SUBDIRECCION DE TECNOLOGIA Y DESARROLLO PROFESIONAL UNIDAD DE NORMATIVIDAD TECNICA
ESPECIFICACION TECNICA PARA PROYECTO DE OBRAS
DISEÑO DE SISTEMAS DE TIERRA
(DESIGN OF GROUND SYSTEMS)
P.2.0220.01 PRIMERA EDICION SEPTIEMBRE, 2000
DISEÑO DE SISTEMAS DE TIERRA Primera Edición
P.2.0220.01:2000 UNT
PREFACIO Pemex Exploración y Producción (PEP) en cumplimiento del decreto por el que se reforman, adicionan y derogan diversas disposiciones de la Ley Federal sobre Metrología y Normalización, publicado en el Diario oficial de la Federación de fecha 20 de mayo de 1997 y acorde con el Programa Nacional de Modernización de la Administración Pública Federal 1995 - 2000, así como con la facultad que le confiere la “Ley de Adquisiciones, Arrendamientos y Servicios del Sector Público”, la “Ley de Obras Públicas y Servicios relacionado con las mismas” y la sección 4 de las Reglas Generales para la Contratación y Ejecución de Obras Públicas y Servicios relacionados con las mismas, expide la presente especificación sobre diseño de sistemas de tierra. Esta especificación se elaboró tomando como base la norma No. 2.223.01, emitida en 1992 por Petróleos Mexicanos de la que se llevó a cabo su revisión, adecuación y actualización, a fin de adaptarla a los requerimientos de Pemex Exploración y Producción. En la elaboración de esta especificación participaron: Subdirección de Región Norte Subdirección de Región Sur Subdirección de Región Marina Noreste Subdirección de Región Marina Suroeste Dirección Ejecutiva del Proyecto Cantarell
Subdirección de Perforación y Mantenimiento de Pozos
Coordinación Ejecutiva de Estrategias de Exploración
Auditoría de Seguridad Industrial y Protección Ambiental
Subdirección de Planeación
Subdirección de Administración y Finanzas
Subdirección de Tecnología y Desarrollo Profesional Unidad de Normatividad Técnica
1/10
DISEÑO DE SISTEMAS DE TIERRA Primera Edición
P.2.0220.01:2000 UNT
INDICE DE CONTENIDO
Página
0.
Introducción. …………………………………………….......…..
3
1.
Objetivo. ................................................................................
3
2.
Alcance. .................................................................................
3
3.
Actualización. ........................................................................
3
4.
Campo de aplicación. ............................................................
3
5.
Referencias. ...........................................................................
3
6.
Definiciones. ..........................................................................
3
7.
Diferencias de potencial tolerables. .......................................
4
8.
Procedimiento para el diseño de un sistema de tierra. ..........
4
9.
Bibliografía. ............................................................................
10
10.
Concordancia con otras normas. ...........................................
10
2/10
DISEÑO DE SISTEMAS DE TIERRA Primera Edición
0.
P.2.0220.01:2000 UNT
Introducción.
estimen pertinentes, dirigiendo su correspondencia a:
Dentro de las principales actividades que se llevan a cabo en Pemex Exploración y Producción (PEP), se encuentran el diseño, construcción, operación y mantenimiento de las instalaciones para extracción, recolección, procesamiento primario, almacenamiento, medición y transporte de hidrocarburos, así como la adquisición de materiales y equipos requeridos para cumplir con eficiencia y eficacia los objetivos de la empresa. En vista de ésto, es necesaria la participación de las diversas disciplinas de la Ingeniería, lo que involucra diferencia de criterios. Con el objeto de unificar criterios, aprovechar las experiencias dispersas, y conjuntar resultados de las investigaciones nacionales e internacionales, Pemex Exploración y Producción emite a través de la Unidad de Normatividad Técnica esta especificación con el objeto de determinar los requisitos para la Especificación de Diseño de Sistemas de Tierra.
1.
Pemex Exploración y Producción. Unidad de Normatividad Tecnica. Dirección: Bahía de Ballenas # 5, 9° piso. Col. Verónica Anzures, México, D.F. 11300 Teléfono directo: 5 5-45-20-35. Conmutador 5 7-22-25-00, ext. 3-80-80 Fax: 3-26-54 E-mail: mpacheco @pep.pemex.com
4.
Campo de aplicación.
Esta especificación es aplicable en todas las áreas que realicen servicios de ingeniería para Pemex Exploración y Producción.
Objetivo.
Esta especificación establece el procedimiento para diseñar los sistemas de tierra en los proyectos de Pemex Exploración y Producción.
5.
Referencias.
5.1 NOM-001-SE-1999 Electricas (utilización)”. 2.
Alcance.
Esta especificación establece el procedimiento para el diseño de sistemas de tierras en la industria petrolera con el objeto de proteger el personal, equipo e instalaciones contra descargas atmosféricas, cargas estáticas y corrientes de falla.
3.
“Instalaciones
6.
Definiciones.
6.1 Sistemas de Tierra. Término usado para designar tanto la puesta a tierra del sistema eléctrico como la puesta a tierra del equipo . 6.2 Puesta a Tierra del Sistema Eléctrico. Es la conexión a tierra del neutro de un sistema eléctrico.
Actualización.
A las personas e instituciones que hagan uso de este documento normativo técnico, se solicita comuniquen por escrito las observaciones que
3/10
6.3 Puesta a Tierra del Equipo. Es la conexión a tierra del equipo eléctrico y no eléctrico, mediante una o más de sus partes
DISEÑO DE SISTEMAS DE TIERRA Primera Edición
P.2.0220.01:2000 UNT
metálicas que normalmente corriente eléctrica.
no
conducen
cual se presenta un gradiente a causa del flujo de la corriente de falla.
6.4 Resistencia de Conexión a Tierras. Es la resistencia total de la red de tierras, medida respecto a una tierra remota.
La ecuación que define el potencial de paso tolerable, en volts es la siguiente:
6.5 Resistencia del Sistema de Tierras, Es la resistencia total de la red de tierras, medida respecto a una tierra remota. 6.6 Resistividad del Suelo. Es la resistencia por unidad de longitud, especifico del terreno, determinada en el lugar donde se localiza o se va a localizar el sistema de tierras. La unidad de la resistividad es el ohm-metro.
7.
Diferencias de potencias tolerables.
La conducción de altas corrientes a tierra en instalaciones eléctricas debido a cortocircuitos o descargas atmosféricas, obliga a tomar precauciones para que los potenciales resultantes no ofrezcan peligro a los operadores y en general al personal que labora en las plantas. La ecuación que liga los parámetros de la intensidad de corriente y el tiempo que puede tolerarla un organismo es: Ik =
116 + 0.7 ρs t
Donde:
ρ s=
Resistividad del suelo en la superficie en ohms-metro.
t =
Tiempo de duración de la falla en segundos.
7.2
Potencial de contacto tolerable.
El potencial de paso es la diferencia de potencial que aparece entre los dos pies (generalmente un metro), cuando una persona está parada en la superficie del terreno en el cual se presenta un gradiente a causa del flujo de la corriente de falla. La ecuación que define el potencial de paso tolerable, en volts es la siguiente:
Ec =
0.116
116 + 0.17 ρ s t
t
Donde: Ik =
Ep =
Corriente efectiva (rms) que circula por el cuerpo en amperes.
t =
Tiempo de duración de la falla en segundos.
7.1
Potencial de paso tolerable.
El potencial de paso es la diferencia de potencial que aparece entre los dos pies (generalmente un metro), cuando una persona está parada en la superficie del terreno en el
4/10
8. Procedimiento para el diseño de un sistema de tierras. Una vez calculados los potenciales tolerables de paso y de contacto se puede diseñar y construir un sistema de tierras siguiendo los siguientes pasos: 1.
Investigación de las características del suelo.
2.
Determinación de la corriente máxima de falla a tierra.
DISEÑO DE SISTEMAS DE TIERRA Primera Edición
P.2.0220.01:2000 UNT
3.
Diseño preliminar Tierras.
del
Sistema
4.
Cálculo de la Resistencia del Sistema de Tierras.
5.
Cálculo del máximo potencial en la red.
6.
Cálculo de los potenciales de paso y de contacto.
7.
Investigación de los potenciales de transferencia.
Abajo de los 0° C, el agua en el suelo se congela y esto ocasiona un incremento en la resistividad.
8.
Corrección del diseño preliminar, de acuerdo a los puntos 6 y 7.
8.1.3 Profundidad de instalación de los electrodos.
9.
Construcción del sistema de tierras.
10.
Medición en campo de la resistencia del Sistema de Tierras, una vez construido.
La profundidad de los electrodos y la longitud de los mismos es un factor importante para poder tener contacto con los niveles del subsuelo con mayor humedad.
11.
Revisión de los puntos 5, 6 y 7 para establecer la seguridad de la red.
aumento
de
de
8.1 Investigación de las Características del Suelo.
La grava o roca triturada colocada en la superficie ayuda a evitar la evaporación de la humedad y a su vez, esta cubierta de grava que es de alta resistividad, ayuda a reducir la magnitud de los choques eléctricos. 8.1.2
Efecto de la Temperatura.
La temperatura también ejerce una influencia significativa sobre la resistividad de terreno.
Cerca de la superficie se tiene alta resistividad además de tener muchas variaciones en el contenido de humedad, lo que no sucede con las partes más profundas ya que éstas se mantienen más estables. 8.1.4
Electrodos múltiples.
Para determinar las características del suelo, se obtienen muestras a una profundidad tal que permita juzgar su homogeneidad.
Otro método para mejorar la resistencia del terreno es el uso de electrodos múltiples.
Las mediciones deben incluir datos sobre temperatura, humedad, tipo de terreno, profundidad de la medición y concentración de sales, ya que estos factores determinarán la resistividad de suelo.
Cuando se tienen dos o más electrodos convenientemente espaciados uno de otro, se formarán circuitos en paralelo hacia tierra que siguen hasta cierto grado, las mismas leyes que tienen las resistencias en paralelo.
8.1.1
El uso de electrodos múltiples es conveniente para mejorar instalaciones existentes. Cuando la resistencia de un electrodo es conocida, el número aproximado de electrodos que se requieren para obtener una resistencia determinada puede ser estimado.
Efectos del contenido de humedad.
La resistividad depende fuertemente del contenido en porciento de humedad del suelo. Cuando este contenido se reduce por debajo del 22% la resistividad aumenta aceleradamente.
8.1.5 Una variación en el contenido de humedad del suelo hará más o menos efectiva una conexión a tierra.
5/10
Tratamiento químico del terreno.
El tratamiento químico del terreno que rodea a un electrodo de tierra es usado para mejorar la
DISEÑO DE SISTEMAS DE TIERRA Primera Edición
P.2.0220.01:2000 UNT
resistencia del terreno desde una 15 a 90% dependiendo de la clase de aquel.
En la Fig. 1 se muestra la disposición del método.
Existen numerosas substancias químicas para este propósito la resistividad del terreno. Los productos químicos son gradualmente “lavados” por el agua de lluvia y el drenaje natural a través del suelo. Dependiendo de la porosidad del suelo y la frecuencia de las lluvias, el período de reemplazo de los materiales químicos varia. 8.1.6 suelo.
Medición
de
la
resistividad
del
Existen varios métodos para medir la resistividad del suelo. Aquí se describe el Método de Wenner basado en la siguiente ecuación. ρ=
4 π AR 2A 2A 1 + A2 + 4B2 − A 2 + 4B2
C
C
P
P
P
C
P
C
B
A
A
A
Figura 1 Medición de la resistividad del suelo Para el caso en que no se pueda efectuar la medición directamente en el terreno, se indican en la tabla 1 algunos valores significativos de resistividad para diferentes tipos de suelo. Tabla 1 Resistividad del suelo.
Donde: ρ =
Resistividad del suelo en ohms-metro.
R=
Resistencia en ohms.
A=
Distancia entre electrodos en metros.
B=
Profundidad metros.
de
los
electrodos
Tipo de Suelo
en
Tierra orgánica húmeda. Tierra húmeda. Tierra seca. Roca. 8.2 Determinación de Máxima de Falla a Tierra.
Descripción del método: Dos electrodos de corriente y dos electrodos intermedios de potencial, todos de pequeñas dimensiones, son colocados en el terreno a igual distancia entre uno y otro y en línea recta a una profundidad “B”. La tensión entre los dos electrodos de potencial es medido y dividido entre la corriente para obtener un valor de resistencia “R”. Los instrumentos utilizados efectúan la división automáticamente y dan la lectura directamente en ohms.
6/10
Resistividad (ohms-metro) 10 100 1,000 10,000 la
Corriente
Para determinar el valor correcto de la corriente de falla a tierra utilizada en el cálculo del sistema de tierras, se necesita: 8.2.1 Determinar el tipo de falla posible a tierra que produzca el máximo flujo de corriente entre la malla y la tierra adyacente. 8.2.2 Determinar el máximo valor efectivo de la componente simétrica de esta corriente en el instante de iniciarse la falla.
DISEÑO DE SISTEMAS DE TIERRA Primera Edición
P.2.0220.01:2000 UNT
8.2.3 Aplicar un factor de corrección, cuando sea apropiado, para compensar el efecto del desplazamiento de la onda de corriente directa y los decrementos en la corriente alterna y la corriente directa. El valor es obtenido de la tabla 2. 8.2.4 Aplicar un factor de corrección, cuando sea apropiado, para compensar el incremento futuro de la corriente de falla debido a la expansión del sistema eléctrico. Tabla 2 Factor de Corrección. Duración de la falla Segundos 0.008 0.1 0.25 0.5 más
Ciclos ½ 6 15 30 ó más
Corrección 1.65 1.25 1.10 1.00
8.3.1 Cálculo del calibre del Conductor de la Red. Cada uno de los elementos del sistema de tierras, incluyendo los conductores de la propia red, las conexiones y los electrodos, deben ser seleccionados de tal manera que:
c)
Donde: =
Corriente de falla a tierra, en amperes.
A =
Sección transversal del conductor de cobre, en circular mils.
t
=
Tiempo de duración de la falla en segundos.
Tm =
Temperatura máxima permisible en °C.
Ta =
Temperatura ambiente en °C.
Factor de
8.3 Diseño preliminar del Sistema de Tierras.
b)
T − Ta +1 log10 m 234 + Tn A =I 334 t
I
Nota: Para valores intermedios de duración de falla, los factores de corrección pueden ser obtenidos por interpolación lineal .
a)
La ecuación que permite seleccionar el calibre del conductor de cobre para evitar la fusión, es la siguiente:
Las uniones eléctricas no se fundan o deterioren bajo la condiciones más desfavorables de magnitud y duración de la corriente de falla.
Pueden suponerse normalmente los siguientes valores: Ta =
40°C
Tm =
1083°C, para cables solos.
Tm =
450°C, para conectores soldables.
Tm =
250°C, para conectores mecánicos.
La tabla 3 permite seleccionar de manera rápida la sección del conductor necesaria, a partir del tiempo de duración de la falla, basándose en la ecuación anterior. Tabla 3 Circular mils por Ampere
Sean mecánicamente resistentes en alto grado especialmente en aquellos lugares en que quedan expuestos a daño físico.
Tiempo de duración de la falla (segundos)
Cable solo
Tengan suficiente conductividad para que no contribuyan apreciablemente a producir diferencias peligrosas de potencial.
30 4 1 0.50
40 14 7 5
7/10
Con conectores soldables 50 20 10 6.5
Con conectores mecánicos 65 24 12 8.5
DISEÑO DE SISTEMAS DE TIERRA Primera Edición
8.3.2
P.2.0220.01:2000 UNT
Propuesta de la Red.
Antes de proponer una red, es conveniente inspeccionar el proyecto de la planta o subestación, referente a la disposición del equipo y de las estructuras. La red se compondrá de cables paralelos, a distancias razonablemente uniformes. Además, un cable continuo debe bordear su perímetro para evitar gradientes elevados en los extremos de los cables, y se conectarán electrodos para mejorar el contacto con el suelo. Al proponer una red, debe dimensionarse para conocer los factores necesarios para el cálculo de la longitud mínima en el punto 8.3.3. 8.3.3 Red.
Cálculo de la Longitud Mínima en la
La longitud mínima de la red se calcula de acuerdo a la siguiente ecuación. L=
K mK iρ I t 116 + 1.17 ρ s
El Coeficiente K i toma en cuenta la distribución irregular de los gradientes de tensión, originada por el flujo no uniforme de la corriente de falla. Su valor puede calcularse mediante la ecuación empírica, Ki=0.65 + 0.172n. Sin embargo, el valor de Ki puede disminuirse utilizando mallas más cerradas en las esquinas de la red. Con lo cual Ki variará de 1.2 a 2, dependiendo de la geometría de la red. L Longitud total del conductor enterrado, en metros. Si la longitud de la red propuesta es menor a la longitud misma calculada, entonces debe modificarse la red disminuyendo el espaciamiento entre conductores para aumentar consecuentemente el número de conductores en paralelo y la longitud del conductor enterrado. Entonces, se efectúa nuevamente el cálculo de la longitud mínima incluyendo los nuevos factores geométricos. 8.4 Cálculo de la Resistencia del sistema de tierras.
Donde: Km =
Coeficiente que toma en cuenta a geometría de la red.
La resistencia del sistema de tierra s se calcula mediante la siguiente ecuación: R=
Su valor depende de los siguientes factores: n =
Número de conductores paralelos en una dirección.
D =
Espaciamiento entre conductores.
d =
Diámetro de lo conductores.
h =
Profundidad de enterramiento de los conductores.
Km =
1 Ln 2n
D + 1 Ln 3 x 16 hd n 4
5 6
x 7 .x 8
ρ ρ + 4r L
Donde r
=
Radio en metros de un círculo que tenga la misma área que la ocupada por la red de tierras.
L =
Longitud total del conductor enterrado, en metros.
ρ
Resistividad del suelo, en ohms-metro.
=
En donde el valor de “r” se calcula mediante la siguiente fórmula.
El número de factores dentro del paréntesis es igual a “n” menos 2.
8/10
r=
A / π
DISEÑO DE SISTEMAS DE TIERRA Primera Edición
P.2.0220.01:2000 UNT
8.5 Cálculo del máximo aumento de potencial en la red. El máximo aumento de potencial en la red de tierras sobre un punto remoto, se obtiene multiplicando el valor de la resistencia de la red, obteniendo en 5.4 por la corriente de falla: E
=
RΙ
Para valores bajos de resistencia y corriente de falla, este valor puede ser menor que el determinado en 4.2 en cuyo caso no habría necesidad de cálculos adicionales y sólo se verificarían los valores de resistencia de la red después de su construcción. Sin embargo, generalmente no sucede así y se hace necesario hacer una comprobación de los potenciales de paso y de contacto.
ks =
1 1 1 1 1 + + + + ...... π 2h D + h 2D 3D
El número de términos dentro del parámetro es igual a “n”. La ecuación que define el potencial de contacto máximo es la siguiente: Ec = Km Ki ρ
Ι/L
Para definir si el sistema de tierras diseñado es seguro, se debe cumplir lo siguiente: 1.
Ep< Tolerable E p
Es decir,
KsK i ρ L
Ι
t
-0.7ρ s < 116
2. E p< Tolerable Ec 8.6 Calculo de los potenciales de Paso y de Contacto. Si en el diseño preliminar, la longitud total del conductor enterrado es igual o mayor al valor calculado en 5.3.3., entonces los potenciales de paso y de contacto dentro del perímetro de la red deben estar, generalmente dentro de los límites tolerables. Sin embargo, la situación es diferente en la periferia, sobre todo si la resistividad de la superficie fuera del perímetro es menor a la que se tiene dentro. La ecuación para calcular el potencial de paso máximo es la siguiente: Ep=
Ks K i ρ Ι / L
Donde: de
los
Es decir,
KsK i ρ Ι L
t
-0.7ps< 116
8.7 Investigación de los Potenciales de Transferencia Entre la red de tierras y punto eternos existe el peligro de que se presenten potenciales transferidos a través de lo conductores de circuitos de comunicación o de conduits, tuberías, rieles, rejas metálicas, etc. Un potencial de transferencia puede considerase como un caso especial de potencial de contacto. La importancia del problema se encuentra en las altas diferencias de potencial que pueden resultar, acercándose al valor máximo de elevación de potencial de la red en condiciones de corto circuito, en contraste a la parte relativamente baja de ese valor que se observa en los potenciales de paso y d contacto dentro de la red.
Ks =
Coeficiente que depende siguientes factores:
n =
Número de conductores paralelos en una dirección.
8.8 Corrección del Diseño Preliminar, de acuerdo a 8.6 y 8.7.
D =
Espaciamiento entre conductores.
H =
Profundidad de enterramiento de los conductores.
Si los cálculos basados en el diseño preliminar, indican que pueden existir diferencias de potencial peligrosas, las siguientes recomendaciones deben estudiarse y aplicarse.
9/10
DISEÑO DE SISTEMAS DE TIERRA Primera Edición
P.2.0220.01:2000 UNT
a) Reducir, la resistencia total de la red, lo cual disminuirá el máximo aumento de potencial y por consiguiente el máximo potencial de transferencia. Hay dos formas de efectuar lo anterior: 1. Aumentando el Area ocupada por la red. 2. Incrementando el número d electrodos. b) Reducir el espaciamiento de los conductores que forman la red, acercándose en los límites, a la condición de placa metálica. c) Agregar una capa superficial de material con resistencia relativamente elevada (grava, por ejemplo) para aumentar la resistencia en serie con el cuerpo. d) Limitar las corrientes de falla a tierra, cuando sea posible. 8.9 Construcción del sistema de tierras. El siguiente paso es la construcción de la red de acuerdo con el diseño. La construcción de la red dependerá de factores como el tamaño de la red, el tipo de suelo, el calibre del conductor, la profundidad de instalación, la ubicación del equipo y el costo entre otros. Para la instalación y elementos de la red de tierras, así como la conexión a tierra de sistemas eléctricos y equipo, referirse a la Norma 3.223.01 de Petróleos Mexicanos. 8.9
Medición en Campo de la Resistencia del Sistema de tierras una vez construido.
De los cálculos previos sobre la resistencia a tierra de la red, soslamente se pueden esperar resultados aproximados. Por lo tanto es necesaria una medición precisa de la resistencia una vez construida la red. 8.11 Revisión de los puntos 8.5, 8.6 y 8.7, para establecer la Seguridad de la Red. Conociendo el valor real de la resistencia a tierra, puede recalcularse la máxima elevación de
10/10
potencial de la red y compartirla con la calculada en 8.5. Si la diferencia es significativa necesitan revisarse las precauciones tomadas en 5.8 contra los potenciales peligrosos. La resistencia a tierra medida no proporciona un medio directo para revisar de nuevo los potenciales de paso y de contacto, ya que éstos se derivan de la resistividad. Sin embargo, si la diferencia entre la resistencia a tierra medida y la calculada en muy grande, las cifras de resistencia y resistividad entran bajo sospecha, siendo la última en general, menos confiable. Por lo tanto, será necesario efectuar mediciones adicionales de la resistividad y en un caso extremo, de los potenciales de paso y de contacto para compararlos con los limites tolerables.
9.
Bibliografía.
IEEE.
Standard 80-1986. Guide For Safety in Substation Grounding.
IEEE
Standard 141-1976. Electric Power Distribution for Industrial Plants.
IEEE
Standard 142-1982. Grounding Industrial Power Systems.
PEMEX Norma 3.223.01 Instalación Sistemas de conexión a Tierra.
10.
of
de
Concordancia con otras normas.
Esta especificación no concuerda con ninguna norma oficial mexicana ni internacional.
