PROYECTO AMPLIACIÓN 17 SUBESTACIÓN PARAMONGA 220 kV / 60 kV

MALLA DE TIERRA – MEMORIA DE CÁLCULO DOCUMENTO PE-AM17-GP030-PAR-D007 REVISIÓN No. 0 Revisión 0

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Fecha 2015-08-31

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1. 2. 3. 4. 5. 6. 6.1 6.2 6.3 6.3.1 6.3.2 6.3.3 6.4 6.4.1 6.5 6.5.1 6.5.2 7. 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 8. 9. 9.1 9.2 9.3

TABLA DE CONTENIDO OBJETIVO .................................................................................................................. 5 ALCANCE ................................................................................................................... 5 DEFINICIONES ........................................................................................................... 5 RESISTIVIDAD DEL TERRENO ................................................................................. 5 CALIBRE DEL CONDUCTOR ..................................................................................... 7 DISEÑO DE LA RED DE TIERRA ............................................................................... 9 DATOS DE EVALUACIÓN .......................................................................................... 9 EVALUACIÓN DE RESULTADOS ............................................................................ 11 PERFILES DE TENSIÓN DE TOQUE ....................................................................... 11 RUTA DE EVALUACIÓN Nº 1: .................................................................................. 12 RUTA DE EVALUACIÓN Nº 2: .................................................................................. 13 RUTA DE EVALUACIÓN Nº 3: .................................................................................. 14 PERFILES DE TENSIÓN DE PASO .......................................................................... 15 RUTAS DE EVALUACIÓN Nº 4, 5 Y 6: ..................................................................... 15 SUPERFICIE DE TENSIÓN DE TOQUE ................................................................... 17 ÁREA DE EVALUACIÓN Nº 1: CAMPOS DE LA S.E. PARAMONGA 220 kV ........... 18 ÁREA DE EVALUACIÓN Nº 2: CAMPOS DE LA S.E. PARAMONGA 220 kV ........... 19 ESPECIFICACIONES PARA EL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA ......................... 20 EXCAVACIÓN Y PROFUNDIDAD DE LA RED ......................................................... 20 CABLES .................................................................................................................... 20 EMPALMES .............................................................................................................. 20 ELECTRODOS DE TIERRA (VARILLAS).................................................................. 20 CONDICIONES DE INSTALACIÓN........................................................................... 20 CONCLUSIONES ...................................................................................................... 21 DOCUMENTOS DE REFERENCIA ........................................................................... 21 DOCUMENTOS EXTERNOS .................................................................................... 21 DOCUMENTOS INTERNOS ..................................................................................... 22 HERRAMIENTAS ...................................................................................................... 22

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ÍNDICE DE TABLAS Tabla Nº 1: Medidas de resistividad del terreno registradas................................................... 5 Tabla Nº 2: Resultado del modelo de dos capas de resistividad del terreno (.m) ................ 6 Tabla Nº 3: Datos de entrada para el cálculo de la corriente a disipar por la red de tierra. ................................................................................................................... 7 Tabla Nº 4: Datos de entrada. ................................................................................................ 9 Tabla Nº 5: Resultados obtenidos. ....................................................................................... 11

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ÍNDICE DE FIGURAS Figura Nº 1. Resistividad medida y calculada. ....................................................................... 6 Figura Nº 2. Circuito equivalente para la distribución de corriente de corto circuito teniendo en cuenta todas las líneas. .................................................................... 9 Figura Nº 3. Disposición física de malla puesta a tierra. ...................................................... 10 Figura Nº 4. Ruta de evaluación Nº 1 de la tensión de toque. .............................................. 12 Figura Nº 5. Perfil de tensión de toque en la ruta de evaluación Nº 1. ................................. 12 Figura Nº 6. Ruta de evaluación Nº 2 de la tensión de toque. .............................................. 13 Figura Nº 7. Perfil de tensión de toque en la ruta de evaluación Nº 2. ................................. 13 Figura Nº 8. Ruta de evaluación Nº 3 de la tensión de toque. .............................................. 14 Figura Nº 9. Perfil de tensión de toque en la ruta de evaluación Nº 3. ................................. 14 Figura Nº 10. Rutas de evaluación Nº 4, 5 y 6 de la tensión de paso. .................................. 15 Figura Nº 11. Perfil de tensión de paso en la ruta de evaluación Nº 4.................................. 16 Figura Nº 12. Perfil de tensión de paso en la ruta de evaluación Nº 5. ................................. 16 Figura Nº 13. Perfil de tensión de paso en la ruta de evaluación Nº 6. ................................. 17 Figura Nº 14. Área de evaluación Nº 1 para la superficie de tensión de toque. .................... 18 Figura Nº 15. Superficie de tensión de toque para el área de evaluación Nº 1. .................... 18 Figura Nº 16. Área de evaluación Nº 2 para la superficie de tensión de toque. .................... 19 Figura Nº 17. Superficie de tensión de toque para el área de evaluación Nº 2. .................... 19

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1.

OBJETIVO

Justificar el diseño de la malla de puesta a tierra de la ampliación de la subestación Paramonga 220 kV / 60 kV para el presente proyecto. 2.

ALCANCE

Se presenta el procedimiento para el diseño de la malla de puesta a tierra; se plantea el diseño de la misma y se evalúa su comportamiento ante condiciones del sitio. La metodología se toma de la norma IEEE Std 80 [3]; y se sigue las recomendaciones para el cálculo preliminar de redes de tierra en plantas y subestaciones eléctricas de la norma IEEE Std 142 [5]. Adicionalmente, se considerarán las normativas aplicables contenidas en el Código Nacional de Electricidad [1], [2] vigentes y el PR – 20 COES [9]. 3.

DEFINICIONES



Resistividad del terreno: Representa la resistencia eléctrica específica del suelo (a cierta profundidad o de un estrato del suelo) para oponerse a la circulación de corriente. Se obtiene indirectamente al procesar un grupo de medidas de campo; su magnitud se expresa en Ω.m y es inversa a la conductividad.



Resistencia eléctrica: Es la relación entre la diferencia de potencial en un material y la densidad de corriente que resulta del mismo. Numéricamente es la resistencia ofrecida por un cubo de 1 m x 1 m x 1 m, medida entre dos caras opuestas.

4.

RESISTIVIDAD DEL TERRENO

Las medidas de la resistividad del terreno se toman del documento [13]. Con las medidas registradas se realiza el cálculo del modelo a ser utilizado en el diseño de la malla de puesta a tierra. En la Tabla Nº 1 se muestran los valores medidos. Tabla Nº 1: Medidas de resistividad del terreno registradas SEPARACIÓN DE ELECTRODOS - PROFUNDIDAD [m] Ruta

2 ρ [Ω.m]

4 ρ [Ω.m]

8 ρ [Ω.m]

16 ρ [Ω.m]

32 ρ [Ω.m]

1

570,7

497,8

766,6

834,6

895

2

1303

1175,3

1682,7

1109,6

1144

3

1141,3

975,7

1364,6

919,9

898,2

4

74,9

225,1

91,6

45,4

37,7

5

784,6

726,5

658,1

674,3

565

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SEPARACIÓN DE ELECTRODOS - PROFUNDIDAD [m] Ruta

2 ρ [Ω.m]

4 ρ [Ω.m]

8 ρ [Ω.m]

16 ρ [Ω.m]

32 ρ [Ω.m]

6

3350,5

2796

2590,6

1735,7

2365

7

1173,4

1189,9

1353,6

834,5

507

Teniendo en cuenta todas las medidas realizadas en campo y los valores obtenidos de la resistividad del terreno, se hace un procesamiento de datos con el programa HMV Tools [15]. Con base en los datos mostrados en la Tabla Nº 1, se obtiene el modelo de 02 capas mostrado en la Tabla Nº 2. Tabla Nº 2: Resultado del modelo de dos capas de resistividad del terreno (.m) DATOS DE SALIDA Modelo del suelo

Modelo de 2 capas

Resistividad 1 capa (Ohm-m)

978,27

Resistividad 2 capa (Ohm-m)

756,76

Profundidad de la capa superior (m)

9,55

En la Figura Nº 1 se presenta la comparación del perfil de resistividad aparente promedio para diferentes profundidades del terreno, considerando las medidas tomadas en el terreno y el modelo de 2 capas. La representación del modelo del suelo se puede observar en la siguiente figura.

Figura Nº 1. Resistividad medida y calculada. Archivo: PE-AM17-GP030-PAR-D007_Rev 0.docx

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5.

El calibre del conductor se calculó empleando la metodología descrita en el capítulo 11 de la norma IEEE Std 80 [3].

k  Tm TCPA.10 4 IA ( ) ln( O ) , kA tC  r  r k O  Ta Donde: I

:

Corriente de cortocircuito rms, kA.

A

:

Sección del conductor, [107 mm2].

TCAP

:

Factor de capacidad térmica conductor, [3,42 J/ (°C mm³)].

Tr

:

Temperatura referencial del material, [20 ºC].

Tc

:

Duración de la corriente de cortocircuito, [0,5 s].

αr

:

Coeficiente térmico de resistividad a la temperatura Tr [0,00393 /°C]

ρr

:

Resistividad del conductor a la temperatura Tr, [1,72 μΩ-cm].

KO

:

1/αO ó (1/αr) – Tr, [254,4 °C].

Tm

:

Temperatura máxima admisible por el conductor, [1083 ºC].

Ta

:

Temperatura ambiente, [15,4 ºC].

que

depende

del

material

del

El diseño determina un conductor de sección de 107 mm2, que corresponde a un cable (4/0 AWG) el cual puede soportar una corriente máxima de falla de 43 kA, siendo ésta mayor a la corriente de falla real estimada que se puede esperar en la subestación. Los parámetros eléctricos para el cálculo de la corriente a disipar por la malla de puesta a tierra se muestran en la Tabla Nº 3. Tabla Nº 3: Datos de entrada para el cálculo de la corriente a disipar por la red de tierra. DESCRIPCIÓN

DATOS

DATOS DE LA SUBESTACIÓN Resistencia de puesta a tierra, Rg [Ω] (*) Corriente de falla, If [A] (**)

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3,2 40 000

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DESCRIPCIÓN

DATOS

DATOS DE LAS LÍNEAS Número de líneas de 220 kV que entran o salen de la subestación

5

Número de líneas futuras de 220 kV que entran o salen de la subestación

3

Resistencia de puesta a tierra de las torres, Rt [Ω] (típica)

20

Número de cables de guarda en las torres

2

Número de torres 220 kV por kilómetro (típico)

4

Resistividad del suelo [Ω.m] (promedio típico para la línea)

300

Impedancia de cable de guarda de L.T. 220 kV que entran o salen de la subestación (***)

0,350+j0,155

Impedancia de cable de guarda de L.T. 220 kV futuras que entran o salen de la subestación (***)

0,583+j0,259

(*)

Valor obtenido para la malla de puesta a tierra propuesta.

(**)

La malla de puesta a tierra se diseña con la corriente de falla indicada en los documentos de referencia [12] y [9].

(***) Estos valores son calculados y dependen de la resistividad del terreno, del número de torres por kilómetro, del número de cables de guarda y de la resistencia de puesta a tierra de las torres de transmisión. En la Figura Nº 2 se muestra el circuito resultante de modelar la malla de puesta a tierra de la subestación Paramonga 220 kV con las resistencias de puesta a tierra de las torres asociadas a todas las líneas (efecto del cable de guarda). Sf es el factor de división de corrientes que retorna por la malla y los cables de guarda, y está dado por la formula Sf = Ig/If, donde If es la corriente de falla monofásica e Ig es la corriente de falla que circula por la malla de tierra. Para la distribución de corrientes, se tienen en cuenta las líneas actuales y futuras de 220 kV del proyecto, tal como se indica en la Figura Nº 2.

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Figura Nº 2. Circuito equivalente para la distribución de corriente de corto circuito teniendo en cuenta todas las líneas. 6.

DISEÑO DE LA RED DE TIERRA

Empleando la herramienta de cálculo de malla de puesta a tierra [15] se realizaron simulaciones hasta determinar el espaciamiento de cables óptimos de la malla de tierra de la subestación Paramonga 220 kV, que cumplan con los requerimientos de tensiones de toque (contacto) y de paso requeridos. 6.1

DATOS DE EVALUACIÓN

Los datos de entrada para la malla de puesta a tierra se indican en la Tabla Nº 4. Tabla Nº 4: Datos de entrada. DATOS DEL TERRENO Modelo del suelo

2 Capas

Resistividad 1 capa (Ohm-m)

978,27

Resistividad 2 capa (Ohm-m)

756,76

Profundidad de la capa superior (m)

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9,55

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DATOS DEL TERRENO Resistividad de la capa de acabado, Ω.m (típica)

3 000

Espesor de la capa de acabado (según diseño), m

0,10

DATOS DE LA FALLA Corriente de falla a tierra para la cual se diseña la malla, A

40 000

Tiempo de duración de la falla, s

0,5

DATOS COMPONENTES DE LA RED Calibre del conductor principal

107 mm2 (4/0 AWG)

Profundidad de enterramiento del cable (según diseño), m Diámetro y longitud de varillas, mm

0,5 16 * 2 400

En la Figura Nº 3 se presenta la disposición física de la subestación y la configuración de la malla de puesta a tierra proyectada, recomendada para la subestación Paramonga 220 kV.

Figura Nº 3. Disposición física de malla puesta a tierra.

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6.2

EVALUACIÓN DE RESULTADOS

En la Tabla Nº 5 se presentan los resultados de la evaluación de la red de tierra, y las tensiones máximas soportable de toque y de paso. Para calcular las tensiones de toque soportables por el ser humano, se consideró una resistencia del cuerpo humano de 1 000 Ω [3] y una capa de acabado de resistividad de 3 000 Ω.m ubicados sobre el suelo de la subestación con un espesor de 0,10 m. Tabla Nº 5: Resultados obtenidos. DESCRIPCIÓN

VALOR

VARIABLES DE SALIDA Resistencia de la red, Rg [Ω] 3,2 Tensión de tierra remota, GPR [V] 9734,4 Corriente que disipa la malla de tierra, Ig [A] 2802 TENSIONES MÁXIMAS SOPORTABLES Tensión de toque para 50 kg, [V] 747,9 Tensión de toque para 70 kg, [V] 1012,2 Tensión de paso para 50 kg, [V] 2499,3 Tensión de paso para 70 kg, [V] 3382,7 A continuación se presentan los perfiles de tensión de toque y de paso obtenidos en las diferentes rutas de evaluación, se muestran las más representativas. Para interpretar las siguientes figuras que entrega la herramienta de diseño [15], se hace la siguiente explicación: 

Se selecciona la ruta o los puntos donde se quiere evaluar que tensiones se pueden presentar cuando ocurre una falla.



La tensión de paso se debe evaluar en toda la subestación, ya que el personal puede estar parado en cualquier punto de la subestación, la tensión de toque o contacto se debe evaluar en aquellos puntos donde las personas puedan estar en contacto con elementos que se puedan energizar accidentalmente como estructuras metálicas de equipos, pórticos, puertas, vallas o avisos metálicos, etc.

6.3

PERFILES DE TENSIÓN DE TOQUE

Con respecto a las tensiones de toque (ver Figura Nº 5, Figura Nº 7 y Figura Nº 9) se evaluaron en todas las partes donde estarán ubicadas las estructuras de los pórticos y estructuras de los equipos, sin que se presentaran tensiones de toque peligrosas.

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Los resultados de la herramienta de diseño [15] se representan por perfiles de tensión en toda la ruta de evaluación, indicando qué tensión se puede presentar en el momento de falla y se comparan con las tensiones tolerables que puede soportar el cuerpo humano para una persona con un peso de 50 kg y una persona con un peso de 70 kg. 6.3.1

RUTA DE EVALUACIÓN Nº 1:

Figura Nº 4. Ruta de evaluación Nº 1 de la tensión de toque. 

Perfil de tensión de toque:

Figura Nº 5. Perfil de tensión de toque en la ruta de evaluación Nº 1. Archivo: PE-AM17-GP030-PAR-D007_Rev 0.docx

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Del perfil de tensión de toque se puede observar que no se presentan potenciales peligrosos para el personal en la zona del patio de llaves. 6.3.2

RUTA DE EVALUACIÓN Nº 2:

Figura Nº 6. Ruta de evaluación Nº 2 de la tensión de toque. 

Perfil de tensión de toque:

Figura Nº 7. Perfil de tensión de toque en la ruta de evaluación Nº 2. Del perfil de tensión de toque se puede observar que no se presentan potenciales peligrosos para el personal en la zona del patio de llaves.

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6.3.3

RUTA DE EVALUACIÓN Nº 3:

Figura Nº 8. Ruta de evaluación Nº 3 de la tensión de toque. 

Perfil de tensión de toque:

Figura Nº 9. Perfil de tensión de toque en la ruta de evaluación Nº 3.

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Del perfil de tensión de toque se puede observar que no se presentan potenciales peligrosos para el personal en la zona del patio de llaves. 6.4

PERFILES DE TENSIÓN DE PASO

Debido a que el personal puede estar parado en cualquier punto de la subestación, se debe controlar la tensión de paso para evitar poner en riesgo la salud del personal que transite a lo largo de la subestación, a continuación se presentan las evaluaciones más representativas. De acuerdo con la Figura Nº 11, Figura Nº 12 y Figura Nº 13 se concluye que no se presentarán tensiones de paso peligrosas. 6.4.1

RUTAS DE EVALUACIÓN Nº 4, 5 Y 6:

Ruta de evaluación 5

Ruta de evaluación 4

Ruta de evaluación 6 Figura Nº 10. Rutas de evaluación Nº 4, 5 y 6 de la tensión de paso.

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Figura Nº 11. Perfil de tensión de paso en la ruta de evaluación Nº 4.

Figura Nº 12. Perfil de tensión de paso en la ruta de evaluación Nº 5.

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Figura Nº 13. Perfil de tensión de paso en la ruta de evaluación Nº 6. De los perfiles de tensión de paso se puede observar que no se presentan potenciales peligrosos para el personal que transite en la subestación. 6.5

SUPERFICIE DE TENSIÓN DE TOQUE

La herramienta de cálculo [15] permite hacer evaluaciones de superficies de tensión en sectores rectangulares; para el análisis de la subestación Paramonga 220 kV, se tomó 02 sectores (áreas de evaluación), considerado como el más representativo o en donde se esperaría que se pudieran producir tensiones peligrosas.

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6.5.1

ÁREA DE EVALUACIÓN Nº 1: CAMPOS DE LA S.E. PARAMONGA 220 kV

Figura Nº 14. Área de evaluación Nº 1 para la superficie de tensión de toque. 

Superficie de tensión de toque para el área evaluada:

Figura Nº 15. Superficie de tensión de toque para el área de evaluación Nº 1. Archivo: PE-AM17-GP030-PAR-D007_Rev 0.docx

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6.5.2

ÁREA DE EVALUACIÓN Nº 2: CAMPOS DE LA S.E. PARAMONGA 220 kV

Figura Nº 16. Área de evaluación Nº 2 para la superficie de tensión de toque. 

Superficie de tensión de toque para el área evaluada:

Figura Nº 17. Superficie de tensión de toque para el área de evaluación Nº 2.

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En la Figura Nº 15 y Figura Nº 17 se observa como resultado el control de los potenciales de toque, el cual cumple con los criterios de seguridad. 7.

ESPECIFICACIONES PARA EL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA

Se presentan las especificaciones generales para el suministro de los materiales y herramientas requeridos para la puesta a tierra de los equipos y estructuras correspondientes a la subestación Paramonga 220 kV / 60 kV del presente proyecto. 7.1

EXCAVACIÓN Y PROFUNDIDAD DE LA RED

Se excavarán zanjas para instalar el conductor de cobre desnudo a 0,50 m de profundidad desde la superficie del terreno. Posteriormente, se rellenarán y compactarán con material seleccionado de la excavación. 7.2

CABLES

Los cables de cobre desnudo serán fabricados con alambre de cobre suave, electrolítico, recocido, sin estañar, trenzados en capas concéntricas. Estos cables cumplirán con los requisitos establecidos por la norma ASTM-B8 [6]. El cable especificados será de 19 hilos y sus secciones será de 107 mm2 (4/0 AWG) para retícula de la malla de puesta a tierra principal y para las colas de conexión de los equipos, estructuras, tuberías y otras conexiones menores de acuerdo a lo indicado en los planos [10] y [11]. Los cables serán sometidos a pruebas sobre sus características físicas, mecánicas y eléctricas, de acuerdo con la norma ASTM-B3 [7]. 7.3

EMPALMES

Todas las conexiones entre cables de la retícula principal de puesta a tierra y entre la retícula principal y las colas de conexión de equipos y elementos metálicos se harán con soldadura exotérmica. 7.4

ELECTRODOS DE TIERRA (VARILLAS)

Las varillas de puesta a tierra de 16 mm (5/8”) de diámetro y 2,4 m de longitud, serán de alma de acero con revestimiento de cobre electrolítico (tipo copperweld o similar) bajo la norma ANSI-UL-467 [8]. 7.5

CONDICIONES DE INSTALACIÓN

La malla de tierra de la subestación será construida como se indica en los planos de diseño

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[10] y [11]. La ubicación de la malla de tierra y colas es ilustrativa, ella se debe localizar lo más cerca posible al sitio indicado, verificando que no exista interferencia con los cimientos y otras obras civiles. CONCLUSIONES

8. 

Mediante la distribución óptima de conductores que se estimó y el modelo del suelo de dos capas, se obtuvo que la malla de puesta a tierra de la subestación tendrá una resistencia de 3,2 Ohm.



El diseño propuesto de la malla de puesta a tierra se realizó teniendo en cuenta la corriente de falla a tierra estimada para el proyecto (40 kA), las medidas de resistividad realizadas en campo y la disposición física definida, garantizando tensiones de toque y de paso por debajo de las tensiones máximas tolerables recomendadas por las normas de referencia. Para esta verificación se analizaron varios perfiles de evaluación anexando los más representativos.



El calibre a utilizar para el conductor de la malla de puesta a tierra en 220 kV y 60 kV es de 107 mm2 (4/0 AWG) similar al conductor existente, para la red enterrada en el patio de equipos y las colas de conexión a equipos.



Para la red de tierra de la celda en 60 kV se considerara implementar la malla a tierra como indica la referencia [11] con sus respectivas colas de conexión de los equipos.



Para la construcción del sistema de puesta a tierra se deben tener en cuenta los siguientes planos:  Disposición física [10].  Malla de tierra - Planta y detalles [11].

9.

DOCUMENTOS DE REFERENCIA

9.1

DOCUMENTOS EXTERNOS

[1]

Código Nacional de Electricidad – Suministro 2011.

[2]

Código Nacional de Electricidad – Utilización 2006.

[3]

IEEE Std. 80. IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding.

Archivo: PE-AM17-GP030-PAR-D007_Rev 0.docx

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PROYECTO AMPLIACIÓN 17 SUBESTACIÓN PARAMONGA 220 kV / 60 kV

Doc.: PE-AM17-GP030-PAR-D007 Revisión: 0

2015-08-31

MALLA DE TIERRA – MEMORIA DE CÁLCULO

[4]

IEEE Std. 81. IEEE Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground Impedance, and Earth Surface Potentials of a Ground System.

[5]

IEEE Std. 142. IEEE Recommended Practice for Grounding of Industrial and Commercial Power Systems.

[6]

ASTM – B8. Concentric Lay Stranded Copper Conductors, Hard, Medium Hard, or Soft: Standard Specification.

[7]

ASTM – B3. Soft or Annealed Copper Wire.

[8]

ANSI – UL 467. Standard for Grounding and Bonding Equipment.

[9]

PR20 – COES. Procedimiento Técnico del Comité de Operación Económica del SEIN.

9.2

DOCUMENTOS INTERNOS

[10] PE-AM17-GP030-PAR-K003. Disposición física - Planta y cortes patio. [11] PE-AM17-GP030-PAR-K004. Malla de tierra - Planta y detalles. [12] PE-AM17-GP030-GEN-D001. Criterios de diseño - Electromecánica [13] REP-PARAMONGA-GT-076-81.063. Medida resistividad del terreno. [14] G63004-U1014-02.210. Malla de puesta a tierra profunda-Ampliacion S.E. Paramonga. 9.3

HERRAMIENTAS

[15] Software HMV Tools, propiedad de HMV Ingenieros.

Archivo: PE-AM17-GP030-PAR-D007_Rev 0.docx

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