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1. INTRODUCCINEn este captulo se establece el procedimiento y recomendaciones mnimas para eldiseo de un sistema de tierras y proteccin por pararrayos.

2. PROCEDIMIENTO PARA EL CLCULO DEL SISTEMA DE TIERRASEl diseo adecuado de un sistema de tierras debe cumplir con lo siguiente:a) Proporcionar un circuito adecuado de muy baja impedancia para la circulacin delas corrientes de tierra, ya sea debidas a una falla a tierra del sistema, o a laoperacin de un apartarrayos.b) Evitar que durante la circulacin de corrientes de falla a tierra puedan producirsediferencias de potencial entre distintos puntos de la instalacin (ya sea sobre el pisoo con respecto a partes mtalicas puestas a tierra) que puedan ser peligrosas para elpersonal, considerando que las tensiones tolerables para el cuerpo humano debenser mayores que las tensiones resultantes en la malla.c) Facilitar la operacin de los dispositivos de proteccin adecuados, para laeliminacin de falla a tierra.d) Proporcionar mayor confiabilidad y seguridad al servicio elctrico.e) Evitar la aparicin de potencial en el neutro del sistema en estrella aterrizado.Para satisfacer estos requisitos el clculo del sistema de tierras puede resumirse al siguiente procedimiento:

Caractersticas del terrenoPara iniciar el diseo del sistema de tierras, primeramente se debe solicitar a laespecialidad correspondiente las caractersticas fsicas y qumicas del terreno:composicin qumica, humedad, temperatura ambiente, resistividad ohmica,resistividad ohmica superficial; para diferentes pocas del ao, principalmente enpoca de estiaje.

De no poder realizar las mediciones de la resistividad, recurrir a la tabla 5.1.Corriente mxima de falla a tierraPor algn mtodo de clculo de corto circuito obtener el valor mximo (valor eficaz)de corriente de falla a tierra (Io), considerar el tipo de falla ms severo.

El valor de la corriente de corto circuito se ve afectado por el factor de seguridad y el factor de decremento.

Calibre mnimo del conductor de la red de tierrasEl clculo del calibre mnimo del conductor que constituye la red de tierra sedetermina con la expresin siguiente:

*En el artculo 2403 inciso c) de la NOM-001-SEMP-1994 se indica que en la subestacin elctrica el rea de la seccin transversal de los conductores mnima es 107.2 mm2 (4/0 AWG).Diseo preliminar de la red de tierrasLa red de tierras preliminar debe disearse tomando en cuenta las condicionessiguientes:a) El cable que forme el permetro exterior de la malla, debe ser continuo de maneraque encierre toda el rea en que se encuentra el equipo de la subestacin, con ello se evitan altas concentraciones de corriente y gradientes de potencial en el rea y lasterminales cercanas.b) La malla debe estar constituida por cables colocados paralela yperpendicularmente, con un espaciamiento adecuado a la resistividad del terreno ypreferentemente formando retculas cuadradas.c) Los cables que forman la malla deben colocarse preferentemente a lo largo de lashileras de estructuras o equipo, para facilitar la conexin de los mismos.d) En cada cruce de conductores de la malla, stos deben conectarse rgidamenteentre s y en los puntos adecuados conectarse a electrodos de tierra de 2.40 m delongitud mnima, clavados verticalmente. Donde sea posible, construir registros enlos mismos puntos y como mnimo en los vrtices de la malla.

e) En subestaciones tipo pedestal, el sistema de tierra debe quedar confinado dentrodel rea que proyecta el equipo sobre el suelo.

Nota: En las subestaciones tipo poste o pedestal se acepta como sistema de tierrasla conexin del equipo a uno o ms electrodos. La resistencia a tierra total debecumplir con los valores indicados en el inciso 5.2.7.

f) La red o malla de tierras debe estar enterrada, a una profundidad comprendidaentre 0.30 a 1.0 m.Nmero de electrodos requeridosLa unin del conductor de la red de tierras al electrodo se deber hacer conconectores del tipo mecnico o proceso de soldadura.El nmero de electrodos en la red de tierras se determina por la expresin siguiente:Nv = 0.6 Ar (5.3)donde:Nv = Nmero de varillasAr = rea total de la malla propuesta en metros cuadrados

Tipos de electrodosSe recomienda el uso de electrodos fabricados especialmente para la puesta a tierra,como se menciona en el inciso (a) siguiente, sin embargo si no se dispone de algunode ellos se puede recurrir a otros medios de puesta a tierra, como se mencionan enlos incisos de (b) a (e) siguientes; dependiendo de la importancia del servicio.a) Electrodos de acero con cubierta de cobre.b) Tubera metlica enterrada del sistema de agua potable.- Tubera metlicaenterrada, con 3 m (10 pies) o ms en contacto directo con la tierra.

c) Estructura metlica del inmueble.- La estructura metlica del inmueble, cuandoeste en contacto directo con la tierra.d) Electrodo empotrado en concreto.- Un electrodo es aceptable si est formado porlo menos de 6 m (20 pies) de una o ms barras o varillas de acero reforzado de nomenos de 1.25 cm (1/2 pulgada) de dimetro; o consistente en una barra desnuda decobre de al menos 6 m (20 pies) de longitud y de seccin transversal de 21.15 mm(4 AWG), embutido al menos 5 cm (2 pulgadas) dentro de una plancha o base deconcreto directo con la tierra.e) Anillo de tierra.- Un anillo de tierra que consiste en un conductor de cobredesnudo, de seccin transversal no menor de 33.6 mm (2 AWG) de longitud nomenor de 6 m (20 pies), enterrado en contacto directo con la tierra a una profundidadde 80 cm (2.5 pies) del nivel del terreno y que rodee al inmueble o estructura.Cuando no se disponga de alguno de los electrodos anteriormente indicados o queno cumplan con el valor de la resistencia de tierra, sobre todo en lugares donde elterreno es muy seco, arenoso, rocoso, se puede recurrir a los siguientes electrodosartificiales.a) Electrodos profundosb) Electrodos horizontales.- Consiste en instalar un conductor de cobre desnudoenterrado en forma horizontal a una profundidad que va de 50 cm (20 pulgadas) a100 cm (40 pulgadas), de diferentes configuraciones, las ms usuales son: ngulorecto, estrella, en cruz, en cuadro, etc.c) Electrodos qumicos.- En este mtodo se modifica el medio que rodea al electrodo,bajando la resistividad del suelo, los ms recomendables son:1) Bentonita2) Carbn mineral (coque)3) Otros. Existen otros electrodos qumicos que dan resultados satisfactorios,pero que por tener patente, se consiguen en ciertas casas comerciales.Longitud mnima del conductor requerido en la red de tierrasPara determinar la longitud mnima del conductor requerido en la red de tierrasdesarrollar la frmula siguiente:

La cantidad de factores entre parntesis en el 2o. trmino es el nmero deconductores en paralelo "n" menos dos.Para el valor "d" utilice el rea que se calcul en el punto 5.2.3 y catlogos defabricante o ver tabla 5.3.Ki = Factor de correccin por irregularidad.Ki = 0.65+0.172 nn = Nmero de conductores en paralelo en una direccin que forman la malla = Resistividad promedio del terreno en -mt = Mxima duracin del choque en segundos. Para efectos de clculo eneste procedimiento considere t=sS = Resistividad superficial del terreno en -mPara poder proseguir con el clculo de la red es necesario que se cumpla la siguiente comparacin.

L < Lprop (5.5)donde:Lprop = Longitud del conductor de la malla propuestaL = Longitud mnima requerida en la red de tierras

Resistencia de la red de tierrasLa resistencia de la red de tierras se determina por la frmula siguiente:

La resistencia elctrica total del sistema de tierra debe conservarse en un valor(incluyendo todos los elementos que forman el sistema) menor a: 25 parasubestaciones hasta 250 kVA y 34.5 kV, 10 en subestaciones mayores de 250 kVA y hasta 34.5 kV y de 5 en subestaciones que operen con tensiones mayores a 34.5kV.

Para terrenos con resistividad mayor a 3000-m, se permite que los valoresanteriores de resistencia de tierra sean el doble para cada caso.Clculo del mximo aumento de potencial en la red de tierrasDesarrollar la frmula siguiente:

Clculo de potenciales tolerablesDesarrollar las frmulas siguientes:

Clculo de potenciales probablesDesarrollar las frmulas siguientes:

Condiciones de seguridadPara que la malla propuesta sea aceptada debe cumplir con la siguientecomparacin.Epr < EpEm < Ec