INFORME FINAL DISEO DE PUESTA A TIERRA

PRO-PRY-CAME-IT-001

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Contenido

1. Introduccin ............................................................................................................................. 4 2. Objetivos ................................................................................................................................... 4 3. Alcances .................................................................................................................................... 4

4. Normas y Estndares aplicados ......................................................................................... 5 5. Diseo del sistema de Proteccin Elctrica .................................................................... 5

5.1. Sistemas de puesta a tierra .......................................................................................... 6 5.1.1. Metodologa de Clculo ......................................................................................... 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: Clculos de resistencia de las puestas a tierra ...................................................... 17

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HOJA CONTROL DOCUMENTO

REVISIN OBSERVACIONES FECHA PREPAR REVIS APROB

A Para revisin interna 03-07-2013 LVM GCC GCC

0 Para revisin por el cliente 03-07-2013 LVM GCC GCC

NOTAS:

Giorgio Contreras Cervantes: GCC

Lito Villasante Mora: LVM

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Informe Final diseo de puesta a tierra

1. Introduccin

En las zonas rurales hay gran diversidad de fenmenos elctricos de origen atmosfrico que pueden afectar a la salud de las personas y al buen funcionamiento de los equipos elctricos y electrnicos.

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 segn OC N 4500002486 del 2 0 de Junio de 2013.

2. Objetivos El sistema de proteccin elctrica debe cumplir los siguientes objetivos:

Proteccin y seguridad para la vida humana. Proteccin y seguridad en la operacin. Continuidad de operacin. Compatibilidad electromagntica (mnimos niveles de interferencia y

contaminacin entre equipos, aparatos, componentes, accesorios y seres humanos).

3. Alcances

El presente estudio comprende los clculos necesarios para el diseo de 3 mallas a tierra y mejoramiento mediante contrapesos para 2 pozos implementados en reas definidas dentro de las instalaciones de Minera Cerro Verde Arequipa.

Las mediciones de resistividad de terreno fueron proporcionadas por CAMESA y servirn como base para el presente estudio.

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

4. Normas y Estndares aplicados NTP 370.052:1999 SEGURIDAD ELECTRICA. Materiales que constituyen

el pozo de puesta a tierra, 1 Edicin el 13 de diciembre de 1999. NTP 370.053:1999 SEGURIDAD ELECTRICA. Eleccin de los materiales

elctricos en las instalaciones interiores para puesta a tierra. Conductores de proteccin de cobre, 1 Edicin el 13 de diciembre de 1999.

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

NTP 370.056:1999 SEGURIDAD ELECTRICA. Electrodos de cobre para puesta a tierra, 1 Edicin 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. Diseo del sistema de Proteccin Elctrica

El presente estudio se limita al anlisis de mejoramiento de 5 sistemas de puesta a tierra segn 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 funcin a esto se realiza el modelamiento de dichos sistemas mediante el uso de herramientas informticas propias de Protab (software GEM v3.1 y plantillas en Excel), las cuales siguen las normas y estndares de acuerdo al punto 4 del

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

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

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

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

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

5.1. Sistemas de puesta a tierra

La capacidad de la tierra de aceptar la energa depende de la resistencia del suelo en la localizacin particular donde la descarga entra en la misma.

Por tanto el primer punto a considerar es el clculo de la resistencia deseada del pozo. Por lo general, para sistemas de comunicacin se recomiendan resistencias de puesta a tierra hasta un mximo de 25 segn la norma peruana Regla 060-712 del Cdigo Nacional de Electricidad 2006.

En tal sentido la primera accin consiste en medir la resistividad del terreno mediante el uso de un telurmetro y la frmula de Wenner, o usando el mtodo 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 caractersticas 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. Metodologa de Clculo

Para calcular la resistencia del contrapeso se utilizar criterios de acuerdo al sistema de puesta a tierra a considerar, estos son realizados mediante la herramienta informtica GEM v3.1.

Si los electrodos son de tipo de cable de cobre usaremos la frmula de C. L. Hallmark:

= 2.73 . log 2

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

Se varan 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 frmula de Laurent:

= 4

+

Rp = Resistencia del pozo () = resistividad del suelo (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 contribucin.

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 parmetros de dimensionamiento de las mallas a tierra:

Fig. 1 Diagrama de disposicin de contrapeso horizontal

Dnde:

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)

Fig. 2 Diagrama de disposicin de malla a tierra

N

N

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Donde:

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

6. Resultados

A continuacin se muestra el resumen de los resultados de los clculos efectuados en la Tabla N 1.

Tabla 1. Resumen de resultados

Los detalles de los clculos 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 clculos y a los parmetros sugeridos y coordinados con

CAMESA, existen casos en los que la resistencia de la malla supera los 25 deseado, dado que el estudio es puramente terico 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 compactacin, asimismo el uso de cemento conductivo. Los clculos para estos casos escapan del modelo terico y se sugiere usar criterios sustentados en base a la experiencia prctica.

La resistividad del suelo sufre alteraciones con la humedad. Esta variacin ocurre en virtud de la activacin de cargas elctricas predominantemente

ESTRUCTURA TIPORESISTENCIA

()

DIAMETRO

SECCION

CABLE (mm)

DIMENSIONES

(m)

PROFUNDIDAD

(m)

RESISTENCIA

MEJORADA ()

22P4-4 contrapeso 39 70 15 0.6 9.79

22P4-5 malla 66 120 5 X 5 1 25.25

22P4-6 malla 45 120 5 X 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

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inicas por accin de la humedad, un porcentaje mayor de humedad hace que las sales presentes en el suelo o adicionadas a propsito se disuelvan formando un medio electroltico favorable al paso de la corriente inica. As mismo un suelo especfico con concentracin diferente de humedad presenta una gran variacin 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 excavacin todo este entramado natural se rompe y al volver a llenarse las excavaciones en forma manual nos queda material aparentemente sobrante; lo ideal sera que con el cuidado necesario se logre regresar todo el material a su estado anterior para lograr as una compactacin deseable que permita el firme contacto de los electrodos con el suelo y sales agregadas que permita una circulacin 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 est 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 reduccin en estos casos es difcil 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 compactacin y limpieza del electrodo, pero daremos una idea porcentual ms menos en funcin 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 reduccin de la resistencia elctrica 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: Clculo de resistencias de sistemas a tierra.

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ANEXO 1: Curvas de resistividad aparente y superficial

1. ESTRUCTURA 22P4-4

Distancia

entre

electrodos

(m)

Produndidad

de

enclavamient

o de

electrodos

(m)

Valor

obtenido

de la

medicin

(ohm)

Resistividad

(ohm-m)

Resistencia

de pozo a

tierra (ohm)

Diametro

de varilla

de puesta a

tierra (pulg)

Material de

varilla

Dimetro

de cemento

conductivo

alrededor

de varilla

(pulg)

1 0.15 28.6 186.53 39.00 3/4'' COBRE 6

2 0.15 12.2 154.81

4 0.15 5.2 131.01

8 0.15 2.39 120.21

13 0.15 0.81 66.18

124.65

ESTRUCTURA 22P4-4RESISTIVIDAD DEL TERRENO RESISTENCIA DE POZO A TIERRA EXISTENTE

y = 30.784x-1.3340

5

10

15

20

25

30

35

0 5 10 15

ESTRUCTURA 22P4-4

ESTRUCTURA 22P4-4

Potencial

(ESTRUCTURA 22P4-4)

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2. ESTRUCTURA 22P4-9

Distancia

entre

electrodos

(m)

Produndidad

de

enclavamient

o de

electrodos

(m)

Valor

obtenido

de la

medicin

(ohm)

Resistividad

(ohm-m)

Resistencia

de pozo a

tierra (ohm)

Diametro

de varilla

de puesta a

tierra (pulg)

Material de

varilla

Dimetro

de cemento

conductivo

alrededor

de varilla

(pulg)

1 0.25 3.64 25.15 32.20 3/4'' COBRE 6

2 0.25 16.89 217.91

4 0.25 4.85 122.72

8 0.25 27.5 1384.66

13 0.25 50.3 4111.23

328.56

ESTRUCTURA 22P4-9RESISTIVIDAD DEL TERRENO RESISTENCIA DE POZO A TIERRA EXISTENTE

y = 0.2294x2 + 0.4215x + 6.6202

0

10

20

30

40

50

60

0 5 10 15

ESTRUCTURA 22P4-9

ESTRUCTURA 22P4-9

Polinmica

(ESTRUCTURA 22P4-9)

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3. ESTRUCTURA 22P4-7

Distancia

entre

electrodos

(m)

Produndidad

de

enclavamient

o de

electrodos

(m)

Valor

obtenido

de la

medicin

(ohm)

Resistividad

(ohm-m)

Resistencia

de pozo a

tierra (ohm)

Diametro

de varilla

de puesta a

tierra (pulg)

Material de

varilla

Dimetro

de cemento

conductivo

alrededor

de varilla

(pulg)

1 0.19 116.4 775.10 82.40 3/4'' COBRE 6

2 0.20 127.9 1634.93

4 0.20 50.9 1284.83

8 0.20 15.93 801.60

13 0.20 6.84 558.93

445.48

ESTRUCTURA 22P4-7RESISTIVIDAD DEL TERRENO RESISTENCIA DE POZO A TIERRA EXISTENTE

y = 186.37x-1.176

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 5 10 15

ESTRUCTURA 22P4-7

ESTRUCTURA 22P4-7

Potencial

(ESTRUCTURA 22P4-7)

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4. ESTRUCTURA 22P4-6

Distancia

entre

electrodos

(m)

Produndidad

de

enclavamient

o de

electrodos

(m)

Valor

obtenido

de la

medicin

(ohm)

Resistividad

(ohm-m)

Resistencia

de pozo a

tierra (ohm)

Diametro

de varilla

de puesta a

tierra (pulg)

Material de

varilla

Dimetro

de cemento

conductivo

alrededor

de varilla

(pulg)

1 0.15 53.7 350.24 45.00 3/4'' COBRE 6

2 0.15 20.5 260.12

4 0.15 3.71 93.47

8 0.15 7.65 384.77

13 0.15 7.46 609.49

288.45

ESTRUCTURA 22P4-6RESISTIVIDAD DEL TERRENO RESISTENCIA DE POZO A TIERRA EXISTENTE

y = 33.791x-0.780

10

20

30

40

50

60

0 5 10 15

ESTRUCTURA 22P4-6

ESTRUCTURA 22P4-6

Potencial

(ESTRUCTURA 22P4-6)

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5. ESTRUCTURA 22P4-5

Distancia

entre

electrodos

(m)

Produndidad

de

enclavamient

o de

electrodos

(m)

Valor

obtenido

de la

medicin

(ohm)

Resistividad

(ohm-m)

Resistencia

de pozo a

tierra (ohm)

Diametro

de varilla

de puesta a

tierra (pulg)

Material de

varilla

Dimetro

de cemento

conductivo

alrededor

de varilla

(pulg)

1 0.15 14.5 94.57 66.20 3/4'' COBRE 6

2 0.15 27.2 345.14

4 0.15 3.64 91.71

8 0.15 2.03 102.10

13 0.15 76.5 6250.08

285.90

ESTRUCTURA 22P4-5RESISTIVIDAD DEL TERRENO RESISTENCIA DE POZO A TIERRA EXISTENTE

y = 1.3327x2 - 14.52x + 38.3880

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 5 10 15

ESTRUCTURA 22P4-5

ESTRUCTURA 22P4-5

Polinmica

(ESTRUCTURA 22P4-5)

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ANEXO 2: Clculos 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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