REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIOS DE PODER POPULAR PARA LA EDUCACIÓN SUPERIOR UNIVERSITARIA, CIENCIA Y TECNOLOGÍA INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO “SANTIAGO MARIÑO”
EXTENSIÓN MATURÍN
TRABAJO ESPECIAL: PROVISIÓN E INSTALACIÓN DE SISTEMA DE PUESTA A TIERRA Y SISTEMA DE PROTECCIÓN ATMOSFÉRICA
Tutor: Cristóbal Espinoza Autor: C.I:
Maturín, Agosto de 2017
ANTECEDENTES GENERALES: Para la construcción de una malla de tierra e instalación de los pararrayos necesarios para el galpón mencionado, hemos considerado los siguientes parámetros:
Las mediciones mediciones de resistividad tomadas en el terreno.
Inspección visual del área disponible.
Condiciones físicas del tipo de terreno disponible.
Características físicas del galpón. En base a los parámetros considerados que detallamos mas abajo, determinamos el diseño propuesto y sus valores estimados de resistencia de puesta a tierra y la cantidad de pararrayos requeridos. En el desarrollo técnico, estamos procediendo al cálculo de los requerimientos
de materiales tales tales como Cable de Cu # 4/0, Varillas
Cooperweld de 5/8” 5/8” x 8’ baja camada, soldadura exotérmica cadweld, barras de Cu de 20” x 4” x ¼” y consumibles como terminales de compresión, pasta de contactos eléctricos, tornillos, tacos y etc. Con los diseños adjuntos, se debe definir:
Pararrayos y Mallas de tierra para los Pararrayos (3). Malla de tierra Perimetral y Banco de transformadores tr ansformadores del galpón.
DESARROLLO TÉCNICO: PROTECCIÓN ATMOSFÉRICA (PARARRAYOS) De acuerdo a lo mencionado anteriormente, el proyecto propuesto realiza una descripción detallada el cual se sustenta en los siguientes parámetros que son interdependientes uno del otro y que forman parte de un diseño integral de protecciones: 1. Capturar Cap turar los rayos en sitios estratégicos.
2. Conducir la energía de una manera segura a tierra. 3. Disipar la energía a tierra. 4. Todas las tierras equipotenciales.
PUNTO # 1 CAPTURAR LOS RAYOS EN SITIOS ESTRATÉGICOS: El rayo es un evento estadístico y el 100% de protección no es posible. El impacto medio está en el orden de los 30 kA. Los niveles de protección están relacionados con los niveles de descarga promedio.
85% de los impactos son > 15 kA.
93% de los impactos son > 10 kA.
98% de los impactos son > 6 kA. Las áreas de cobertura de los pararrayos variarán dependiendo de los
niveles de protección que el cliente decida implementar. Los niveles de protección pueden ser del 85%, 93% y 98%. RADIO (m) PROTECCIÓN (%) PROTECCIÓN 72 73 98 ALTA 72 100 93 MEDIA 72 120 85 STANDARD De la tabla anterior se deduce que para una misma altura, el radio de
ALTURA (m)
cobertura se incrementa si el porcentaje del nivel de protección disminuye. Para el cálculo de las
áreas de cobertura y el numero de
Pararrayos
propuestos utilizamos el cuadro de coberturas indicado en la hoja técnica del fabricante Marca LPI mod. STORMASTER ESE50 GI con nivel de protección del 85% (STANDARD). El radio de cobertura de cada pararrayos con un nivel del 85% es de 96,00 mts, lo cual cubre toda el área del galpón. Los radios de cobertura se proyectan en el plano, de acuerdo a las ubicaciones determinadas previamente.
El cálculo del área de cobertura del Pararrayos ser soportado en el Método de la esfera rodante, avalado por las NORMAS NFC 17-102. Tendrá que calcular los radios de cobertura en función de la altura de las estructuras metálicas y de acuerdo al nivel de protección determinado. Deberá indicar el modelo del Pararrayos comercial para utilizarse en el montaje e indicar las dimensiones del soporte el cual se deberá acopla cada Pararrayo y deberá indicar:
Ubicación el Pararrayos sobre la estructura sobre la cual se va instalar, para evitar la formación de arcos entre la punta del pararrayos con respecto a la estructura. Además habrá de cumplir con la norma que indica que para la instalación de un dispositivo de cebado natural sobre cualquier estructura, este deberá mantener una distancia no menor a 3,00mt sobre la estructura más alta a proteger. Indicar de acuerdo a las dimensiones del galpón la cantidad de unidades a
instalarse, reflejar este detalle en plano anexo.
PUNTO # 2 CONDUCIR LA ENERGÍA DE UNA MANERA SEGURA A TIERRA. Una vez que el rayo ha sido capturado, hay que conducir esta energía a tierra de una manera segura y controlada.
Para cumplir este requerimiento proponemos utilizar como CONDUCTOR DE BAJADA cable Cu # 2/0 AWG, el cual cumple con los requerimientos mínimos de la norma NFC 17102-1, 2, 4, se adjunta copia de la norma mencionada.
El conductor de bajada esta acoplado al pararrayos mediante terminal de compresión de ojo y pasta de contacto.
El conductor de bajada ira instalado a lo largo de la cubierta y pared del galpón, sujeto con abrazaderas. Debido a la naturaleza de las instalaciones a proteger se requiere la
instalación del conductor de bajada de tal manera que no provoque arcos laterales o electrificación en las estructuras metálicas y cuya inducción sea fuertemente reducida para evitar formación de nuevas corrientes de tipo impulsivo en el entorno. El conductor de bajada será fijado a las estructuras con sujeciones mecánicas, sin apartarlo de ellas, para garantizar el contacto y asegurar la conducción a tierra. Dimensiones de la Edificación a establecer el Sistema de protección Atmosférica
PUNTO#3 DISIPAR LA ENERGÍA A TIERRA. Una tierra de baja impedancia es esencial para el desempeño de cualquier sistema de protección eléctrico. El sistema de puesta a tierra debe disipar la descarga eficientemente para minimizar los daños y proteger los equipos e instalaciones de sobre voltajes peligrosos. Se debe asegurar la conexión entre conductores y varillas de cobre utilizando soldadura exotérmica CADWELD, ya que la eficiencia de una puesta a tierra para proteger las instalaciones depende de la calidad de sus conexiones. Estas consideraciones previas se aplican tanto para la malla de fuerza como para los de los pararrayos. Sobre el terreno donde actualmente se ubica el galpón se realizaron los siguientes procesos:
ESTUDIO DE RESISTIVIDAD DELTERRENO: Utilizando un instrumento LEM EST 201 para determinar la estratigrafía del suelo se realizo el sondeo eléctrico vertical para determinar las resistividades aparentes de la estratificación del subsuelo a lo largo de la vertical que se encuentra bajo el punto de prueba y destinadas a determinar lo siguiente:
Determinación de la variación de la resistividad en función de la profundidad.
Determinación de las secuencias de zonas de resistividad alta y baja.
Estimación de la profundidad a depósitos de arena y grava (ripio)
Estimación en la ubicación y profundidad de napas acuíferas.
Determinación del espesor de una capa.
Determinación de zonas de fallas. Se efectuaron las siguientes mediciones:
4 mediciones de resistividad en sentido longitudinal (Norte - Sur) a distancias entre electrodos de 0.50 mts, 1.00 mts, 1.50 mts y 2.00 mts respectivamente, los valores obtenidos en las mediciones se registran en el formulario HOLCIM-SGM-001. Con los valores obtenidos en las mediciones de resistividad de terreno y utilizando el método del Dr. Frank Wenner (cuatro puntas enterradas a una profundidad no mayor de 1/3 entre ellas y separadas equidistantemente a una distancia “A” reflejando la profundidad medida) y mediante la fórmula: = 2 ∗ 3.1416 ∗ ∗ , dónde Ro es la resistencia
promedio del terreno a una
profundidad A en oh – m, Re es la resistividad medida en ohmios.
En este procedimiento, el centro de la configuración electrónica permanece en un lugar fijo mientras que el espaciamiento entre electrodos se aumenta de una lectura a otra. El esquema elemental usado en estas configuraciones utiliza dos electrodos para la inyección de corriente C1 y C2 y dos electrodos para la medición de la diferencia de potencial P1 y P2 tal como se muestra en la grafica anterior. Los cálculos obtenidos en sentido longitudinal (Ro) y la grafica de comportamiento de la resistividad del sitio se observan en el reporte adjunto HOLCIM-RMRT-001. Las configuraciones mencionadas consideran diferentes distribuciones para la separación de los electrodos, teniendo cada una de ellas sus propias características, ventajas y aplicabilidad.
De acuerdo a los resultados del estudio de resistividad del terreno escogido, inspección física, las condiciones de los recorridos para el montaje de las líneas de tierra y el requerimiento de RSPT < 10 Ohms.
ATERRIZAMIENTO GALPÓN Y CUARTO ELÉCTRICO: Para el aterrizamiento del galpón y el cuarto eléctrico, siguiendo los parámetros previamente mencionados, se propone la instalación de una malla perimetral (exterior del galpón) y otra malla adicional al interior del cuarto eléctrico de acuerdo al diseño adjunto. La instalación de la malla perimetral es con la finalidad de aterrizar las estructuras del galpón, debido a las dimensiones del galpón, con esto se busca reducir la resistividad natural de la estructura metálica. Al interior del cuarto eléctrico se instalara una malla para el aterrizamiento del banco de transformadores, tableros de distribución principal y secundaria. El cálculo de Resistividad estimada de puesta a tierra de la malla perimetral en base al diseño propuesto se detalla el formato HOLCIM-CRSPT-001.
MALLA DE TIERRA PERIMETRAL: De acuerdo al diseño adjunto, para la construcción de la malla de tierra perimetral se utilizara cable Cu # 4/0, Varillas Cooperweld de 5/8” x 8’, soldadura exotérmica y se deberán construir 12 cajas de revisión. De acuerdo a los cálculos de resistividad el conductor de Cu deberá ser enterrado a una profundidad de 0,50 mts. Las varillas Cooperweld de 5/8” x 8’ serán instaladas con una separación de 30,00 mts entre cada una, el conductor Cu # 4/0 será acoplado a las varillas Cooperweld mediante soldadura exotérmica y a lo largo de la malla se construirán las 12 cajas de revisión de 0,50 x 0,50, ubicadas de acuerdo al diseño adjunto.
De la malla de tierra perimetral (cable # 4/0) y de cada caja de revisión saldrán los jumper (12) con cable # 4/0 necesarios para aterrizar la estructura metálica en puntos equidistantes entre sí, según diseño. Procedemos al detalle de los trabajos a efectuarse:
OBRAS CIVILES: 1.
EXCAVACIÓN DE ZANJAS:
750 X 0,40 X 0,50 MTS
2.
RELLENO:
3.
COMPACTACIÓN:
150,00 MT3
4.
CAJAS DE REVISIÓN 0,50 X 0,50:
12 UND.
750 X 0,40 X 0,50 MTS
MATERIALES A INSTALARSE: 1.
VARILLAS COOPERWELD:
29 unid
2.
CABLE Cu # 4/0:
800 MTS
3.
SOLDADURA EXOTÉRMICA:
59 PUNTOS
PRUEBAS DE ACEPTACIÓN: 1. MEDICIONES DE RESISTENCIA PUESTA A TIERRA (OHMIAJE):
4
PUNTOS. (INCLUYE INFORMES CON GRAFICA DE CAMPO)
MALLA DE TIERRA CUARTO ELÉCTRICO: De acuerdo al diseño adjunto, para la construcción de la malla de tierra perimetral se utilizara cable Cu # 4/0, Varillas Cooperweld de 5/8” x 8’, soldadura exotérmica y se deberán construir 3 cajas de revisión.
De acuerdo a los cálculos de resistividad el conductor de Cu deberá ser enterrado a una profundidad de 0,50 mts. Las varillas Cooperweld de 5/8” x 8’ serán instaladas con una separación de 5,00 mts entre cada una, el conductor Cu # 4/0 será acoplado a las varillas Cooperweld mediante soldadura exotérmica y se construirán las 3 cajas de revisión de 0,50 x 0,50, ubicadas de acuerdo al diseño adjunto. De las líneas de tierra # 4/0 para fuerza saldrán los jumpers de tierra (5) que se requieren para la instalación de 5 barras toma tierra de Cu de 20”x 4”x ¼”, las que darán servicio a los requerimientos arriba mencionados de acuerdo al diseño adjunto. Procedemos al detalle de los trabajos a efectuarse:
OBRAS CIVILES: 1. EXCAVACIÓN DE ZANJAS:
30 X 0,40 X 0,50 MTS
2. RELLENO:
30 X 0,40 X 0,50 MTS
3. COMPACTACIÓN:
6,00 MT3
4. CAJAS DE REVISIÓN 0,50 X 0,50:
3 UND.
MATERIALES A INSTALARSE: 1. VARILLAS COOPERWELD:
6 unid
2. CABLE Cu # 4/0:
50 MTS
3. SOLDADURA EXOTÉRMICA:
14 PUNTOS
4.
5 UND.
BARRAS DE Cu:
5. TERMINALES # 4/0:
5 UND.
PRUEBAS DE ACEPTACIÓN: 1. MEDICIONES DE RESISTENCIA PUESTA A TIERRA (OHMIAJE): 1 UND (INCLUYE INFORME CON GRAFICA DE CAMPO).
MALLA DE TIERRA PARARRAYOS: Para los Pararrayos la energía capturada será disipada a tierra utilizando una configuración denominada “pata de gallina” de diseño radial recomendado por normas AS1768 y NFC 17102 realizado en base de flejes de cobre de 70 x 1,5 mm y varillas de cobre de 5/8” x 8”.
Se adjunta diseño del Sistema de Puesta a tierra del Pararrayos y su cálculo de resistividad estimada. Utilizamos fleje de cobre ya que este tiene un área expuesta de 5 veces la del cable 2/0 AWG, siendo ambas secciones equivalentes de 70 mm2. Sin embargo en la práctica para efecto de cálculos de resistencia de la malla con fleje 70 x 1,5 mm se considera 1/3 a la calculada con cable de cobre 2/0 AWG debido a la no linealidad del comportamiento del suelo.
Sea Df, el diámetro equivalente del fleje. = 3.1416 ∗
Entonces =
3.1416
=
(0.07 + 0.001 + 0.07 + 0.001) 3.1416
= 0.0452 m (Para fleje de 70 x 1 mm).
Normalizando conductores de igual sección equivalente: Fleje de 70 x 1 mm: 70 mm2 Cable 2/0 AWG
: 67 mm2
Se procede a calcular equivalencia de diámetro del cable en fleje.
=
0.0452 0.00927
= 4.8
Es decir que existe una reducción de cinco veces aproximadamente. El NEC2000 -
250 especifica que el electrodo de tierra debe ser
instalado en contacto con el terreno y a una profundidad mínima de 2,40 m en longitud. Existen tres variables que afectan la resistencia de un electrodo a tierra: -
El terreno propiamente dicho.
-
La longitud / profundidad del electrodo.
-
Diámetro del electrodo. Incrementar el diámetro del electrodo tiene un efecto mínimo en bajar la
resistencia. Por ejemplo si dobla el diámetro del electrodo su resistencia decrece solamente un 10%. Generalmente hablando, doblando la longitud del electrodo puede reducir la resistencia en un 40% adicional. En sistemas donde se utilizan múltiples electrodos de puesta a tierra, se debe tomar en cuenta la separación entre ellos, ya que la esfera de influencia no
se debe interceptar.
Para que sea eficiente el uso de múltiples electrodos, la
separación entre ellos debe ser mínima la longitud del electrodo. Sin esta separación la disminución de la resistencia será mínima y de un valor pequeño. La separación entre la malla de
fuerza y la malla de los pararrayos
debe ser entre 2,40 y 3 metros. La malla del pararrayo se ubicara en todos los casos a más de esta distancia y la separación entre varillas cumple con esta norma.
(1) Para el diseño de la puesta a tierra se procede primero a medir la resistividad del terreno. El método utilizado es el del Dr. Frank Wenner de cuatro puntas, enterradas a una profundidad no mayor de 1/3 entre ellas y separadas equidistantemente a una distancia “A” reflejando la profundidad a ser medida. La fórmula utilizada es = 2 ∗ 3.1416 ∗ ∗ , dónde Ro es la resistividad promedio a una profundidad A en oh – m. Re es la resistencia medida en ohmios. Los resultados de estas mediciones se muestran en los detalles adjuntos.
(2) Con estos valores, se aplican los algoritmos de Sistemas de Tierra basados en las expresiones de S. J. Schwarz y que para el calculo de la resistencia de Puesta a tierra de la Malla del Pararrayos propuesto, empleamos la Ecuación (Ec 1) para una configuración de N radiales de flejes de cobre.
Con esta Ecuación (Ec 1) calcularemos el aporte de los radiales a base de flejes a la resistencia total de puesta a tierra.
Para determinar el aporte de los electrodos a la resistencia total de puesta a tierra emplearemos la Ec 2
Para obtener el aporte mutuo flejes radiales – electrodos a la resistencia total de puesta a tierra emplearemos la Ec (3):
La resistencia total de puesta a tierra estará dada por la Ec (4): Si consideramos la malla radial del pararrayos compuesta de N = 4 Radiales de L= 5 Mts de longitud cada radial, enterrados a una profundidad P = S/2 = 1,00 Mts, con el aporte adicional de M = 4 electrodos de L = 2,40 Mts de longitud, las ecuaciones en función de la = Resistividad del suelo se reducen a: Ec (1) R(f) = 0,0466 Ec (2) R(e) = 0,1068 Ec (3) R(m) = 0,0604 Ec (4): R SAT =
R (F) R () − R () R (F) + R () − R ()
Ec (4) Rsat = 0.0408 Los resultados de Rsat para cada sitio se adjuntan en el diseño de puesta a tierra del Pararrayos. La fórmula para el cálculo de la Resistencia Estimada de la Malla de Puesta a Tierra de los Pararrayos a instalarse en cada sitio será: R.S.T. = Rsat * RO OH – M
Donde el Rsat anteriormente calculado de acuerdo al diseño propuesto multiplicado por el Ro oh – m de menor valor calculado para cada sitio de acuerdo en los soportes adjuntos nos permitirá conocer el R.S.T. estimado para cada sitio y la profundidad a la que deberá ser ubicada para obtener los valores permitidos de acuerdo a las normas NFPA-780- 1997, NFC-17-102, UNE – 1 -186, NZS/AS 1768 – 1991. A todas las Mallas de puesta a tierra de los pararrayos se le aplicara mejorador de Conductividad tipo fraguado, con la siguiente finalidad:
Ayudar a reducir la resistividad natural del terreno.
Mantener en el tiempo los valores de Resistencia de puesta a tierra obtenidos en las mediciones de Campo en condiciones de baja humedad.
Aumentar el tiempo de vida útil de la Malla de tierra contra factores agresivos naturales del terreno (Corrosión).
No se disuelve con el transcurso del tiempo.
No requiere mantenimiento la Malla de puesta a tierra en periodos cortos de tiempo.
No requiere la presencia de humedad para aumentar su efectividad.
Con temperaturas frías aumenta su efectividad en 10 – 15%
No contamina el suelo y cumple con los requerimientos de protección ambiental.
Ideal para suelos rocosos y de alta resistividad. Las mediciones de Resistencia de puesta a tierra se efectuaran mediante la
utilización de un Universal Ground System Tester, aplicando el método de los Tres polos. Los resultados definitivos de las mediciones en Sitio serán integrados al reporte de Campo respectivo e incorporados a los documentos de Entrega / Recepción. Se adjunta el diseño tipo Pata de Gallina y los valores estimados de resistencia de puesta a tierra de acuerdo a las normas respectivas, obtenidos de los cálculos efectuados de acuerdo a los teoremas anteriormente mencionados.
Adjuntamos el diseño de la Malla de tierra de los Pararrayos.
OBRAS CIVILES PARA CADA MALLA: 1. EXCAVACIÓN DE ZANJAS: 9,00 X 0,40 X 1,00 MTS 2. RELLENO: 9,00 X 0,40 X 1,00 MTS 3. COMPACTACIÓN: 7.2 MT3 4. CAJAS DE REVISIÓN 0,50 X 0,50: 1 UND.
MATERIALES A REQUERIRSE PARA CADA MALLA: 1. FLEJES DE Cu DE 70 X 2000 X 1,4 MM: 4 UND. 2. PLACA DE Cu DE 0,50 X 0,50 MTS X 1,4MM: 1 UND. 3. VARILLAS COOPERWELD DE 5/8” X 8’: 4 UND. 4. CABLE Cu # 4/0: 10 MTS. 5. SOLDADURA EXOTÉRMICA (Varios Tipos): 13 PTOS. 6. MEJORADOR DE CONDUCTIVIDAD: 6 SACOS X 11KG 7. TUBERÍA EMT 2” 3,00 MTS.
PRUEBAS DE ACEPTACIÓN: 1. MEDICIONES DE RESISTENCIA PUESTA A TIERRA (OHMIAJE): 1 UND X CADA MALLA (INCLUYE INFORMES CON GRAFICA DE CAMPO)
PUNTO # 4 EQUIPOTENCIALIDAD: Crear equipotencialidad entre los sistemas de puesta a tierra durante las condiciones de transigentes es esencial para la seguridad de los equipos y personal. Cuando el rayo y otros transigentes de voltaje ocurren, diferencias de potencial entre las mallas es inevitable y puede ser peligroso.
La corriente asociada con un golpe directo de un rayo es típicamente 30kA pero puede ser tan grande como 270kA y tiene un delta t de muchos miles de amperios por segundo. Cuando esta corriente es descargada a través del sistema de protección atmosférica, el potencial del sistema de tierra se elevará. Ignorando efectos inductivos, un simple cálculo nos muestra que para una “buena” puesta a tierra de 1 ohm y una corriente de descarga de 30kA, el potencial se elevará a 30kV. Dado esto, esta elevación nunca podrá ser totalmente eliminada, el objetivo entonces es igualar el gradiente de potencial para asegurar que todos los equipos y estructuras se eleven uniformemente en potencial. Este proceso es conocido como “Earth Potential Equalization” o EPE y es logrado uniendo todas las tierras separadas a un solo punto común. En la práctica también se deben unir todas las partes metálicas con la malla para asegurar que estén al mismo potencial. Esto asegura que durante un transigente, todas las estructuras y equipos dentro del sitio se elevarán y caerán mientras el pico de corriente fluye y voltajes potencialmente peligrosos no se desarrollarán a través de los equipos. Esto no sólo ofrece protección a los equipos, sino que también asegura que el personal no vaya a estar en contacto con voltajes peligrosos cuando toque dos piezas de equipos separados. La malla de fuerza, la malla del cuarto eléctrico y las malla de los pararrayos deben ser unidas con conductor de cobre # 4/0 AWG en un punto para equipotencializarlas y evitar corrientes de lazos entre ellas. La equipotencialización de las mallas de tierra es una condición debidamente registrada en las Normas NEC 2002 – 250 y NFC 17-102-3.4 la cual se grafica en el diseño adjunto.
NORMAS Y MÉTODOS APLICADOS: El procedimiento de trabajo y los materiales seleccionados cumplen con las últimas ediciones de los códigos y estándares aplicables a las siguientes
organizaciones, en caso de conflicto entre códigos y estándares se aplicara el más estricto de ellos:
IEEE Std 80 “IEEE Guide for safety in AC Substation grounding”
IEEE Std 837 “Permanent connections for substation earthling”
NEC – 2002 - 250 ( GROUNDING)
AS 1768 -1991 B-10.1.1.
NFC-17-102-3.4
GREEN BOOK STD 142 (RECOMMENDED PRACTICE FOR GROUNDING OF INDUSTRIAL AND COMERCIAL POWER SYSTEMS)
SIX POINTS ERICO PROTECTION PLAN
RESUMEN DE MATERIALES UTILIZADOS MALLA DE TIERRA. 1. VARILLAS COOPERWELD:
6 unid.
2. CABLE Cu # 4/0:
1100 MTS.
3. SOLDADURA EXOTÉRMICA:
82 PUNTOS
4. BARRAS DE Cu:
43 UND.
5. TERMINALES # 4/0:
5 UND.
6. CAJAS DE REVISIÓN 0,50 X 0,50:
12 UND.
