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PROGRAMA NACIONAL DE INFRAESTRUCTURA

PARA LA UNIVERSALIZACIÓN DE LA EDUCACIÓN CON CALIDAD Y EQUIDAD

"IMPLANTACIÓN DE LA TIPOLOGÍA "B" EN EL ESTABLECIMIENTO EDUCATIVO CHONE DE

LA PROVINCIA DE COTOPAXI "

FECHA: 5 MARZO 2014 CÒDIGO:CDC-MINEDUC-099-2013 REVISIÒN:

1 CÓDIGO DE CONSULTORÍA:CDC-MINEDUC-099-2013 CÓDIGO DEL DOCUMENTO: MC-EL-001

MEMORIA DE CÁLCULO MALLA DE TIERRA Y SISTEMA DE PROTECCIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICA

UBICACION: Parroquia Angamarca del cantón Pujilí en la provincia de Cotopaxi, Zona 1

DISEÑO: Ing. Enrique Santamaría







INDICE

Contenido

1. OBJETIVO....................................................................................................................................... 2

GARANTIZAR LA SEGURIDAD DEL PERSONAL ................................................................................. 3

PROTEGER LOS EQUIPOS, .............................................................................................................. 3

TENER UNA BUENA CALIDAD DE LA REFERENCIA DE LA SEÑAL, ..................................................... 3

TENER UN BUEN CAMINO DE RETORNO PARA LAS FALLAS Y/O PICOS,.......................................... 3

DISIPAR DE LA ESTÁTICA ................................................................................................................ 3

2. ANTECEDENTES ............................................................................................................................. 3

3. DISEÑO DE LA MALLA DE TIERRA ................................................................................................... 3

3.1 UBICACIÓN MALLA ........................................................................................................................... 4

3.2 CALIBRE DEL CONDUCTOR DE TIERRA .................................................................................................... 4

............................................................................................... 4

3.3 LÍMITES DE TENSIONES PELIGROSAS ...................................................................................................... 7

3.4 DISEÑO FORMA DE LA MALLA DE TIERRA ............................................................................................... 9

3.5 RESISTENCIA DE LA RED ................................................................................................................... 10

3.6 TENSIÓN DE MALLA Y DE PASO EN CASO DE FALLA. ................................................................................ 12

3.7 CONTROL DE SEGURIDAD ................................................................................................................. 15

3.8 ACCIONES DE MEJORA ..................................................................................................................... 16

4. SISTEMA DE PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS ................................................ 16

1. OBJETIVO







Garantizar la seguridad del personal

Proteger los equipos,

Tener una buena calidad de la referencia de la señal,

Tener un buen camino de retorno para las fallas y/o picos,

Disipar de la estática

2. ANTECEDENTES

Al realizar la medida de la resistividad se obtuvo los siguientes resultados:

1ª Capa : Resistividad = 104 OHM - MT

Espesor = 2.4 MT


Espesor = 6.5 MT


Espesor = 8.5 MT

Es necesario realizar un tratamiento de la tierra colocando compuestos químicos para

acondicionar la tierra, disminuir la resistencia del terreno y aumentar la capacidad de

dispersión de la corriente.

Datos transformador 100KVA

Voltaje primario: 13.8KVA

Voltaje secundario: 120/220V

Impedancia máxima Voltios: 3.5%

3. DISEÑO DE LA MALLA DE TIERRA







El diseño de la malla de tierra se lo realizó siguiendo la metodología de la IEEE std 80, por

tanto las ecuaciones utilizadas para los cálculos son tomados de este estándar.

3.1 Ubicación malla

La malla estará ubicada cerca de la cámara de transformación, la ubicación está detallada en el

plano.

Resistividad del terreno, se estima que el terreno superficial es una capa de 5m de espesor y

luego de realizar el tratamiento ofrece una resistividad de 20 (Ω.m).

3.2 Calibre del conductor de tierra

Dónde:

I= corriente de falla monofásica a tierra en el secundario (KA)

tc= tiempo de despeje de la falla (s)

Kf= constante para materiales a diferentes temperaturas de fusión Tm y temperatura

ambiente de 40°C

Pcc= Potencia de cortocircuito

X= reactancia máxima del transformador

P= 100 KVA

X (1/Ω)= 3.5 %







Pcc= 48.3 MVA

Iecc= Corriente eficaz de cortocircuito

V= Tensión del primario del transformador (KA)

Iecc= 2.020725942 KA

Icc= corriente de cortocircuito del secundario:

Icc=Iccs

Iccs 5.152851153 (A)

Iccp= corriente del cortocircuito del primario

n = relación de transformación

n= 0.015942029







Iccp= 82.14690243 (A)

Ajustando la nomenclatura de acuerdo a la IEEE std 80 tendremos

Io=Iccp= 82.14690243 (A)

I=Iccs= 5.152851153 (KA)

El tiempo de duración de la falla ts, se fijará en 1.5segundos.

La malla de tierra se realizará utilizando suelda exotérmica, por lo cual el valor de

conductividad del conductor es del 97% y Kf es 7.06 según la tabla de constantes de materiales

para puestas a tierra.







Kf= 7.06

ts= 1.5 (s)

A= 22.5709989 mm2

El diámetro del conductor es 22.57 mm2 , que corresponde al conductor de cobre #2AWG de

siete hilos de diámetro 33.54 mm2 , además según las normas nacionales (NEC 250-81 y EEQ) e

internacionales (IEEE Stda 80) el mínimo conductor a usarse en sistema de protección a tierra

debe ser el cable de cobre #2AWG (mm2) de siete hilos, con el fin de mejorar la rigidez

mecánica de la malla para soportar la corrosión.

3.3 Límites de tensiones peligrosas







Las tensiones de límites peligrosas definidas por la IEEE Stda 80-2000 se dan para distintos

pesos (50 y 70 Kg) de la persona sometida a peligro, aplicándose distintas fórmulas.

Para el diseño de la malla de tierra se considera un promedio de personas de 70Kg.

La tensión de paso tolerable para una persona de 70Kg es:

Dónde:

Cs= Coeficiente en función del terreno y la capa superficial

ρs= Resistividad aparente de la capa superficial (Ω.m)

tc= Tiempo de despeje de la falla (s)

Dónde:

ρ= Resistividad aparente del terreno tomando como un suelo uniforme (Ω.m)

ρs= Resistividad aparente de la capa superficial (Ω.m)

hs= Espesor de la capa superficial entre 0.1 y 0.15 (m)







El diseño no tiene previsto una capa superficial de grava, entonces ρs= ρ y Cs =1, ya que al

terminar el diseño se cumplió con las exigencias de la norma IEEE std 80.

La resistividad del terreno que se considera será no más de 20(Ω.m), resistividad que se obtendrá luego de que se realice el tratamiento químico al suelo.

Cs= 1

ρs= ρ 20 (Ω.m)

Vpaso tolerable= 143.57 (V)

Vcontacto tolerable= 132.04 (V)

3.4 Diseño forma de la malla de tierra

Longitud total del conductor:

Dónde:

Lv= Longitud de un electrodo tipo varilla (m)

N=Número de electrodos tipo varilla

Lc=Longitud del conductor horizontal(m)

Por Norma la EEQ dice que el electrodo debe ser 1.8m y el espaciamiento entre los electrodos

tipo varilla debe ser por lo menos 2 veces su longitud.

La longitud horizontal del conductor cuando se usan mallas cuadradas o rectangulares según la

configuración de la figura y con la siguiente ecuación.







Dónde:

L1= Largo de la malla (m)

L2=Ancho de la malla (m)

D= lado de la cuadrícula o espaciamiento entre conductores (m)

3.5 Resistencia de la Red

Cálculo de la resistencia de puesta a tierra Rg en Ω.

Dónde:

A= área de la malla en (m2)

h=Profundidad de enterramiento de los conductores (m)


Lt= longitud total del conductor (m)

Para el diseño se tomará en consideración las siguientes dimensiones:

Malla rectangular de 8m de largo por 4m de ancho con una separación de 1 metro entre cuadrícula, colocada a 2 metros de profundidad y con 6 electrodos tipo varilla en las esquinas.







Lv(m) N Lc(m) Lt(m) L1(m) L2(m) D(m) h(m)

1.8 6 76 86.8 8 4 1 2

Por tanto y utilizando la ecuación se tendrá

Rg(Ω)

1.33

La separación de los conductores que forman la malla deberá ser de 1 metro para conseguir un valor de resistencia de puesta a tierra adecuado

Cálculo del máximo potencial de tierra

GRP=Ig*Rg (A)

Dónde:

Rg= Resistencia de puesta a tierra calculada

Ig=Corriente de falla de tierra (A)

Ig= 1.9*Io

Io= 82.15 A

Ig= 156.08 A

GRP= 207.16 V

Para una persona de 70 Kg tenemos que

Vpaso tolerable= 143.57 (V)

Vcontacto tolerable= 132.04 (V)







Cómo GPR> Vct procedemos a calcular los valores de tensión de malla y de paso en caso de

falla.

3.6 Tensión de malla y de paso en caso de falla.

Cálculo de tensión de malla en caso de falla

Dónde:

Km= Factor de espaciamiento para tensión de malla

Kii= 1 para mallas con electrodos de varilla a los largo del perímetro, en las esquinas o dentro

de la malla

El factor de espaciamiento para tensión de malla Km se calcula con la ecuación

Dónde:

d=Diámetro del conductor seleccionado (m)

D= Lado de la cuadrícula o espaciamiento entre conductores (m)

h=Profundidad de enterramiento de los conductores (m)

n= Factor de gemometría

El factor de corrección por la profundidad de enterramiento de la malla Kh se calcula







Entonces:

El factor geométrico es

n = na + nb + nc

Dónde:

Dónde :

Lp= (L1+L2)*2 (m)

Entonces

Lp= 24.00 (m)

na= 6.33 nb= 1.03 nc= 1

Entonces

n= 8.36

área conductor seleccionado 33.54 mm2

d 0.00653 m2







De la fórmula de Km tenemos que

Km= 0.79

Ki= 1.88

Reemplazando valores en la ecuación del Voltaje de malla tenemos que:

Vmalla= 48.57 (V)

Vcontacto tolerable 132.04 (V)

Cómo el Vmalla < V contacto tolerable pasaremos a calcular la tensión de paso.

Cálculo de la tensión de paso en caso de falla

Dónde:

Ks= Factor de espaciamiento para tensión de paso

Ki= factor de corrección por geometría de la malla

Ig= corriente de falla a tierra(A)

Lc=Longitud del conductor horizontal (m)







N=Número de electrodos tipo varilla

Lv=Longitud de un electrodo tipo carilla (m)


Entonces

Ks= 0.50

Por tanto el

Vpaso= 44.39 (V)

Vpaso tolerable = 143.57 (V)

Cómo el Vpaso < Vpaso tolerable.

El diseño de la malla es correcto siendo factible y seguro.

3.7 Control de Seguridad

De los datos obtenidos

Vpaso tolerable = 143.57 (V)

Vcontacto tolerable 132.04 (V)







Vmalla= 48.57 (V)

Vpaso= 44.39 (V)

Se tiene que:

Vmalla < V contacto tolerable

Vpaso < Vpaso tolerable

Por tanto el diseño es seguro y puede implementarse.

3.8 Acciones de mejora

Para realizar el mantenimiento y medición con factibilidad, se colocará una caja de inspección

redonda de 0.35m de diámetro, construida con lámina corrugada, con una manija para

levantarla.

4. SISTEMA DE PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

La finalidad del sistema es proteger la instalación contra las caídas directas de rayos, para atrapar la corriente del rayo y dirigirle a la tierra. El diseño será realizado siguiendo la norma UNE 21186

Para determinar la densidad de impactos de rayo sobre el terreno, expresado en número de rayos por km2, se determina mediante la utilización del nivel ceráunico local Nk







La ubicación del proyecto se encuentra en Sierra centro sur con un nivel de riesgo bajo por tanto

Nk= 15

Ng= 1.84

La frecuencia anual media Nd de impactos directos sobre una estructura se evalúa a partir de la expresión:

Dónde: Ng= es la densidad anual media de impactos de rayo en la región deonde esta situada la estructura (número de impactos /año; km2) 1.1= es el coeficiente de seguridad ligado a la evaluación de impactor Ae= es la superficie de captura equivalente de la estructura aislada (m2) C1= es el coeficiente relacionado con el entorno y será igual a 0.5 ya que la estructura está situada en un espacio donde hay otras estructuras o árboles de la misma altura o más altos







Para una estructura rectangular de longitud L, anchura l y altura H, la superficie de captura es igual a:

Tomando las medidas del campus donde se encuentra el proyecto tenemos:

L= 148 m

l= 95 m

H= 7 m

Ae= 21703.45 m2

C1= 0.5

Nd= 0.02

Para determinar Nc se lo realiza mediante 4 factores determinados, dados por los coeficientes C2,C3,C4 y C5 determinados por tablas B%,B6,B7 y B8 de la norma UNE 21186

Dónde: C2= 1; Coeficiente de estructura => estructura de metal común C3= 2; Contenido de la estructura => Valor común o normalmente inflamable C4= 3; ocupación de la estructura => Ocupada normalmente







C2= 1

C3= 2

C4= 3

C5= 5

C= 30

Nc= 0.0001

Cómo Nd>Nc, se debe instalar un sistema de protección de pararayos de eficiencia

Reemplazando los datos obtenidos anteriormente, la eficiencia de nuestro pararrayo será

E= 0.99545005

El tipo de pararrayo será Ionizante por sus ventajas en la cuales tenemos:

No ofrece resistencia al paso de la descarga

Mantiene sus características después de la descarga Para alcanzar un radio de cobertura de protección de al menos 68m en NIVEL I, se instalará una torre de 12m en el punto indicado; la protección será para una corriente de descarga de 200KA.







El pararrayos será aterrizado a tierra mediante un electrodo químico además se deberá usar elementos químicos para acondicionar la tierra.

FIRMA RESPONSABLE

Ing. Enrique Santamaría

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