PRO-PRY-CAME-IT-001, Memoria Descriptiva Diseño Puesta a Tierra

INFORME FINAL DISEÑO DE PUESTA A TIERRA PRO-PRY-CAME-IT-001

Av. Santo Toribio 115, Edificio Tempus, Piso 5. Lima 27, Perú Fono: +51 1 712 8378 WWW.PROTAB.COM

Contenido

1.

Introducción ............................................................................................................................. 4

2.

Objetivos ................................................................................................................................... 4

3.

Alcances .................................................................................................................................... 4

4.

Normas y Estándares aplicados ......................................................................................... 5

5.

Diseño del sistema de Protección Eléctrica .................................................................... 5 5.1.

Sistemas de puesta a tierra .......................................................................................... 6

5.1.1.

Metodología de Cálculo......................................................................................... 7

5.1.2.

Dimensionamiento de los sistemas de puesta a tierra ................................. 8

6.

Resultados ................................................................................................................................ 9

7.

Conclusiones y Recomendaciones.................................................................................... 9

8.

Anexos ..................................................................................................................................... 11

ANEXO 1: Curvas de resistividad aparente y superficial.......................................................... 12 ANEXO 2: Cálculos de resistencia de las puestas a tierra ...................................................... 17

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HOJA CONTROL DOCUMENTO

REVISIÓN

OBSERVACIONES

FECHA

PREPARÓ

REVISÓ

APROBÓ

A

Para revisión interna

03-07-2013

LVM

GCC

GCC

0

Para revisión por el cliente

03-07-2013

LVM

GCC

GCC

NOTAS:

Giorgio Contreras Cervantes:

GCC

Lito Villasante Mora:

LVM

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Informe Final diseño de puesta a tierra

1. Introducción En las zonas rurales hay gran diversidad de fenómenos eléctricos de origen atmosférico que pueden afectar a la salud de las personas y al buen funcionamiento de los equipos eléctricos y electrónicos. En tal sentido el presente estudio obedece a la necesidad de contar con un sistema de puesta a tierra que garantice la seguridad de las personas y la funcionalidad de los equipos, a requerimiento de la empresa CAME Contratistas y Servicios Generales SA según OC N° 4500002486 del 2 0 de Junio de 2013.

2. Objetivos El sistema de protección eléctrica debe cumplir los siguientes objetivos: •

Protección y seguridad para la vida humana.

•

Protección y seguridad en la operación.

•

Continuidad de operación.

•

Compatibilidad electromagnética (mínimos niveles de interferencia y contaminación entre equipos, aparatos, componentes, accesorios y seres humanos).

3. Alcances El presente estudio comprende los cálculos necesarios para el diseño de 3 mallas a tierra y mejoramiento mediante contrapesos para 2 pozos implementados en áreas definidas dentro de las instalaciones de Minera Cerro Verde – Arequipa. Las mediciones de resistividad de terreno fueron proporcionadas por CAMESA y servirán como base para el presente estudio.

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Quedan excluidos del presente todo trabajo de supervisión de la construcción de las mallas a tierra, siendo esto responsabilidad de CAMESA.

4. Normas y Estándares aplicados •

NTP 370.052:1999 SEGURIDAD ELECTRICA. Materiales que constituyen el pozo de puesta a tierra, 1ª Edición el 13 de diciembre de 1999.

•

NTP 370.053:1999 SEGURIDAD ELECTRICA. Elección de los materiales eléctricos en las instalaciones interiores para puesta a tierra. Conductores de protección de cobre, 1ª Edición el 13 de diciembre de 1999.

•

NTP 370.055:1999 SEGURIDAD ELECTRICA. Sistema de puesta a tierra. Glosario de términos, 1ª Edición el 13 de diciembre de 1999.

•

NTP 370.056:1999 SEGURIDAD ELECTRICA. Electrodos de cobre para puesta a tierra, 1ª Edición el 13 de diciembre de 1999.

•

ITU, serie K Protection against interferences: En particular la Norma ITU K.56, Protection of radio base stations against lightning discharges.

•

IEEE 81, IEEE guide for measuring earth resistivity, ground impedance, and earth surface potentials of a ground system.

•

IEEE 81.2, IEEE guide to measurement of impedance and safety characteristics of large, extended or interconnected grounding systems.

5. Diseño del sistema de Protección Eléctrica El presente estudio se limita al análisis de mejoramiento de 5 sistemas de puesta a tierra según requerimiento: •

Estructura 22P4-4 (39 ohmios): contrapeso.

•

Estructura 22P4-5 (66 ohmios): Malla.

•

Estructura 22P4-6 (45 ohmios): Malla.

•

Estructura 22P4-7 (82.4 ohmios) Malla.

•

Estructura 22P4 -9 (32.2 ohmios) contrapeso.

En función a esto se realiza el modelamiento de dichos sistemas mediante el uso de herramientas informáticas propias de Protab (software GEM v3.1 y plantillas en Excel), las cuales siguen las normas y estándares de acuerdo al punto 4 del

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presente. Asimismo se asumen algunos supuestos razonables los cuales se listan a continuación: •

Las mediciones de resistividad proporcionadas, se realizaron mediante el método estándar de Schlumberger y se interpolan los resultados mediante curvas asumiendo distancias variables para terrenos estratificados (Ω/m).

•

Los instrumentos usados para las mediciones de resistividad deben estar calibrados y poseer certificados de calibración actualizados.

•

En todos los casos se calculan los peores escenarios, es decir terreno sin mejorar (sin cemento conductivo) y altamente estratificado (rocoso).

•

Todos los cálculos son teóricos, por tanto se recomienda escoger las mejores zonas de construcción (estratos con menor resistividad) para poder tener mejores resultados.

5.1. Sistemas de puesta a tierra La capacidad de la tierra de aceptar la energía depende de la resistencia del suelo en la localización particular donde la descarga entra en la misma. Por tanto el primer punto a considerar es el cálculo de la resistencia deseada del pozo. Por lo general, para sistemas de comunicación se recomiendan resistencias de puesta a tierra hasta un máximo de 25Ω según la norma peruana Regla 060-712 del Código Nacional de Electricidad 2006. En tal sentido la primera acción consiste en medir la resistividad del terreno mediante el uso de un telurómetro y la fórmula de Wenner, o usando el método de Schlumberger. Para el caso particular del presente estudio, las mediciones de la resistividad del terreno son proporcionadas por CAMESA. En base de los resultados de las mediciones se procede a elaborar las curvas características de resistividad aparente dado que el terreno es de tipo estratificado y rocoso. Dichas curvas se presentan en el Anexo 1 del presente estudio.

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5.1.1. Metodología de Cálculo Para calcular la resistencia del contrapeso se utilizará criterios de acuerdo al sistema de puesta a tierra a considerar, estos son realizados mediante la herramienta informática GEM v3.1. Si los electrodos son de tipo de cable de cobre usaremos la fórmula de C. L. Hallmark: =

2.73

. log

2

Rp = Resistencia del pozo (Ω) ρ = resistividad del suelo (Ω·m) L = longitud del cable de Cu (m) W = ancho del pozo (m) D = profundidad del pozo (m)

Se varían las dimensiones del cable de Cu (especialmente la longitud L) hasta conseguir la resistencia de pozo deseada.

Para el caso de las mallas de tierra usaremos la fórmula de Laurent: =

4

+

Rp = Resistencia del pozo (Ω) ρ = resistividad del suelo (Ω·m) S = superficie que cubre la malla (m2) L = longitud total del conductor de la malla (m)

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La Bentonita contribuye indirectamente a tener una baja resistencia, dado que se encarga de mantener la humedad del pozo. Si bien la bentonita y la sal (o cualquier otro producto comercial) contribuyen a reducir la resistividad del pozo, se han dimensionado los sistemas sin contar con esa contribución.

5.1.2. Dimensionamiento de los sistemas de puesta a tierra La Figura 1 presenta el diagrama y medidas para el dimensionado de los contrapesos horizontales y la Figura 2 los parámetros de dimensionamiento de las mallas a tierra:

Fig. 1 Diagrama de disposición de contrapeso horizontal

Dónde: D = Profundidad de la barra de Cu (m) W = Ancho de la zanja del contrapeso de puesta a tierra (m) L = Longitud del cable de Cu (m) N N

Fig. 2 Diagrama de disposición de malla a tierra

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Donde: A = Longitud del lado de la malla (m) N = Longitud de los transversales (m)

6. Resultados A continuación se muestra el resumen de los resultados de los cálculos efectuados en la Tabla N° 1. Tabla 1. Resumen de resultados

TIPO

RESISTENCIA (Ω)

DIAMETRO SECCION CABLE (mm)

22P4-4

contrapeso

39

70

15

0.6

9.79

22P4-5

malla

66

120

5X 5

1

25.25

22P4-6

malla

45

120

5X 5

1

25.48

22P4-7

malla

82.4

120

6 X 4.8

1

35.56

22P4 -9

contrapeso

32.2

70

15

0.6

14.56

ESTRUCTURA

DIMENSIONES PROFUNDIDAD (m) (m)

RESISTENCIA MEJORADA (Ω)

Los detalles de los cálculos para el dimensionamiento de los Sistemas a Tierra se pueden observar en el Anexo 2 del presente.

7. Conclusiones y Recomendaciones •

De acuerdo a los cálculos y a los parámetros sugeridos y coordinados con CAMESA, existen casos en los que la resistencia de la malla supera los 25 Ω deseado, dado que el estudio es puramente teórico y se ha hecho considerando los peores escenarios, en tal sentido sugerimos realizar acciones para reducir la resistencia final mediante el tratamiento de la tierra y la compactación, asimismo el uso de cemento conductivo. Los cálculos para estos casos escapan del modelo teórico y se sugiere usar criterios sustentados en base a la experiencia práctica.

•

La resistividad del suelo sufre alteraciones con la humedad. Esta variación ocurre en virtud de la activación de cargas eléctricas predominantemente

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iónicas por acción de la humedad, un porcentaje mayor de humedad hace que las sales presentes en el suelo o adicionadas a propósito se disuelvan formando un medio electrolítico favorable al paso de la corriente iónica. Así mismo un suelo específico con concentración diferente de humedad presenta una gran variación de su resistividad, siendo por lo tanto muy susceptible de los cambios estacionales. Existen materiales como la bentonita que ayudan a preservar la humedad natural del terreno. •

Cuando se hacen trabajos de excavación todo este entramado natural se rompe y al volver a llenarse las excavaciones en forma manual nos queda material aparentemente sobrante; lo ideal sería que con el cuidado necesario se logre regresar todo el material a su estado anterior para lograr así una compactación deseable que permita el firme contacto de los electrodos con el suelo y sales agregadas que permita una circulación de corrientes de falla en forma fluida.

•

Los terrenos pueden ser cambiados en su totalidad, por terreno rico en sales naturales; cuando ellos son rocosos, pedregosos, calizas, granito, etc., que son terrenos de muy alta resistividad y pueden cambiarse parcialmente cuando el terreno está conformado por componentes de alta y baja resistividad; de modo que se supriman las partes de alta resistividad y se reemplacen por otros de baja resistividad; uno de estos procedimientos es el zarandeo del terreno donde se desechan las piedras contenidas en el terreno. El % de reducción en estos casos es difícil de deducir, debido a los factores que intervienen, como son resistividad del terreno natural, resistividad del terreno de reemplazo total o parcial, adherencia por la compactación y limpieza del electrodo, pero daremos una idea porcentual más menos en función al tipo de terreno y al cambio total o parcial. Para lugares de alta resistividad donde se cambie el terreno de los pozos en forma total, el porcentaje puede estar entre 50 a 70% de reducción de la resistencia eléctrica resultante.

•

Finalmente el uso de cemento conductivo ayuda a reducir la resistencia total hasta en un 30% por lo que se aconseja el uso de este elemento.

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8. Anexos •

ANEXO 1: Curvas de resistividad aparente y superficial.

•

ANEXO 2: Cálculo de resistencias de sistemas a tierra.

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ANEXO 1: Curvas de resistividad aparente y superficial 1. ESTRUCTURA 22P4-4 ESTRUCTURA 22P4-4 RESISTIVIDAD DEL TERRENO Distancia entre electrodos (m) 1 2 4 8 13

Produndidad de enclavamient o de electrodos (m) 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15

RESISTENCIA DE POZO A TIERRA EXISTENTE

Diámetro Valor Diametro de cemento obtenido Resistencia Resistividad de varilla Material de conductivo de la de pozo a (ohm-m) de puesta a varilla alrededor medición tierra (ohm) tierra (pulg) de varilla (ohm) (pulg) 28.6 12.2 5.2 2.39 0.81

186.53 154.81 131.01 120.21 66.18 124.65

39.00

3/4''

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COBRE

6

ESTRUCTURA 22P4-4 35 30 25 ESTRUCTURA 22P4-4

20 15

Potencial (ESTRUCTURA 22P4-4)

10 5

y = 30.784x -1.334

0 0

5

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10

15

12

2. ESTRUCTURA 22P4-9 ESTRUCTURA 22P4-9 RESISTIVIDAD DEL TERRENO Distancia entre electrodos (m)

1 2 4 8 13

Produndidad de enclavamient o de electrodos (m) 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25

RESISTENCIA DE POZO A TIERRA EXISTENTE

Diámetro Valor Diametro de cemento obtenido Resistencia Resistividad de varilla Material de conductivo de la de pozo a (ohm-m) de puesta a varilla alrededor medición tierra (ohm) tierra (pulg) de varilla (ohm) (pulg) 3.64 16.89 4.85 27.5 50.3

25.15 217.91 122.72 1384.66 4111.23 328.56

32.20

3/4''

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COBRE

6

ESTRUCTURA 22P4-9 60 y = 0.2294x2 + 0.4215x + 6.6202 50 40 ESTRUCTURA 22P4-9 30 Polinómica (ESTRUCTURA 22P4-9)

20 10 0 0

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5

10

15

13

3. ESTRUCTURA 22P4-7

ESTRUCTURA 22P4-7 RESISTIVIDAD DEL TERRENO Distancia entre electrodos (m)

1 2 4 8 13

Produndidad de enclavamient o de electrodos (m) 0.19 0.20 0.20 0.20 0.20

Diámetro Valor Diametro de cemento obtenido Resistencia Resistividad de varilla Material de conductivo de la de pozo a alrededor (ohm-m) de puesta a varilla medición tierra (ohm) tierra (pulg) de varilla (ohm) (pulg) 116.4 127.9 50.9 15.93 6.84

ESTRUCTURA 22P4-7

RESISTENCIA DE POZO A TIERRA EXISTENTE

775.10 1634.93 1284.83 801.60 558.93 445.48

82.40

3/4''

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COBRE

6

200 180 160 140 120

ESTRUCTURA 22P4-7

100 80

Potencial (ESTRUCTURA 22P4-7)

60 40 20

y = 186.37x -1.176

0 0

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5

10

15

14

4. ESTRUCTURA 22P4-6

ESTRUCTURA 22P4-6 RESISTIVIDAD DEL TERRENO Distancia entre electrodos (m) 1 2 4 8 13

Produndidad de enclavamient o de electrodos (m) 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15

Diámetro Valor Diametro de cemento obtenido Resistencia Resistividad de varilla Material de conductivo de la de pozo a (ohm-m) de puesta a varilla alrededor medición tierra (ohm) tierra (pulg) de varilla (ohm) (pulg) 53.7 20.5 3.71 7.65 7.46

ESTRUCTURA 22P4-6

RESISTENCIA DE POZO A TIERRA EXISTENTE

350.24 260.12 93.47 384.77 609.49 288.45

45.00

3/4''

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COBRE

6

60 50 40 ESTRUCTURA 22P4-6 30 Potencial (ESTRUCTURA 22P4-6)

20 10 0 0

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5

10

15

y = 33.791x-0.78

15

5. ESTRUCTURA 22P4-5

ESTRUCTURA 22P4-5 RESISTIVIDAD DEL TERRENO Distancia entre electrodos (m)

1 2 4 8 13

Produndidad de enclavamient o de electrodos (m) 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15

RESISTENCIA DE POZO A TIERRA EXISTENTE

Diámetro Valor Diametro de cemento obtenido Resistencia Resistividad de varilla Material de conductivo de la de pozo a (ohm-m) de puesta a varilla alrededor medición tierra (ohm) tierra (pulg) de varilla (ohm) (pulg) 14.5 27.2 3.64 2.03 76.5

94.57 345.14 91.71 102.10 6250.08 285.90

66.20

3/4''

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COBRE

6

ESTRUCTURA 22P4-5 90 80 70 60 ESTRUCTURA 22P4-5

50 40

Polinómica (ESTRUCTURA 22P4-5)

30 20 10

y = 1.3327x 2 - 14.52x + 38.388

0 0

5

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ANEXO 2: Cálculos de resistencia de las puestas a tierra

1. ESTRUCTURA 22P4-4: CONTRAPESO

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2. ESTRUCTURA 22P4-9: CONTRAPESO

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3. ESTRUCTURA 22P4-5: MALLA

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4. ESTRUCTURA 22P4-6: MALLA

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5. ESTRUCTURA 22P4-7: MALLA

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