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UNIVERSIDAD SIMN BOLVAR COORDINACIN DE INGENIERA ELCTRICA
DISEO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA DEL GENERADOR P675P1 DEL CENTRO COMERCIAL SAMBIL CARACAS
POR
JUAN PABLO CASTILLO GONZLEZ
TUTOR ACADMICO: PROF. MIGUEL MARTNEZ
TUTOR INDUSTRIAL: ING. AGUSTN FLORES
INFORME FINAL DE PASANTA PRESENTADO ANTE LA ILUSTRE UNIVERSIDAD SIMN BOLVAR
COMO REQUISITO PARCIAL PARA OPTAR AL TTULO DE INGENIERO ELECTRICISTA
Sartenejas, mayo de 2008
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UNIVERSIDAD SIMN BOLVAR COORDINACIN DE INGENIERA ELCTRICA
DISEO DE PUESTA A TIERRA DEL GENERADOR P675P1 DEL CENTRO COMERCIAL SAMBIL CARACAS
POR
JUAN PABLO CASTILLO GONZLEZ
TUTOR ACADMICO: PROF. MIGUEL MARTNEZ
TUTOR INDUSTRIAL: ING. AGUSTN FLORES
INFORME FINAL DE PASANTA PRESENTADO ANTE LA ILUSTRE UNIVERSIDAD SIMN BOLVAR
COMO REQUISITO PARCIAL PARA OPTAR AL TTULO DE INGENIERO ELECTRICISTA
Sartenejas, mayo de 2008
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DISEO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA DEL GENERADOR P675P1 DEL CENTRO COMERCIAL SAMBIL CARACAS
POR
JUAN PABLO CASTILLO GONZLEZ
RESUMEN
En este trabajo se presenta el diseo de puesta a tierra de un generador elctrico en baja tensin y una propuesta para demarcacin de seguridad, debido a su exposicin al pblico no experto.
Primeramente, se revisaron las normativas nacionales e internacionales y los
procedimientos con los requerimientos clculos correspondientes a ambos temarios. Respecto al diseo del sistema de puesta a tierra, se hizo especial nfasis en la
determinacin de la resistividad del suelo como parmetro de inters y las complicaciones de su obtencin en una zona urbana congestionada como la tratada. Finalmente, se desarroll una metodologa no convencional para su estimacin, basada en tcnicas de inteligencia artificial y reconocimiento de patrones. Dicho mtodo fue corroborado y comprobado, arrojando resultados satisfactorios.
Posteriormente, se realiz el diseo del sistema de puesta a tierra tomando en cuenta todas las restricciones del sitio.
Por ltimo, se desarroll la metodologa establecida en el Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) para seguridad elctrica por arco y se plantearon las mejoras a implementar en el generador en cuestin.
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NDICE GENERAL NDICE DE TABLAS............................................................................. viii NDICE DE TABLAS............................................................................. viii NDICE DE FIGURAS .............................................................................. x LISTA DE SMBOLOS Y ABREVIATURAS ........................................ xii
CAPTULO 1 INTRODUCCIN Y OBJETIVOS DEL TRABAJO................................ 1 1.1 Objetivo principal............................................................................. 1 1.2 Objetivo principal................................................................................. 2 1.3 Objetivos especficos............................................................................ 2 1.4 Metodologa de trabajo......................................................................... 2
CAPTULO 2 DESCRIPCIN DE LA EMPRESA .......................................................... 4
CAPTULO 3 SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA EN UN CENTRO DE GENERACIN................................................................................................................... 6 3.1 Por qu es necesaria la puesta a tierra? ............................................... 7 3.2 Trminos bsicos relacionados con un sistema de puesta a tierra.......... 8
3.3 Funciones del electrodo de puesta a tierra: ........................................... 9 3.4 Componentes del Sistema de Puesta a Tierra...................................... 10 3.5 Aspectos bsicos del diseo de la malla de puesta a tierra segn lo recomendado por el Cdigo Elctrico Nacional........................................ 15
CAPITULO 4
PROCEDIMIENTO PARA EL DISEO DE LA MALLA DE PUESTA A TIERRA ............................................................................... 16 4.1 Data de campo.................................................................................... 17 4.2 Seleccin del calibre del conductor para el SPAT............................... 18
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4.3 Voltajes de toque, paso y metal-metal permisibles ............................. 20 4.4. Resistencia de malla .......................................................................... 22
4.4.1. Resistencias mutuas........................................................................ 23 4.4.2. PAT en zonas urbanas para sistemas de BT.................................... 25 4.5. Corriente de malla ............................................................................. 25 4.6. Clculo de los voltajes de toque y paso.............................................. 26 4.7. Comparacin entre voltaje de toque diseado y voltaje de toque permisible................................................................................................................. 28 4.8. Comparacin entre voltaje de paso diseado y voltaje de paso permisible................................................................................................................. 28
4.9 Detalles del diseo.............................................................................. 28
CAPTULO 5 ESTIMACIN DE LOS PARMETROS DEL TERRENO EN ZONAS URBANAS .............................................................................................. 29
CAPITULO 6 RIESGO ELCTRICO Y PROTECCIN DE PERSONAL EN INSTALACIONES ELCTRICAS.................................................... 52 6.1. Clculos de corriente de arco............................................................. 53 6.2. Clculos de energa incidente ............................................................ 54 6.3. Frontera de proteccin contra arco..................................................... 56 6.4. Ecuaciones de clculo de energa incidente a usar con interruptores de baja tensin...................................................................................................... 58 6.5. Equipo de proteccin personal........................................................... 60 6.6. Etiquetas de riesgo de arco elctrico .................................................. 63
CAPTULO 7 CLCULOS DEL SPAT PARA EL GENERADOR P675P1 DEL CENTRO COMERCIAL SAMBIL ................................................. 66
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CAPITULO 8
CLCULOS DE RIESGO ELCTRICO PARA EL GENERADOR P675P1 DEL CENTRO SAMBIL ......................................................................... 72
CAPTULO 9 CONCLUSIONES ................................................................................... 75
REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS...................................................... 76
ANEXO I ARTCULO 250 DEL CDIGO ELCTRICO NACIONAL ................ 788
ANEXO II
CLCULOS DEL FACTOR DE DVISIN ............................................ 89
ANEXO III
RESULTADOS MTODO ITERATIVO ................................................ 91
viii
NDICE DE TABLAS
Tabla I parmetros de entrenamiento de las redes neurales ................ 39 Tabla II - Resultados estimados por la red discriminatoria .................... 42
Tabla III Datos de la prueba 1 ............................................................ 42 Tabla IV Datos de la prueba 2............................................................. 43
Tabla V Datos de la prueba 3 ............................................................. 43
Tabla VI Datos de la prueba 4............................................................ 43 Tabla VII Datos de la prueba 5........................................................... 44 Tabla VIII Datos de la prueba 6 ......................................................... 44 Tabla XIX Datos de la prueba 7 ......................................................... 44
Tabla XX Datos de la prueba 8 ........................................................... 45 Tabla XI Datos de la prueba 9............................................................. 45 Tabla XII Resultados de la RNA......................................................... 45 Tabla XIII Resultados mtodo iterativo con prueba 1 ......................... 46 Tabla XIV Estimaciones obtenidas por ambos mtodos ...................... 47
Tabla XV Tiempos tpicos de apertura de .......................................... 54 interruptores termomagnticos .............................................................. 54 Tabla XVI Clases de equipo y distancia tpica entre conductores....... 55 Tabla XVII Clases de equipo y distancias tpicas de trabajo............... 55 Tabla XVIII Factor x de distancia ...................................................... 56 Tabla XIX Ecuaciones para calcular energa incidente y frontera de
proteccin segn tipo y capacidad del interruptor ................................. 58 Tabla XX Caractersticas de la ropa de proteccin ............................. 61 Tabla XXI Clase de guante a usar segn nivel de tensin del sistema 62 Tabla XXII Fronteras de aproximacin a partes energizadas.............. 65 para proteccin contra electrocucin..................................................... 65 Tabla XXIII Seleccin de conductores segn CEN ............................ 81 Tabla XXIV rea de conductores segn CEN ................................... 81
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Tabla XXV Valores tpicos de resistencias para el clculo ................. 90 del factor de divisin de corriente ......................................................... 90 Tabla XXVI Resultados mtodo iterativo con prueba 2 ...................... 91 Tabla XXVII Resultados mtodo iterativo con prueba 3 ..................... 92 Tabla XXVIII Resultados mtodo iterativo con prueba 4 .................... 93 Tabla XXIX Resultados mtodo iterativo con prueba 5 ...................... 94 Tabla XXX Resultados mtodo iterativo con prueba 6........................ 95 Tabla XXXI Resultados mtodo iterativo con prueba 7 ...................... 96 Tabla XXXII Resultados mtodo iterativo con prueba 8 ..................... 97 Tabla XXXIII Resultados mtodo iterativo con prueba 9 .................... 98
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NDICE DE FIGURAS
Figura 1. Organigrama del departamento de produccin del
C.C. Sambil Caracas. ........................................................................... 5 Figura 2. Tubera metlica de agua utilizada como electrodo de puesta a
tierra .................................................................................................. 11
Figura 3. Estructura metlica del edificio utilizada como electrodo de puesta
a tierra ............................................................................................... 12
Figura 4. Anillo de puesta a tierra ...................................................... 13 Figura 5. Procedimiento para el diseo del SPAT segn el estndar 80 de la IEEE. ................................................................................................ 16 Figuras 6. Mtodo de hincamiento de barra. ...................................... 29 Figura 7. Mtodo de los 2 puntos....................................................... 31
Figura 8. Mtodo de triangulacin. .................................................... 31 Figura 9. Entrenamiento de una red neural......................................... 32 Figura 10. Procedimiento del mtodo iterativo para........................... 35 estimar los parmetros del terreno. .................................................... 35 Figura 11. Entrenamiento de la red discriminante. ............................. 37
Figura 12. Entrenamiento de las redes segn el caso.......................... 37 Figura 13. Procedimiento para utilizar la RNA una vez entrenada. .... 38
Figura 14. Desempeo del entrenamiento de la RNA caso 1>2. .... 39
Figura 15 Desempeo del entrenamiento de la RNA caso 1
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Figura 23. Correlacin de datos en prueba 8. ..................................... 50 Figura 24. Fronteras de proteccin contra riesgo elctrico. ................ 58 Figura 25. Etiqueta de advertencia de riesgo elctrico. ..................... 63 Figura 26. Generador Centro Comercial Sambil Caracas. .................. 66 Figura 27. Estructura de apoyo del Generador. .................................. 67 Figura 28. Nivel inferior al rea del generador................................... 67 Figura 29. reas de ubicacin del generador. Nivel superior (generador) y nivel inferior (estacionamiento). ........................................................ 68 Figura 30. Etiqueta de advertencia de riesgo elctrico. ...................... 74
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LISTA DE SMBOLOS Y ABREVIATURAS
A: Ampere
: Ohm
kV: Kilovoltio
SPAT: Sistema de Puesta a Tierra
HP: Horse power
kW: Kilowatt
kVA: Kilovoltio-ampere
Standby: Reserva
kA: Kiloampere
CEN: Cdigo Elctrico Nacional
MVA: Megavoltio-ampere
p.u.: Por unidad
EPP: Equipo de proteccin personal
m: ohmios-metro
IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers
BT: Baja Tensin
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CAPTULO 1 INTRODUCCIN Y OBJETIVOS DEL TRABAJO
1.1 Objetivo principal
El sistema elctrico del Centro Comercial Sambil Caracas est constituido de 11 unidades generadoras de electricidad. Uno de estos generadores, de 675 KVA, no posee un sistema de puesta a tierra. El generador ha sufrido daos desde que est en esta ubicacin. Se da la excitatriz y en dos ocasiones se daaron los mdulos de control de
voltaje. Antes se encontraba operando en una de las dos salas de mquinas donde est el resto de los generados Diesel, ubicados a los lados de la entrada al estacionamiento del centro comercial, por la calle Los ngeles. En ninguna ocasin, durante el tiempo que estuvo conectado en el sitio anterior, este generador sufri fallas de esta magnitud.
Por estas razones se ha decidido disear un sistema de puesta a tierra para este generador.
Dentro de un proyecto de diseo de una malla de puesta a tierra, uno de los parmetros necesarios de determinar, es la resistividad del suelo. Realizar esta medicin
en instalaciones ya construidas o en zonas urbanas no es un problema sencillo de resolver. Existen diversos mtodos para la estimacin de los parmetros del terreno a partir de mediciones de puesta a tierra. En este trabajo se presenta un mtodo novedoso de estimacin que utiliza redes neurales artificiales para este fin.
Debido a que el generador del centro comercial est ubicado en una zona de fcil acceso para cualquier persona, en el estacionamiento del rea VIP, y no posee cercado o paredes que limiten su acceso, es necesario hacer un estudio de riesgo elctrico en este tipo de instalaciones a fin de establecer medidas mnimas de manejo y acceso de personal a reas de riesgo elctrico. Estos parmetros permitirn especificar, mediante una etiqueta de advertencia, el tipo de ropa, calzado y equipo de proteccin a utilizar para proteger al personal ante la ocurrencia de un arco elctrico.
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1.2 Objetivo principal
Disear el sistema de puesta a tierra del generador elctrico, modelo P675P1, ubicado en el estacionamiento de la zona VIP del Centro Comercial Sambil Caracas y
cuantificar el riesgo elctrico para personas que laboren cerca.
1.3 Objetivos especficos
Medicin de la resistividad del suelo que est cerca del generador. Estimacin de la corriente de falla a tierra que debe manejar el sistema de
puesta a tierra (SPAT). Estimacin de las tensiones de toque y paso del SPAT. Estimacin de la resistencia de puesta a tierra. Estimacin de las tensiones de toque y paso permisibles para el ser
humano en el sistema en cuestin.
Disear un sistema de puesta a tierra (SPAT) econmico y que garantice la resistencia de puesta a tierra, las tensiones de toque y paso dentro de
los lmites permisibles.
Estimacin de la corriente de arco elctrico del sistema. Estimacin de la energa incidente del sistema. Clculo de las distancia fronteras desde las partes energizadas del
generador hasta las personas que puedan acercarse al generador.
Generar las etiquetas de informacin de riesgo elctrico, distancias fronteras, equipo de proteccin personal y ropa a utilizar por las personas
que se acerquen al generador.
1.4 Metodologa de trabajo
Lo primero que se har en este trabajo es mostrar la base terica en la que se fundamenta el diseo de un SPAT para un sistema elctrico en corriente alterna y especficamente, para un centro de generacin. Se mostrarn los fundamentos relacionados con el riesgo elctrico y cmo cuantificarlo. Luego, se explicarn mtodos
3
para medir resistencia del terreno en zonas urbanas y cmo estimar la resistividad del terreno en zonas urbanas por dos mtodos diferentes, con el fin de compararlos entre s.
En el captulo 3 se explica la configuracin, componentes principales, importancia y funciones de un SPAT.
En el captulo 4 se muestra el procedimiento para disear un SPAT para un sistema elctrico de corriente alterna basado en los estndares 80, 1050 y 665 de la IEEE.
En el captulo 5 se muestra los mtodos para medir resistencia de tierra en zonas urbanas y dos mtodos para estimar los parmetros del terreno. El primer mtodo, se trata de un mtodo iterativo respaldado por una publicacin de la IEEE y el segundo, de
una aplicacin de las redes neurales artificiales para estimar los parmetros del terreno. En el captulo 6 se explica el procedimiento para cuantificar los niveles de riesgo
elctrico en una instalacin elctrica, la corriente de arco elctrico desde las zonas energizadas hasta una persona, las fronteras de proteccin, la ropa y equipo personal de
proteccin que deben utilizar las personas que laboran en reas energizadas, y por ltimo, la sealizacin de esta informacin.
En los captulos 7 y 8 se encuentran los clculos del diseo del SPAT y de riesgo elctrico para el generador P675P1 del Centro Comercial Sambil Caracas.
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CAPTULO 2 DESCRIPCIN DE LA EMPRESA
El Centro Sambil Caracas es un centro comercial que presenta a los
visitantes una perfecta combinacin de tiendas con amenas y divertidas opciones de entretenimiento, cines, restaurantes. Est esta dividido en cinco niveles; Nivel
Diversin, donde se combina un Parque de Atracciones, Bowling con pista de baile, Restaurant interno y un concepto innovador denominado las Terrazas del
Sambil. Nivel La Feria, donde se encuentra gran variedad de restaurantes de comida rpida donde podrs disfrutar de variados mens. Nivel Libertador, en este se localizan gran cantidad de tiendas y bancos. Nivel Acuario, aqu se
encuentra el Acuario que ofrece la posibilidad de conocer de cerca la ms extensa fauna marina, venida directamente de lejanos mares y por ltimo, el Nivel autopista, que alberga una gran variedad de tiendas, kioscos y cine.
El Centro Comercial est localizado en el municipio Chacao, situado en la
Avenida Libertador en una parcela aproximada a los 49000m2. Por su gran estructura arquitectnica y razones econmicas, surgi la necesidad de crear un departamento de produccin que se encargara de generar la energa elctrica de
todo el centro comercial.
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En Agosto de 1998 se cre el Departamento de Produccin de Energa Elctrica del Centro Sambil Caracas, el cual cuenta con una serie de equipos que se encargan de generar toda la energa elctrica. Este departamento est conformado por dos salas de generacin y una sala de chiller. En la sala N 01
existen seis (06) Moto-generadores Waukesha VHP L7042 GSI. En la sala N 02 hay tres (03) moto-generadores Waukesha VHP L7042 GSI que son refrigerados por radiadores. Todos estos equipos son alimentados con gas natural suministrado por PDVSA-GAS.
El departamento de produccin est conformado por un jefe de departamento, cuatro supervisores de grupo, cuatro tcnicos 1, cuatro tcnicos 2
y ocho tcnicos 3. En la siguiente figura se muestra un organigrama del departamento de
produccin:
Figura 1. Organigrama del departamento de produccin del C.C. Sambil Caracas.
TCNICO 3 TCNICO 3
TCNICO 2 (ELECTRICISTA)
TCNICO 1
SUPERVISOR GRUPO 1
TCNICO 3 TCNICO 3
TCNICO 2 (ELECTRICISTA)
TECNICO 1
SUPERVISOR GRUPO 2
TCNICO 3 TCNICO 3
TCNICO 2 (ELECTRICISTA)
TECNICO 1
SUPERVISOR GRUPO 3
TCNICO 3 TCNICO 3
TCNISO 2 (ELECTRICISTA)
TCNICO 1
SUPERVISOR GRUPO 4
JEFE DE PRODUCCIN
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CAPTULO 3 SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA EN UN
CENTRO DE GENERACIN
El tema del sistema de puesta a tierra es bastante amplio y complejo, debido a la cantidad de artculos y publicaciones, manuales y especificaciones, que la mayora de las veces no estn de acuerdo entre s y no manejan terminologa tcnica. Muchos de los trminos utilizados no estn respaldados en alguna norma, tienen significados ambiguos
y han sido inventados a lo largo del tiempo por fabricantes de equipos. Los sistemas de puesta tierra son fundamentales para el correcto funcionamiento
de los sistemas de proteccin que miden las corrientes de falla para interrumpir los circuitos. La electrnica de estado slido presente en equipamientos de
telecomunicaciones y computacin exige que las instalaciones elctricas posean un
sistema de puesta a tierra eficiente, que permita que las corrientes inducidas en sus carcasas y estructuras metlicas sean drenadas de manera de evitar dao a estos y prevenir descargas hacia personas.
El sistema de puesta a tierra es la referencia cero del sistema elctrico de distribucin y para la electrnica digital. A pesar de su importancia se ha verificado que el 80 % de todos los problemas en un sistema elctrico de distribucin se debe a una puesta tierra incorrecta y a errores de cableado. Tambin se ha comprobado que la
seccin de Puesta a Tierra es la seccin ms violada en los cdigos elctricos nacionales y a lo que se le presta menos atencin. [4]
La tecnologa de estado slido basada en microelectrnica sigue evolucionando y se hace ms complicada. Cada vez es mayor la cantidad de personas que utilizan esta
tecnologa, desde electrodomsticos en nuestros hogares, hasta sistemas de control de grandes empresas, servidores de informacin y equipos de comunicacin inalmbrica. Estos aparatos son sensibles a los ruidos elctricos y a la contaminacin electromagntica por lo que requiere de un sistema de tierra libre de ruidos. Sin un
efectivo sistema de referencia cero, se producen errores, corrupcin de programas, fallas de transmisin de datos y daos a equipos sensibles. Los costos son la interrupcin de servicios al usuario, prdida de clientes, gasto de tiempo improductivo, gasto de dinero por reemplazo o reparacin de equipos, incluso prdida de dinero por la no realizacin
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de operaciones bancarias en establecimientos comerciales, lo cual afecta la produccin y rentabilidad de la empresa.
3.1 Por qu es necesaria la puesta a tierra?
1.- Limitar el voltaje generado por rayos (descargas atmosfricas) 2.- Limitar las sobretensiones en la red elctrica 3.- Limitar el voltaje debido a contacto no intencional con lneas de mayor
voltaje 4.- Estabilizar el voltaje durante operaciones normales 5.- Evitar que las corrientes de fuga de los equipos electrnicos se queden
encerradas en estos y daen a una persona o al equipamiento. 6.- Permitir el correcto accionamiento de las protecciones en caso de falla. [4]
Para entender la funcin del sistema de puesta a tierra es necesario diferenciar el conductor puesta a tierra (grounded conductor) del conductor de neutro, para no confundirlos. El conductor de neutro sirve para que exista un camino de retorno para la corriente de un circuito elctrico, mientras que el conductor de tierra sirve como proteccin y seguridad.
Cuando el sistema de alimentacin se conecta a tierra, existe un punto neutro y el conductor del circuito conectado a este punto se llama conductor neutro. Con pocas excepciones, el conductor conectado a tierra es el neutro. El cdigo no define el trmino neutro, pero se refiere a l en la seccin 310-15(b)(4) as: el neutro es el conductor que transporta la corriente que no se cancel.
La seccin 250-26(2) identifica el conductor conectado a tierra como el neutro de un sistema monofsico de tres hilos.
En la seccin 250-20 del Cdigo, se recomienda que un sistema sea puesto a tierra en cualquiera de los siguientes casos:
1) Sistemas de corriente alterna desde 50 hasta 1000 voltios que alimenta alumbrados y sistemas de alimentacin de edificios, se conectarn a tierra bajo cualquiera de las condiciones siguientes:
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Donde el sistema pueda ser puesto a tierra de tal manera que el voltaje mximo a tierra de los conductores no puestos a tierra (energizados) no exceda de 150 voltios.
Donde el sistema sea una estrella de 3 fases, 4 hilos, en el cual el neutro se usa como un conductor de circuito.
Donde el sistema sea de 3 fases, 4 hilos conectados en delta, en el cual el punto medio del arrollado de una fase se use como un conductor neutro del circuito
2) Sistemas derivados separadamente. Es importante aclarar que una fuente de energa de corriente alterna, tal como un generador en sitio, no es un sistema derivado separadamente si el neutro est slidamente interconectado al conductor neutro de un sistema que alimenta un servicio o acometida.
3.2 Trminos bsicos relacionados con un sistema de puesta a tierra
Acometida (Service): Conductores y equipos que reciben la energa de la red de suministro pblico (o externo) para el suministro de energa a una instalacin.
Circuito Ramal (Branch Circuit): Conductores de un circuito entre el ltimo dispositivo contra sobre corriente que lo protege y la(s) salida(s).
Conductor de Tierra (Grounding Conductor): Conductor utilizado para conectar un equipo o el circuito de tierra de una instalacin, al electrodo o electrodos de
tierra de la instalacin.
Conductor Puesto a Tierra o conductor conectado a tierra (Grounded Conductor): Conductor de una instalacin o circuito, conectado intencinalmente a tierra. Ej: el conductor de neutro.
Envolvente o carcasa(Enclosure): Envoltura o carcasa de un aparato, o la cerca o paredes que rodean una instalacin para evitar que las personas puedan entrar en contacto accidental con partes electrificadas, o para proteger al equipo contra daos fsicos
Conductor de Tierra de los Equipos (Equipment Grounding Conductor): Conductor utilizado para conectar las partes metlicas que no transportan corriente de los equipos, canalizaciones y otras envolventes, al sistema de tierra, al electrodo de
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tierra de la instalacin o ambos, en los equipos de acometida o en el punto de origen de un sistema derivado independiente (separadamente).
Conductor del Electrodo de Tierra (Grounding Electrode Conductor): Conductor utilizado para conectar el electrodo de tierra (la malla, por ejemplo) al sistema de tierra de los equipos (barras de tierra de equipos), al conductor puesto a tierra (neutro), o a ambos, del circuito de los equipos de la acometida o en la entrada de un sistema derivado independiente.
Conexin Equipotencial o puente (Bonding): Unin permanente de partes metlicas para formar un elemento elctrico conductor que asegure la continuidad elctrica y la capacidad para conducir con seguridad cualquier corriente que pudiera pasar.
Trayectoria efectiva de corriente de falla a tierra (Effective Ground-Fault Current Path): Una construccin intencional, permanente, con camino conductor de electricidad, de baja impedancia, diseado y pensado para llevar corriente por debajo de las condiciones de falla a tierra desde el punto donde ocurre la falla a tierra en un sistema de conductores hasta el suplidor de energa elctrica, facilitando la operacin de las protecciones en sistemas aterrados que poseen alta impedancia.
Falla a tierra (Ground Fault): una conexin no intencional, elctricamente conductiva entre un conductor no aterrado de un circuito elctrico y los conductores que normalmente no llevan corriente. Ejemplos de estos son encerramientos metlicos, caminos del tipo metlico, equipamientos metlicos, o la tierra fsica. [2], [3], [4]
3.3 Funciones del electrodo de puesta a tierra:
1. Mantener contacto con la tierra (suelo, terreno, tierra fsica) de tal forma que las partes metlicas de la instalacin elctrica, que en condiciones de operacin
normal no conducen corriente, y que se conectan al sistema de puesta a tierra, se mantengan al potencial de tierra o potencial cero.
2. Proporcionar muchas trayectorias a tierra para la gran cantidad de electrones generados por una descarga atmosfrica o un sobrevoltaje transitorio, de tal forma que sean disipadas en forma instantnea.
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3. Drenar las corrientes de fuga hacia tierra, lo mismo que las descargas electroestticas, las cuales pueden generarse o acumularse en las cubiertas metlicas de
los equipamientos.
Los sistemas de puesta a tierra que ofrecen eficiente desempeo en bajas frecuencias de sistemas de alimentacin de 50, 60, 400 hertz no son adecuados para controlar las corrientes de altas frecuencia en modernos equipos de de transmisin de
datos. Con el advenimiento de las fibras pticas las frecuencias de datos varan prcticamente desde la corriente continua y la radiacin electromagntica de luz visible.
El objetivo principal del sistema de conexin a tierra es controlar las corrientes indeseables, corrientes de falla, corrientes que generan las descargas electroestticas,
corrientes de ruido de alta frecuencia y corrientes de fuga. Una trayectoria conductora que usualmente tiene baja impedancia a corrientes
de alimentacin, se convierte en una de alta impedancia en sistemas con frecuencias muy altas, cuando la mayor parte de la corriente se desplaza por la periferia del
conductor (efecto pelicular). Si se utiliza en radiofrecuencias (RF) este conductor se convierte en transmisor-receptor de datos de los equipos digitales computarizados que operan con frecuencias de reloj de 10 a 30 megahertz (bandas de radio de onda corta).
El Cdigo explica en la parte C de la seccin 250 los componentes utilizados como electrodos de puesta a tierra, y aclara que si existe ms de uno en la estructura del edificio, estos deben unirse de forma conjunta para garantizar el sistema de electrodo de puesta a tierra de la edificacin. [4]
3.4 Componentes del Sistema de Puesta a Tierra
1. Tubera metlica de agua, instalada bajo tierra, con continuidad elctrica en todas sus partes, en contacto directo con la tierra en una longitud mnima de 3,05 metros (10 pies ). En caso de cualquier pieza que no se asegure la continuidad elctrica (medidor de flujo de fluidos, herraje, cintas antioxidantes), es obligatorio conectar puentes de unin. [4] La figura 2 ilustra este componente
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Figura 2. Tubera metlica de agua como electrodo de puesta a tierra. [4]
2. Estructura metlica del edificio en el caso que garantice efectiva continuidad elctrica, esto es cuando est en contacto directo con terreno homogneo, sin embargo hay que tener en cuenta que en hay casos que para evitar modificaciones en las estructuras por efecto de cambio de clima, los edificios se colocan sobre capas de
arena y materiales de plstico usados como barreras de vapor. Como el plstico y la arena son materiales no conductores, la estructura del edificio no estara conectada efectivamente al terreno. La mejor manera es medir la resistencia a tierra de este electrodo. [4] Un ejemplo de este elemento se muestra en la siguiente figura:
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Figura 3. Estructura metlica del edificio como electrodo de puesta a tierra. [4]
3. Electrodo incrustado dentro de concreto. Este electrodo consiste en unas varillas conductoras (cabillas) de una longitud mnima de 6 metros (20 pies) en contacto directo con el terreno y cubierto por 5,8 centmetros (2 pulgadas) de concreto. Suelen colocarse cerca de los cimientos que estn en contacto directo con el terreno. Estas varillas pueden ser conductor de cobre calibre nmero 4 AWG o mayor, sin aislamiento, o barra de refuerzo de acero con dimetro mayor de 1,27 cm (1/2 pulgada). Este conjunto de electrodos es comnmente llamado como tierra Ufer, en honor a Herb Ufer, quin prob en la dcada de los sesenta, que los electrodos consistentes en varillas de refuerzo de 6 metros de longitud, enterradas en 2 pulgadas de concreto, usados en los cimientos de los edificios, medan resistencias de 5 ohms o menos, an en suelos secos y arenosos. [4]
Observacin: Debe tenerse cuidado con estos electrodos, ya que con el tiempo el concreto es daado por oxido de las varillas y/o las corrientes de falla altas. El acero corrodo puede expandirse ms de dos veces su volumen original y/o una corriente de
falla alta es capaz de convertir la humedad presente en el concreto, en vapor de alta presin, que producen fisuras en el concreto. [4]
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4. Anillo de tierra, que consiste en un cable de cobre sin aislamiento (desnudo), de una longitud mnima de 6.1 metros, de tamao no menor que calibre AWG nmero 2, colocado alrededor del edificio como se muestra en la figura 4. Este cable debe estar en contacto directo con la tierra a una profundidad no menor de 76,2cm (2 pies). [4]
Figura 4. Anillo de puesta a tierra. [4]
5. Sistemas metlicos subterrneos u otras estructuras enterradas bajo tierra, como sistemas de tuberas o tanques bajo tierra que no transporten material voltil altamente inflamable. [4]
6. Electrodos de tubos y/o varillas conductoras separadas entre s en una distancia mayor a 1,8 metros (6 pies), unidos entre s con conductores desnudos de calibre mayor al nmero 2 AWG, y que estn en contacto con el terreno en una distancia mayor a 2,4 metros (8 pies) enterradas bajo la capa de congelacin, de dimetro mayor o igual a 19mm (3/4 de pulgada), tamao comercial. [4]
Los electrodos de tuberas deben ser de dimetro mayor a 1,9 cm (3/4 pulgada), tamao comercial, y si son de hierro o acero, tendrn la superficie externa galvanizada o con cubierta de metal para protegerlas contra la corrosin. El aluminio no est permitido para usarse en electrodos de puesta a tierra. Los electrodos de varillas de acero o hierro
tendrn un dimetro mayor de 1,59 cm (5/8 de pulgadas). Las varillas de acero
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inoxidable y/o material no ferroso de dimetro mayores a 5 cm (1/6 de pulgada) se pueden usar solo si estn certificadas para tal fin.
El Cdigo obliga a que cualquiera de los electrodos existentes en la estructura del edificio, de acuerdo a las especificaciones de la seccin 250-50 (a)-(d), deben unirse entre s con conductores de calibre mayor al nmero 2AWG, segn la seccin 250-52.
Como medida de seguridad, todas las tuberas, conductos metlicos de aire y
cualquier elemento metlico, dentro o sobre del edificio, deben conectarse a tierra de acuerdo con las secciones del Cdigo 250-116 y 250-104.
El conductor del electrodo de tierra, de acuerdo con el artculo 100 del Cdigo y seccin C, artculo 250-64, debe conectar el sistema de electrodo de puesta a tierra a la barra comn o neutro del transformador (punto de conexin Xo) en cualquier sistema elctrico, incluyendo el de conexin delta con una fase conectada a tierra.
La conexin al sistema de electrodo de tierra, debe efectuarse con un proceso exotrmico; por ejemplo, soldaduras que funden a altas temperaturas (soldadura exotrmica), o con una soldadura con aleacin no ferrosa a base de calor. Tambin puede usarse una abrazadera de terminal del tipo bloque-perno, o una conexin de compresin irreversible, sin embargo, el uso de ciertas sujeciones mecnicas ya no se acepta por aflojarse con el tiempo, o por los efectos de congelacin y descongelacin de terreno. Cualquier conexin de sujecin irreversible debe efectuarse utilizando la herramienta de compresin que utiliza el fabricante del sujetador, con el fin de asegurar que se aplica la presin adecuada al conector.
En lugares donde dos o ms edificios o estructuras son alimentados por un nico
servicio o acometida comn, el sistema de conexin a tierra en cada edificio o estructura tendr sus propios electrodos de tierra, conectado al gabinete de metal del interruptor general de desconexin del edificio, as como al conductor de circuito conectado o puesto a tierra del sistema de corriente alterna en el lado de alimentacin del interruptor
de desconexin del edificio o estructura (Cdigo 250-32). [4]
15
3.5 Aspectos bsicos del diseo de la malla de puesta a tierra segn lo recomendado por el Cdigo Elctrico Nacional
Un conductor que forme un lazo cerrado y continuo alrededor del rea de la malla de puesta a tierra. Esto disminuye la resistencia de la malla e impide
concentraciones altas de corriente en la malla, cercas y extremos de los conductores cercanos. Este conductor se coloca en paralelo al permetro de la malla y se coloca del lado de afuera de la cerca. La malla debe extenderse hasta afuera de la cerca que pueda estar
rodeando la zona. En un sistema tpico se utilizan conductores 4/0 (como mnimo) de cobre
sin aislamiento enterrados a 0,3-0,5 m debajo del suelo y dispuestos en patrn de malla y espaciados 3-7 m entre s. Conductores ms grandes deben usarse donde pudiera
ocurrir altas concentraciones de corriente, como en uniones neutro-tierra de los generadores, banco de capacitares y/o transformadores En las intersecciones deben estar unidos de manera segura. Las jabalinas deben colocarse en las esquinas y en el permetro de la malla.
Todas las partes metlicas que no conducen corrientes en operaciones normales pero, que puedan ser energizadas en caso de falla, contacto con conductor energizado o voltajes inducidos, deben ser conectadas al SPAT. Debe poseer un sistema para sensar las corrientes de falla a tierra y
alertar al operador cuando ocurra.
Debe limitar los voltajes de paso y toque dentro de valores tolerables para las personas que operan en las cercanas.
Los conductores del SPAT deben ser continuos, sin interruptores. Deben estar protegidos de esfuerzos mecnicos que los pueda daar. Las conexiones del SPAT
que estn expuestas deben ser accesibles para fcil inspeccin. Las tuberas, tanques, cercas, estructuras de acero, canalizaciones
metlicas de conductores y ductos metlicos, que se encuentren dentro del rea de la malla de puesta a tierra, deben ser conectados al SPAT. Las tuberas, tanques, cercas,
canalizaciones metlicas de conductores y ductos metlicos, que se encuentren fuera del rea de la malla deben tener una seccin de aislamiento elctrico.
16
CAPITULO 4 PROCEDIMIENTO PARA EL DISEO DE LA
MALLA DE PUESTA A TIERRA
En este captulo se muestra el procedimiento para disear un SPAT basado en el estndar 80 de la IEEE. Nuestro caso en particular se refiere a un generador elctrico, por lo que es necesario utilizar tambin el estndar 665 de la IEEE que trata bsicamente de lo mismo que el estndar anterior, dedicado a centros de generacin. Debido a que el rea donde est ubicado el generador est ya construida y no hay espacios donde se encuentra una extensin de terreno, libre de construcciones, el diseo del SPAT no tendr las mismas libertades que cuando se disea una puesta a tierra
desde el inicio. En la siguiente figura se muestra el procedimiento de diseo del SPAT: [1]
Figura 5. Procedimiento para el diseo del SPAT segn estndar 80 IEEE. [1]
Data de campo Calibre conductor del SPAT
Tensiones de toque y paso permisibles
Diseo inicial Resistencia de malla
Corriente de malla
Tensiones de toque y paso
Detalles del diseo
IGRG
17
4.1 Data de campo
Es necesario calcular el rea de la malla de puesta a tierra y la resistividad del terreno. Cuando las variaciones de la resistividad del suelo respecto a la profundidad sean pequeas, se utiliza el modelo de suelo uniforme, aunque, en la prctica no es frecuente. Cuando hay variaciones acentuadas a medida que se vara la profundidad, el
modelo de dos capas obtiene resultados ms precisos. Para analizar las variaciones de la resistividad es necesario utilizar algn mtodo
de medicin de resistividad de terreno, como por ejemplo, el de jabalina mvil o el de 4 jabalinas. Ambos mtodos utilizan jabalinas enterradas a una profundidad mucho menor que la distancia de separacin entre s, conectadas a una fuente de energa y un ampermetro.
Se utiliza la siguiente ecuacin para hallar la resistividad del terreno:
(4.1)
Pero, como en la prctica, la profundidad (largo) de las jabalinas es considerablemente menor que la separacin entre estas, la ecuacin se aproxima a:
(4.2)
Estos mtodos no aplican a nuestro caso en particular debido a que es una zona urbana congestionada donde no existen grandes extensiones de terrenos para realizar
este tipo de mediciones. Es necesario recurrir entonces, a un mtodo no convencional para lograr estimar con la mayor precisin posible los parmetros del terreno en esta rea. Entre los mtodos no convencionales sobresale el de hincamiento de barra, que consiste en ir enterrando una jabalina en pasos constantes y medir la resistencia a tierra. Este mtodo resulta en una medicin de la resistencia a tierra y es funcin de la
18
profundidad de enterramiento de la jabalina.[15], [16]. En el captulo 5 se explicar con detalle dicho procedimiento.
4.2 Seleccin del calibre del conductor para el SPAT
Para hallar el rea del conductor del SPAT se utiliza la siguiente expresin, sin
embargo, en el caso de inters se tiene que utilizar directamente la tabla de seleccin de conductor del CEN por tratarse de un sistema en baja tensin:
(4.3)
Donde las variables son:
I Corriente de falla rms en kA
Amm2 rea del conductor en mm2 . Puede ser en kcmil Tm Temperatura mxima soportable en C Ta Temperatura ambiente en C Tr Es la temperatura de referencia para las constantes de materiales en C
o Coeficiente trmico de resistividad a 0C en 1/C [1] r Coeficiente trmico de resistividad a la temperatura de referencia en C
r Resistividad conductor de tierra a la temperatura de referencia, en /cm Ko 1/ (1/r)Tr en C tc Duracin de la corriente de falla en seg TCAP Capacidad trmica por unidad de volumen de la tabla 1 en J/cm3 C
La resistividad del conductor y el coeficiente trmico deben estar a la misma temperatura de referencia Tr. Los valores de la siguiente tabla estn a una temperatura de referencia de 20C.
La corriente Irms, puede o no contener una componente de asimetra, llamada dc offset. Si la duracin de la corriente es igual o mayor a 1 seg., o el X/R radio es menor a
19
5, se puede despreciar el efecto dc offset de la corriente asimtrica y usar la corriente que resulta de aplicar el mtodo de Thevenin entre los puntos donde ocurre la falla pero,
en nuestro caso se trata de un generador por lo que la simetra es realmente importante. Cada norma ANSI o IEC se aproxima de manera distinta al clculo de corrientes
de cortocircuito y dado que las corrientes de cortocircuito resultan ser de suma importancia para el diseo del SPAT. El mtodo de clculo de corrientes de
cortocircuito utilizando las normas ANSI/IEEE refiere lo siguiente:
Se coloca una fuente de tensin equivalente en el punto de falla, que es igual a la tensin pre-falla en este punto, reemplazando todas las fuentes de tensin tanto internas como externas.
Todas las mquinas son representadas por su impedancia interna. Las capacitancias de las lneas y las cargas estticas no se consideran.
Los TAPs de los transformadores se pueden seleccionar en su posicin nominal o en una determinada posicin a fin de ajustar la impedancia de los transformadores.
Cuando se asume que es una falla franca, no se considera la resistencia del arco.
Las impedancias del sistema se asumen trifsicas balanceadas. Se utiliza el mtodo de las componentes simtricas para el clculo de las
fallas des-balanceadas.
En la prctica la norma considera la tensin pre-falla como la tensin nominal del sistema. [7]
Las ecuaciones en caso de falla lnea-tierra seran:
(4.4)
Entonces la corriente de falla es:
I=3Io (4.5) En caso de que sea conveniente o se desee tomar en cuenta la asimetra de la
corriente de falla, se agrega el factor de decaimiento: I=Df 3Io (4.6)
20
(4.7)
Donde Df es el factor de decaimiento, Ta es la constante de tiempo DC o dc offset, en segundos, y que es igual a Ta = X/(R), y para un sistema de 60Hz sera Ta = X/(120piR). Donde tf es el tiempo de duracin de la falla, que corresponde al tiempo tc expuesto anteriormente. Estos tiempos estn asociados al tiempo de despeje del sistema de proteccin. [1]
Adicionalmente, el factor de decaimiento se obtiene de la tabla 10 del estndar 80, de la IEEE, ao 2000. [1]
4.3 Voltajes de toque, paso y metal-metal permisibles
Estos voltajes pueden aparecer sobre una persona cuando est en contacto con partes energizadas de un sistema elctrico. En el caso de voltaje de toque corresponde cuando la persona esta tocando una estructura metlica que est energizada, formando una diferencia de potencial entre el punto donde su cuerpo toca la parte energizada y donde su(s) pie(s) hace(n) contacto con el suelo. El voltaje de paso es la diferencia de potencial que existe entre los puntos donde los pies hacen contacto con el suelo. Este potencial se produce porque el piso y/o entorno est de alguna manera, energizado. El voltaje metal-metal resulta entre una mano que est en contacto con una parte metlica energizada y la otra mano que est en contacto con una estructura metlica puesta a
tierra. [1] Las expresiones para determinar las tensiones de paso para personas de 50 Kg. y
70 Kg. de peso, se detallan a continuacin y son parte de los clculos estimados que a este respecto se presentan en normas internacionales y que pueden ser empleadas para el
estudio de prcticamente cualquier situacin real. [1]
( )ts
sCsEpaso 116,06100050 += (4.8)
21
( )ts
sCsEpaso 157,06100070 += (4.9)
Donde es la resistividad del terreno, s es la resistividad de la capa protectora
superficial, y Cs, es el factor de la capa protectora superficial. Esta capa es de material de alta resistividad, suele ser de grava, piedra picada o cemento, de entre 8 y 15 cm. de espesor, que se coloca en la superficie, sobre la malla de puesta a tierra para incrementar la resistencia de contacto entre el suelo y los pies de las personas que se encuentren en
las cercanas. La variable ts es el tiempo que la persona dura en exposicin ante la falla. Magnitudes de corriente en el rango de 60-100mA pueden desencadenar la
fibrilacin ventricular, detener el corazn o inhibir la respiracin, y de esta manera, causar dao o muerte a la persona. El tiempo que el cuerpo humano est expuesto a la
corriente elctrica influye considerablemente en el dao. Estudios recomiendan que los tiempos de despejes sean menores a 0,5 seg. El corazn humano se vuelva ms susceptible a la fibrilacin ventricular cuando el tiempo de exposicin se acerca al periodo de latido del corazn pero, el dao disminuye considerablemente cuando el tiempo de exposicin de la corriente est entre 0,06-0,3 seg. Todas estas ecuaciones estn basadas en tiempos entre 0,03-0,3 seg, por lo que no son vlidas para tiempo muy pequeos o muy largos. Por lo tanto, el valor de ts puede ser escogido entre 0,03-0,3 seg, tomando un valor cercano al tiempo de despeje de las fallas dado por el sistema de proteccin. [1]
22
Para los voltajes de toque para personas de 50 Kg. y 70 Kg. de peso, se utilizan las siguientes expresiones: [6]
( )ts
sCsEtoque 116,05,1100050 += (4.10)
( )ts
sCsEtoque 157,05,1100070 += (4.11)
(4.12)
Donde: Cs Constante relacionada con la capa protectora superficial colocada sobre
el SPAT.
Resistividad en m del terreno del SPAT. s Resistividad en m de los materiales utilizados como capa protectora
superficial.
hs Grosor en m. de la capa protectora superficial.
Los materiales frecuentemente utilizados como capas protectoras en zonas
urbanas son el concreto y el asfalto. El asfalto posee una resistividad entre 2 Mm y 30 Mm en condiciones secas, y el concreto entre 1 Mm y 1000 Mm, de acuerdo con la tabla 7 del estndar 80 de la IEEE, ao 2000.
4.4. Resistencia de malla
Un sistema de puesta a tierra debe tener una resistencia de tierra lo ms baja posible. Generalmente, el sistema de puesta a tierra est formado por la malla de conductores enterrados en el suelo, dispuestos de manera horizontal, y jabalinas enterradas en el suelo y conectadas a esta malla. Adicionalmente, se pueden utilizar las explicadas anteriormente, como acero reforzado, tuberas metlicas de agua, placas
23
metlicas. Lo importante, es que la resistencia total del sistema, cuando existen diferentes tipos de electrodos de tierra, se determina como un sistema de resistencias en
paralelo. Segn el Cdigo Elctrico Nacional la resistencia a tierra no debe superar
25. En instalaciones de telecomunicaciones no debe exceder 5 y en reas con alta incidencia de descargas atmosfricas no debe pasar de 1. En plantas industriales sera 1-5. [4]
Para determinar un valor inicial de la resistencia de tierra preliminar se utiliza la siguiente expresin:
(4.13) Donde es la resistividad del terreno, y A, es el rea a ser ocupada por la malla
de puesta a tierra.
4.4.1. Resistencias mutuas
La ecuacin (4.13) no toma en cuenta las fundaciones del edificio, las jabalinas enterradas, la longitud de los conductores, ni la profundidad a la que est enterrada la
malla de puesta a tierra, factores que influyen drsticamente en el valor de resistencia del SPAT. Para tomar en cuenta estos valores se tiene la siguiente ecuacin, donde R1 es la resistencia equivalente de los conductores horizontales de la malla, R2 es la resistencia equivalente del conjunto de jabalinas, y Rm es la resistencia mutua de ambos conjuntos: [1]
(4.14)
(4.15)
(4.16)
24
(4.17)
Donde: R1 es la resistencia asociada a los conductores de la malla R2 es la resistencia asociada a los electrodos conectados a la malla Rm es la resistencia mutua entre los conductores y los electrodos de la malla
es la resistividad del suelo
Lc es la longitud total de los conductores de la malla de puesta a tierra
Lr es la longitud de cada jabalina de puesta a tierra LR es la longitud total de todas las jabalinas
a es para los conductores enterrados a una profundidad h en metros,
o es a si h=0 2a es el dimetro de los conductores en metros 2b es el dimetro de las jabalinas en metros nR es el nmero de jabalinas colocadas en el rea A A es el rea ocupada por la malla de puesta a tierra en metros cuadrados k1, k2 coeficientes que se obtienen de las figuras 25(a) y 25(b) del estndar 80 de
la IEEE, ao 2000. [1]
Cuando el acero es utilizado como conductor de tierra, la resistencia se calcula con: [6]
(4.18) [6] Ra= Resistencia del acero de puesta a tierra
Rst= resistividad del acero. Igual a 0,11-0,15 mm2/m l= longitud del conductor en metros A= seccin del conductor en mm2
25
4.4.2. PAT en zonas urbanas para sistemas de BT
Para sistemas de baja tensin en zonas urbanas se utilizan diferentes elementos en el SPAT como el acero estructural de edificios y construcciones, jabalinas enterradas, cercas metlicas, tuberas de agua, vigas de acero, canalizaciones metlicas. La resistencia equivalente del SPAT es el paralelo de las resistencias de cada uno de estos
elementos.
4.5. Corriente de malla
La corriente mxima que puede circular por la malla de puesta a tierra se estima con la siguiente expresin:
(4.19)
Donde If es la corriente total de secuencia cero (3Io), Sf, es el factor de divisin de corriente, Df, es el factor de decaimiento y Cp, es factor correctivo de proyeccin. El factor correctivo de proyeccin es una cantidad que toma en cuenta el incremento en la
corriente de falla en el futuro, por cambios en el sistema elctrico. Esto puede incluir el crecimiento del sistema al colocar nuevas lneas de transmisin o unidades de generacin. Aunque es difcil predecir estos cambios, un valor conservador es adecuado en el diseo inicial, como por ejemplo CP = 1,25.
Para determinar la mxima corriente que fluye entre la malla de puesta a tierra y el terreno circundante, debe hallarse el factor de divisin de corriente, Sf, y el factor de decaimiento, Df. La manera de estimar estos parmetros se explica en el anexo A.
26
4.6. Clculo de los voltajes de toque y paso
Se calcular los valores de voltajes de toque y paso para el diseo en particular. Se utilizan las siguientes expresiones: [6]
Voltaje de toque:
M
G
LIKiKm
Et
=
(4.20)
Voltaje de paso:
LsIKiKs
Ep G
=
(4.21)
Km, es el factor de espaciamiento para el voltaje de toque, Ks, es el factor de espaciamiento para el voltaje de paso, Ki, es el factor de correccin para la geometra de la malla, Kii, es el factor de correccin por las jabalinas, Ls, es la longitud efectiva para el voltaje de paso, LM, es la longitud efectiva para el voltaje de toque. [1]
Las longitudes efectivas se calculan de la siguiente manera:
Si la malla no posee jabalinas, o si posee solo unas pocas a travs de la malla pero, ninguna en las esquinas ni en el permetro:
(4.22)
Si la malla posee jabalinas en las esquinas y/o a los largo del permetro:
(4.23) Donde LX y LY, son las longitudes mximas de la malla en las direcciones Y y X.
(4.24)
27
Las constantes se calculan de la siguiente manera: [1]
(4.25) Para h entre 0,25 y 2,5 metros. Donde D, es el espacio entre conductores
paralelos y debe ser igual en ambas direcciones, n, es el factor de geometra:
(4.26)
(4.27) nb=1 para mallas cuadradas nc=1 para mallas cuadradas y rectangulares nd=1 para malla cuadradas, rectangulares y con forma de L. [6]
Para casos contrarios:
(4.28)
(4.29)
(4.30) Donde Lp es la longitud del permetro de la malla de puesta a tierra, Dm, es la
mxima distancia entre dos puntos cualesquiera de la malla, A, es el rea de la malla.
(4.31)
(4.32)
Donde d es el dimetro del conductor de la malla, es decir, d = 2a. Si la malla posee jabalinas en las esquinas y/o a los largo del permetro:
(4.33)
28
Si la malla no posee jabalinas, o si posee solo unas pocas a travs de la malla pero, ninguna en las esquinas ni en el permetro:
(4.34)
(4.35) Con ho=1 metro como referencia [6]
4.7. Comparacin entre voltaje de toque diseado y voltaje de toque permisible
Si el voltaje de toque est por debajo del voltaje de toque permisible, el diseo cumple con las condiciones, y se sigue al siguiente paso. Si lo supera, es necesario
modificar el diseo preliminar, bien sea aumentar el nmero de jabalinas, el espaciado entre conductores de la malla horizontal, aumentar la profundidad de la malla enterrada, el calibre del conductor de la malla, entre otros.
4.8. Comparacin entre voltaje de paso diseado y voltaje de paso permisible
Si el voltaje de paso est por debajo del voltaje de paso permisible, el diseo cumple con las condiciones y se contina al siguiente paso. Si lo supera, es necesario modificar el diseo.
4.9 Detalles del diseo
El diseo solo necesita tomar en cuenta los accesos para la puesta a tierra de los equipamientos y los riesgos de voltajes transferidos a instalaciones cercanas. Deben ser conectadas al sistema de puesta a tierra la carcaza de los motores, generadores, cajas de interruptores, swichtgears, cercas, paneles de control, etc.
29
CAPTULO 5 ESTIMACIN DE LOS PARMETROS DEL
TERRENO EN ZONAS URBANAS
El mtodo de medicin de resistividad mostrado en el captulo 4 es utilizado cuando el terreno est libre de construcciones y hay espacio disponible, por lo que no se puede aplicar en el caso de inters, donde se trata de una zona urbana, congestionada de construcciones alrededor del generador, concreto, sistemas de cabillas, tuberas de agua,
etc. Los mtodos convencionales de medicin de puesta a tierra no son viables para el caso de estudio planteado.
Es necesario recurrir entonces, a un mtodo no convencional para lograr estimar con la mayor precisin posible los parmetros del terreno en esta rea. Entre los
mtodos no convencionales sobresale el de hincamiento de barra, que consiste en ir enterrando una jabalina de longitud L en pasos constantes y medir la resistencia a tierra, como se muestra en la figura 6. Este mtodo resulta en una medicin de la resistencia a tierra y que es funcin de la profundidad de enterramiento de la jabalina.[15], [16]. Este mtodo estima los parmetros de un terreno de dos estratos, es decir, la resistividad del
primer estrato, 1, la resistividad del segundo estrato, 2, y la profundidad del primer estrato, h.
Figuras 6. Mtodo de hincamiento de barra.
30
La resistencia de puesta a tierra es una funcin de la resistividad del terreno, en cada paso de profundidad de enterramiento se mide la resistencia de puesta a tierra y se
estima la resistividad promedio, mediante la siguiente expresin:
ld
l
R
=pi
2
)4ln( (5.1)
Donde R es la resistencia medida en , l es la profundidad de enterramiento de la jabalina en metros, es la resistividad promedio del terreno en m. para una profundidad l en particular, y d es el dimetro en metros de la jabalina que se est enterrando. [15]
Para la medicin de resistencia de puesta a tierra existen mtodos convencionales y no convencionales, dado que se tienen restricciones, la aplicacin propuesta se basa en el
segundo, utilizados para medir resistencia de PAT en zonas urbanas. Ejemplos de mtodos no convencionales son el de 2 puntos y el de triangulacin. El primero consiste en medir la resistencia de puesta a tierra conectando el aparato de medicin entre la jabalina que se est enterrando y un punto que se encuentre en contacto con el terreno, como una tubera de agua. Este mtodo se ilustra en la figura 7. El otro mtodo consiste en utilizar 3 puntos en contacto con el terreno y dispuesto en formacin triangular. Uno de estos puntos es la jabalina que se va enterrando y los otros dos puntos se encuentren en contacto directo con el terreno, que pueden ser otras jabalinas enterradas, tuberas de agua, acero de refuerzo estructural de edificios cercanos, etc., luego se conecta entre estos tres puntos resistencias de valores conocidos. Este mtodo se ilustra en la figura 8.
31
Figura 7. Mtodo de los 2 puntos.
Figura 8. Mtodo de triangulacin.
Obtenidas las mediciones de resistencia de puesta a tierra en funcin de la profundidad se procede a estimar los parmetros del terreno. Para hacerlo existen mtodos de estimacin entre los cuales se encuentra un mtodo iterativo, planteado
por J. Nahman en 1988 en un artculo de la IEEE. [16] En este trabajo se plantea un mtodo de anlisis de estos resultados, y una
manera automtica y novedosa de estimar los parmetros del terreno. La idea es hacer
32
uso de la teora de redes neurales artificiales (RNA) para reconocer patrones y dar respuestas a este problema en particular. [16]
Una RNA es un sistema de aprendizaje y procesamiento automtico inspirado en la forma en que funciona el sistema nervioso de los animales. Se trata de un sistema de interconexin de neuronas en una red que colabora para producir un estmulo de salida. Las redes neurales simulan las propiedades observadas en los sistemas neuronales
biolgicos a travs de modelos matemticos recreados mediante mecanismos artificiales, como un circuito integrado, una computadora, etc El objetivo es conseguir que las mquinas den respuestas generales, similares a las que es capaz de dar el cerebro como solucin a un problema matemtico complejo que sea difcil de representar analticamente. [11]
La RNA utiliza una aproximacin basada en un conjunto de datos de entrada suficientemente significativo, y el objetivo es conseguir que la red aprenda automticamente las propiedades deseadas. En este sentido, el diseo de una red neural
no tiene que ver con flujos de datos y deteccin de condiciones, sino con la seleccin del modelo de red, de las variables a incorporar y el pre-procesamiento de la informacin que formar el conjunto de entrenamiento. Asimismo, el proceso por el que los parmetros de la red se adecuan a la resolucin de cada problema no se denomina
programacin sino, entrenamiento, como se ilustra en la siguiente figura:
Figura 9. Entrenamiento de una red neural.
Entrenamiento:
RN Salida Entrada
Datos conocidos
33
En este trabajo se comprobarn los resultados obtenidos con la RNA con otro mtodo de estimacin de los parmetros del terreno, la publicacin A Practical Method
For The Interpretation of Resistivity Data Obtained From Driven Rod Tests, escrito por J. Nahman y D. Salomn, en la publicacin IEEE Transactions On Power Delivery, Volumen 3, nmero 4, de octubre de 1988, el cual se describe a continuacin. [16]
En general, el procedimiento de anlisis de las mediciones bajo la propuesta del mtodo de J. Nahman y D. Salomn es:
La profundidad de enterramiento de la jabalina es incrementada paso a paso en un incremento constante l :
lll kk += 1 (5.2)
Digamos que se hacen n pasos, n mediciones de profundidad. Para cada paso incremental la resistividad promedio del terreno es:
=dl
Rlk
kkk
4ln
2 pi (5.3)
El ndice de resistividad es utilizado para estimar la profundidad del primer estrato:
1+= k
kkg
(5.4)
Si la resistividad del primer (superior) estrato es mayor que la del segundo estrato, 21 > , la resistividad promedio ir disminuyendo con la profundidad y el
ndice de resistividad permanecer prcticamente constante en cada incremento de profundidad mientras la barra se encuentre an en el primer estrato, y el ndice de resistividad estar cercano a 1. Luego de que la barra penetre en la segunda capa, el ndice de resistividad se incrementar abruptamente. Si esto ocurre en el paso m de las
variaciones de la profundidad de la barra, entonces la profundidad del primer estrato es: 1
=mlh
Una buena aproximacin de la resistividad del primer estrato es la primera
iteracin: ( )1 1 1k = = siempre y cuando la longitud de la jabalina sea mayor a 0,3
34
metros, de tal modo que se desprecien las imprecisiones de las mediciones por el mal contacto de la barra con el terreno. [16]
Si 21 < , la resistividad promedio se incrementar a medida que se entierra
la barra y el ndice de resistividad ir disminuyendo con la profundidad. Para las primeras medidas, donde la longitud de enterramiento l es mucho menor que la profundidad del primer estrato, la resistividad promedio ser muy cercana al valor de la
resistividad del primer estrato. Luego de que la jabalina penetre el segundo estrato, el ndice de resistividad disminuir abruptamente. Si esto ocurre en el paso m de las
variaciones de la profundidad, entonces: 1= mlh
Una buena aproximacin de la resistividad del primer estrato es la primera
iteracin: ( )1 1 1k = = siempre y cuando la longitud de la jabalina sea mayor a 0,3 metros, de tal modo que se desprecien las imprecisiones de las mediciones por el mal contacto de la barra con el terreno. [16]
A partir de aqu, 1 y h toman valores conocidos. Ahora, para hallar la
resistividad del segundo estrato se utiliza:
=
dle
lehlRh kk 4ln1
12
pi
(5.5)
De la que se despeja le, que luego se evala en:
12
+=
hhlle k
(5.6)
Si 21 > , el valor de la resistividad del segundo estrato se mantendr
relativamente constante a medida que se aumenta la profundidad, por lo que la resistividad del segundo estrato se toma como el promedio de las resistividades
promedios desde el paso k=m+1 hasta el paso k=n. Si 21 < , la resistividad de la
capa inferior aumentar gradualmente con la profundidad hasta llegar a un valor estabilizado, que corresponde a la resistividad del segundo estrato, en el paso k=n.
35
En la siguiente figura se muestra un flujograma de los pasos a seguir para utilizar el mtodo que se acaba de explicar:
Figura 10. Procedimiento del mtodo iterativo para estimar los parmetros del terreno.
lll kk += 1
=dl
Rlk
kkk
4ln
2 pi
1+= k
kkg
IF g1>g2>g3>gn
AND 12
gk=z=mayor
incremento
lz-1=h
2=promedio(k=z+1; k=z+2; k=z+3; . ; k=n)
En n mediciones, n profundidades
1=k=1
36
Este mtodo tiene la desventaja de que no es directo, es iterativo. Adems, se tarda tiempo en obtener los resultados y es fcil equivocarse en los clculos. Otro
problema, es que existen mediciones donde las resistividades no van decreciendo o creciendo de manera montona, y mediciones en las que no es fcil interpretar cundo ocurre el cambio del primer estrato al segundo estrato. Precisamente, por estas desventajas surge la necesidad de utilizar el mtodo de las redes neurales para estimar los parmetros del suelo.
En este trabajo en cuestin, la RNA es previamente entrenada con muchos casos posibles de mediciones de resistencia de puesta a tierra en funcin de la profundidad, utilizando el mtodo antes mencionado, y acotados en un rango significativo. Los
valores de resistencia a tierra se llevan a resistividad promedio por medio de la ecuacin 5.3 y se utilizan como los datos de entrada para las redes neurales. Los datos de salida son las respuestas de inters correspondientes a cada caso de entrada, que en nuestro caso, son resistividad del primer estrato, resistividad del segundo estrato y profundidad
del primer estrato. La red es previamente entrenada con un nmero de datos y un rango de datos significativos, se verifica que se produzca un entrenamiento efectivo, y luego se introducen datos experimentales a la red y se verifican los resultados dados con los obtenidos con el mtodo iterativo planteado al inicio.
Las variables a utilizar en el entrenamiento son 1 y 2, que son las
resistividades del primer y segundo estrato respectivamente, que van de 40 a 1000 m
en pasos de 40 m, h y l, que son la profundidad del primer estrato y los pasos en que es enterrada la jabalina, respectivamente. Se debe entender que no se trata de hacer todas las mediciones donde se logren todos esos casos de parmetros del terreno, sino al
revs, dados todos esos casos de 1, 2 y h, se obtienen las mediciones de resistencia de
puesta a tierra que logren simular esos resultados. Esto resulta en 6875 soluciones posibles para el entrenamiento, y que se subdividen en tres casos posibles, cuando la
resistividad del primer estrato es mayor que la del segundo estrato, 21 > , cuando la
resistividad del primer estrato es menor que la del segundo estrato, 21 < , y cuando
las resistividades del primer y segundo estrato son iguales, 21 = , que corresponde a
un suelo homogneo.
Entonces es necesario entrenar cuatro redes neurales, la primera encargada de discriminar a cul caso corresponde los datos de entrada, y las otras tres que se
encarguen de dar la respuesta segn el caso. Esto se muestra en las siguientes figuras:
37
Figura 11. Entrenamiento de la red discriminante.
Figura 12. Entrenamiento de las redes segn el caso.
Una vez que las redes son entrenadas se pueden estimar parmetros del terreno,
introduciendo las resistividades promedios a la red discriminante, la cual indica el caso del que se trata, y luego se introducen a la red neural.
En la siguiente figura, se muestra un flujograma del procedimiento ha realizar para estimar los parmetros del terreno una vez que las redes han sido entrenadas:
RNA
Datos conocidos
caso 1>2
Entrenamiento red discriminante:
caso 12
1 2 h
Entrenamiento de cada red:
(prof) caso 1
38
Figura 13. Procedimiento para utilizar la RNA una vez entrenada.
La profundidad de enterramiento, l, vara cada 20 centmetros con la idea de hacerlo factible, ya que es prctico hacer las mediciones de esta manera y as lograr detectar la profundidad del primer estrato con un error igual al espaciamiento de las
profundidades, que en este caso es 20 centmetros. Por supuesto, lo ideal es hacer las mediciones lo menor espaciado posible, digamos cada 5-10 centmetros para que se detecte el cambio del estrato superior al estrato inferior con mayor detalle y resolucin pero, en la prctica sera muy tedioso lograrlo, adems que el entrenamiento de las redes neurales en Matlab aumenta en tiempo a medida que se aumentan las dimensiones de
los datos usados y los errores de medicin hacen que esto no sea atractivo ni con sentido prctico.
Entrenar la red no es trivial y no se trata de un problema determinstico, sino ms bien de un problema al azar, de ir probando una y otra vez hasta que se logre un
entrenamiento efectivo. No se trata de hacer la red ms compleja, ms poderosa y
Red discriminante
Red caso 1>2
Red caso 1
39
gigantesca posible, ya que an una red as puede funcionar con bajo desempeo comparada con una red que con pocas conexiones, capas y neuronas es capaz de
lograrlo satisfactoriamente.
La siguiente tabla muestra las propiedades de las cuatro redes neurales utilizando el bloque de herramienta de redes neurales ofrecido por Matlab: [12], [13].
Tabla I parmetros de entrenamiento de las redes neurales
tipo de red
funcin de entrenamiento
nmero capas
nmero neuronas
capa 1
nmero neuronas
capa 2
funcin de transferencia
capa 1
funcin de transferencia
capa 2 funcin de adaptacin
red discrimi-nadora
Backpro-pagation
Lenverberg Marquardt 2 11 1 sigmoide purelin
Batch Gradient Descent Moment
red caso 1>2
Backpro-pagation
Lenverberg Marquardt 2 11 3 sigmoide purelin
Batch Gradient Descent Moment
red caso 12.
40
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10010-2
10-1
100
101
100 Epochs
Trai
ning-
Blue
Performance is 0.099137, Goal is 0
Figura 15 Desempeo del entrenamiento de la RNA nmero 2, caso 1
41
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10010-2
10-1
100
101
100 Epochs
Tra
inin
g-Bl
ue
Performance is 0.0196805, Goal is 0
Figura 17. Desempeo del entrenamiento de la RNA discriminadora.
Los desempeos del entrenamiento de las cuatro redes fueron los siguientes:
Red caso 21 > el error fue 0,001
Red caso 21 < el error fue 0,09
Red caso 21 = el error fue 3,24-6
Red discriminadora el error fue de 0,02
Luego de entrenar las redes se probaron nueve casos de mediciones de resistencia del terreno en funcin de la profundidad hecho con el mtodo de los 3 puntos con barra piloto.
42
La siguiente tabla muestra los resultados obtenidos al ingresar las nueve pruebas
en la red discriminadora, de manera que estime si se trata de caso 1, 21 > , o caso 2,
21 < , o caso 3, 21 = :
Tabla II - Resultados estimados por la red discriminatoria
prueba valor de salida 1 1.0053 2 1.9341 3 2.3188 4 1.7059 5 0.9979 6 -15.924 7 2.0016 8 0.9973 9 1.0073
Las siguientes nueve tablas muestran los datos de prueba utilizados con ambos mtodos, el iterativo y el de la RNA para comprobar los resultados. En la primera
columna estn las profundidades, en la segunda est la resistencia de puesta a tierra, la resistividad promedio est en la tercera y la resistividad promedio llevada a por unidad del valor mximo en la ltima columna:
Tabla III Datos de la prueba 1 Prof (m) R () (m) (p.u.)
0.2 1463 469.0120 1.0000 0.4 824 448.9349 0.9572 0.6 563 422.9300 0.9017 0.8 208 197.0397 0.4201 1 141 160.2247 0.3416
1.2 108 142.5693 0.3040 1.4 87 130.4676 0.2782 1.6 66 110.5971 0.2358 1.8 53 97.9906 0.2089 2 33 66.6443 0.1421
2.2 30 65.6389 0.1400
43
Tabla IV Datos de la prueba 2 Prof (m) R () (m) (p.u.)
0.2 82.1 26.3198 0.4236 0.4 64.6 35.1956 0.5664 0.6 42.4 31.8512 0.5126 0.8 37.7 35.7135 0.5747 1 35.4 40.2266 0.6474
1.2 34.8 45.9390 0.7393 1.4 34.5 51.7372 0.8326 1.6 32.8 54.9634 0.8845 1.8 30.3 56.0210 0.9016 2 29.9 60.3838 0.9718
2.2 28.4 62.1382 1.0000
Tabla V Datos de la prueba 3 Prof (m) R () (m) (p.u.)
0.2 302.5 96.9762 0.9688 0.4 102.5 55.8445 0.5579 0.6 68.2 51.2324 0.5118 0.8 68.1 64.5116 0.6445 1 58.9 66.9308 0.6686
1.2 53.8 71.0207 0.7095 1.4 54.7 82.0296 0.8195 1.6 48.5 81.2721 0.8119 1.8 47.1 87.0822 0.8700 2 46.15 93.2011 0.9311
2.2 45.75 100.0994 1.0000
Tabla VI Datos de la prueba 4 Prof (m) R () (m) (p.u.)
0.2 3490 1118.8325 1.0000 0.4 1682 916.3938 0.8191 0.6 609 457.4855 0.4089 0.8 523 495.4413 0.4428 1 176.1 200.1104 0.1789
1.2 115.5 152.4700 0.1363 1.4 81.3 121.9197 0.1090 1.6 56.8 95.1805 0.0851 1.8 46.8 86.5275 0.0773 2 40.2 81.1849 0.0726
2.2 37.2 81.3923 0.0727
44
Tabla VII Datos de la prueba 5 Prof (m) R () (m) (p.u.)
0.2 1162 372.5167 1.0000 0.4 669.68 364.8555 0.9794 0.6 478.4 359.3778 0.9647 0.8 374.2 354.4821 0.9516 1 307.76 349.7217 0.9388
1.2 261.1 344.6746 0.9253 1.4 225.98 338.8858 0.9097 1.6 160.17 268.3990 0.7205 1.8 120.3 222.4201 0.5971 2 97.7 197.3077 0.5297
2.2 82.85 181.2729 0.4866
Tabla VIII Datos de la prueba 6 Prof (m) R () (m) (p.u.)
0.2 246.22 78.9338 0.3270 0.4 228.5 124.4923 0.5158 0.6 213.69 160.5256 0.6651 0.8 200.54 189.9728 0.7871 1 188.35 214.0307 0.8868
1.2 182.83 241.3514 1.0000 1.4 100.67 150.9675 0.6255 1.6 71.6 119.9811 0.4971 1.8 56.23 103.9625 0.4308 2 46.55 94.0089 0.3895
2.2 39.83 87.1466 0.3611
Tabla XIX Datos de la prueba 7 Prof (m) R () (m) (p.u.)
0.2 3209 1028.7488 0.5706 0.4 1943 1058.5929 0.5872 0.6 1451 1090.0025 0.6046 0.8 1185 1122.5581 0.6226 1 1020 1159.0724 0.6429
1.2 910 1201.2787 0.6663 1.4 890 1334.6686 0.7403 1.6 872 1461.2220 0.8105 1.8 855 1580.7915 0.8768 2 838 1692.3625 0.9387
2.2 824 1802.8830 1.0000
45
Tabla XX Datos de la prueba 8 Prof (m) R () (m) (p.u.)
0.2 2206 707.2047 1.0000 0.4 1268 690.8367 0.9769 0.6 900 676.0870 0.9560 0.8 697 660.2726 0.9336 1 565 642.0352 0.9078
1.2 286 377.5447 0.5339 1.4 153 229.4430 0.3244 1.6 109 182.6528 0.2583 1.8 85 157.1547 0.2222 2 71 143.3863 0.2028
2.2 61 133.4659 0.1887
Tabla XI Datos de la prueba 9 Prof (m) R () (m) (p.u.)
0.2 2931 939.6269 1.0000 0.4 1660 904.4077 0.9625 0.6 1155 867.6450 0.9234 0.8 862 816.5781 0.8690 1 150 170.4518 0.1814
1.2 66 87.1257 0.0927 1.4 70 104.9739 0.1117 1.6 39 65.3528 0.0696 1.8 32 59.1641 0.0630 2 28 56.5467 0.0602
2.2 23 50.3232 0.0536
Hay que recordar que los resultados arrojados por las redes estn en por unidad del mayor valor de resistividad del conjunto, por lo que es necesario multiplicarlos por el valor mximo de resistividad promedio, para obtener los resultados en -metros. En la siguiente tabla se muestran los resultados estimados por la RNA:
Tabla XII Resultados de la RNA prueba h (m) 1 (m) 2 (m)
1 0.6326 502.1243 91.9826 2 0.6143 37.3699 77.4677 3 0.19829 108.1073 52.5612 4 0.275 1205.0945 586.7493 5 1.3333 386.3743 191.9765 6 0.2328 44.5124 100.156 7 1.2412 942.7636 5397.4712 8 0.5769 722.8339 204.1488 9 0.8322 993.3736 38.5792
46
En la siguiente tabla se muestra la estimacin hecha por el mtodo iterativo para la prueba 1 donde se resalta con negrita la profundidad donde ocurre el cambio abrupto
del ndice de resistividad, la resistividad del primer estrato, la del segundo estrato y la profundidad del primer estrato:
Tabla XIII Resultados mtodo iterativo con prueba 1 iteracin k profund (k) Rtierra (k) Resistiv (k) Ind resisti (k)
1 0.2 1463 469.0120 1.0447 2 0.4 824 448.9349 1.0615 3 0.6 563 422.9300 2.1464 4 0.8 208 197.0397 1.2298 5 1 141 160.2247 1.1238 6 1.2 108 142.5693 1.0928 7 1.4 87 130.4676 1.1797 8 1.6 66 110.5971 1.1287 9 1.8 53 97.9906 1.4704
10 2 33 66.6443 1.0153 11 2.2 30 65.6389
iteracin k profund (k) Rtierra (k) le(k) rho2 (k) 3 0.6 563 0.5235 379.3135 4 0.8 208 0.5186 139.0621 5 1 141 0.7026 120.3016 6 1.2 108 0.8957 112.2111 7 1.4 87 1.0905 106.113965 8 1.6 66 1.2783 91.809099 9 1.8 53 1.4706 82.780618
10 2 33 1.6483 56.633199 11 2.2 30 1.8484 56.750452
rho2 (m)= 127.2195 rho1 (m)= 469.0120
h (m)= 0.4000
47
En la siguiente tabla se muestran en resumen las comparaciones de las estimaciones por ambos mtodos:
Tabla XIV Estimaciones obtenidas por ambos mtodos mtodo iterativo mtodo RNA
prueba 1 (m) 2 (m) h (m) 1 (m) 2 (m) h (m) 1 469.012 127.219505 0.4 502.124259 91.9826355 0.63258 2 26.3198 74.8787343 0.4 37.3699145 77.4676961 0.61432 3 96.9762 93.1294774 0.2 108.107343 52.5611897 0.19829 4 1118.8325 138.805157 0.6 1205.09446 586.749317 0.27501 5 372.5167 170.227715 1.2 386.374338 191.97649 1.3333 6 78.9338 422.511253 1 44.5124387 100.156004 0.23276 7 1028.7488 3077.70778 1 942.763598 5397.47124 1.2412 8 707.2047 190.793725 0.8 722.833937 204.148785 0.57686 9 939.6269 54.5431043 0.6 993.373594 38.5792026 0.83215
En la prueba 1, 3, 5 8 y 9 por ambos mtodos las respuestas se asemejan. En la prueba 2, estos resultados coinciden bastante bien.
En la prueba 4, los valores de la resistividad del primer estrato se asemejan en ambos mtodos pero, la resistividad del segundo estrato resulta casi cuatro veces mayor con la RNA que con el mtodo iterativo, y la profundidad del primer estrato por el mtodo de la RNA resulta en casi la mitad que con el mtodo iterativo.
En la prueba 6, no resultaron semejantes los valores. Puede deberse a que no es simple distinguir cambios abruptos en el ndice de resistividad en el mtodo de iteracin. Esta es precisamente una gran ventaja del mtodo de la red neural ya que est en la capacidad de percibir mejor cul caso corresponde y puede reconocer datos y compararlos con los que tiene almacenados.
En la prueba 7, los valores fueron parecidos pero, en el caso de la resistividad del segundo estrato con el mtodo de la red neural result muy por debajo comparada con el mtodo iterativo. Hay que recordar que la red neural fue entrenada con un rango
relativamente pequeo de resistividades, de hecho lleg hasta 1000 m, as que para valores superiores a este valor, la red no tendr una buena precisin, sin embargo, esta
es capaz de extrapolar valores y dar una respuesta. En las siguientes grficas se muestran as correlaciones entre dos conjuntos de
datos para las diferentes pruebas. Un conjunto de datos se trata de las resistencias del terreno medidas, en funcin de la profundidad. El otro conjunto de datos se trata de las curvas tericas de resistencias en funcin de profundidad calculadas a partir de las
48
respuestas de 1, 2 y h. Rm es la curva de resistencias medidas y Rc es la curva de resistencias calculadas.
Prueba 1
0200400600800
1000120014001600
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2
Profundidad (m)
Resi
sten
cia
PAT
(ohm
s)
Rm
Rc
Figura 18. Correlacin de datos en prueba 1.
Prueba 2
020406080
100120140
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2
Profundidad (m)
Resi
sten
cia
PAT
(ohm
s)
Rm
Rc
Figura 19. Correlacin de datos en prueba 2.
49
Prueba 5
0200400600800
100012001400
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2Profundidad (m)
Resi
sten
cia
PAT
(ohm
s)Rm
Rc
Figura 20. Correlacin de datos en prueba 5.
Prueba 6
050
100150
200250300
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2
Profundidad (m)
Resi
sten
cia
PAT
(ohm
s)
Rm
Rc
Figura 21. Correlacin de datos en prueba 6.
50
Prueba 7
0500
100015002000250030003500
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2Profundidad (m)
Resi
sten
cia
PAT
(ohm
s)Rm
Rc
Figura 22. Correlacin de datos en prueba 7.
Prueba 8
0
500
1000
1500
2000
2500
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2
Profundidad (m)
Resi
sten
cia
PAT
(ohm
s)
Rm
Rc
Figura 23. Correlacin de datos en prueba 8.
Se observan correlaciones satisfactorias entre ambas curvas a excepcin de la prueba 6 donde la correlacin result del orden de 85% mientras que en las anteriores fue de 97-99%.
Estas pruebas muestran las ventajas de la red neural comparada con el otro mtodo de interpretacin. La red neural es un mtodo directo y automtico. No es iterativo por lo que no hay riesgo de equivocacin al ejecutarlo. Distingue con gran facilidad el tipo de caso en cuestin, sea 21 > , 21 < o 1 2 = .
Una gran ventaja es que no tiene el problema de que existan datos en los que sea difcil distinguir su comportamiento, variaciones de ndices de resistividad o algo parecido, y sea problemtico conseguir una solucin correcta. Esta ventaja se demostr
51
con las pruebas 3 y 6, donde el mtodo iterativo daba problemas para la profundidad del primer estrato y la resistividad del segundo estrato ya que no era simple observar en
cul iteracin haba un cambio sustancial en el ndice de resistividad, que corresponde cuando la barra cambiaba de un estrato a otro. En cambio, con la red neural esto fue simple y el sistema reconoce que tipo de caso es y muestra las respuestas sin problema alguno. Lo imprescindible es que la red neural sea previamente entrenada de manera
satisfactoria y con un nmero considerable de muestras. La prueba 5 corresponde a mediciones hechas cerca del Centro Comercial
Sambil Caracas por lo que se utilizar para el diseo del SPAT para el generador. Los resultados con la red neural fueron que la resistividad del primer estrato es 386,3743
m y la del segundo estrato es 191,9765 m. El estndar 80 utilizado para el clculo del sistema de puesta a tierra utiliza un nico valor de resistividad del terreno ya que la malla de puesta a tierra est comprendida en un terreno uniforme por lo que
utilizaremos el promedio de los resultados que es 289,1754 m.
52
CAPITULO 6 RIESGO ELCTRICO Y PROTECCIN DE PERSONAL
EN INSTALACIONES ELCTRICAS
El sistema de puesta a tierra, como se ha mencionado, es imprescindible para la seguridad del personal que labora cerca de instalaciones elctricas; sin embargo, tomarlo como la nica herramienta de proteccin no tiene sentido, ya que este toma lugar en condiciones anormales de operacin del sistema. Sin embargo, en condiciones
normales de operacin, personal se supervisin y mantenimiento pueden intentar acceder a reas con riesgo de electrocucin y en estos casos, es sumamente importante proteger con ropa, utensilios y medidas procedimentales que garanticen la seguridad de la vida humana en caso de que se produzca un arco elctrico. Esto se hace mediante un
estudio de riesgo elctrico basado en el estndar IEEE 1584-2002 [8], que establece la metodologa de clculo de los principales parmetros asociados al arco elctrico, tales como la energa incidente y la distancia de la frontera de proteccin, lo que permite especificar las caractersticas de las etiquetas de seguridad que deben ubicarse en los
tableros elctricos y maquinarias elctricas, con el fin de que el personal utilice los implementos de seguridad apropiados.
El arco elctrico es la circulacin de corriente, a travs del aire, entre dos superficies conductoras y energizadas, y puede ser ocasionado por cortocircuitos por
contacto accidental, conexiones flojas o inapropiadas, o por fallas de aislamiento, y es este, uno de los parmetros de mayor consideracin por lo fatal de sus consecuencias.
En asignaciones en las que el personal tenga que trabajar sobre un equipo energizado se debe hacer previamente un anlisis de riesgo de electrocucin y de arco
elctrico para tomar las medidas preventivas necesarias. Se debe determinar la tensin a la que el personal estar expuesto, las distancias de las fronteras de proteccin contra electrocucin y los equipos de proteccin personal contra electrocucin. Las fronteras de proteccin contra electrocucin son los lmites de aproximacin segura a un
componente elctricamente energizado.
53
6.1. Clculos de corriente de arco
Lo primero que se debe hacer es conocer la corriente del arco elctrico mediante la utilizacin de la siguiente ecuacin:
Para sistemas elctricos con tensin por debajo de 1000 voltios:
(6.1)
Donde: Log logaritmo en base 10, log10 Ia corriente del arco en kA K constante que vale -0,153 para configuraciones de abiertas, y -0,097 para
configuraciones cerradas o tipo caja. Ibf corriente para fallas trifsicas (RMS simtrico) en kA V tensin del sistema en kV G distancia tpica entre conductores. Se obtiene de la tabla II
En la norma IEEE 1584 se especifica que debido a las variaciones de la corriente de arco en baja tensin, para sistemas elctricos de tensin por debajo de 1000 V, se debe calcular una segunda corriente de arco igual al 85% de Ia para determinar una segunda duracin de arco. La energa incidente es lineal con el tiempo, entonces la duracin del arco podra tener un gran efecto sobre la misma. Como consecuencia, se calculan dos valores de energa incidente y el de mayor magnitud se toma como el resultado final. [8], [14].
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6.2. Clculos de energa incidente
Las ecuaciones de energa incidente son las siguientes:
(6.2)
(6.3) Donde: E energa incidente Cf 1 para tensiones arriba de 1KV
1,5 para tensiones igual o por debajo de 1KV En energa incidente normalizada t tiempo de duracin del arco en segundos obtenido de la tabla IV D distancia desde donde ocurre el arco hasta la persona, o distancia tpica
de trabajo, en milmetros, se obtienen de la tabla VII x exponente de la distancia obtenido de la tabla VIII. [8], [14]
El tiempo de duracin del arco se toma de la siguiente tabla: [14]
Tabla XV Tiempos tpicos de apertura de interruptores termomagnticos
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La distancia tpica entre conductores se obtiene de la siguiente tabla:
Tabla XVI Clases de equipo y distancia tpica entre conductores
Las distancias tpicas de trabajo se obtienen de la