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METODOLOGÍA PARA LA ELABORACIÓN Y PRESENTACIÓN DE PROYECTOS ELÉCTRICOS DE SUBESTACIONES TIPO LOCAL PRESENTADO POR: SERGIO IVÁN SALAMANCA GAVIRIA Código: 20072007036 TIPO DE TRABAJO: PASANTÍA PROYECTO DE GRADO DIRECTOR INTERNO: ÁLVARO ESPINEL ORTEGA. I.E, M.Sc, PhD. DIRECTOR EXTERNO: ING.GUSTAVO GARCÍA GONZÁLEZ UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERÍA PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA ELÉCTRICA 05 de Agosto de 2016 2 Contenido 1. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA ....................................................................................................... 5 2. OBJETIVOS ..................................................................................................................................... 6 3. PROCESO METODOLÓGICO PARA EL DISEÑO DETALLADO DE LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS SEGÚN RETIE........................................................................... 7 3.1. ANÁLISIS DE CARGAS EXISTENTES Y FUTURAS ................................................................ 8 3.2. COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO ..................................................................................... 10 3.3. ANÁLISIS DE CORTO CIRCUITO Y FALLA A TIERRA.......................................................... 14 3.4. ANÁLISIS DE RIESGO POR DESCARGAS ATMOSFÉRICAS .............................................. 17 3.5. ANÁLISIS DE RIESGOS DE ORIGEN ELÉCTRICO Y MEDIDAS PARA MITIGARLOS ........ 30 3.6. ANÁLISIS DEL NIVEL DE TENSIÓN REQUERIDO ................................................................ 45 3.7. CÁLCULO DE CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS ............................................................... 45 3.8. CÁLCULO DE TRANSFORMADORES ................................................................................... 46 3.9. SELECCIÓN DEL EQUIPO DE MEDIDA ................................................................................ 50 3.10. CALCULO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA ................................................................ 53 3.11. CÁLCULO ECONÓMICO DE CONDUCTORES ..................................................................... 62 3.12. VERIFICACIÓN DE CONDUCTORES .................................................................................... 64 3.13. CÁLCULO MECÁNICO DE ESTRUCTURAS .......................................................................... 64 3.14. CÁLCULO Y COORDINACIÓN DE PROTECCIONES CONTRA SOBRECORRIENTES ............................................................................................................. 64 3.15. CÁLCULO DE CANALIZACIONES.......................................................................................... 66 3.16. CÁLCULO DE PÉRDIDAS DE ENERGÍA ............................................................................... 68 3.17. CALCULO DE REGULACION ACOMETIDAS ........................................................................ 68 3.18. CLASIFICACIÓN DE AREAS .................................................................................................. 71 3.19. ELABORACIÓN DE PLANOS Y DIAGRAMAS UNIFILARES ................................................. 71 4. RECOMENDACIONES .................................................................................................................. 75 5. CONCLUSIONES ........................................................................................................................... 78 6. BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................................................. 80 TABLAS TABLA 1: PRIMER FORMATO PARA ELABORACIÓN DE CUADROS DE CARGAS. ...................................... 9 TABLA 2: SEGUNDO FORMATO PARA ELABORACIÓN DE CUADROS DE CARGAS. .................................. 9 TABLA 3: FORMATO CUADRO DE CARGAS, CARGA DEMANDADA. ....................................................... 10 TABLA 4: NIVELES DE AISLAMIENTO NORMALIZADOS. ......................................................................... 11 TABLA 5: TIPOS DE AISLADORES. ........................................................................................................... 11 TABLA 6, DISTANCIAS MÍNIMAS DE FUGA. ........................................................................................... 12 TABLA 7: FACTORES DE RIESGOS ELÉCTRICOS MÁS COMUNES. ........................................................... 31 TABLA 8: MATRIZ DE RIESGOS RECOMENDADA POR EL RETIE. ............................................................ 34 TABLA 9: EJEMPLO MATRIZ DE RIESGO. ................................................................................................ 36 3 TABLA 10: DECISIONES Y ACCIONES PARA CONTROLAR EL RIESGO. ..................................................... 37 TABLA 11: DISTANCIAS MÍNIMAS DE SEGURIDAD EN ZONAS CON CONSTRUCCIONES. ....................... 39 TABLA 12: DISTANCIAS VERTICALES MÍNIMAS EN VANOS CON LÍNEAS DE DIFERENTES TENSIONES... 41 TABLA 13: DISTANCIAS MÍNIMAS PARA TRABAJOS EN O CERCA DE PARTES ENERGIZADAS EN CORRIENTE ALTERNA. .................................................................................................................. 42 TABLA 14: DISTANCIAS MÍNIMAS PARA TRABAJOS EN O CERCA DE PARTES ENERGIZADAS EN CORRIENTE CONTINUA. ............................................................................................................... 43 TABLA 15: DISTANCIAS MÍNIMAS PARA TRABAJOS EN O CERCA DE PARTES ENERGIZADAS EN CORRIENTE DIRECTA. ................................................................................................................... 43 TABLA 16: VALORES LÍMITES DE EXPOSICIÓN A CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS. .............................. 45 TABLA 17: CUADRO DE CARGA INSTALADA. ......................................................................................... 48 TABLA 18: CUADRO DE CARGA DEMANDADA. ...................................................................................... 48 TABLA 19: VALORES NOMINALES DE POTENCIA PARA TRANSFORMADORES. ..................................... 49 TABLA 20: CUADRO RESUMEN, CÁLCULO DE TRANSFORMADORES (EJEMPLO)................................... 50 TABLA 21: CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS MEDIDORES DE CONEXIÓN DIRECTA. ................................... 51 TABLA 22: CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS MEDIDORES DE CONEXIÓN SEMIDIRECTA. ........................... 52 TABLA 23: CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS MEDIDORES DE CONEXIÓN INDIRECTA. ................................ 52 TABLA 24: RESUMEN DE RESISTIVIDAD O RESISTENCIA APARENTE (EJEMPLO). .................................. 61 TABLA 25: VERIFICACIÓN DE CONDUCTORES. ...................................................................................... 64 TABLA 26: TABLA C9, NTC2050; DIÁMETRO DE TUBERÍA SEGÚN CALIBRE Y CANTIDAD DE CONDUCTORES. ........................................................................................................................... 67 TABLA 27: CUADRO RESUMEN DE REGULACIÓN DE MT Y BT. .............................................................. 69 TABLA 28: CUADRO RESUMEN DE REGULACIÓN Y PÉRDIDAS DE ENERGÍA (EJEMPLO). ....................... 70 TABLA 29: LISTA DE CHEQUEO PARA LA ELABORACIÓN Y PRESENTACIÓN DE PROYECTOS. ................ 77 IMÁGENES IMAGEN 1: CURVAS DE COORDINACIÓN RECONECTADOR OTORGADAS POR CODENSA [1]. .............. 16 IMAGEN 2: CORRIENTES SIMÉTRICAS Y ASIMÉTRICAS OTORGADAS POR CODENSA [1] ...................... 17 IMAGEN 3: IEC RISK ASSESSMENT CALCULATOR INTERFAZ. ................................................................. 26 IMAGEN 4: RESULTADOS IEC RISK ASSESSMENT CALCULATOR, ÁREA DE COLECCIÓN. ........................ 29 IMAGEN 5: RESULTADOS IEC RISK ASSESSMENT CALCULATOR, CATEGORÍA DE LAS PÉRDIDAS. ......... 30 IMAGEN 6: DISTANCIAS MÍNIMAS DE SEGURIDAD EN ZONAS CON CONSTRUCCIONES. .....................39 IMAGEN 7: DISTANCIA “D” Y “D1” EN CRUCE Y RECORRIDO DE VÍAS. .................................................. 40 IMAGEN 8: DISTANCIA “G” PARA CRUCE CON RÍOS. ............................................................................. 40 IMAGEN 9: LÍMITES DE APROXIMACIÓN. .............................................................................................. 43 IMAGEN 10: DISTANCIAS DE SEGURIDAD TP-SUB Y TP-B2 A 220V Y 460V RESPECTIVAMENTE (EJEMPLO) .................................................................................................................................... 44 IMAGEN 11: DISTANCIAS DE SEGURIDAD CELDA DE MEDIDA EN M.T. Y CELDA TRIPLEX A 13.2KV (EJEMPLO). ................................................................................................................................... 44 IMAGEN 12: MEDICIÓN DE RESISTIVIDAD DEL TERRENO. .................................................................... 54 IMAGEN 13: HOJA 1 INTERFAZ SOFTWARE PARA ESTUDIO DE SPT ...................................................... 54 IMAGEN 14: HOJA DE DATOS DEL CONDUCTOR, SOFTWARE PARA ESTUDIO DE SPT .......................... 55 IMAGEN 15: HOJA DE DATOS DE ENTRADA, SOFTWARE PARA ESTUDIO DE SPT ................................. 56 IMAGEN 16: HOJA DE RESULTADOS, SOFTWARE PARA ESTUDIO DE SPT ............................................. 57 IMAGEN 17: PRIMERA MEDICIÓN DE RESISTENCIA DEL TERRENO (EJEMPLO). .................................... 59 IMAGEN 18: SEGUNDA MEDICIÓN DE RESISTENCIA DEL TERRENO (EJEMPLO). ................................... 59 IMAGEN 19: TERCERA MEDICIÓN DE RESISTENCIA DEL TERRENO (EJEMPLO). .................................... 60 IMAGEN 20: COORDINACIÓN DE PROTECCIONES (EJEMPLO) ............................................................... 66 IMÁGEN 21: DIAGRAMA UNIFILAR (EJEMPLO) ..................................................................................... 73 IMÁGEN 22: RÓTULO PARA PRESENTACIÓN DE PROYECTOS SERIE 3 ANTE CODENSA [19] ................. 74 4 INTRODUCCIÓN En Colombia, diariamente se están ejecutando gran cantidad de obras civiles, que van de la mano con infraestructura eléctrica; presentándose, en la mayoría de los casos, construcciones residenciales, comerciales o industriales, que requerirán de una subestación tipo local para energizar los elementos eléctricos que las componen; convirtiéndose así en el último eslabón de la cadena de oferta y demanda de energía eléctrica. Es por esto, que las electrificadoras a nivel nacional, deben evaluar diariamente gran cantidad de proyectos eléctricos de subestaciones tipo local. Cada proyecto eléctrico es diferente, sin embargo, los criterios de estudio que utilizan los operadores de red a nivel nacional, para evaluarlos, son similares; lo que permitiría a su vez, establecer una metodología de diseño con bases sólidas, aplicable a cada proyecto eléctrico que se quiera realizar. A pesar de existir infinidad de información acerca de la manera correcta de realizar un diseño eléctrico (planos, memorias de cálculo y especificaciones técnicas), esta información se encuentra dispersa, asimismo existen gran cantidad de métodos para realizar cada uno de los cálculos que se involucran en un proyecto, lo que dificulta el seleccionar la manera óptima de efectuarlos. En el presente documento, se establece una metodología puntualizada, que optimiza los procesos de elaboración y presentación de proyectos eléctricos de subestaciones tipo local, para aprobación por parte de las diferentes electrificadoras, enfocándose principalmente en proyectos de subestación serie 3 presentados a CODENSA S.A. E.S.P [1], y proyectos de Subestación presentados a la Empresa de Energía de Boyacá EBSA [2]; pero perfectamente aplicable a cualquier proyecto de subestación, presentado a cualquier operador de red a nivel nacional. Será necesaria la presentación de un proyecto de subestación, en todos los casos en donde se requiera instalar una subestación eléctrica capsulada, pedestal o subterránea [3]. 5 1. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA Las empresas de ingeniería eléctrica, enfocadas al diseño y construcción de infraestructura eléctrica, constantemente deben radicar proyectos ante las diferentes electrificadoras a nivel nacional, presentándose con mayor frecuencia, proyectos de subestaciones tipo local. Dichas electrificadoras los evalúan para aprobarlos o rechazarlos, parcial o totalmente; pues este es el primer criterio de análisis que utilizan, para decidir si prestan el servicio de energización a las diferentes obras que diariamente se desarrollan en todo el país. En la etapa de diseño de un proyecto eléctrico, se puede incurrir en gran cantidad de errores, a nivel de: planos, memorias de cálculo, especificaciones técnicas, e incluso en la presentación (rótulo de los planos, convenciones, contenido, etc...); esto debido, en gran medida, a la falta de una metodología clara para su elaboración, con estándares definidos para cada una de sus partes. Otra de las causas de dichos errores es el desconocimiento de las exigencias reglamentadas en las diferentes empresas prestadoras del servicio de energía eléctrica, lo que retrasa considerablemente el avance de cualquier obra civil; pues es obligatorio contar con el aval del operador de red, antes de solicitar la conexión de un proyecto al sistema interconectado nacional SIN. El proceso de aprobación de cualquier proyecto eléctrico, también puede tornarse muy extenso y complejo; pues no siempre se tiene claridad respecto a los pasos que se deben seguir, y los documentos que se deben anexar junto a cada diseño. Además, al no existir una estandarización clara de los componentes de un proyecto eléctrico presentado, se dificulta su evaluación por parte de los ingenieros revisores de cada electrificadora, provocando, que un mismo proyecto sea devuelto varias veces, antes de ser aprobado. Por tanto, la pregunta problema y que da lugar a este proyecto es: ¿Cuál sería la metodología a seguir para optimizar la elaboración y presentación de proyectos eléctricos de subestaciones tipo local? Para responder a esta pregunta, se plantearon los siguientes objetivos: 6 2. OBJETIVOS 2.1. Objetivo General Establecer una metodología que permita optimizar la elaboración y presentación de proyectos eléctricos de subestaciones tipo local. 2.2. Objetivos Específicos 1. Seleccionar un proyecto eléctrico de subestación tipo local, que será utilizado como ejemplo, en la elaboración del documento final. 2. Describir detalladamente cada uno de los capítulos que componen unas memorias de cálculo, explicando los métodos óptimos para desarrollarlos, tomando como ejemplo el proyecto seleccionado. 3. Definir los componentes que se deben incluir en la elaboración de un plano, para proyectos eléctricos de subestación tipo local. 4. Hacer un listado de los documentos adicionales, que se deben presentar a la electrificadora al momento de radicar un proyecto de subestación tipo local. 5. Establecer una serie de recomendaciones para adelantar este tipo de proyectos. 7 3. PROCESO METODOLÓGICO PARA EL DISEÑO DETALLADO DE LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS SEGÚN RETIE Toda instalación eléctrica a la que le aplique el RETIE, debe contar con un diseño realizado por un profesional o profesionales legalmente competentes para desarrollar esa actividad. El diseño podrá ser detallado o simplificado según el tipo de instalación [4, pp. 79-81] El diseño detallado según el tipo de instalación y complejidad, deberá cumplir los aspectos que le apliquen de la siguiente lista. [4, pp. 79-81] a) Análisis y cuadros de cargas iniciales y futuras, incluyendo análisis de factor de potencia y armónicos. b) Análisis de coordinación de aislamiento eléctrico.c) Análisis de cortocircuito y falla a tierra. d) Análisis de nivel de riesgo por rayos y medidas de protección contra rayos. e) Análisis de riesgos de origen eléctrico y medidas para mitigarlos. f) Análisis del nivel de tensión requerido. g) Cálculo de campos electromagnéticos para asegurar que en espacios destinados a actividades rutinarias de las personas, no se superen los límites de exposición definidos en la Tabla 14.1. h) Cálculo de transformadores, incluyendo los efectos de los armónicos y el factor de potencia en la carga. i) Cálculo del sistema de puesta a tierra. j) Cálculo económico de conductores, teniendo en cuenta todos los factores de pérdidas, las cargas resultantes y los costos de la energía. k) Verificación de los conductores, teniendo en cuenta el tiempo de disparo de los interruptores, la corriente de cortocircuito de la red y la capacidad de corriente del conductor de acuerdo con la norma IEC 60909, IEEE 242, capítulo 9 o equivalente. l) Cálculo mecánico de estructuras y elementos de sujeción de equipos. m) Cálculo y coordinación de protecciones contra sobrecorrientes. En baja tensión se permite la coordinación con las características de limitación de corriente de los dispositivos según IEC 60947-2 Anexo A. n) Cálculos de canalizaciones (Tubo, ductos, canaletas y electroductos) y volumen de encerramientos (Cajas, tableros, conduletas, etc.). o) Cálculos de pérdidas de energía, teniendo en cuenta los efectos de armónicos y factor de potencia. p) Cálculos de regulación. 8 q) Clasificación de áreas. r) Elaboración de diagramas unifilares. A continuación se describirá en detalle la metodología a seguir para desarrollar apropiadamente cada uno de los cálculos exigidos por el RETIE en la elaboración de un diseño eléctrico detallado. 3.1. ANÁLISIS DE CARGAS EXISTENTES Y FUTURAS En el capítulo 1 de las memorias de cálculo, se evaluarán tres aspectos: la carga instalada, el análisis de armónicos y el análisis de factor de potencia, de la siguiente forma: 3.1.1. Carga Instalada Los cuadros de carga son una parte vital en cualquier proyecto eléctrico, en ellos se muestra detalladamente la información referente a cargas eléctricas (por circuito, por fase y totales), capacidad de las protecciones, calibre de los conductores, número de circuitos y descripción de las cargas que maneja cada uno, para un tablero eléctrico en particular, o para toda la instalación. Para elaborar los cuadros de cargas, es necesario contar con un diseño de instalaciones eléctricas (planos), así como conocer las especificaciones técnicas de los equipos de gran potencia que formarán parte del proyecto a ejecutar (motores, motobombas, puente grúas, etc…). Existen diversos formatos que se pueden emplear al momento de elaborar un cuadro de cargas, principalmente, se utilizarán dos (2) formatos diferentes, para el desarrollo de un proyecto eléctrico; el primero será incluido en las memorias de cálculo, el segundo formará parte de los planos de diseño, mas no se incluirá en los planos que se presentan a la electrificadora; en su lugar, será incluido como un anexo al proyecto. A continuación se muestran los dos esquemas mencionados. 3.1.1.1. Cuadro de cargas, formato 1 En la tabla 1 se muestra el primer formato de cuadros de cargas a utilizar, será parte del primer capítulo de las memorias de cálculo (Análisis de cargas existentes y futuras), en él se incluirán las cargas eléctricas totales por tablero 9 o los equipos eléctricos de gran potencia, especificando el tablero al que corresponden. Tabla 1: Primer formato para elaboración de cuadros de cargas. DESCRIPCIÓN TABLERO CARGA INSTALADA HP KVA Carga 1 Tablero # # Carga 2 Tablero # # Carga 3 Tablero # # Carga 4 Tablero # # Carga n Tablero # # TOTAL CARGA INSTALADA # # 3.1.1.2. Cuadro de cargas, formato 2: El segundo formato a utilizar, para la elaboración de cuadros de carga, es el que deberá ser incluido en los planos del diseño eléctrico y en las memorias de cálculo del proyecto de subestación, como un anexo. Este formato no deberá incluirse en los planos que serán presentados ante la electrificadora para aprobación del proyecto. En la tabla 2 se muestra el formato mencionado, tomado de un proyecto eléctrico aprobado por CODENSA [1], como ejemplo. Tabla 2: Segundo formato para elaboración de cuadros de cargas. 10 3.1.2. Análisis de Armónicos Siguiendo lo indicado en el Std IEEE 519 de 1992, las principales fuentes de armónicos para una instalación eléctrica son: Convertidores. Hornos de arco. Compensador de VAR estático. Inversores monofásicos. Inversores trifásicos. Controles de fase electrónicos. Cicloconvertidores. Variadores de modulación con ancho de pulso. Los proyectos tomados como ejemplos, no cuentan con este tipo de cargas, por lo tanto, los efectos provocados por armónicos son despreciables. 3.1.3. Carga Demandada En la norma NTC 2050 tabla 220-11 [5] se muestran los factores de demanda para Cargas eléctricas en edificaciones residenciales y no residenciales. Para las cargas que involucran motores, el factor de demanda se establece según artículos 430-24 y 430-26 de la NTC 2050 [5]. Tabla 3: Formato cuadro de cargas, carga demandada. DESCRIPCIÓN TABLERO CARGA (KVA) FACTOR DE DIVERSIDAD CARGA DIVERSIFICADA Carga 1 Tablero # # Carga*FD Carga 2 Tablero # # Carga*FD Carga 3 Tablero # # Carga*FD Carga n Tablero # # Carga*FD TOTAL CARGA DEMANDADA (KVA) # 3.2. COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO La coordinación de aislamiento, tiene como objeto determinar la distancia de fuga que manejarán los aisladores conectados a las estructuras de M.T. y B.T, que formen parte del proyecto. A continuación se muestran paso a paso los cálculos necesarios para desarrollar correctamente esta sección del proyecto. 11 En la tabla 4 se muestran los niveles de aislamiento normalizados para redes de Media Tensión: Tabla 4: Niveles de aislamiento normalizados. TENSIÓN NOMINAL DEL SISTEMA (kV) NIVEL DE AISLAMIENTO BIL (Kv) 13.2 110 34.5 200 Fuente: EBSA S.A E.S.P [6] Estos niveles de aislamiento y de tensión, deben aplicarse para todos los equipos que formen parte del sistema de distribución. [6] Aisladores: De todos los elementos de la línea, los aisladores son los que demandan mayor cuidado, tanto en su elección, como en su control de recepción, colocación y vigilancia en explotación. En efecto, frágiles por naturaleza, se ven sometidos a esfuerzos combinados, mecánicos, eléctricos y térmicos, colaborando todos ellos a su destrucción. [6] En la Tabla 5, se muestran las características constructivas de los diferentes tipos de aisladores. Tabla 5: Tipos de aisladores. TIPO DE AISLADOR CARACTERÍSTICAS DE PIN Se emplean como aisladores de soporte y alineamiento en líneas de distribución. Son excelentes para el control de corriente de fuga. Aplicado en tensiones de distribución y subtransmisión, para ambientes normales y contaminados. DE DISCO Empleados en líneas eléctricas de transmisión (10”) y distribución (6”). Sus características están normalizadas según el peso o fuerza soportable, el nivel de contaminación admisible y el diámetro. POLIMÉRICO Se emplean cuando han de soportar grandes esfuerzos mecánicos, debido a que su resistencia mecánica es aproximadamente el doble que los de porcelana, y sus propiedades aislantes también son superiores; sin embargo, su costo es considerablemente mayor. TENSOR Aislador de porcelana o sintético, de forma cilíndrica con dos agujeros y ranuras transversales. Se usa como soporte aislador entre el poste y el suelo en los cables tensores, y para tensar líneas aéreas y estructuras de 12 distribución. Es particularmente resistente a la compresión. Fuente: EBSA S.A E.S.P [6]Selección de aisladores: Los aisladores utilizados, independientemente del tipo, deben poseer certificado de conformidad expedido por un ente acreditado por la SIC tal como se establece en el RETIE, Art. 20.1, pág. 83. [6] En la selección de los aisladores, se debe tener en cuenta el nivel de tensión de la red, el nivel de aislamiento y el grado de contaminación. [6] Las cualidades específicas que deben cumplir los aisladores son: rigidez dieléctrica, resistencia mecánica, resistencia a las variaciones de temperatura y ausencia de envejecimiento. [6] 3.2.1. Distancias mínimas de fuga Las distancias mínimas de fuga, según el grado de contaminación establecido en la norma IEC 60071-2, se muestran en la tabla 6. Tabla 6, Distancias mínimas de fuga. GRADO DE CONTAMINACIÓN DESCRIPCIÓN DISTANCIA MÍNIMA DE FUGA (DF) I-Insignificante 1. Áreas no industriales y de baja densidad de casas equipadas con equipos de calefacción. 2. Áreas con baja densidad de industrias o casas, pero sometidas a frecuentes vientos y/o lluvias. 3. Áreas agrícolas. 4. Áreas montañosas. 5. Todas las áreas anteriores deben estar situadas al menos entre 10 y 20 km y no estar sometidas a vientos provenientes del mismo. 16 mm/kV II-Medio 6. Áreas con industrias poco contaminantes y/o casas equipadas con plantas de calefacción. 20 mm/kV 13 7. Áreas con alta densidad de industrias o casas, pero sometidas a frecuentes vientos y/o lluvias. 8. Áreas expuestas a vientos del mar, pero no próximas a la costa. III-Fuerte 9. Áreas con alta densidad de industrias y suburbios de grandes ciudades con alta densidad de plantas de calefacción produciendo polución. 10. Áreas próximas al mar o expuestas a vientos relativamente fuertes provenientes del mar. 25 mm/kV IV-Muy Fuerte 11. Áreas sometidas a humos contaminantes que producen depósitos conductores espesos. 12. Áreas muy próximas al mar, sujetas a vientos muy fuertes. 13. Áreas desiertas expuestas a vientos que contienen arena y sal 31 mm/kV Fuente: EBSA S.A E.S.P [6] La distancia total de fuga de los aisladores, se calcula con la ecuación 1. (1) 𝑫𝒕 = 𝑽𝒎𝒂𝒙 √𝟑 𝒙𝑫𝒇𝒙𝜹 Donde: 𝐷𝑡: Distancia total de fuga mm 𝑉𝑚𝑎𝑥: Tensión máxima de operación KV Para redes de 13,2 kV y 34,5 kV se deben tomar 17,5 kV y 36 kV como las tensiones máximas respectivamente. 𝐷𝑓: Distancia mínima de fuga mm/KV 𝛿: Factor de corrección por densidad del aire, ecuación 2. (2) 𝜹 = 𝒆𝒉/𝟖𝟏𝟓𝟎 Donde: ℎ: Altura sobre el nivel del mar 14 El número de aisladores a instalar, por estructura, se calcula como la razón entre la distancia total de fuga, y la distancia de fuga del aislador seleccionado; como se muestra en la ecuación 3. (3) # 𝒅𝒆 𝒂𝒊𝒔𝒍𝒂𝒅𝒐𝒓𝒆𝒔 = 𝑫𝒕 𝑫𝒂𝒊𝒔𝒍𝒂𝒅𝒐𝒓 A continuación se muestra un ejemplo del cálculo de la distancia de fuga para los aisladores instalados en un proyecto eléctrico aprobado por EBSA [2]: 𝛿 = 𝑒2525/8150 = 𝑒0.31 𝛿 = 1.36 Por la ubicación del proyecto, se asume una distancia mínima de fuga para zonas con grado de contaminación insignificante, de 16 mm/kV. 𝐷𝑡 = 17.5𝐾𝑉 √3 𝑥16𝑚𝑚/𝑘𝑉𝑥1.36 𝐷𝑡 = 219.85𝑚𝑚 La distancia de fuga para aisladores poliméricos clase ANSI (DS-15) es de 410mm por lo tanto la cantidad de aisladores requeridos para la estructura es: # 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑠𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟𝑒𝑠 = 𝐷𝑡 𝐷𝑎𝑖𝑠𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟 = 219.85𝑚𝑚 410𝑚𝑚 # 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑠𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟𝑒𝑠 = 0.53 Se aproxima a un (1) Juego de aisladores poliméricos para cada línea. 3.3. ANÁLISIS DE CORTO CIRCUITO Y FALLA A TIERRA En esta sección se calculará la corriente de cortocircuito del transformador a instalar, y se analizarán las corrientes simétricas y asimétricas de la Subcentral a la que se encuentre conectado el Centro de Distribución del cual se alimentará la subestación perteneciente al proyecto, y que debe estar especificado en la factibilidad de servicio. 15 3.3.1. Cálculo de Corriente de Cortocircuito Para calcular la corriente de cortocircuito, en el caso de una falla en bornes secundarios del transformador, referida al primario; se deben aplicar las ecuaciones 4 a 7 [7]: (4) 𝑰𝑵𝒐𝒎 = 𝑲𝑽𝑨 𝒙 𝟏𝟎𝟎𝟎 𝑬𝟐 𝒙 √𝟑 (5) 𝑭𝒂𝒄𝒕𝒐𝒓 𝑴𝒖𝒍𝒕𝒊𝒑𝒍𝒊𝒄𝒂𝒅𝒐𝒓 (𝑴) = 𝟏𝟎𝟎 𝒁% (6) 𝑰𝒄𝒄 𝑺𝒆𝒄𝒖𝒏𝒅𝒂𝒓𝒊𝒐 = 𝑰𝑵𝒐𝒎 𝒙 𝑴 (7) 𝑰𝒄𝒄 𝑷𝒓𝒊𝒎𝒂𝒓𝒊𝒐 = 𝑰𝒄𝒄𝑺𝒆𝒄 𝒙 𝑬𝟐 𝑬𝟏 Donde Inom : Corriente Nominal Secundario Transformador KVA : Potencia Nominal Transformador Z ( %) : Valor de la Impedancia de cortocircuito del Transformador Icc : Corriente del Cortocircuito E1 : Tensión de línea en el primario del transformador E2 : Tensión de línea en el secundario del transformador 3.2.2. Corrientes simétricas y asimétricas Las corrientes simétricas y asimétricas de la subcentral, deberán ser solicitadas al departamento de protecciones del operador de red respectivo (Codensa [1], EBSA [2], Electricaribe [8], etc…), así como la curva correspondiente a la coordinación de protecciones de dicha subcentral. Las corrientes simétricas serán utilizadas en el estudio de coordinación de protecciones, y las corrientes asimétricas servirán para el diseño del sistema de puesta a tierra SPT. 16 En las imágenes 1 y 2 se muestra un ejemplo de las curvas de coordinación y las corrientes simétricas y asimétricas de una subcentral, en este caso, otorgadas por CODENSA S.A. E.S.P [1]. Imagen 1: Curvas de coordinación reconectador otorgadas por Codensa [1]. 17 Imagen 2: Corrientes simétricas y asimétricas otorgadas por Codensa [1] 3.4. ANÁLISIS DE RIESGO POR DESCARGAS ATMOSFÉRICAS El análisis de riesgo por descargas atmosféricas, es un estudio que se realiza con el fin de definir el nivel de protección en el sistema de protección contra rayos SIPRA, que requerirá la edificación para la cual se está presentando el proyecto de subestación. 18 Los niveles de protección van desde: Nivel % de protección Sin protección: 0% Nivel de protección IV: 84% Nivel de protección III: 91% Nivel de protección II: 97% Nivel de protección I: 99% El nivel de protección a utilizar será seleccionado bajo el criterio del ingeniero profesional en electrotecnia que realice el proyecto, y se verificará su cumplimiento con la norma IEC 62305 mediante la aplicación de un software. 3.4.1. Terminología SIPRA [9]: Para propósito de dicha norma, se aplican las siguientes definiciones: Apantallamiento magnético (Magnetic Shield). Conjunto de elementos metálicos que encierran el objeto a proteger, o parte de este, para reducir fallas en sistemas eléctricos y electrónicos. Carga del rayo (Qrayo) (Flash Charge). Integral en el tiempo de la corriente del rayo para la duración completa del rayo. Carga eléctrica de una descarga corta (Qcorta) (Short Stroke Charge). Integral en el tiempo de la corriente de rayo en una descarga corta. Carga eléctrica de una descarga larga (Qlarga) (Long Stroke Charge). Integral en el tiempo de la corriente de rayo en una descarga larga. Conductor blindado (Shielding Wire). Conductor metálico (alambre) usado para reducir daños físicos en acometidas, causados por el rayo. Conexión equipotencial de rayo (Lightning Equipotential Bonding). Conexiones al SIPRA de piezas metálicas separadas por conexiones conductoras directas por dispositivos de protección contra sobretensiones (DPS), empleadas para reducir las diferencias de potencial causadas por corrientes de rayo. Corriente de rayo (i) (Lightning Current). Corriente que fluye en el punto de impacto. 19 Daño físico (Physical Damage). Daño a la estructura o al contenido de la misma debido a efectos mecánicos,térmicos, químicos y explosivos del rayo. Descarga (Stroke). Descarga eléctrica atmosférica simple. Descarga ascendente (Upward Flash). Rayo iniciado por un líder ascendente desde una estructura conectada a tierra hacia una nube. Una descarga ascendente consiste de una primera descarga larga con o sin múltiples descargas cortas sobrepuestas. Una o más descargas cortas pueden ser seguidas por una descarga larga. Descarga corta (Short Stroke). Parte del rayo que corresponde a un impulso de corriente. Esta corriente tiene un tiempo medio T2 comúnmente menor a 2ms. Descarga descendente (Downward Flash). Rayo iniciado por un líder descendente de nube a tierra. La descarga descendente consiste en una primera descarga corta (short stroke), que puede estar seguida por otras descargas cortas subsecuentes. Una o más descargas cortas pueden ser seguidas por una descarga larga. Descarga larga (Long Stroke). Parte del rayo que corresponde a una corriente continua. El tiempo de duración Tlargo (tiempo del 10% del valor en el frente al 10% del valor en la cola) de esta corriente continua, es típicamente mayor de 2ms y menor de 1 segundo. Descarga nube tierra (Lighting Flash to Earth). Rayo de origen atmosférico entre nube y tierra que consiste en una o más descargas (Strokes). Dispositivo de protección contra sobretensiones DPS (Surge Protective Device SPD). Dispositivo que limita intencionalmente las sobretensiones transitorias y dispersa las sobrecorrientes transitorias. Contiene por lo menos un componente no lineal. Dispositivo de protección contra sobretensiones transitorias del tipo conmutación de tensión. Un DPS que tiene una alta impedancia cuando no está presente un transitorio, pero que cambia súbitamente su impedancia a un valor bajo en respuesta a un transitorio de tensión. Ejemplos de estos dispositivos son: Los vía de chispa, tubos de gas, entre otros. Dispositivo de protección contra sobretensiones transitorias del tipo limitación de la tensión. Un DPS que tiene una alta impedancia cuando no está presente un transitorio, pero que se reduce gradualmente con el incremento de la corriente y la tensión transitoria. 20 Ejemplos de estos dispositivos son: varistores, diodos de supresión, entre otros. Duración de corriente de descarga larga (Tlarga)(Duration of Long Stroke Current). Tiempo que dura la descarga larga. Duración del rayo (T) (Flash Duration). Tiempo durante el cual la corriente del rayo fluye en el punto de impacto. Energía específica de la corriente de descarga corta (Specific Energy of Short Stroke Current). Integral en el tiempo del cuadrado de la corriente de rayo para una descarga corta. (Nota: La energía específica de una descarga corta es insignificante). Energía específica del rayo (W/R) (Specific Energy). Representa la energía disipada por la corriente de rayo en una resistencia unitaria y se obtiene mediante la integral en el tiempo del cuadrado de la corriente de rayo para la duración completa del mismo. Estructura a ser protegida (Structure to be protected). Estructura para la cual se requiere protección contra efectos del rayo. (Nota: Una estructura protegida puede ser parte de una estructura más grande). Falla del sistema eléctrico y electrónico (Faliure of Electrical an Electronic System). Daños permanentes del sistema eléctrico y electrónico por causa de efectos electromagnéticos del rayo. Impulso electromagnético del rayo IER (Lightning Electromagnetic Impulse LEMP). Campo electromagnético generado por la corriente del rayo, capaz de generar interferencia electromagnética. Lesiones a seres vivos (Injuries of Living Beings). Pérdidas de facultades físicas, biológicas, psíquicas, incluida la vida, de personas o animales debidas a tensiones de paso o de contacto causados por el rayo. Máxima tensión de operación continua (Maximum Continuous Operating Voltage). Máxima tensión c.a. o c.c. que puede ser aplicada continuamente a un DPS en cualquier modo de protección. Es igual a la máxima tensión nominal del dispositivo. Medidas de protección (Protection Measures). Medidas a ser adoptadas en el objeto a proteger con el fin de reducir el riesgo debido a rayos. Multiplicidad (Multiple Strokes). Número de descargas que componen un rayo. Para el caso de la región colombiana, la multiplicidad presenta un valor promedio entre 1 y 2, con un intervalo típico de tiempo entre estas, de aproximadamente 50 ms (Se han 21 reportado eventos de hasta 16 descargas con intervalos entre 10 a 250 ms). Nivel de protección contra rayos NPR (Lightning Protection Level LPL). Número relacionado con un conjunto de los parámetros de la corriente de rayo, pertinentes a la probabilidad que asocia los valores de diseño máximo y mínimo, son valores que no serán excedidos cuando naturalmente ocurra una descarga eléctrica atmosférica. (Nota: El nivel de protección contra rayo se utiliza para diseñar las medidas de protección contra rayo). Nivel de protección en tensión (Voltege Protection Level). Es el valor máximo de tensión que aparece entre los terminales de un DPS cuando opera a sus condiciones nominales. Objeto a proteger (Object to be Protected). Estructura o acometida de servicio a ser protegida contra los efectos del rayo. Origen virtual de la corriente de descarga corta (O1) (Virtual Origen of Short Stroke Current). Punto de intersección de una línea recta con el eje del tiempo, la cual une el 10% y el 90% de los puntos de referencia sobre la entrada de la corriente de descarga. Partes externas conductoras (External Conductive Parts). Extensiones de partes metálicas que ingresan o salen de la estructura a proteger, por ejemplo tuberías, cables metálicos, ductos metálicos, entre otros, que pueden llevar corrientes parciales de rayo. Pendiente promedio de la corriente de descarga corta (Average Steepness of the Short Stroke Current). Rata promedio de variación de la corriente de descarga dentro de un intervalo de tiempo t1-t2. Es expresada por la diferencia i(t2)-i(t1) de los valores de corriente en el comienzo y en el final de este intervalo, dividido por el intervalo de tiempo t2-t1. Punto de impacto (Point of Strike). Punto donde una descarga toca tierra o un objeto elevado (ejemplo: estructuras, sistemas de protección contra rayos, acometidas, árboles, entre otros.) (Nota: Una descarga puede tener más de un punto de impacto). Rayo (Lightning). La descarga eléctrica atmosférica o más comúnmente conocida como rayo, es un fenómeno físico que se caracteriza por una transferencia de carga eléctrica de una nube hacia la tierra, de la tierra hacia la nube, entre dos nubes, al interior de una nube o de la nube hacia la ionósfera. 22 Rayo cercano a un objeto (Lightning Flash Near to an Object). Rayo que impacta en la vecindad de un objeto protegido capaz de dañar el sistema eléctrico o electrónico. Rayo en un objeto (Lightning to an Object). Rayo que impacta a un objeto a ser protegido. Riesgo (R). Valor probabilístico relativo a una pérdida anual (seres humanos y bienes), causada por el rayo y relativas al valor del objeto a proteger. Riesgo tolerable (RT) (Tolerable Risk). Valor máximo del riesgo que se puede tolerar para el objeto a proteger. Servicios a proteger (Services to be Protected). Servicios incorporados a una estructura para la cual se requiere protección contra los efectos del rayo. (Nota: Las acometidas eléctricas y de telecomunicaciones, son las más afectadas por el rayo). Sistema de captación (Air Terminal System). Parte de un SIPRA, compuesto de elementos metálicos tales como bayonetas o pararrayos tipo Franklin, conductores de acoplamiento o cables colgantes que interceptan intencionalmente el rayo. Sistema de conductores bajantes (Down ConductorsSystem). Parte de un SIPRA que conduce intencionalmente la corriente del rayo desde el sistema de captación al sistema de puesta a tierra. Sistema de protección contra sobretensiones (Surge Protection Devices System). Conjunto de DPS seleccionados, coordinados e instalados correctamente para reducir fallas de sistemas eléctricos, electrónicos y de telecomunicaciones. Sistema de protección externa (External Lightning Protection System). Parte del SIPRA que consiste en un sistema de puntas de captación (Pararrayos tipo Franklin), un sistema de conductor bajante y un sistema de puesta a tierra. (Nota: Generalmente estos elementos están instalados externamente a la estructura). Sistema de protección Interna (internal Lightning Protection System). Parte de un SIPRA que consiste en una conexión equipotencial de rayo y acorde con la distancia de separación dentro de la estructura protegida. Sistema de puesta a tierra (Earth Termination System). Parte de un SIPRA que conduce y dispersa intencionalmente la corriente de rayo en tierra. 23 Sistema eléctrico (Electrical System). Sistema que incluye componentes de suministro eléctrico de baja tensión y posiblemente componentes electrónicos. Sistema electrónico (Electronic System). Sistema que incluye componentes electrónicos sensibles tales como equipos de comunicación, computadores, instrumentos de control e instrumentación, sistemas de radio, instalaciones electrónicas de potencia. Sistema integral de protección contra rayo SIPRA (Lightning Protection System LPS). Sistema integral usado para reducir los daños físicos que pueden ser causados por el rayo a un ser vivo o a una estructura. Se puede considerar la medida más efectiva para proteger las estructuras contra los daños físicos causados por las descargas eléctricas atmosféricas. Este sistema usualmente consiste tanto de una protección externa, una interna y medidas de seguridad y protección personal contra rayos. Sistema interno (internal System). Sistemas eléctricos y electrónicos dentro de una estructura. Tensión de contacto. Diferencia de potencial que durante una falla se presenta entre una estructura metálica puesta a tierra y un punto de la superficie del terreno a una distancia de un metro. Esta distancia horizontal es equivalente a la máxima que se puede alcanzar al extender un brazo. Tensión de paso. Diferencia de potencial que durante una falla se presenta entre dos puntos de la superficie del terreno, separados por una distancia de un paso (aproximadamente 1 metro). Tensión nominal soportable al impulso tipo rayo (Uw). Valor de tensión asignado por el fabricante al equipo o a una parte de este, que caracteriza la rigidez dieléctrica al impulso de su aislamiento contra sobretensiones. Tensión residual (Residual Voltage). Es el valor pico de la tensión que aparece entre los terminales de un DPS debido al paso de una corriente de descarga. Terminal de captación o dispositivo de interceptación de rayos (Air Terminal): Elemento metálico cuya función es interceptar los rayos que podrían impactar directamente sobre la instalación a proteger. Comúnmente se le conoce como pararrayos. 24 Tiempo de cola (T2) (Time to Half Value of Short Stroke Current). Parámetro virtual definido como el intervalo de tiempo entre el origen virtual O1 y el instante en que la corriente ha disminuido a la mitad del valor máximo. Tiempo de frente de la corriente de descarga corta (T1) (Front Time of Short Stroke Current (T1)). Parámetro virtual definido como 1.25 veces el intervalo de tiempo entre los instantes en que se alcanza el 10% y el 90% del valor máximo. Valor pico (I) (Peak Value). Valor máximo de la corriente de rayo. Zona de protección contra rayos ZPR (Lightning Protection Zone LPZ). Zona donde está definido el ambiente electromagnético del rayo. 3.4.2. Sistema de Protección contra Rayos SIPRA [9] Dónde se debe implementar un SIPRA: Donde exista alta concentración de personas. Viviendas Multifamiliares. Oficinas. Hoteles. Hospitales. Centros educativos. Centros Comerciales. Supermercados. Parques de diversión. Industrias. Prisiones. Aeropuertos. Para realizar la evaluación de riesgo se deben determinar varios factores característicos como el tipo de estructura, densidad de descargas a tierra, características del rayo en el siguiente diagrama de flujo se observa una metodología de evaluación de riesgo. Las consecuencias más graves de la caída de rayos son la muerte de personas y de animales de granja, así como la destrucción de equipos: líneas telefónicas, transformadores conectados a la red de distribución de energía eléctrica, contadores eléctricos, electrodomésticos, etc. Al mismo tiempo el creciente número de equipos que incorporan dispositivos electrónicos muy 25 sensibles conlleva un incremento de las incidencias asociadas con la caída de rayos. 3.4.3. Área efectiva de la edificación El área efectiva Ad está definida por la intersección entre la superficie del terreno y una línea recta con pendiente 1/3 de inclinación, la cual pasa arriba de las partes de la estructura (tocándola allí) y rotando alrededor de esta. Para una estructura aislada rectangular con longitud L, ancho W y altura H sobre un terreno plano, el área efectiva se calcula aplicando la ecuación 8. (8) 𝑨𝒅 = 𝑳𝒘 + 𝟔𝑯(𝑳 + 𝑾) + 𝟗(𝑯)𝟐 Para una estructura con forma compleja como elevaciones en el techo de altura Hp, el área efectiva puede calcularse con la ecuación 9: (9) 𝑨𝒅 = 𝟗𝝅(𝑯𝒑)𝟐 3.4.4. Analisis de riesgo mediante software, aplicando norma IEC62305 Software: IEC Risk Assessment Calculator IEC Risk Assessment Calculator, es un software aprobado por las diferentes electrificadoras, que permite verificar el cumplimiento de la normativa, según el tipo de edificación que se quiere proteger, y el nivel de Sistema de Protección Contra Rayos que se instalará [4]. En la imagen 3 se muestra la interfaz del software. 26 Imagen 3: IEC Risk Assessment Calculator interfaz. A continuación se describirán brevemente cada una de las secciones del software: Dimensiones de la estructura: En la primera sección del software se deberán especificar las dimensiones, en metros, de la estructura civil que se desea proteger, asumiéndola como una estructura rectangular. Una vez se introduzcan los valores de longitud, anchura y altura de la edificación, así como la altura del mayor saliente del tejado, el software calculará y nos mostrará un área equivalente, que será el valor con el que este realizará los cálculos correspondientes al estudio. Características de la estructura: En esta sección se describirán algunas características físicas de la estructura, las cuales son: o Riesgo de incendio o daños físicos: Es la probabilidad de que una descarga eléctrica genere un incendio en la estructura, con base a los materiales que la componen. 27 o Eficacia del apantallamiento: Es la capacidad de la estructura para manejar corrientes eléctricas de una forma segura para las personas, con base en los materiales que la componen. o Tipo de cableado interno: Se deberá especificar si el cableado empleado para las instalaciones eléctricas y de comunicaciones será en su mayoría apantallado o no apantallado. Influencias ambientales: En esta sección se incluirá la información referente al ambiente en el que será construida la estructura, esta información es: o Situación respecto a los alrededores: Hace referencia a la presencia de construcciones civiles rodeando la estructura, y a su altura en relación con esta. o Factor ambiental: Rural, semiurbano o urbano. o Número de días de tormenta: Se refiere, en promedio, a la cantidad de días de tormenta durante un año; basadoen el nivel isoceráunico del lugar dónde se ejecuta el proyecto. Líneas de conducción eléctrica: En esta sección se especificarán las redes eléctricas y de comunicaciones que llegan a la estructura. o Línea eléctrica: Acometida principal en M.T o en B.T que energizará la estructura, se especificará si el cable es aéreo o subterráneo, apantallado o no apantallado, y si en la estructura se instalará la subestación. o Otros servicios aéreos: Se debe especificar si habrán servicios adicionales ingresando a la estructura de manera aérea, y si el cable que los transmite es apantallado o no. o Otros servicios enterrados: Se debe especificar si habrán servicios adicionales ingresando a la estructura de manera subterránea, y si el cable que los transmite es apantallado o no. Métodos de protección: En esta sección se indicará el nivel de protección contra descargas atmosféricas que se implementará en el proyecto. o Clase de SPCR: Es el nivel de protección seleccionado (Nivel I, II, III, IV o sin protección). 28 o Protección contra incendios: Medidas de protección contraincendios a implementar en la estructura (Sistemas automáticos, manuales, o ninguno). o Protección contra sobretensiones: Nivel de protección contra sobretensiones que tendrá la subestación. Tipos de pérdidas: Clasificación de los tipos y cantidad de pérdidas que se podrían presentar en caso de una catástrofe generada por descargas atmosféricas. o Pérdidas de vidas humanas: Cantidad promedio de personas que habitarán la estructura, así como el tipo de estructura, el tiempo que le llevaría a las personas evacuar en caso de una catástrofe y las posibles pérdidas humanas en caso de daños en equipos eléctricos; como sería el caso de hospitales o edificaciones con ascensor. o Pérdida de servicios esenciales: En estructuras desde las cuales se suministra algún servicio público, cómo televisión, radio, agua o gas, se debe tener en cuenta la posible interrupción de dichos servicios, debidos a un incendio o a una sobretensión en la estructura. o Pérdidas de patrimonio cultural: Pérdida de material histórico que se almacene en algunas edificaciones, cómo museos o iglesias, debido a incendios o sobretensiones. o Pérdidas económicas: Posibles pérdidas económicas en caso de una catástrofe provocada por descargas atmosféricas, dependiendo del tipo de estructura, y los elementos que se almacenen dentro de esta; pues, por ejemplo, el almacenamiento de algunas sustancias químicas podría ocasionar elevados niveles de contaminación en el sector. También, un incendio podría provocar grandes pérdidas en campos de agricultura, entre otras. Riesgos calculados: Son los diversos valores de riesgo, calculados por el software en cuanto a pérdidas de vidas humanas, servicios esenciales, patrimonio cultural y pérdidas económicas. o Riesgo soportable: Es el valor de riesgo máximo soportable para que el sistema de protección contra rayos cumpla la norma. 29 o Riesgo importante directo: Es el riesgo que se presentaría dentro de la estructura, en caso de una descarga atmosférica sobre esta, en cuanto a los diferentes tipos de pérdidas analizados. o Riesgo importante indirecto: Es el riesgo que se presentaría alrededor de la estructura, en caso de una descarga atmosférica sobre esta, en cuanto a los diferentes tipos de pérdidas analizados. o Riesgo calculado: Es el valor final de riesgo, calculado por el programa, teniendo en cuenta todos los datos introducidos. Si el riesgo es tolerable, este valor se mostrará en color verde; si es no tolerable, se mostrará en color rojo. 3.4.5. Resultados Una vez introducidos los datos, el software se encargará de procesarlos y mostrará una serie de resultados finales, que se muestran en las imágenes 4 y 5. Imagen 4: Resultados IEC Risk Assessment Calculator, área de colección. 30 Imagen 5: Resultados IEC Risk Assessment Calculator, categoría de las pérdidas. 3.4.6. Análisis de resultados Impactos de rayo a las áreas de colección: Son las áreas en 𝑚2, calculadas por el software, referentes a la estructura, sus rededores y líneas de electricidad aéreas y subterráneas aledañas, así como la cantidad promedio de rayos por año que impactarían en dichas áreas. Categorías de las pérdidas: Es la probabilidad de que se presenten pérdidas de determinado tipo, en caso de una descarga atmosférica sobre la estructura o en sus alrededores. 3.5. ANÁLISIS DE RIESGOS DE ORIGEN ELÉCTRICO Y MEDIDAS PARA MITIGARLOS Nivel de riesgo: Equivale a grado de riesgo. Es el resultado de la valoración conjunta de la probabilidad de ocurrencia de los accidentes, de la gravedad de sus efectos y de la vulnerabilidad del medio [4, p. 45]. 31 Se entenderá que una instalación eléctrica es de PELIGRO INMINENTE o de ALTO RIESGO, cuando carezca de las medidas de protección frente a condiciones donde se comprometa la salud o la vida de personas, tales como: ausencia de la electricidad, arco eléctrico, contacto directo e indirecto con partes energizadas, rayos, sobretensiones, sobrecargas, cortocircuitos, tensiones de paso, contacto y transferidas que excedan límites permitidos [4, p. 73] 3.5.1. Factores de Riesgo más comunes En la tabla 7 se muestran algunos de los factores de riesgo más comunes, sus posibles causas y algunas medidas de protección: Tabla 7: Factores de riesgos eléctricos más comunes. 32 33 Fuente: RETIE [4, pp. 76-78] 3.5.2. Matriz de análisis de riesgos Con el fin de evaluar el nivel de riesgo de tipo eléctrico, el RETIE recomienda aplicar la matriz que se muestra en la Tabla 8. 34 Tabla 8: Matriz de riesgos recomendada por el RETIE. Fuente: RETIE [4, p. 74] 35 Con base en la matriz elaborada por el RETIE (Tabla 8), se elaboró la tabla 9, en la que se redistribuyeron y resaltaron algunas casillas; con el fin de facilitar la elaboración de matrices de riesgo en proyectos eléctricos. El estudio debe ser realizado por un profesional en electrotecnia. La metodología a seguir en un caso particular es la siguiente: 1. Seleccionar el factor de riesgo a estudiar (Tabla 7), el evento o efecto que este podría causar y su fuente de origen (Ver ejemplo, Tabla 9). 2. Definir si el riesgo es potencial o real. 3. Seleccionar en la matriz las consecuencias (1, 2, 3, 4 o 5) que dicho evento podría causar a nivel humano, económico, ambiental y en la imagen de la empresa. 4. Seleccionar la columna correspondiente a la frecuencia (A, B. C. D o E) con la que ocurre cada evento. 5. Buscar el punto de cruce entre cada consecuencia (1, 2, 3, 4 y 5) y cada frecuencia (A, B, C, D y E). Estos puntos de cruce nos mostrarán el nivel de riesgo en personas, económicamente, ambientalmente y en la imagen de la empresa; y se deberá seleccionar, para el evento estudiado, el nivel de riesgo mayor entre los obtenidos. 6. Repetir el proceso para todos los eventos, factores de riesgo y fuentes que el ingeniero diseñador considere pertinentes, según el proyecto. 36 Tabla 9: Ejemplo matriz de riesgo. Riesgo a evaluar ___Daños leves___ __Contacto indirecto__ _Transformador_ Evento o efecto Factor de riesgo Fuente Potencial x Real C O N SE C U EN C IA S En personas Económicas Ambientales En la imagen de la empresa E D C B A No ha ocurrido en el sector Ha ocurrido en el sector Ha ocurrido en la empresa Sucede varias veces al año en la empresa Sucede varias veces al mes en la empresa 5 Una o más muertes Daño grave en infraes- tructura. Interrup- ción regional Contami- nación irrepara- ble Interna- cional MEDIO ALTO ALTO ALTO MUY ALTO 4 Incapa- cidad parcial perma- nente Daños mayoressalida de subesta- ción Contami- nación mayor Nacional MEDIO MEDIO MEDIO ALTO ALTO 3 Incapa- cidad temporal (>1 día) Daños severos. Interrup- ción temporal Contami- nación localiza- da Regional BAJO MEDIO MEDIO MEDIO ALTO 2 Lesión menor (Sin inca- pacidad) Daños importan- tes. Inte- rrupción breve Efecto menor Local BAJO BAJO MEDIO MEDIO MEDIO 1 Molestia funcional (afecta rendi- miento laboral Daños leves, no interrup- ción <Sin efecto Interna MUY BAJO BAJO BAJO BAJO MEDIO EVALUADOR:______________________ MP___________________ FECHA________________ 37 En la tabla 10 se muestran algunas decisiones a tomar y alternativas para ejecutar los trabajos, según el nivel de riesgo obtenido. Tabla 10: Decisiones y acciones para controlar el riesgo. Fuente: RETIE [4, p. 75] 3.5.3. Medidas para mitigar el riesgo eléctrico En esta sección se deben describir las diferentes medidas que se tomarán, en el proyecto, con el fin de reducir el riesgo eléctrico. Existen gran cantidad de alternativas para reducir el riesgo eléctrico en una instalación, a continuación se describen algunos de los más comunes: 38 La construcción de una Sistema de Puesta Tierra (SPT), tal como se calculó y especificó en el capítulo 10. Proveer el lado de Alta Tensión del Transformador, de Descargadores de Sobretensión DPS (uno por Borne). Instalación de descargadores de sobretensión DPS en los tableros eléctricos principales. Se recomienda la implementación de extintores, en todos los cuartos que contienen los diferentes equipos eléctricos. 3.5.4. Análisis de distancias de seguridad El análisis de distancias de seguridad se realiza con el fin de verificar en la etapa preconstructiva que una vez instalados todos los equipos y circuitos eléctricos del proyecto, se cumplirá con las exigencias del RETIE en este aspecto. Asimismo, no se podrá dar la certificación de conformidad con el RETIE a instalaciones que violen estas distancias. Teniendo en cuenta que frente al riesgo eléctrico la técnica más efectiva de prevención, siempre será guardar una distancia respecto a las partes energizadas, puesto que el aire es un excelente aislante, en este apartado se fijan las distancias mínimas que deben guardarse entre líneas o redes eléctricas y elementos físicos existentes a lo largo de su trazado (carreteras, edificaciones, piso del terreno destinado a sembrados, pastos o bosques, etc.), con el objeto de evitar contactos accidentales. En las tablas 8 y 9, se muestran dichas distancias para cada caso; todas las tensiones dadas en estas tablas son entre fases, para circuitos con neutro puesto a tierra sólidamente y otros circuitos en los que se tenga un tiempo despeje de falla a tierra acorde con el RETIE. [4, p. 90] En las imágenes 6, 7 y 8 se muestran los diagramas correspondientes a las distancias estipuladas en las tablas 11 y 12. 39 Imagen 6: Distancias mínimas de seguridad en zonas con construcciones. Tabla 11: Distancias mínimas de seguridad en zonas con construcciones. DESCRIPCIÓN TENSIÓN NOMINAL ENTRE FASES (Kv) DISTANCIA (m) Distancia vertical "a" sobre techos y proyecciones, aplicable solamente a zonas de muy difícil acceso a personas y siempre que el propietario o tenedor de la instalación eléctrica tenga absoluto control tanto de la instalación como de la edificación (Imagen 6). 44/34,5/33 3,8 13,8/13,2/11,4/7,6 3,8 <1 0,45 Distancia horizontal "b" a muros, balcones, salientes, ventanas y diferentes áreas, independientemente de la facilidad de accesibilidad de personas (Imagen 6). 66/57,5 2,5 44/34,5/33 2,3 13,8/13,2/11,4/7,6 2,3 <1 1,7 Distancia vertical "c" sobre o debajo de balcones o techos de fácil acceso a personas, y sobre techos accesibles a vehículos de máximo 2,45m de altura (Imagen 6). 44/34,5/33 4,1 13,8/13,2/11,4/7,6 4,1 <1 3,5 Distancia vertical "d" a carreteras, calles, callejones, zonas peatonales, áreas sujetas a tráfico vehicular. (Imagen 6) para vehículos de más de 2,45 m de altura. 115/110 6,1 66/57,5 5,8 44/34,5/33 5,6 13,8/13,2/11,4/7,6 5,6 <1 5,0 Fuente: RETIE [4, p. 92] 40 Imagen 7: Distancia “d” y “d1” en cruce y recorrido de vías. Imagen 8: Distancia “g” para cruce con ríos. 41 Tabla 12: Distancias verticales mínimas en vanos con líneas de diferentes tensiones. DESCRIPCIÓN TENSIÓN NOMINAL ENTRE FASES (Kv) DISTANCIA (m) Distancia mínima al suelo "d" en cruces con carreteras, calles, callejones, zonas peatonales, áreas sujetas a tráfico vehicular (Imagen 7) 500 11,5 230/220 8,5 115/110 6,1 66/57,5 5,8 44/34,5/33 5,6 13,8/13,2/11,4/7,6 5,6 <1 5,0 Cruce de líneas aéreas de baja tensión en grandes avenidas. 5,6 Distancia mínima al suelo "d1" desde líneas que recorren avenidas, carreteras y calles (imagen 7). 500 11,5 230/220 8 115/110 6,1 66/57,5 5,8 44/34,5/33 5,6 13,8/13,2/11,4/7,6 5,6 <1 5,0 Distancia mínima al suelo "d" en zonas de bosques de arbustos, áreas cultivadas, pastos, huertos, etc. Siempre que se tenga el control de la altura máxima que pueden alcanzar las copas de los arbustos o huertos, localizados en zonas de servidumbre (imagen 7). 500 8,6 230/220 6,8 115/110 6,1 66/57,5 5,8 44/34,5/33 5,6 13,8/13,2/11,4/7,6 5,6 <1 5,0 Distancia mínima vertical respecto al máximo nivel del agua "g" en cruce con ríos, canales navegables o flotantes adecuados para embarcaciones con altura superior a 2m e inferior a 7m (imagen 8). 500 12,9 230/220 11,3 115/110 10,6 66/57,5 10,4 44/34,5/33 10,2 13,8/13,2/11,4/7,6 10,2 <1 9,6 Distancia mínima vertical respecto al máximo nivel del agua "g" en cruce con ríos, canales navegables o flotantes no adecuados para embarcaciones con altura superior a 2m (imagen 8). 500 7,9 230/220 6,3 115/110 5,6 66/57,5 5,4 44/34,5/33 5,2 13,8/13,2/11,4/7,6 5,2 <1 4,6 Fuente: RETIE [4, p. 95] 42 Algunas electrificadoras, como EBSA [2]; exigen, tanto en memorias como en planos, que se muestre una foto del terreno en el que se realizará la obra civil; y se esquematice la ubicación de las redes aéreas y las estructuras más próximas a ellas, con el fin de mostrar, aproximadamente, el cumplimiento de las distancias mínimas de seguridad una vez terminada la construcción de la instalación eléctrica. 3.5.5. Distancias mínimas para trabajos en o cerca de partes energizadas Las partes energizadas a las que el trabajador pueda estar expuesto, se deben poner en condición de trabajo eléctricamente seguro antes de trabajar en o cerca de ellas, a menos que se demuestre que desenergizar introduzca riesgos adicionales. [4, p. 98] En las tablas 13, 14 y 15 se muestran las distancias mínimas para trabajos en o cerca de partes energizadas, según la naturaleza de la corriente eléctrica (A.C, C.C, D.C). En la imagen 9 se esquematizan las distancias mínimas para trabajos en o cerca de partes energizadas. Tabla 13: Distancias mínimas para trabajos en o cerca de partes energizadas en corriente alterna. Fuente: RETIE [4, p. 100] 43 Tabla 14: Distancias mínimas para trabajos en o cerca de partes energizadas en corriente continua. Fuente: RETIE [4, p. 100] Tabla 15: Distancias mínimas para trabajos en o cerca de partes energizadas en corriente directa. Fuente: RETIE [4, p. 101] Imagen 9: Límites de aproximación [4, p. 101]. 44 Con base en las tablas 13 – 15, y la imagen 9; se deberán realizar diagramas en los que se muestren las distancias de seguridad necesarias para los diferentes equipos que formen parte de la subestación eléctrica del proyecto. En las imágenes 10 y 11 se muestran ejemplos de dichos diagramas, pertenecientes a un proyecto eléctrico de subestación aprobadopor EBSA [2]. Tableros TP-SUB y TP-B2 a 220V y 460V respectivamente Imagen 10: Distancias de seguridad TP-SUB y TP-B2 a 220V y 460V respectivamente (ejemplo) Celda de medida M.T. y Celda Triplex a 13.2KV Imagen 11: Distancias de seguridad celda de medida en M.T. y celda triplex a 13.2kV (ejemplo). 45 3.6. ANÁLISIS DEL NIVEL DE TENSIÓN REQUERIDO El nivel de tensión requerido dependerá directamente de los niveles nominales de voltaje de los diferentes equipos eléctricos, electrónicos y electromecánicos que formen parte del proyecto (Motobombas, compresores, equipos médicos especiales, motores, etc…). En esta sección de las memorias de cálculo, se deberán definir los voltajes nominales del transformador o transformadores que formarán parte de la instalación eléctrica, y que suministrarán energía a todos los equipos conectados, aguas abajo, en el proyecto a construir; alimentados en M.T por la red eléctrica del Sistema Interconectado Nacional, SIN; administrada por el Operador de Red de la región. 3.7. CÁLCULO DE CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS El campo electromagnético es una modificación del espacio debida a la interacción de fuerzas eléctricas y magnéticas simultáneamente [10], producidas por un campo eléctrico y uno magnético que varían en el tiempo, por lo que se le conoce como campo electromagnético variable. Es producido por diferencias de potencial y cargas eléctricas en movimiento y tiene la misma frecuencia de la corriente eléctrica que lo produce. Se ha demostrado que los campos electromagnéticos de bajas frecuencias (0 a 300Hz) no producen efectos nocivos en los seres vivos. Las instalaciones del sistema eléctrico a 60 Hz producen campos electromagnéticos a esta frecuencia, lo que permite medir o calcular el campo eléctrico y el campo magnético en forma independiente. [4, pp. 101, 102] 3.7.1. Valores límites de exposición a campos electromagnéticos En la tabla 16, se muestran los valores máximos permitidos por el RETIE [4] para la exposición de personas a campos electromagnéticos. Tabla 16: Valores límites de exposición a campos electromagnéticos. Fuente: RETIE [4, p. 102] 46 3.7.2. Cálculo y medición de campos electromagnéticos. Los diseños de líneas o subestaciones de tensión superior a 57,5 kV, en zonas donde se tengan en las cercanías edificaciones ya construidas, deben incluir un análisis del campo electromagnético en los lugares donde se vaya a tener la presencia de personas. [4, p. 103] Los diseños de edificaciones aledañas a las zonas de servidumbre, deben incluir memorias de cálculo de campos electromagnéticos que se puedan presentar en cada piso. Para este efecto, el propietario u operador de la línea o subestación debe entregar al diseñador o al propietario del proyecto los máximos valores de tensión y corriente. La medición siempre debe hacerse a un metro de altura del piso donde esté ubicada la persona (lugar de trabajo) o domicilio. [4, p. 103] En el caso de líneas de transmisión el campo electromagnético se debe medir en la zona de servidumbre en sentido transversal al eje de la misma; el valor de exposición al público en general se tomara como el máximo que se registre en el límite exterior de la zona de servidumbre. [4, p. 103] Para redes de distribución y uso final, el valor de exposición al público debe medirse a partir de las distancias de seguridad, donde se tenga la posibilidad de permanencia prolongada de personas (hasta 8 horas) o en zonas de amplia circulación del público. Para lugares de trabajo se debe medir en el lugar asignado por la empresa para cumplir el horario habitual del trabajador. [4, p. 103] El equipo con el que se realicen las mediciones debe poseer un certificado de calibración vigente y estar sometidos a un control metrológico. Para la medición se pueden usar los métodos establecidos en la IEEE 644 o la IEEE 1243. [4, p. 103] 3.8. CÁLCULO DE TRANSFORMADORES Los transformadores son los enlaces entre los generadores del sistema de potencia y las líneas de transmisión y entre líneas de diferentes niveles de voltaje [11]. 47 El transformador consiste en dos o más bobinas colocadas de tal forma que están enlazadas por el mismo flujo magnético. En un transformador de potencia, las bobinas se colocan sobre el núcleo de acero con el propósito de confinar el flujo de manera que el que enlace una bobina también enlace todas las demás. Se pueden conectar varias bobinas en serie o en paralelo para formar un devanado, cuyas bobinas se apilan en el núcleo de manera alternada con aquellas de otros devanados [11]. En esta sección deberán especificarse las características técnicas del transformador o transformadores que formarán parte de la subestación eléctrica, y que energizarán el proyecto. La carga a utilizar en los cálculos será la carga demandada, que es la carga eléctrica instalada, en KVA, aplicando un factor de demanda, determinado por la norma NTC2050 [5], secciones 220, 430-24, 430-25, 430-26; según sea el tipo de carga a diversificar. Para la mayoría de las cargas eléctricas, se recomienda aplicar los factores de demanda que se muestran en la tabla 220-11, de la NTC2050 [5], aunque la decisión final dependerá siempre del criterio profesional del ingeniero diseñador. Para los proyectos presentados ante CODENSA S.A. E.S.P [1] el cálculo del transformador debe realizarse según lo estipulado en el documento “Carga máxima para el sector residencial” [12]. En dicho documento se especifica con claridad el procedimiento exigido para el cálculo de transformadores de potencia. 3.8.1. Cálculo de la carga Instalada La carga instalada deberá estar relacionada en los cuadros de carga del capítulo 1 de las memorias de cálculo. Sin embargo, es recomendable redundar en esta información, relacionando nuevamente los cuadros de carga para el cálculo de transformadores. En la tabla 17 se observa el formato para elaboración de cuadros de carga instalada. 48 Tabla 17: Cuadro de carga instalada. DESCRIPCIÓN TABLERO CARGA INSTALADA HP KVA Carga 1 Tablero # # Carga 2 Tablero # # Carga 3 Tablero # # Carga 4 Tablero # # Carga 5 Tablero # # Carga 6 Tablero # # Carga n Tablero # # TOTAL CARGA INSTALADA # # 3.8.2. Carga Demandada La carga demandada deberá estar relacionada en los cuadros de carga del capítulo 1 de las memorias de cálculo. Sin embargo, es recomendable redundar en esta información, relacionando nuevamente los cuadros de carga para el cálculo de transformadores. En la tabla 18 se observa el formato para elaboración de cuadros de cargas instaladas. Tabla 18: Cuadro de carga demandada. DESCRIPCIÓN TABLERO CARGA (KVA) FACTOR DE DIVERSIDAD CARGA DIVERSIFICADA Carga 1 Tablero # # Carga*FD Carga 2 Tablero # # Carga*FD Carga 3 Tablero # # Carga*FD Carga 4 Tablero # # Carga*FD Carga 5 Tablero # # Carga*FD Carga 6 Tablero # # Carga*FD Carga 7 Tablero # # Carga*FD Carga n Tablero # # Carga*FD TOTAL CARGA DEMANDADA (KVA) # 49 3.8.3. Potencia nominal transformador Con base en la carga demandada, se deberá seleccionar un nivel de potencia nominal comercialmente accesible en Colombia, estos niveles se muestran en la tabla 19. Tabla 19: Valores nominales de potencia para transformadores. Fuente: UDFJDC [13] Otros datos técnicos del transformador que deberán especificarse son: Corriente nominal, calibre de la acometida principal en M.T y B.T, y tipo y valor de la protección en M.T. CORRIENTE NOMINAL: Valor en Amperios CONDUCTOR ACOMETIDA M.T: Especificación cable CONDUCTOR ACOMETIDA B.T: Especificación cable PROTECCION M.T: Tipo y valor protección. Se deberá repetir el procedimiento para todos los transformadores de potencia a instalar en el proyecto.3.8.4. Transformadores Finalmente, se deberá elaborar una tabla en la que se muestren las características de todos los transformadores a instalar. 50 La selección del tipo de transformador a instalar en cada caso dependerá de las condiciones topográficas, de obra civil, infraestructura eléctrica aledaña al proyecto, entre otras; y será bajo criterio profesional del ingeniero diseñador. En la tabla 20 se muestra un ejemplo de un proyecto aprobado por EBSA [2], con dos transformadores tipo seco, de diferentes potencias y niveles de tensión nominales. Tabla 20: Cuadro resumen, cálculo de transformadores (ejemplo) TRAFO CAPACIDAD USO VOLTAJE FASES TIPO 1 800KVA PLANTA DE TRATAMIENTO 13,2KV/460/266V 3 SECO 2 45KVA SERVICIOS MENORES 460/220V 3 SECO 3.9. SELECCIÓN DEL EQUIPO DE MEDIDA En este capítulo de las memorias de cálculo se deberán especificar las características técnicas del equipo o equipos de medida a instalar en el proyecto. Se seleccionará el equipo de medida con base en la Norma Técnica Colombiana 5019 “Selección de equipos de medición de energía eléctrica” y con la sección 7.4.3, Generalidades de Codensa [1] “Medidores utilizados por Codensa” [14]. La selección del tipo de medidor dependerá de los niveles de tensión y potencia de cada proyecto. A continuación se muestran dichos niveles. 3.9.1. Medición en B.T, cargas menores a 55kW Se utilizan medidores de energía electrónicos conectados directamente a la red o en conexión semidirecta, las características de los medidores de conexión directa se muestran en la tabla 21. [14] 51 Tabla 21: Características técnicas medidores de conexión directa. Fuente: CODENSA S.A. E.S.P [14] Para conexión semidirecta los medidores deben poseer como mínimo las siguientes características: [14] Energía activa. Energía reactiva. Perfil de carga. Tarifa sencilla. Multi-rango en tensión hasta 480V. Clase 1 o mejor. Corriente nominal 5A. Corriente máxima 6 o 10A. 3.9.2. Medición semidirecta en B.T, cargas >= a 55kW y < a 300kW Las cargas mayores o iguales de 55 kW son medidas con medidores electrónicos que registran activa, reactiva y posean perfil de carga. [14] Las características de este tipo de medidores se muestran en la tabla 22. 52 Tabla 22: Características técnicas medidores de conexión semidirecta. Fuente: CODENSA S.A. E.S.P [14] 3.9.3. Medición indirecta en M.T. (11.4, 13.2 o 34.5kV) Las cargas mayores o iguales a 300kW son medidas indirectamente con medidores electrónicos que registran activa, reactiva y perfil de carga. [14] Las características de este tipo de medidores se muestran en la tabla 23. Tabla 23: Características técnicas medidores de conexión indirecta. Fuente: CODENSA S.A. E.S.P [14] Una vez seleccionado el tipo de medidor a instalar, se deberán especificar las siguientes características técnicas para cada uno de los equipos: 3.9.4. Para medidores de energía La tensión de referencia, la frecuencia nominal, la corriente básica, la corriente nominal, la corriente máxima, la clase de exactitud, el número de fases, el número de hilos, el número de elementos y la cargabilidad. [15] 53 3.9.5. Para transformadores de tensión La tensión primaria nominal, la tensión secundaria nominal, la relación de transformación nominal, la frecuencia nominal, la clase de exactitud y la carga nominal (Burden). [15] 3.9.6. Para transformadores de corriente La corriente primaria nominal, la corriente secundaria nominal, la corriente térmica nominal de corta duración, la corriente dinámica nominal, la relación de transformación nominal, la frecuencia nominal, la clase de exactitud y la carga nominal (Burden). La NTC5019 [15] solo a equipos para propósitos de medida; no aplica a equipos para propósitos de protección. [15] 3.10. CALCULO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA En este capítulo de las memorias de cálculo se describirán en detalle las características técnicas del sistema de puesta a tierra SPT (dimensiones de la malla, calibre del conductor, resistividad del terreno, resistividad de la malla, etc…) y se comprobará mediante la aplicación de un software si cumple con los requerimientos establecidos en la norma ANSI / IEEE Std. 80-2000. Inicialmente, el ingeniero diseñador deberá realizar al menos tres mediciones de resistividad o resistencia del terreno, con un telurómetro calibrado y certificado por la ONAC, dejando un registro fotográfico de las mediciones; que se anexarán a las memorias de cálculo. Algunos telurómetros no tienen la capacidad de medir resistividad del terreno, en su lugar, miden resistencia del terreno; en ese caso, se deberá calcular la resistividad con base en la resistencia, aplicando la ecuación 10. (10) 𝝆 = 𝑹𝒂𝟐𝝅 Donde 𝝆 es la resistividad eléctrica del material conductor [Ωm], 𝒂 es la distancia entre los electrodos y 𝑹 es la resistencia en [Ω]. En la imagen 12 se muestra uno de los métodos aceptados para realizar mediciones de resistividad del terreno. 54 Imagen 12: Medición de resistividad del terreno. Para los cálculos del SPT se utilizará el software “Cálculo de Malla Tierra por IEEE 80-2000”, siendo este un software con una interfaz representada en Excel y aprobado por las electrificadoras a nivel nacional. En las imágenes 13, 14, 15 y 16, se muestra la interfaz del software. Imagen 13: Hoja 1 interfaz software para estudio de SPT 55 Imagen 14: Hoja de datos del conductor, software para estudio de SPT 56 Imagen 15: Hoja de datos de entrada, software para estudio de SPT 57 Imagen 16: Hoja de resultados, software para estudio de SPT 58 3.10.1. Datos de entrada Impedancia del Transformador Uz (%) # Corriente Nominal en el Secundario (A) # Corriente Asimétrica Monofásica, dada por el OR (A) # 60% de la Corriente Asimétrica # Resistividad de Terreno (Ω-m) # Resistividad del concreto (Ω-m) # Duración máxima de la falla (seg). # Temperatura ambiental (ºC) # Temperatura máxima en las uniones de la malla (ºC) # 3.10.2. Dimensiones Largo de malla (m) # Ancho de malla (m) # Espaciamiento entre conductores (m) # Número de conductores entre paralelo de longitud A # Número de conductores entre paralelo de longitud B # Profundidad de enterramiento de la malla (m) # Número de varillas # Longitud de una varilla (m) # Diámetro de la varilla (mm) # Longitud de contrapeso (m) # 3.10.3. Resultados Tensión de paso permisible (V) # Tensión de contacto permisible (V) # Tipo de Conductor (CM) # Diámetro del conductor calculado (mm) # Diámetro del conductor elegido (mm) # Longitud del conductor de la malla (m) # Longitud total de las varillas (m) # Longitud total del conductor (m) # Tensión real de paso (V) # Tensión real de contacto (V) # Resistencia del conductor de la malla (Ω) # Resistencia de puesta a tierra (Ω) # 59 A continuación se muestra un ejemplo de sistema de puesta a tierra, perteneciente a un proyecto aprobado por la Electrificadora de Boyacá: En la imagen 17 se muestra el valor de la primera medición de resistencia del terreno. Imagen 17: Primera medición de resistencia del terreno (ejemplo). En la imagen 18 se muestra el valor de la segunda medición de resistencia del terreno. Imagen 18: Segunda medición de resistencia del terreno (ejemplo). 60 En la imagen 19 se muestra el valor de la tercera medición de resistencia del terreno. Imagen 19: Tercera medición de resistencia del terreno (ejemplo).
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