diseño de una puesta a tierra para una camara de transformacion. 2012
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Escuela Politcnica Nacional Diseo de Alto Voltaje
Profesor: Ing. Paul Ayora Pgina 1
ESCUELA POLITCNICA NACIONALFACULTAD DE INGENIERA ELCTRICA YELECTRNICA
DISEO DE ALTO VOLTAJE
DISEO DE PUESTA A TIERRA PARA UNA
CMARA DE TRANSFORMACIN
INTEGRANTES:Santiago Quishpe S
Richard Andrade
1. RESUMEN EJECUTIVOEl Diseo de la Puesta a Tierra para un Cmara de Transformacin se la realizo con los datos dados
en clase tomando en cuenta las diferentes maneras de combinacin de las varillas y con las
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investigacin de la normas que rigen el procedimiento para ello se utilizo las diferentes mejoras del
suelo para una correcta instalacin y que cumpla las condiciones establecidas.
2. INTRODUCCINEs muy importante dar la proteccin adecuada a una instalacin elctrica de cualquier tipo ya sea en
baja, media o alta tensin. Es importante conocer como Disear una Puesta a Tierra para una
Cmara de Transformacin esto se lo debe realizar siguiendo normas establecidas por la normas
internacionales y de las Empresas Distribuidoras de Energa Elctrica en este caso de la EEQ, este
diseo se lo realiza para prevenir la posibilidad de potenciales de contacto cuando se presenta una
falla en alguna parte de la carga instalada y para dar el punto de referencia al transformador para no
tener problemas de neutro flotante dentro de la instalacin elctrica. Es importante recordar que una
correcta puesta a tierra salva vidas y protege los aparatos electrnicos de daos elctricos como
sobre voltajes y sobre corrientes
Como se menciono anteriormente se somete el diseo a las normas internacionales para nuestro
caso tenemos:
NORMATIVA DE REFERENCIAS PARA PUESTAS A TIERRA
NORMA 80 IEEE
Para pequeas instalaciones de puesta a tierra como es la del caso de una cmara de transformacin
el Captulo XVI de la Norma 80 establece dos criterios principales para el diseo del sistema de
puesta a tierra los cuales bajo condiciones de operacin normal y condicin de falla los objetivos de
la puesta a tierra son:
a) Proporcionar un medio para disipar corrientes elctricas a tierra sin exceder ningn limiteen el quipo de operacin.
b) Asegurara que una persona cercana a una instalacin elctrica no se exponga el peligro deun choque elctrico
3. OBJETIVO Disear un Sistema de Puesta a Tierra para una Cmara de Transformacin que cumpla
con los datos establecidos, mejorando la resistividad del suelo y determinar el numero de
varillas que necesita dicho sistema cumpliendo con las normas establecidas por la EEQ en
un tiempo de trabajo optimo
4. ALCANCE El presente trabajo tiene como finalidad determinar todos los factores que implica el diseo
de un Sistema de Puesta a Tierra teniendo en cuenta nuestra zona de trabajo conociendo las
normas que se aplican tendremos la facilidad y el conocimiento del trabajo antes
mencionado para desarrollarlo eficazmente y de una manera profesional.
5. METODOLOGA APLICADA
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I NVESTIGACIN DE LAS CARACTERSTI CAS DEL TERRENO
Los parmetros de resistividad y resistencia, tienen significados diferentes. La resistividad elctrica del suelo describe la dificultad que encuentra la corriente a su paso por l. De igual manera se
puede definir la conductividad como la facilidad que encuentra la corriente elctrica paraatravesarlo. La resistencia elctrica viene determinada por la resistividad del suelo y su geometra[5]. Al considerar el suelo como un conductor rectilneo y homogneo de seccin S y longitudL, su
resistencia elctrica y resistividad son:
Entonces
El suelo es una mezcla de rocas, gases, agua y otros materiales orgnicos e inorgnicos. Esta mezcla
hace que la resistividad del suelo aparte de depender de su composicin interna, dependa de otrosfactores externos como la temperatura, la humedad, el contenido de sales, etc., que pueden provocarque un mismo suelo presente resistividades diferentes con el tiempo
Para el estudio de la puesta a tierra se determina el valor a trabajar para el diseo del SPT
= 21(*m)
TI PO DE SUELO Y SUS VALORES APROXIMADOS
Teniendo en nuestro planeta varios tipos de suelo hemos recogido informacin de los valores de la
resistividad de los terrenos ms comunes en la zona que son segn la siguiente tabla:
Terreno Resistividad (*m)
Suelo Orgnico Hmedo 10
Suelo Hmedo 100Suelo Seco 1000
Manto Rocoso 10000
GEOMETRA DE LA MALLA DE PUESTA A TI ERRA
La superficie de malla es otra caracterstica que se toma muy en cuenta en el terreno por lo cual
para esta malla se tienen un cuadrado de 3m por lado.
CORRIENTE MXIM A DE FALLA A TIERRA
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Para sistemas a nivel de distribucin la corriente de falla o de cortocircuito corresponde a:
Icc 3 (kA)
Ahora tomando en cuenta que siempre en el diseo de una malla de tierra es de importancia
determinar la falla que originara la ms alta corriente entre la malla y la tierra circundante, se ha
escogido para este diseo una corriente mxima de:
Ifalla= 3 kA
DISEO DE LA MALLA A TIERRA
La puesta a tierra para una pequea cmara de transformacin esta generalmente constituida por una
o varias varillas de cobre enterradas verticalmente, separadas entre ellas pero conectadas
metlicamente. El modelaje se lo hace con la suposicin de que las varillas estn conectadas
elctricamente por fuera y se basa en la teora electromagntica con modificaciones de carcter
prctico, adems se debe entender que al conectar una serie de varillas en el terreno no corresponde
a tener varillas en paralelo ya que el campo elctrico que se dispersa en el medio por una de las
varillas afecta a la otra y por ello se inducen cargas entre varillas y la relacin de circuitos
elctricos de tener resistencias en paralelo no corresponde a este caso, por otro lado se debe tener encuenta que el desarrollo de este modelo se basa en que la distancia entre varillas debe ser mucho
mayor al radio de la semiesfera equivalente, es por ello que cuando la distancia entre varillas
empieza a ser muy pequea la difusin de la corriente por cada uno de los electrodos afecta de
manera ms notoria al otro ocasionando que para la dimensin del cuadrado de 3m por lado se
llegue a un punto de resistencia mnimo y cuando se sigue aumentando el nmero de varillas la
resistencia empieza a aumentar ya que la separacin disminuye notoriamente.
Cuadro Hueco Cuadro Slido
Clculo del nmero de varillas de puesta a tierra a ser instaladas:
Existen dos tipos de configuracin para la malla el cuadrado hueco y el cuadrado slidomostrados en las dos figuras anteriores, para los cuales se tiene la siguiente expresin:
1 m
1 m
1 m
1 m 1 m 1 m
1 m
1 m
1 m
1 m 1 m 1 m
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=
Donde:r: radio de la semiesfera equivalente para la varilla [m]D: distancia entre varillas.N: numero de varillas en paraleloK: constante practica obtenida de distintas simulaciones y anlisis de mallas.
Los valores de N y K se obtienen de la siguiente tabla en funcin de un parmetro n que es elnmero de varillas por lado de la malla, con lo que se procede a realizar el anlisis.
Tabla Cuaderno:
N N K2 4 2.919
3 8 6.186
4 12 8.107
5 16 9.139
6 20 10.450
7 24 11.265
8 28 11.946
DATOS DE LA VARILLA:
Largo: 6 pies = 1.80 m
Dimetro: 5/8 pulgadas = 16 mm
ELECTRODO DE PICA EN PROFUNDIDAD
Las picas sern de acero recubierto de cobre, mayores de 14 mayores de 20 mm de dimetro y de1.8, 2.0 2.4 m de longitud empalmables o no [2.4.2.1.], con lo que la longitud depender del
nmero de picas que se empalmen.
Una pica empalmable (Figura 3.5.), consta de las siguientes partes: sufridera, manguito de
acoplamiento, electrodos; para empalmar dos picas basta desenroscar la punta de penetracin de una
y la sufridera de otra y enroscar.
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Figura. 3.5. Partes constitutivas de un electrodo de pica empalmable
Se ha establecido que se entierre solo 1.80 m de la longitud de la varilla, para permitir la conexin
metlica entre las varillas y para realizar controles de medicin de resistencia de puesta a tierra.
El valor solicitado para el diseo es de R
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3 m
3 m
Se realiz el clculo de resistencia para 3 tipos de cuadrado hueco y una con cuadrado slido:
Resistencia de dos varillas por lado:
( )
Resistencia de 3 varillas por lado
Para este caso se toma una valor D = 1.5m
1.5 m
1.5 m
1.5 m 1.5 m
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Resistencia de 4 varillas por lado
Para este caso se toma una valor D = 1m
Resistencia de 5 varillas en cuadro solido1.5m 1.5m
Para este caso se toma una valor D = 1.5m
1 m
1 m
1 m
1 m 1 m 1 m
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NOTA:
Como no se ha podido encontrar la resistencia adecuada para las configuraciones anteriores y ya
que la compra de varillas para la puesta a tierra es un poco costosa procedemos a realizar un
mejoramiento de la resistividad del suelo teniendo en cuenta que es un gasto adicional:
PROCEDIMIENTO PARA A MEJORA DE LA RESISTIVIDAD DEL SUELO
El problema de lograr una resistencia baja en la roca as como en otros suelos de alta resistividad,est asociada con el material en contacto con el electrodo y la compactacin que ste recibe alrellenar el agujero.El relleno ideal debe compactarse fcilmente, ser no corrosivo y a la vez buen conductor elctrico.La bentonita entre otros compuestos como el sulfato de magnesio o de sulfato de cobre, el chocoto o
de compuestos qumicos patentados (THOR GEL, el GEM de Erico, el GAP de Alta Conductividad2000 S.A., etc.) cumple con esos requisitos.
La bentonita es una arcilla consistente en el mineral montmorillonita, un silicato de aluminio, y
tiene la particularidad de absorber hasta cinco veces su peso de agua y de hincharse hasta 13 veces
su volumen seco. Y tiene una resistividad de 2.5 m con humedad del 300%.
Figura 2.28. Relleno de lynconita alrededor del electrodo.
Este mtodo es efectivo donde hay poco espacio como en banquetas o estacionamientos, pero esfcilmente demostrable que la resistencia a tierra obtenida, puede ser fcilmente obtenida de unamanera ms econmica con electrodos mltiples.El otro mtodo es excavar una zanja alrededor de la varilla y llenarla con unos 20 o 40 kg de los
compuestos qumicos mencionados anteriormente, diluyndolos con agua.
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3 m
3 m
Por ltimo, se puede utilizar uno de los cementos puzolnicos grafticos conductores (EarthLink
101, etc.) de la siguiente manera: se cubre el cable del electrodo (4/0 AWG) colocado
horizontalmente en una zanja de unos 75 cm de profundidad, con una capa de cemento seco de unos
5 cm de grueso y 50 cm de ancho. Con el tiempo, el cemento toma la humedad del suelo y
endurece. Este mtodo desarrollado en Japn en los 70s, tiene la ventaja que no requiere
mantenimiento, es antirrobo, y por el tipo de material, no se corroen los cables con el tiempo. Y, se
adapta perfectamente a los lugares donde la capa superficial es poco profunda y de alta resistividad.
VALOR DE RESISTENCIA ADECUADA DEL SPT PARA LA CAMARA DETRANSFORMACION
Puesto que hemos mejorado la resistividad del suelo logramos reducir la resistividad a un 30% por
con el producto qumico THOR GEL y la mezcla con el chocoto aplicando dos dosis que podemos
apreciar en el Anexo 1 todas las propiedades del gel:
Tenemos una resistividad del suelo mejorada de:
Resistencia de dos varillas por lado:
Para este caso K= 2,7071
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( )
Todas las posibilidades anteriores no cumplan con los requerimientos de la malla de puesta a tierrapara la cmara de transformacin; hemos decidido utilizar el diseo que consta de un nmero total
de 4 varillas separadas 2,5m y el mejoramiento del suelo con el fin de abaratarcostos ya que se utiliza el menor nmero de varillas Coperweld y cumple con el valor
preestablecido de la malla.
Geometra de la malla
Determinacin del conductor de conexin externa
Al no especificarse el mtodo de clculo de la seccin de conductor se lo ha obtenido de la siguiente
tabla, en la cual se considera la duracin de la falla:
Tiempo de Duracin de la falla ensegundos
Tamao mnimo de conductores en (mm2poramperio)
Uniones Soldadas Uniones AtornilladasCobre Cobre
30 0.02534 0.032429
3 0.008107 0.01064
1 0.004814 0.00608
0.5 0.00329 0.004307
Se establece que las uniones sern soldadas con suelda Cadweld, con lo cual finalmente se ha
desarrollado el clculo de seccin de conductor para los tres tiempos de falla:
Donde la Ifallaestablecida es 3 kA
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Tiempo de Falla (s) Seccin (mm2) Calibre AWG
30 76,02 3/0
3 24,321 21 14,442 4
0.5 9,87 6
De lo cual se ha establecido un valor de fallas de 3 segundos con lo cual el conductor a usarse es de
calibre 2 AWG.
TABLA DE VALORES DE PROFORMAS
PUESTA A TIERRA DE UN CMARA DE TRANSFORMACIN
LISTA DE MATERIALES A UTILIZAR
PRESUPUESTO
Tipo de Suelo Costo AproximadoPresupuesto del suelo con chocoto 100
Materiales:
Para mejorar la conductividad y disminuir la corrosin que se puede ocasionar en la unin entre el
conductor de puesta a tierra y el conductor de la bajante se va a realizar una mejor unin mediante
una suelda exotrmica
Suelda CadweldDescripcin Aplicaciones Precio unitario($) Precio($)
Caja Cadweld ysuelda
100 15,56 62,08
Mano de obra 1 40 40
Precio total por disparo (o punto) 25,52
Precio total por 4 disparos 102,08
Materiales para la puesta a tierraRef. Unidad Descripcin Cantidad Precio
unitario$Costo total
1 c/u Varilla de puesta a tierra deCopperweld, 16mmx1.80m +
Grapa Copperweld para varilla
4 20,72 82,88
2 m Conductor de cobre desnudosuave, N 2 AWG
13 5,13 67,08
Precio total materiales 149,96
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Direccin Tcnica: En el consta los costos por el diseo de ingeniera, y los costos de mano deobra porque el ingeniero a contratar tiene sus trabajadores propios y tambin se encarga de los
tramites frente a la empresa elctrica reguladora.
Descripcin Costo ($)
Estudio y direccin tcnica y Tramites 150
Total 502,04
Proveedor de los materiales INATRA CIA LTDA.
Recomendaciones:
Se recomienda realizar mantenimientos peridicos de la malla de puesta a tierra los que deben ser
efectuados por el grupo de operacin y mantenimiento con la finalidad de reducir los problemas
para lo cual se recomienda seguir el siguiente procedimiento:
Inspeccin visual peridica Medicin de resistencia de puesta a tierra Medicin de equipotencial Medicin de ajustes necesarios del sistema Revisar los conectores(existencia de corrosin) Tratamiento qumico para mejoramiento de suelos
Debido a la aparicin de cargas no lineales se recomienda realizar un estudio sobre la influencia que
tienen los sistemas de puesta a tierra sobre los efectos de dichas cargas.
BIBLIOGRAFA:
AYORA, Pal. Apuntes de Diseo de Alto Voltaje Captulo I (Instalaciones de Puesta aTierra).
PROCAINSA. La corrosin. http://www.procainsa.com/p-integral/p-integr.html RUELSA. Teora y diseo de sistemas de tierras segn las normas NOM e IEEE.
http://www.ruelsa.com/notas/tierras.html.
Normas para sistemas de distribucin de la EEQ S.A. parte A Gua para diseo de lasredes de distribucin y B referente a Estructuras Tipo. Construccin de los sistemas dedistribucin.
ANEXO 1
http://www.para-rayos.com/datos/gel20061.pdf