las descargas de muy alta intensidad. TODOS LOS DERECHOS RESERVADOS “IDERSA” - LOS LOGOTIPOS Y MARCAS EN ESTA PUBLICACION SON MARCAS REGISTRADAS POR SUS RESPECTIVOS DUEÑOS. EL CONTENIDO DE ESTA MEMORIA TECNICA SE BASA EN ESTUDIOS Y RECOPILACION DE INFORMACION TECNICO-CIENTIFICA DE FUNCIONAMIENTO PARA SISTEMAS NO TRADICIONALES DE ATERRIZAJE ELECTRICO.

GUIA DE ONDA

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MASS@TIERRA

La zona de protección del pararrayos de MASS@TIERRA esta regida por los criterios de protección de la formula definida en la norma NFC 17-102 de julio de 1995.

NIVEL 3

NIVEL 2 NIVEL 1

Las zonas de protección de acuerdo a la norma están limitadas por tres niveles, siendo el nivel 1, la condición mas extrema en los términos de riesgo que hay que proteger, la ingeniería de pararrayos de FORMULA: MASS@TIERRA esta calculada para un único modelo MTDAK-02, que cumple y excede los Rp= h (2D h) + ªL (2D+ ªL) requerimientos de la norma en su nivel 1 y Donde: que a continuación se ilustran. h = Altura real del pararrayos por encima de la superficie a proteger D = Es el nivel de protección requerido por la norma siendo estos tres niveles Nivel 1 (N1) = 20 m. Nivel 2 (N2) = 45 m Nivel 3 (N3) = 60 m

ªL = Es la constante de cebado y esta dada por la formula 6

ªL = 10 * ªT

Donde ªT = Tiempo de cebado.

Para nuestra punta de acero inoxidable es ªT = 40 s. Ahora bien desarrollando la formula tendremos la siguiente tabla:

h = Altura (m) CODIGO 2 3 4 5 6 8 10 15 20 30 50 MTDAK02 36 39 47 58 59 59 59 59 60 59 51 RADIO DE PROTECCION

Rp

Como podemos observar la curva de aprovechamiento con respecto a la altura real del pararrayos se da en la franja de los 5 metros, por lo tanto la oferta de nuestro sistema pararrayos tiene una oferta de radio de protección de 58 metros (116 metros de diámetro), en las condiciones mas desfavorables y el nivel de riesgo mas critico (nivel 1). La parte complementaria de un sistema de pararrayos esta dada por su sistema de tierra física, el cual calcularemos de la siguiente forma. TODOS LOS DERECHOS RESERVADOS “IDERSA” - LOS LOGOTIPOS Y MARCAS EN ESTA PUBLICACION SON MARCAS REGISTRADAS POR SUS RESPECTIVOS DUEÑOS. EL CONTENIDO DE ESTA MEMORIA TECNICA SE BASA EN ESTUDIOS Y RECOPILACION DE INFORMACION TECNICO-CIENTIFICA DE FUNCIONAMIENTO PARA SISTEMAS NO TRADICIONALES DE ATERRIZAJE ELECTRICO.

h

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MASS@TIERRA

SELECCIÓN DE ELECTRODO MASS@TIERRA PARA EL SISTEMA DE PARARRAYOS Partiendo del análisis de que el flujo del calor se debe a la diferencia de temperatura entre el conductor y el medio que le rodea y esta regido por una ley similar a la que se utiliza en electricidad para evaluar las corrientes producidas por una diferencia de potencial aplicada a una resistencia. Para cualquier conductor eléctrico de sección A y de longitud L, al que se aplica una diferencia de potencial ªV se cumple, de acuerdo a la Ley de ohm, que: I =

ªV / Re

=

ªV . A /

g .I

[ en amperes ]

En un circuito térmico en el que debido a una diferencia de temperatura ªq fluye calor desde un punto mas caliente a otro mas frió, análogamente, se cumple: I =

ªq / Gt

= ªq . A / g t . L

[ en amperes ]

Igualando el calor generado con el disipado: n . Rt . i² = ªq/ Gt , se deduce: I = ( ªq / ( n . Rt . Gt ))

-2

Siendo I la intensidad admisible en amperes. De esta ecuación se determina que la capacidad de los electrodos depende del área y longitud del mismo, así como la temperatura ambiente del terreno y la resistencia del componente que rodea al electrodo, ya que con mayor superficie y longitud se puede admitir una mayor corriente a disipar. Teniendo una superficie de disipación 8600 cm2 en promedio, con una temperatura del terreno de 25°C y una longitud 80 cm y un medio de baja resistividad se disipa una corriente mínimo de 780 amperes en un tiempo de 1.5 segundos. Concluyendo entonces que un ciclo equivale a 166 milisegundos nuestra capacidad de conducción en ese tiempo es de 149 KA, y las descargas (rayo) se presentan en promedio en un tiempo de duración de 10 milisegundos, tendremos por lo tanto 10 veces el valor indicado en capacidad de disipación.

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MASS@TIERRA

Fabricado en cobre en una aleación especial el electrodo y los componentes de MASS@TIERRA garantizan una durabilidad de (15) años de operación.

La interconexión entre el servicio de tierra, masas y el terreno, MASS@TIERRA lo resuelve mediante la ingeniería de acoplamiento de cuatro (4) interfases para asegurar y garantizar su estabilidad independiente, y que son:

Lateral a masas

1).Interfase de terreno.

Lateral a masas

Aplicación

Electrodo

2).Interfase de entrada y salida del electrodo.

Tuberia de PVC

3).Interfase de acoplamiento de masas. 4).Interfase de aplicación de tierra física (Aplicación) Interfase de aplicacion Interfase de acoplamiento de masas

Interfase de acoplamiento de masas

Interfase de terreno

Terreno

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MASS@TIERRA

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La Interfase de terreno nos va a permitir realizar la transferencia del electrodo al terreno controlado de baja resistividad (Acondicionador) y este a su vez al terreno natural sin importar que resistividad tenga este, se esta garantizando el acoplamiento por la forma de disipación. Interfase de entrada y salida del electrodo es el acoplamiento del MASSLINK con el electrodo sin la necesidad de un cable entre ambos garantizando la baja impedancia de acoplamiento. La Interfase de acoplamiento de masas es lo estamos realizando a nivel electrodo como lo marca la normativa internacional, con esta facilidad estamos logrando controlar en el subsuelo el acoplamiento y así evitamos accesorios adicionales a nivel red de cableado eléctrico. Por ultimo la Interfase de aplicación de tierra física es el punto de conexión directo a los servicios de tierra que hemos mencionado anteriormente, cuidando solo de cerrar cada aplicación su propio circuito eléctrico y así poder interconectar los demás sistemas construyendo nodos equipotenciales. El compuesto MASS@TIERRA consiste en carbón de origen mineral y vegetal con la inclusión de aditivos para solidificación sin perder las características de baja resistividad. MASS@TIERRA dispone de tres modelos que son de baja, media y alta potencia, lo que permiten al sistema cubrir y resolver cualquier diseño ya sea para un sistema aislado con un solo electrodo o una red tan grande como el diseño lo requiera. En suma, el sistema MASS@TIERRA le brinda la tecnología que se requieren para las mas rigurosas necesidades del nuevo entorno electromagnético; dándole: Garantías de operación, de continuidad, de durabilidad, el precio mas bajo del mercado, el retorno de inversión mas rápido y el cumplimiento estricto con las normas internacionales. 4.3. Especificaciones y Diseños. El diseño de cada uno de los componentes para la búsqueda de la solución al problema de la puesta a tierra dependerá del criterio de diseño de cada uno acorde al estándar de la tecnología MASS@TIERRA, es por ello que en esta sección estaremos en posibilidad de definir los componentes y los arreglos que nos permitan generar una plataforma segura y por supuesto pueda contar con la garantía de operación por parte del fabricante.

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MASS@TIERRA

Empezaremos por la definición de los 5 sistemas de puesta a tierra que podremos resolver con la tecnología de MASS@TIERRA. 4.3.1.-Sistema de Puesta a Tierra de Fuerza (Funcionamiento o de Retorno “XO” del transformador)

+180

- 180 Neutro

Masas en general (Acero de Construcción, tuberias, T.F. existentes)

Masas en general (Acero de Construcción, tuberias, T.F. existentes)

Con estos arreglos en el transformador estaremos otorgando los siguientes beneficios: Disminución de la reluctancia en el núcleo del transformador (menor perdida magnética) Disminución del efecto Joule (Calor) Perdida eléctrica. Disminución de perdidas por histéresis (menor perdida electromagnética) Disminución de corrientes de Foucault electromagnética)

(menor perdida

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MASS@TIERRA

4.3.2.- Sistema de Puesta a Tierra de Protección (Tierra Física ó 3° Hilo) Cuando las necesidades sean otorgar la tierra física de los centros de carga es importante considerar la carga máxima nominal (amperes) con que estará operando el tablero en cuestión, y así poder seleccionar el ó los modelos de MASS@TIERRA. La siguiente figura nos muestra la conexión de la barra de tierra física en los tableros la que deberá estar aislada del chasis del tablero (colocándole aisladores tipo barril) y asi cumplir con la norma donde nos indica que deben de estar separados, se debe de observar que una salida de la tecnología de MASS@TIERRA esta sólidamente conectada al tablero en la barra de neutros (Esta condición procede solo cuando el transformador no haya sido aterrizado previamente con MASS@TIERRA) y asi podremos generar los valores de Equipotencialidad en la red eléctrica y los equipos conectados.

Pastillas Barra de Neutros Barra de Tierra

Masas en general (Acero de Construcción, tuberias, T.F. existentes)

Masas en general (Acero de Construcción, tuberias, T.F. existentes)

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MASS@TIERRA

4.3.3.- Sistema de Puesta a Tierra de Señales Electrónicas (Cero Lógico) Con esta aplicación estaremos evitando la contaminación con ruido de alta frecuencia a las aplicaciones que deberán estar en cero de potencial (Racks y gabinetes de telecomunicaciones, Conmutadores, Servidores, PLC´s, en general la electrónica). Su objetivo es dar una plataforma de comunicación a la electrónica y como lo hemos mencionado en varios apartados de la presente norma este sistema al igual que los demás deberán cerrar su propio circuito eléctrico para tener así sistemas independientes uno de otro mas no aislados por prohibición de la misma norma, la selección de los modelos de la tecnología de MASS@TIERRA estará siempre en función de la carga a referenciar a tierra, Como en los casos anteriores los calibres de los conductores y el tipo (Forrado ó Desnudo estarán en la tabla 1.

APLICACION PARA EQUIPO ELECTRONICO SENSIBLE

Barra de “0” Logico

Sistema Mass@tierra

Masas en General. (Acero de Construcción, tuberias, T.F. Existentes)

Masas en General. (Acero de Construcción, tuberias, T.F. Existentes)

4.3.4.-Sistema de Puesta a Tierra de protección Electroestática (Masas) Durante algunos procesos industriales se generan cargas electroestáticas de valores verdaderamente elevados que pueden ir hasta los 3000 ampers, estas cargas constituyen un verdadero riesgo contra la vida humana, estos valores es verdad que son extremos pero es muy común que áreas mas cotidianas (Oficinas, Escuelas, Industria en General) se dan cargas entre estructuras de diferente valor de referencia a tierra (NO-EQUIPOTENCIAL) cargas que pueden ir de 2 ampers hasta 60 ó mas ampers, suficientes para poner en riesgo la vida humana, porque bastan solo 100 miliampers (mA) y ciertas condiciones en el cuerpo humano para que se detenga el corazón. Es por esta razón que es importante mandar a tierra todas las estructuras (Masas) y dejar el área equipotencial. La siguiente figura nos muestra el diagrama típico de cómo podremos conectar a una barra estas cargas. TODOS LOS DERECHOS RESERVADOS “IDERSA” - LOS LOGOTIPOS Y MARCAS EN ESTA PUBLICACION SON MARCAS REGISTRADAS POR SUS RESPECTIVOS DUEÑOS. EL CONTENIDO DE ESTA MEMORIA TECNICA SE BASA EN ESTUDIOS Y RECOPILACION DE INFORMACION TECNICO-CIENTIFICA DE FUNCIONAMIENTO PARA SISTEMAS NO TRADICIONALES DE ATERRIZAJE ELECTRICO.

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MASS@TIERRA

APLICACION PARA CONTROL ELECTROESTATICO

Punto de descarga

Barra de protección Electroestática BARLINK

Sistema Mass@tierra

Masas en General. (Acero de Construcción, tuberias, T.F. Existentes)

Masas en General. (Acero de Construcción, tuberias, T.F. Existentes)

Punta Pararrayos

4.3.5.-Sistema de Puesta a Tierra de protección Atmosférica Punta de pararrayos instalada (Rayos) para protección de edificación tipo invernadero en zona de alta Es importante señalar que de acuerdo a estadísticas de incidencia de rayos. centros de investigación internacionales, se ha establecido de manera aproximada que el 95% de las descargas atmosféricas tienen una polaridad negativa (Catódica) en la parte baja de la nube, a través de la presente norma se ha establecido que la tecnología MASS@TIERRA genera un campo catódico, por tal razón nuestro sistema opera preponderantemente como repulsor de rayos por tener cargas iguales en el porcentaje antes señalados, ahora bien es cierto que dependemos de una altura para generar una semi-esfera virtual de protección (Ver figuras 1 y 2 ) para que el 5% de las cargas anódicas (carga positiva) pueda encontrar un camino de baja y permanente impedancia unidireccional donde poder disipar esta energía, que son impulsos electromagnéticos de alta frecuencia , esta polarización generada por el sistema es llevado a la punta pararrayos por medio de cable cobre de 1000 Volts de 38 hilos y asi dar las condiciones de seguridad para las personas y equipos dentro de edificio evitando que las estructuras mismas de este edificio sean el camino de disipación. SISTEMA DE PARARRAYOS Punta Pararrayos

Sistema Mass@tierra

Masas en General. (Acero de Construcción, tuberias, T.F. Existentes)

Masas en General. (Acero de Construcción, tuberias, T.F. Existentes)

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MASS@TIERRA

Con un MTKIT01(85 Amperes) de MASS@TIERRA podemos dar el servicio para las siguientes aplicaciones:

DIAGRAMAS GENERALES

3er Hilo (Tierra Física de Protección) Neutro (refuerzo de neutro) “0” Cero Lógico (Tierra electrónica GND) Habrá que considerar que la carga máxima que se podra soportar es de 85 Amperes a 90 ciclos equivalentes a 1.5 segundos. Si esta capacidad es rebasada, se podrian colocar 2 o mas Kit´s de la misma capacidad o bien colocar otro modelo con mayor capacidad Barra de Neutro FASES

EQUIPO DE TELECOMUNICACIONES Y DATOS

CONTACTOS

Barra de Tierra (aislada)

Barra de “0” Logico

#4 Masas en General. (Acero de Construcción, tuberías, T.F. Existentes)

Sistema MASS@TIERRA

Masas en General. (Acero de Construcción, tuberías, T.F. Existentes)

Todos los enlaces son con cable calibre #4 AWG forrado Barra de Neutro FASES

EQUIPO DE TELECOMUNICACIONES Y DATOS

CONTACTOS

Barra de “0” Logico

Barra de Tierra (aislada)

#4

Sistema MASS@TIERRA TODOS LOS DERECHOS RESERVADOS “IDERSA” - LOS LOGOTIPOS Y MARCAS EN ESTA PUBLICACION SON MARCAS REGISTRADAS POR SUS RESPECTIVOS DUEÑOS. EL CONTENIDO DE ESTA MEMORIA TECNICA SE BASA EN ESTUDIOS Y RECOPILACION DE INFORMACION TECNICO-CIENTIFICA DE FUNCIONAMIENTO PARA SISTEMAS NO TRADICIONALES DE ATERRIZAJE ELECTRICO.

MASS@TIERRA

IDERSA

Los calibres de los cables son de acuerdo a los modelos MASS@TIERRA y la carga a conectar. Con un arreglo del tipo delta con los kit´s que correspondan podemos dar las siguientes aplicaciones.

DIAGRAMAS GENERALES

Sistema Mass@tierra

Masas en General. (Acero de Construcción, tuberías, T.F. Existentes) Masas en General. (Acero de Construcción, tuberías, T.F. Existentes)

Masas en General. (Acero de Construcción, tuberías, T.F. Existentes)

#4

“X0” - 180°

#4

#4 Masas en General. (Acero de Construcción, tuberías, T.F. Existentes)

+ 180°

CONTRAANTENA (unión de electrodos con cable desnudo)

Barra de Tierra (aislada)

FASES TRANSFORMADOR

MOTOR

Masas en General. (Acero de Construcción, tuberías, T.F. Existentes)

“X0” del transformador 3er Hilo (Tierra Física de Protección) Carcaza (masas) de los motores, tableros, aires acondicionados, etc...

Barra de Neutro

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MASS@TIERRA

Los calibres de los cables son de acuerdo a los modelos MASS@TIERRA y la carga a conectar, excepto el del bajante de la punta pararrayos que como minimo debe ser de 250 MCM Forrado. Con un arreglo en linea como el que se muestra a continuacion podemos ofertar la suma de los electrodos para que puedan estar disponibles para una eventual falla de transformador, o una caida de rayo, o cualquier otro requerimiento de disipación amplia.

DIAGRAMAS GENERALES

“X0” del transformador 3er Hilo (Tierra Física de Protección) Carcaza (masas) de los motores, tableros, aires acondicionados, etc... “0” Cero Lógico (equipo electrónico en general) Sistema de Pararrayos PARARRAYOS Barra de Neutro FASES Neutro Aterrizado desde transformador

MASAS DE MOTORES Barra de Tierra (aislada)

- 180°

+ 180° “X0”

Masas de aire acondicionado

PLC LINEA DE PRODUCCION

SITE TELECOMUNICACIONES “0” Cero Logico

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Minimo 5m.

CONTRAANTENA (unión de electrodos con cable desnudo) Masas en General. (Acero de Construcción, tuberías, T.F. Existentes)

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CALCULO DE LA CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO Para el diseño del sistema de puesta a tierra general se parte del principal suministro de energía, como podría ser un generador, la sub-estación eléctrica, los tableros de distribución o centros de carga. Para lo cual debemos referirnos al calculó de corriente de falla por corto circuito tal y como lo especifica la norma. Existen varios métodos para determinar las características de cada circuito de una instalación y sus dispositivos de protección. La elección del método más adecuado en cada caso dependerá de: * Los valores de las intensidades de las corrientes cuyo previo conocimiento es necesario: intensidad de servicio, corrientes de corto circuito máximo y mínimo y/o corrientes de defecto. * Grado de precisión requerido. * Características previstas de la alimentación y de los distintos parámetros de la instalación. * Importancia de la instalación. * Medios de cálculo a disposición del proyectista o instalador. A continuación se citan algunos de los métodos de cálculo que se pueden utilizar, apuntando aquellas observaciones que permitirán decidir cual será el método más apropiado a cada caso: 1. Método de las impedancias (o punto por punto): Permite calcular con muy buena aproximación todas las corrientes de cortocircuito (máximas, mínimas, trifásicas, bifásicas o monofásicas) y las corrientes de defecto en cualquier punto de la instalación. Puede utilizarse cuando se conocen todas las características de los diferentes elementos del eventual bucle de defecto (fuentes, canalizaciones, etc.) Consiste en calcular separadamente el valor de las diferentes resistencias y reactancias del bucle de defecto desde el origen, incluida la fuente de alimentación 2. Método de composición y el método convencional: Se trata de unos métodos que permiten determinar con una buena aproximación las corrientes de cortocircuito en el extremo de un circuito basándose en unas características supuestas para la parte situada aguas arriba del circuito.

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Método de composición. Puede utilizarse cuando, si bien no se conocen las características de la fuente de alimentación, la estimación de las corrientes de cortocircuito en el origen de un circuito permiten evaluar la impedancia aguas arriba de este circuito. Este método no tiene en consideración las diferencias del factor de potencia (cos f = R/X) entre los distintos circuitos. Se emplea para calcular los valores de la corriente de cortocircuito que se utilizarán para determinar el poder de corte de los dis-positivos de protección. Método convencional. Permite calcular las corrientes de cortocircuito mínimo y las corrientes de defecto en el extremo de una canalización, aún cuando no se conozcan las características de la parte de la instalación aguas arriba del circuito considerado. Este método se basa en la hipó-tesis de que la tensión en el origen del circuito es el 80% de la tensión nominal de la instalación durante la duración del cortocircuito o del defecto. Permite determinar las condiciones de protección contra los contactos indirectos en los es-quemas TN y TT y verificar los esfuerzos térmicos en los conductores. Este método está indicado, preferentemente, en el caso de circuitos receptores cuyo origen está suficientemente alejado de la fuente de alimentación. No se debe aplicar a instalaciones alimentadas por alternadores próximos. 3. Método simplificado (MS): Este método facilita, directamente para cada sección del conductor, la corriente nominal del dispositivo que asegura su protección contra sobrecargas, las longitudes máximas de las canalizaciones protegidas contra los contactos indirectos y las admisibles desde el punto de vista de las caídas de tensión. Se basa en ciertas hipótesis simplificadoras que, no obstante, garantizan un nivel de seguridad adecuado sea cual sea el modo de instalación y la naturaleza de las canalizaciones. También permite determinar, sin necesidad de un cálculo adicional, las características de un circuito añadido a una instalación anterior, cuyas características no se conocen suficientemente. Una vez que se ha escogido el método que se va a emplear para desarrollar el proyecto de la instalación que nos ocupa, deberán respetarse íntegramente sus indicaciones, tanto por lo que se refiere al desarrollo del proyecto como a la ejecución de la instalación.

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CALCULO DE LA CORRIENTE DE CORTO CIRCUITO, METODO DE PUNTO A PUNTO. La Nacional Electrical Code (NEC) en su Sección 110-9, 110-10, 240-1, 250-2(d), 250-96(a) la Tabla 250-122 Nota, especifica dos aspectos importantes para seleccionar El adecuado rango de interrupción y de protección de los componentes eléctricos, lo primero es asegurar que el sistema de protección tenga el rango preciso de interrupción y el segundo que proporcione una adecuada protección contra la corriente corto circuito. La aplicación de este método punto a punto permite la determinación de la corriente de corto circuito con un grado razonable de precisión en varios puntos para cada sistema eléctrico, monofásico o trifásico. Este método supone la corriente de corto circuito en el primario ilimitada (bus infinito).

PROCEDIMIENTO BÁSICO PARA EL CÁLCULO DE LA CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO: PRIMER PASO: Determinar la máxima corriente de carga del Transformador, obtenerla de la placa de datos del transformador, de la Tabla 3A ó 3B, o por medio de la siguiente Formula: Sistema Monofásico:

Ifla = (KVA x 1000) / (EL-L)

Sistema Trifásico:

Ifla = (KVA x 1000) / (EL-L x 1.73)

SEGUNDO PASO: Encontrar el multiplicador del transformador, con la siguiente formula: Multiplicador = 100 / %Z del Transf. TERCER PASO: Determinar la corriente de corto circuito a través del transformador: Tabla 5 o con la siguiente formula: Isca = ifla(del Transf.) x el Multiplicador

Nota: Si la corriente de corto circuito de los motores fuera considerable se sumaria a la corriente de corto circuito del secundario del transformador. Se calcularía de acuerdo a los pasos 4,5 y 6. Un cálculo práctico de la corriente de corto circuito de un motor es multiplicar la corriente a plena carga por 4.

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CUARTO PASO: Calculo del factor “f” Falla trifásica: f = (1.73 x L x Il-l-l) / (C x EL-L) Falla Monofásica: De Línea a Línea (L-L) Transformador

al centro del

F = (2 x L x Il-l) / (C x EL-L) De Línea a Neutro (L-N) al centro del Transformador F = (2 x L x IL-N) / (C x EL-N) En donde:

L = Es la distancia (en pies) de la tubería conduit al lugar de la falla. C = Constante de la s Tablas 1 y 2. Para trayectorias paralelas, multiplicar el valor de C por el numero de conductores por fase. I =La corriente de corto circuito en amperes calculada al inicio del circuito.

Nota: La corriente de falla de Línea-neutro es más elevada que la corriente de corto circuito entre Línea a Línea en las terminales del secundario del transformador de una sola fase al centro. La Corriente disponible de Corto Circuito ( I ) para este caso en el paso 4 se ajustara en la terminal del transformador como sigue: En L-N terminales del transformador al centro IL-N = 1.5 x IL-L en las terminales del transformador A cierta distancia de las terminales, dependiendo del tamaño del conductor, la corriente de falla de L-N es mas baja a la corriente de falla de L-L. El multiplicador 1.5 es aproximado, y variara teóricamente de 1.33 a 1.67. Esta cifra esta basada sobre cambiar el radio de la curva entre el primario y el secundario, fuente disponible infinita, cero pies de las terminales del transformador, y 1.2 x %X y 1.5 x %R para L-N contra L-L valores de resistencia y reactancia. Iniciar los cálculos de L-N en las terminales del secundario del transformador, con el procedimiento punto a punto. QUINTO PASO: Calculo de “M” (multiplicador) o tomarlo de la tabla 4. M = 1 / (1+ f)

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SEXTO PASO: Calcular la corriente de corto circuito (simétrica) del punto de la falla.

Isca = Isca x M Corriente en el punto de la falla

Corriente en el inicio del circuito

EJEMPLO DEL CÁLCULO DE LA CORRIENTE DE CORTO CIRCUITO: FALLA #1

Tablero Principal

FALLA #2

300 KVA, 2%Z

BUS DEL PRIMARIO INFINITO

CENTRO DE CARGAS

20’, 500 MCM CU, Tubería Conduit

20’, Cal. #2 CU, Tubería Conduit

FALLA # 1 Primer Paso: IFLA = (KVA x 1000) / (EL-L x 1.73) = (300 x 1000) / (220 x 1.73) = 788.23 A SEGUNDO PASO: TRANSF)

MULTIPL. = (100 ) / 0.9 x %Z DEL

Nota: La %Z del transformador es multiplicada por 0.9 suponiendo la peor condición. El valor de la impedancia del transformador en la práctica varía hasta en un ±10% del valor de placa, determinado por pruebas realizadas por ANSI/IEEE. Ver U.L. Standard 1561. MULTIPL. = ( 100 ) / 0.9 x 2%) = 55.55 TERCER PASO: Isca = Ifla x MULTIPL. = 788.23 x 55.55 = 43,786.18 A EN EL SECUNDARIO DEL TRANSFORMADOR Nota: Para simplificar no se incluye la carga de los motores y la variación del voltaje. En la practica varia el voltaje hasta ±10% en Fuerza, y ±5.8% para el alumbrado a 120 volts. Por lo tanto para el peor de los casos, en el tercer paso se multiplicara por 1.1 y/o 1.058 respectivamente.

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CUARTO PASO: f = (1.73 x L x Il-l-l) / (C x El-l) = (1.73 x 20 x 43,786.18) / (22,185 x 220) = 0.310 QUINTO PASO: M = 1 / (1 + F)= 1 / (1 + 0.310) = 0.763 (Ver Tabla 4) SEXTO PASO: Isca = 43,786.18 X 0.763 = 33,408.85 A FALLA #1 FALLA #2 (Se usara la corriente de corriente de corto circuito de la FALLA #1) CUARTO PASO: f = (1.73 x 20 x 33,408.85) / (5906 x 220) = O.889 QUINTO PASO: M = 1 / (1 + f) = 1 / (1 + 0.889) = 0.529

(Ver Tabla 4)

SEXTO PASO: Isca = 33,408.85 x 0.529 = 17,673.28 A

FALLA #2

Nota: La corriente de Fuga es aproximadamente: L-L-L L-L L-G, L-N

100% EL SEXTO PASO 87% EL SEXTO PASO 25-125% DEL SEXTO PASO. (USUALMENTE ES TIPICO EL 50%)

Nota: Aproximación de falla de arcos para arcos sostenidos (porcentajes de valores L-L-L de falla de fuga):

L-L-L L-L L-G L-L-L con el primario Abierto

480 VOLTS 89% 74% 38% 80%

208 VOLTS 12% 2% -----

CALCULO DE LA CORRIENTE DE CORTO CIRCUITO CON UN TRANSFORMADOR SECUNDARIO. Se usara el siguiente procedimiento para calcular la corriente de falla en el secundario de un transformador secundario, en línea el transformador en el sistema conociendo la corriente de falla del transformador Principal.

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Corriente de falla conocida

Is (SCA)

Ip (SCA)

H.V. CONEXION UTIL

Corriente de falla conocida

Ip (SCA)

Is (SCA)

P R O C E D I M I E N T O PA R A U N T R A N S F O R M A D O R SECUNDARIO EN UN SISTEMA ELECTRICO. PRIMER PASO: Calcular “f” ( Ip(sca), conocIDA) Transformador trifásico (Ip(sca) y Is(sca) valores de falla trifásica) F = ( Ip(sca) x VP x 1.73 (%Z)) / ( 100,000 x KVATRANS.) Transformador Monofásico (Ip(sca) y Is(sca) valores de falla Monofásica; Is(sca) es L-L ) SEGUNDO PASO: Calcular “M” (multiplicador) o tomarlo de la tabla 4: M = 1 / ( 1 + f) TERCER PASO: Calcular la corriente de corto circuito en el secundario del transformador (ver nota de los motores): Is(sca) = (Vp / Vs) x M x Ip(sca) Donde: Ip(sca) Is(sca) Vp Vs KVAtransf. %Z

= Corriente de falla primario del transf. secundario. = Corriente de falla secundario del transf. secundario. = Voltaje primario L-L = Voltaje secundario L-L = KVA de placa del transformador = Porcentaje de la Impedancia del Transformador.

Nota: Para calcular el nivel de falla al final de un conductor energizado, seguir los pasos 4,5 y 6 del procedimiento básico. TODOS LOS DERECHOS RESERVADOS “IDERSA” - LOS LOGOTIPOS Y MARCAS EN ESTA PUBLICACION SON MARCAS REGISTRADAS POR SUS RESPECTIVOS DUEÑOS. EL CONTENIDO DE ESTA MEMORIA TECNICA SE BASA EN ESTUDIOS Y RECOPILACION DE INFORMACION TECNICO-CIENTIFICA DE FUNCIONAMIENTO PARA SISTEMAS NO TRADICIONALES DE ATERRIZAJE ELECTRICO.

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Nota: Estos valores son iguales a la impedancia por pie a la impedancia encontrada en la IEEE Std. 241-1990, practica recomendada por la IEEE para sistemas de fierza en edificios comerciales.

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Notas: En el Sistema monofásico el voltaje es entre L-N en las terminales del transformador. Estas cifras están basadas en los cambios de los porcentajes entre el primario y el secundario, 100,000 KVA del primario, cero pies a las terminales del transformador, para los valores de reactancia y resistencia se multiplicara 1.2 (%X) y 1.5 (%R) para L-N contra L-L, respectivamente y la relación de transformación porcentaje X/R = 3. La corriente de corto circuito trifásico esta basada en un bus del primario infinito. Los transformadores listados en U.L. de 25 KVA o mayores tienen una tolerancia del ±10% de la impedancia. La corriente de corto circuito refleja el peor de los casos en la peor condición. Las Fluctuaciones del voltaje afectaran la corriente de corto circuito. Por ejemplo, un 10% de incremento en el voltaje del sistema resultara un 10% de incremento en el valor de la corriente de corto circuito de esta tabla. ESTA TABLA NOS DARA UNA IDEA DE LA CAPACIDAD QUE DEBEMOS DE INSTALAR PARA OTORGAR CALIDAD DE LA ENERGIA.

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Del valor en amperes que nos resulte del calculó procedemos a determinar los modelos y los arreglos para cada instalación en cuestión cuidando siempre de tener en cuenta los procesos de instalación que se enumeran en el capitulo 5 de la presente norma, asÍ como las conexiones que se mencionan en las 2 figuras siguientes. Además de los calibres para cada caso se están conectando ver tabla 1 al final de esta sección. Selección de los conductores: Es de todos conocido que, cuando una corriente eléctrica recorre un conductor, éste se calienta por efecto Joule y que, cuanto mayor es dicha corriente, más elevada es la temperatura que alcanzará dicho conductor. La intensidad máxima de la corriente admisible en un conductor aislado, en servicio permanente, dependerá de la temperatura más elevada que la naturaleza del aislamiento del cable puede soportar sin que se perjudiquen sus expectativas de vida útil. Las normas limitan estas temperaturas. Así, por ejemplo, para canalizaciones fijas se indican las siguientes: -70°C en el conductor para cables aislados con materiales termoplásticos (TP): policloruro de vinilo (PVC), polietileno termoplástico (PE), poliolefina termo-plástica exenta de halógenos (Z1), etc. - 90°C en el conductor de los cables aislados con materiales termoestables (TE): polietileno reticulado (XLPE), goma etilenopropileno (EPR), poliolefina termoestable exenta de halógenos (Z), etc. Como se habrá observado, con carácter general se utilizan las siglas TP para designar los materiales termoplásticos y TE para los termoestables, lo que mantendremos a lo largo de todo esta norma para evitar la exhaustiva mención de los distintos tipos de materiales aislantes existentes y dejar una puerta abierta para la posible presencia de nuevos materiales. De acuerdo con lo indicado anteriormente, es imprescindible que, en ningún caso, la temperatura alcanzada en los conductores de las canalizaciones supere los valores antes citados.

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Esta misma consideración térmica limita la capacidad de las canalizaciones para soportar sobrecargas transitorias de larga duración (de más de pocos minutos), por lo que aquellas deberán estar protegidas de tal manera que, la combinación de la duración de la sobrecarga con el tiempo máximo de duración de la misma esté limitado por medio de adecuados elementos de protección, que suelen consistir en protecciones térmicas de tiempo inverso, esto es, que cuanto más elevada es la carga y, por lo tanto, la temperatura que alcanzan, más rápidamente se desconectan. Lo mismo cabe decir de los cortocircuitos que, en esencia, pueden considerarse sobrecargas de muy elevada intensidad pero de muy corta duración (menos de 5 segundos según la norma) y con unas temperaturas máximas en el conductor de 160°C para los cables aislados con materiales termoplásticos (TP) y 250°C para los termoestables (TE). En este caso, las protecciones deben actuar con gran rapidez para evitar daños permanentes a las canalizaciones. El tiempo de actuación de estas protecciones vendrá limitado por la energía térmica del cortocircuito que es capaz de soportar el conductor sin daños apreciables. Esta energía de cortocircuito viene determinada por un valor (I²cc · tcc) constante para cada tipo y sección de cable. La norma da una expresión que permite calcular el valor de (I²cc · tcc), de acuerdo con el tipo de aislamiento del cable y de la naturaleza del material conductor. Las protecciones deben actuar antes de que las canalizaciones alcancen dicho valor límite, bien sea utilizando fusibles o protecciones magnéticas o térmicas. En la mayoría de los casos, los dos últimos tipos de protección suelen estar agrupados en un mismo dispositivo al que se conoce con el nombre genérico de interruptor magnetotérmico. Un tercer tipo de protección tiene el propósito de limitar las tensiones que, en el caso de defecto en el aislamiento de algún elemento de la instalación, podrían presentarse en partes del equipo que, normalmente, no deberían estar en tensión, tales como las superficies metálicas exteriores de los aparatos receptores. Es lo que se conoce con el nombre de “contactos indirectos”. El tiempo máximo de mantenimiento de esta tensión de defecto en función de su valor, de tal manera que su contacto no suponga un riesgo para las personas.

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Tabla I. Duración máxima de mantenimiento de la tensión de contacto.

Tensión de contacto supuesta (V)