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MEMORIAS DE CALCULO

TABLA DE CONTENIDO 1

MEMORIAS DE CÁLCULO INSTALACIONES ELÉCTRICAS E ILUMINACIÓN 2 1.1 Selección de conductores ..................................................................... 2 1.1.1 Capacidades de corriente ................................................................................ 2 1.1.2 Calculo de la Corriente Nominal ...................................................................... 3 1.1.3 Cálculos de Regulación ................................................................................... 3 1.2 Selección de protecciones .................................................................... 4 1.2.1 Capacidad nominal ......................................................................................... 4 1.3 Iluminación interior ................................................................................ 4 1.3.1 Selección de luminarias .................................................................................. 5 1.3.2 Factor de mantenimiento ................................................................................. 7 1.4 Iluminación exterior ................................................................................. 10 1.4.1 Selección de luminarias ................................................................................ 10 1.4.2 Factor de mantenimiento ............................................................................... 12 1.4.3 Iluminación De Emergencia ........................................................................... 13 1.4.4 Manual de operación y mantenimiento Iluminación interior y exterior ............ 13 2 PROTECCION CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS ..................... 17 2.1 Evaluación del nivel de riesgo ante descargas atmosféricas .............. 18 2.1.1 Características generales de la estructura ..................................................... 19 2.1.2 Evaluación del número anual n de eventos peligrosos .................................. 19 2.1.3 Calculo de la DDT .......................................................................................... 19 2.1.4 Evaluación inicial............................................................................................ 20 2.1.5 Conclusión ..................................................................................................... 24 2.2 DISEÑO DEL SISTEMA DE PROTECCION INTEGRAL CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS ......................................................................................... 25 2.2.1 Metodología general de diseño ...................................................................... 26 2.2.2 Método electro geométrico (esfera rodante) .................................................. 26 2.2.3 Equipotencialización e interconexión de sistemas de puesta a tierra ............ 28 2.2.4 Evaluación con SIPRA ................................................................................... 28 2.3 ANALISIS DE RIESGO ELECTRICO.................................................. 32 2.4 Sistema de puesta a tierra .................................................................. 35 2.5 Valores de resistencia de puesta a tierra ............................................ 36 2.5.1 Requisitos de instalación ............................................................................... 36 2.5.2 Barrajes equipotenciales ................................................................................ 36 7 ESPECIFICACIONES PUESTAS A TIERRA ............................................ 37 8 INTERCONEXIÓN DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA. .................... 38 8.1 Protección interna DPS ....................................................................... 39

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MEMORIAS DE CALCULO

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MEMORIAS DE CÁLCULO INSTALACIONES ELÉCTRICAS E ILUMINACIÓN

1.1

Selección de conductores

Para la selección de los conductores de alimentación de tableros se utiliza el siguiente método: Se calcula la corriente nominal de la carga y se selecciona el menor cable con capacidad mayor que la corriente nominal. Se revisa la regulación del conductor. El valor máximo para un circuito desde el tablero de distribución principal no debe exceder el 3 % de caída de tensión. Se revisa la capacidad del cable con relación con los equipos de protección instalados para el mismo. La capacidad del cable debe ser mayor que la capacidad del interruptor.

1.1.1

Capacidades de corriente

TOMADO CODIGO ELECTRICO COLOMBIANO NORMA NTC 2050 TEMPERATURA REGIMEN DEL CONDUCTOR CALIBRE 90° C AWG THHN O KCMIL (MCM) COBRE 14 25 12 30 10 40 8 55 6 75 4 95 3 110 2 130 1 150 1/0 170 2/0 195 3/0 225 4/0 260

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1.1.2

MEMORIAS DE CALCULO

Calculo de la Corriente Nominal

El valor de la corriente de diseño para la selección de protecciones esta dado por :

Inom = ______S_______ * 1.25 (A) 3 * VLL Donde S, potencia aparente, es el valor de la carga a alimentar dada en, (VA) y (V) el voltaje de conexión en Voltios

Los resultados de la corriente nominal para los conductores de alimentación de los tableros de distribución se resumen en la tabla del Anexo.

1.1.3

Cálculos de Regulación

El valor de la regulación de los conductores para la alimentación de los tableros y circuitos de iluminación está basado en lo siguiente: La impedancia de los Conductores de Fase viene dada por Z = R + jXL La constante de regulación (K) es: K=

R cos + XL sen  10 x KVLL

DondeR y XL son los valores dados por la impedancia. Cos  es el factor de potencia, asumido como 0.9 KVLL es el voltaje Línea-Línea del sistema Los valores de la constante de regulación (K) para los diferentes calibres de conductor, aparecen en la tabla adjunta. Entonces la regulación de voltaje (en porcentaje) está dada por: R(%) = K x P x L DondeK es la constante de regulación (Para los valores ver tabla en el Anexo) P es el valor de la carga a alimentar, expresado en kVA L es la longitud del circuito de alimentación dada en metros De esta forma se obtienen los valores de regulación de voltaje para los tableros de distribución.

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Factores de cálculo de regulación CONDUCTOR DE COBRE CALIBRE SUBTERRÁNEO AEREO (20°C) AWG MCM (30°C) 208 trifásico V 208 V trifásico FP= 0,9 FP=0,9 8 5,82E-03 4,9211E-03 6 3,61E-03 3,72329E-03 4 2,13E-03 2,01401E-03 2 1,47E-03 1,36761E-03 1 1,23E-0,3 1,16426E-03 1/0 1,03E-03 8,64741E-03 2/0 8,83E-04 7,08272E-04 3/0 7,55E-04 5,828492E-04 4/0 6,55E-04 4,81758E-04

1.2 1.2.1

Selección de protecciones Capacidad nominal

El valor de la corriente de diseño para la selección de protecciones esta dado por :

Inom = ______S_______ * 1.25 (A) 3 * VLL Donde S, potencia aparente, es el valor de la carga a alimentar dada en, (VA) y (V) el voltaje de conexión en Voltios El factor de potencia se asumió como 0.9 El tamaño de los interruptores se ajustó al menor tamaño de Norma que se encontrará dentro de una variación del 10%, con el ánimo de no sobre diseñar los conductores.

1.3

Iluminación interior

El siguiente es el procedimiento de cálculo utilizado para el diseño del sistema de iluminación y método para determinar la cantidad de luminarias requeridas en cada área. Para este cálculo se utiliza el programa DIALux, para el cálculo del número de luminarias, ubicación y posición de éstas, se debe asegurar el cumplimiento de los niveles de luminancia, adoptados de la norma ISO 8995. Los cuales aparecen referenciados en la

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tabla 410.1 de RETILAP 2010. Los colores, y texturas de los materiales de muros, pisos y techos, se encuentran plasmados en los planos arquitectónicos, y se resumen en lo siguiente.  Para el primer piso el color del techo será concreto a la vista tono claro.  Para el segundo piso se instalara una cubierta tipo sandwich deck el color hacia el interior del aula será blanco.  Los muros serán en mampostería a la vista tono concreto claro.  El piso será concreto a la vista tono claro.

1.3.1

Selección de luminarias

Se realiza el diseño fotométrico para las siguientes luminarias. FLUORESCENTE: ILUMINACIONES TECNICAS ILTELUX CURVA SR 1x4 SENV ESP 12C 2T832 EUNV (1.000) (VER ESTUDIO FOTOMETRICO ANEXO 1) LED: LG LF53074042B.D00GWK0 KS_LG LED Flat Light 53W 300X1200 5000K T-bar (010V) (VER ESTUDIO FOTOMETRICO ANEXO 2) Como se observa en los anexos 1 y 2, los estudios fotométricos cumplen con lo estipulado y requerido en el RETILAP 2010 Con las dos alternativas de iluminación se hace un estudio economico para determinar cual es mas viable para el proyecto desde el punto de vista de ahorro energetico y tiempo para recuperar la inversion si se escoge la tecnologia LED

PANEL LED 30X120cm

Descripción

Descripción

LUMINARIA 2X32 T8 CON REJILLA

ÍTEM

1

ALTERNATIVA 2 SISTEMA DE ILUMINACION FLUORESCENTE

1

ÍTEM

ALTERNATIVA 1 SISTEMA DE ILUMINACION LED

1

Intensidad de Operación

100%

Intensidad de Operación

1 54 Demanda Total kW

0,756 0,756

0,896 0,896

12

Horas de Operación

12

Horas de Operación

$ 222.264

ALTERNATIVA 1 VS ALTERNATIVA 2 AHORRO ANUAL

2 32 Demanda Total kW

ROI

22,05

AÑOS

$ 6.300.000 $ 1.400.000 $ 4.900.000

11,2896 Consumo Total kW/Hr

Consumo kW/Hr (1,05 Factor del Balasto)

9,5256 Consumo Total kW/Hr

Consumo kW/Hr (1,05 Factor del Balasto)

TIEMPO DE RETORNO DE LA INVERSION

COSTO SISTEMA ILUMINACION LED COSTO LUMINARIAS FLUORESCENTES INVERSION INICIAL ADICIONAL PARA DEJAR LED

14

Cant. #Bombillas Watts por Demanda kW por Luminarias por Luminaria Bombilla # Luminarias

14

Cant. #Bombillas Watts por Demanda kW por Luminarias por Luminaria Bombilla # Luminarias

CALCULOS COSTO DE ENERGIA EN ILUMINACION

338,688 338,688

Consumo kW/Hr por Mes

285,768 285,768

Consumo kW/Hr por Mes

350

Precio kW/Hr

$ 350

Precio kW/Hr

$ 118.541

118540,8

$ 1.422.490

1422489,6

Costo Consumo Anual

$ 1.200.226

Costo Consumo Mes

$ 1.200.226 $ 100.019

Costo Consumo Anual

$ 100.019

Costo Consumo Mes

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Para realizar el análisis se tienen en cuenta la inversión inicial de cada sistema, consumo de energía y mantenimiento, luego se calculan los costos de energía para cada sistema Al realizar el análisis de consumo energético se concluye que el ahorro del sistema LED es de $222.264 en 1 año, lo cual no justifica la inversión inicial. ya que el tiempo para recuperar la inversión es de aproximadamente 22 años Del anterior análisis se escoge las luminarias fluorescentes ya que la inversión inicial es menor en cuanto a las luminarias LED, además se necesitan la misma cantidad de luminarias LED para poder cumplir con los niveles estipulados en el RETILAP. Quizás en un futuro cuando la tecnología LED para este tipo de aplicaciones tenga una mejor eficiencia y disminuya su precio podrá reemplazar a las luminarias fluorescentes Acorde a los estudios técnicos y económicos se selecciona una luminaria fluorescente de 2x32W T8 marca ILTEC referencia ILUMINACIONES TECNICAS ILTELUX CURVA SR 1x4 SENV ESP 12C 2T832 EUNV (1.000), para aulas y laboratorios. (Ver documento de especificaciones y cálculos de iluminación)

1.3.2

Factor de mantenimiento

Para el diseño del proyecto, se calculó el factor de mantenimiento FM a partir de la ecuación descrita en el numeral 430.5.1 del RETILAP:

FM = FE x DLB x Fb Dónde:

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FE

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: Depreciación de la luminaria por ensuciamiento

DLB : Depreciación por disminución del flujo luminoso de la bombilla FB

: Factor del balasto 1 según datos del fabricante.

Para el factor de depreciación de la luminaria por ensuciamiento FE, se toma como 0,95 teniendo en cuenta, un periodo de limpieza cada 18 meses, se tomo como base lo indicado en la CIE136-2000.

TOMADO DE CIE136-2000

De acuerdo a información suministrada por el fabricante de tubos fluorescentes de 32W, T-8 la depreciación lumínica DLB, es 0.9, para 12horas.

8

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TOMADO DE CATALOGO DE FABIRCANTE TUBOS FLUORESCENTES 32W T-8

Por lo que se determina el FM así: FM = FE x DLB x Fb FM = 0.95 x 0.9 x 1 Por lo tanto el FM es igual a 0,86. Para un periodo de limpieza de 18 meses.

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1.4

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Iluminación exterior

El siguiente es el procedimiento de cálculo utilizado para el diseño del sistema de iluminación y método para determinar la cantidad de luminarias requeridas.

1.4.1

Selección de luminarias

Se realiza el diseño o fotométrico para las siguientes luminarias.

Luminaria tipo alumbrado publico sodio 70W REF NANO, fabricada por SCHREDER y Luminaria tipo alumbrado publico LED 27W REF LEDS BRIKA. fabricada por SCHREDER.

Como se observa en los anexos 4 y 5, los estudios fotométricos cumplen con lo estipulado y requerido en el RETILAP 2010 Con las dos alternativas de iluminación se hace un estudio economico para determinar cual es economicamente viable para el proyecto

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MEMORIAS DE CALCULO

Para realizar el análisis se tienen en cuenta la inversión inicial de cada sistema, consumo de energía y mantenimiento, luego se realiza la sumatoria de gastos por cada año y se calcula el VAN (valor actual neto), el estudio económico se hace a 30años.

Acorde a los estudios técnicos y económicos se selecciona una luminaria Luminaria tipo alumbrado publico sodio 70W REF ONYX 2, fabricada por SCHREDER

1.4.2

Factor de mantenimiento

Para el diseño del proyecto, se calculó el factor de mantenimiento FM a partir de la ecuación descrita en el numeral 430.5.1 del RETILAP:

Dónde: FM = FE x DLB x Fb FE : Depreciación de la luminaria por ensuciamiento DLB

: Depreciación por disminución del flujo luminoso de la bombilla

FB

: Factor del balasto 1 según datos del fabricante. 12

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Para el factor de depreciación de la luminaria por ensuciamiento FE, se toma como 0,91 teniendo en cuenta: 1. Según la tabla 580.2.3. b del RETILAP, la clasificación de los niveles de contaminación es medianamente polucionado y se cataloga como II. 2. La hermeticidad de las luminarias para este proyecto completamente sellado.

De acuerdo 1 y 2, de la tabla 580.2.3.e del RETILAP, se toma para FE un valor de 0,91 con un periodo de limpieza del conjunto óptico de 24 meses. De acuerdo a las tablas de la NTC 900 tablas 22 y 23 la depreciación lumínica DLB, es 0.9124, por lo que se determina el FM así:

FM = FE x DLB x Fb FM = 0.91 x 0.9124 x 1 Por lo tanto el FM es igual a 0,83. Para un periodo de limpieza del conjunto óptico de 24 meses. 1.4.3

Iluminación De Emergencia

Para el alumbrado de escape o evacuación se seleccionado una luminaria de emergencia con una unidad sellada de accionamiento remoto, con bombillas LED y baterías de reserva a 3.6 Vcc libre REF ELM2 LED (ver documento de especificaciones y cálculos de iluminación) Para el alumbrado de emergencia permanente se utilizan luminarias en modo emergencia y al mismo tiempo usarlas normalmente se utilizara una batería que actuara en caso de emergencia, autonomía de 90 minutos 15%del flujo nominal, fabricada por BODINE (VER DOCUMENTO DE ESPECIFICACIONES Y ANEXO 3 CÁLCULOS DE ILUMINACIÓN)

1.4.4

Manual de operación y mantenimiento Iluminación interior y exterior

La persona encargada de la operación y el mantenimiento de las instalaciones eléctricas y de loa sistemas de iluminación será el responsable de mantenerlas en condiciones seguras por lo tanto deben garantizar que se cumplan las disposiciones y requisitos que deben cumplir los sistemas de iluminación y 13

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verificar que estas conexiones no presenten ningún riesgo para la salud, la vida de las personas, animales o el medio ambiente. 1.4.4.1 Inspección y mantenimiento de las luminarias Los conductores que se usan para conectar el equipo o luminaria se deben seleccionar adecuadamente, para esto se debe tener en cuenta la potencia de la luminaria que se va alimentar, con el fin de realizar la correcta selección del conductor que se debe utilizar. Al realizar el mantenimiento de la luminaria se debe observar el estado del conductor alimentador y verificar que el calibre del conductor sea el indicado para la carga que se está alimentando. En el mantenimiento e inspección de la luminaria y las demás instalaciones eléctricas se debe observar el estado de dichas instalaciones, verificando los siguientes puntos: 

Verificar que los empalmes no presente sulfatación.



Observar el estado de los conectores, en muchos casos se aflojan o pierden su hermeticidad



Ausencia de voltaje: cerciorarse que no existan daños en el circuito de alimentación y que no se encuentren apagados uno o varios interruptores.

Para la ejecución del mantenimiento correctivo es importante tener en cuenta los siguientes aspectos: Este consistirá en la realización de las siguientes actividades:  Sustitución de bombillas: Una vez que haya cumplido la vida útil de las bombillas de acuerdo con las especificaciones del fabricante, las cuales son de 12.000 horas para las luminarias fluorescentes estás deben ser cambiadas por otras con las mismas características de manera tal que se evite la falta de iluminación en el colegio.Pero debido a que las lámparas están frecuentemente encendidas, hay disminución de su ciclo de vida útil, en aproximadamente un 20%, lo que representan 2.400 horas menos, es decir, que la vida útil acorde al uso de la lámpara es de 9.600 horas. Se estableció que el plan se hiciese cada 18 meses, tomando en cuenta 480 horas mensuales que pasan encendidas las lámparas, y que al llegar esta fecha, tienen 8640  Sustitución de balastos y/o sockets: Se debe realizar el cambio del balasto y/o sockets inmediatamente estos presenten fallas con el fin de evitar daños en las bombillas, estos se deben cambiar por uno de las mismas características técnicas. 14

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 Limpieza de las luminarias: Se debe realizar una limpieza de la luminaria, y el conjunto óptico de las luminarias cada vez que se realice la sustitución de las luminarias o cualquier elemento, ya que estas suelen acumular polvo y suciedades que pueden alterar su buen funcionamiento. Para mantener el sistema de iluminación del colegio se recomienda lo siguiente, esto con el de garantizar una iluminación adecuada, por lo tanto se deben aplicar los siguientes criterios de mantenimiento.

 Utilizar bombillas y balastos que tengan certificado RETILAP  Apagar las luminarias cuando no se estén utilizando y aplicar el plan de mantenimiento recomendado.  Realizar los cambios de los equipos cuando estos ya cumplieron la vida promedio  Reemplazar las bombillas y donde sea necesario, los equipos auxiliares y cerciorarse que el casquillo de la bombilla este perfectamente adaptado o coincida con el porta lámpara. en donde sea necesario, los equipos auxiliares y cerciorarse que el casquillo de la bombilla esté perfectamente adaptado al portabombilla (por ejemplo, evitandola confusión entre los portabombilla E39 (Mogul), E27 y G5).  Revisar el encendido, apagado y el correcto funcionamiento del dispositivo de encendido de la luminaria.  Realizar el mantenimiento mecánico y eléctrico de la luminaria.  Los cristales de las ventanas y las superficies que forman techos y paredes deben ser limpiados periódicamente para mantener la transmisión de luz natural y la reflectancia de las mismas.  La limpieza o repintado de las paredes y techos tendrá gran importancia en el caso de salas pequeñas y de alumbrados indirectos.  Las luminarias deben ser limpiadas regularmente, sobre todo las superficies reflectoras y difusoras.Si incorporan difusores de policarbonato, bien sea liso o prismático, y están envejecidos por el uso, deberán ser sustituidos.  La realización de una limpieza programada a intervalos regulares, permite mantener de una forma más constante los niveles de iluminación de un local. Para obtener una máxima ventaja económica, el intervalo de limpieza deberá mantener una relación con el intervalo de reposición de las bombillas.

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1.4.4.2 Inspección De Las Instalaciones Eléctricas De Las Luminarias Los operarios encargados del mantenimiento de las instalaciones eléctricas de las luminarias deben seguir los siguientes pasos en la supervisión de dicha instalación eléctrica: 

Inspección visual

Es la inspección física que se le realiza a la acometida y demás instalaciones eléctricas de la luminaria, esta se realiza recorriéndola desde el punto de empalme hasta el último elemento del circuito. La inspección visual permite hacerse una idea globalizada de la instalación y de las condiciones técnicas de esta, revisando los siguientes aspectos: 

Puntos de empalme

Verificar el estado de los conductores, conectores, puestas a tierra y demás empalmes que pueda presentar la instalación eléctrica de las luminarias. En este punto se debe verificar:  Revisar la sección del conductor.  Verificar la continuidad de líneas.  Revisar las puestas a tierra y su conductor.



Medición y ensayos de la instalación

En esta etapa de la supervisión se recurre al uso de instrumentos para verificar:  Continuidad de los conductores, de la puesta a tierra y de las Protecciones.  Verificación de polaridades.  Ensayos de tensión.  Ensayos de funcionamiento. Los ensayos o pruebas mencionadas anteriormente, además de detectar la falla o asegurar el correcto funcionamiento de las instalaciones eléctricas de las luminarias, están destinados a proteger al operario evitando que corra riesgos de quedar sometido a tensiones peligrosas por contacto directo e indirecto. 1.4.4.3 Posibles Fallas de las luminarias  Voltaje bajo en la red: comprobar que el voltaje no esté por fuera del rango admisible, aunque el balasto soporta un voltaje ligeramente superior al 10% sin dañarse, el voltaje nominal de la línea no debe bajar 16

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ni subir del rango especificado para que no se afecte su normal funcionamiento.  Porta bombilla defectuoso: verificar el estado del porta bombilla, que sus terminales conserven su forma original, que estén sólidas y libres de sulfatación, de arqueos y de suciedad que impidan el adecuado contacto eléctrico con los terminales de la lámpara, además que se encuentre asegurado de manera firme al bulbo de la bombilla.  Bombilla floja: es posible que la Bombilla no se haya apretado adecuadamente, también se debe estar seguro que el porta bombilla sea el apropiado para la lámpara que se está probando  Bombilla defectuosa: se debe observar que la bombilla no se encuentre agrietada o defectuosa  Interruptores defectuosos: comprobar la continuidad eléctrica de los interruptores.  Conexiones defectuosas: verificar que las conexiones correspondan a las establecidas en la etiqueta del balasto. Revisar que exista continuidad y firmeza entre las diferentes conexiones y terminales.  Balasto defectuoso: un corto circuito en la red de alimentación, puede ocasionar daños al balasto, lo mismo sucede cuando se deja pasar mucho tiempo sin reponer una bombilla, el arrancador sigue enviando pulsos al balasto generándole graves daños al balasto.  Un calentamiento excesivo del balasto puede llegar a dañarlo, la solución no está solo en cambiar los elementos que fallaron. Es imprescindible revisar que el cofre que protege el kit eléctrico, permita una buena disipación de calor, para permitir tener una mayor vida útil de dichos componentes

2

PROTECCION CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS

(Normas IEC 62305-1, IEC 62305-2, IEC 62305-3) Las descargas eléctricas atmosféricas no se pueden evitar pero existen medidas para ejercer un control que ofrezca seguridad a las personas y a los equipos eléctricos y electrónicos. Por lo tanto las precauciones de protección apuntan hacia los efectos secundarios y a las consecuencias de una descarga eléctrica atmosférica a tierra. El sistema de puesta a tierra es un elemento fundamental del sistema de protección contra rayos a tierra; dentro de la protección externa su propósito es hacer posible la descarga y dispersión de las elevadas corrientes del rayo hacia 17

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la tierra a través de un elemento conductor enterrado en el suelo, sin causar sobretensiones peligrosas tanto para las personas como para los equipos. La protección interna sirve como referencia de tensión para los equipos y para disipar las corrientes de sobretensiones, derivadas por los dispositivos de protección interna.

2.1

Evaluación del nivel de riesgo ante descargas atmosféricas

El presente documento tiene como fin presentar la valoración del nivel de riesgo contra descargas atmosféricas para las instalaciones del proyecto, COLEGIO POLICARPA ubicado en Sincelejo Sucre Las descargas eléctricas atmosféricas son un fenómeno natural que varia con el tiempo y el espacio, aunque no existen actualmente medios para evitarlos, si se pueden implementar sistemas para mitigar considerablemente sus efectos. Los rayos que impacten en estructuras, acometidas de servicios domiciliarios o cerca del suelo, son peligrosos para las personas, los centros de reunión, trabajo u hogares y en general para las instalaciones afectando su contenido. Por lo tanto se deben aplicar medio de protección adecuados contra rayos. La necesidad de implementar un sistema de protección, las ventajas económicas de la instalación de un sistema de protección y la selección de las medidas y sistemas de protección adecuadas se deben determinar en términos del manejo del nivel de riesgo existente en la estructura a proteger. El método de evaluación y manejo del riesgo contra descargas atmosféricas se expone en la norma IEC 62305-2 La mayor incidencia de rayos en el mundo se da principalmente en América tropical, África Central y el norte de Australia, Colombia se encuentra situada en la zona de confluencia intertropical por lo cual presenta una de las actividades ceraunicas más altas del planeta. Por este motivo es de vital importancia contar con formas de protección contra este fenómeno. El sistema integral de protección contra descargas atmosféricas estará compuesto por los siguientes elementos: o Sistema de protección externo o Sistema de protección interno La metodología de cálculo del nivel de riesgo permitirá determinar cuáles de los elementos anteriores deberá comprender el sistema de protección a implementar en cada caso. Teniendo en cuenta estas consideraciones a continuación se presenta la valoración del nivel de riesgo para las instalaciones del proyecto en referencia. 18

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2.1.1

MEMORIAS DE CALCULO

Características generales de la estructura

El estudio a efectuar contempla la evaluación del nivel de riesgo para una estructura destinada a la enseñanza e instrucción de estudiantes pertenecientes al COLEGIO POLICARPA, cuyas características, condiciones y parámetros generales se resumen a continuación: Nombre del proyecto: COLEGIO POLICARPA Ubicación del proyecto: Sincelejo - Sucre Tipo de estructura: Centro de educación Altura H: 10m Ancho W: 80 m Largo L: 100 m Estructuras adyacentes: ninguna Factor de localización Dc: objeto con estructuras cercanas Acometida de servicio: Energía mediante subestación capsulada de 225kVA Factor ambiental Cs: ambiente urbano

2.1.2

Evaluación del número anual n de eventos peligrosos

El número anual N de descargas que afectan un objeto a ser protegido depende de la actividad atmosférica de la región donde se localiza la estructura y de sus características físicas. Generalmente se acepta que este número es el producto de la densidad de rayos a tierra por el área efectiva del elemento a ser protegido por un factor de corrección.

2.1.3

Calculo de la DDT

El nivel ceráunico (NC), para Sincelejo, se evalúa de acuerdo con las curvas de nivel del mapa Colombiano de niveles ceráunicos, elaborado por el convenio entre la Universidad Nacional de Colombia y el HIMAT, el valor DDT se muestra en la Densidad de Descargas a Tierra de las principales ciudades y Poblaciones de Colombia, de acuerdo a la Tabla A.6 NTC 4552-1 1999, para nuestro caso de estudio el valor DDT corresponde a 3.

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2.1.4

MEMORIAS DE CALCULO

Evaluación inicial

A continuación se presentan los resultados de la evaluación inicial de riesgo realizada a la estructura.

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MEMORIAS DE CALCULO

EVALUACION INICIAL

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MEMORIAS DE CALCULO

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MEMORIAS DE CALCULO

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2.1.5

MEMORIAS DE CALCULO

Conclusión

De acuerdo a los resultados obtenidos en la evaluación de riesgo, se hace necesaria la implementación de un sistema de protección contra descargas atmosféricas. A continuación se presentan las medidas y elementos que componen el sistema de protección contra descargas atmosféricas que se deberá implementar. A. SISTEMA DE PROTECCIÓN EXTERNA 

Utilización de elementos de captación de descargas atmosféricas (Puntas Franklin).



Sistema conducción de las corrientes eléctricas hacia el sistema de puesta a tierra.



Sistema de puesta a tierra.

B. SISTEMA DE PROTECCIÓN INTERNA 

Se recomienda la utilización de elementos de protección contra sobre tensiones en forma coordinada, siendo lo ideal, el seguimiento de los lineamientos establecidos por la norma IEC 62305-4 “Protection against lightning - Part 4: Electrical and electronic systems within structures”

C. SISTEMA CONTRA INCENDIOS. 

Se deberá implementar un sistema contraincendios compuesto por elementos accionamiento manual.

D. MEDIDAS ADICIONALES. Debido a las características propias del uso que tiene la estructura en evaluación, se recomienda la creación de una guía de seguridad personal la cual permita a los estudiantes saber qué hacer en caso de tormenta o en una situación de emergencia debida a la caída de un rayo. Esta guía deberá tener como mínimo los siguientes elementos: 

Rutas de evacuación en caso de incendio.



Avisos de peligro en zonas que se consideren de alto riesgo al momento de presentarse una tormenta eléctrica.



Protocolo de seguridad en situaciones de tormenta.

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2.2

MEMORIAS DE CALCULO

DISEÑO DEL SISTEMA DE PROTECCION INTEGRAL CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS

Una vez aplicada la metodología de la IEC 62305-2 para la valoración de riesgo de la estructura del proyecto, se procede a la determinación de los requerimientos constructivos y normativos del mismo, siguiendo los lineamientos de la normaIEC 62305-3 “Protection against lightning – Part 3: Physical damage to structures and life hazard” Una protección externa está diseñada para las siguientes funciones: o Interceptar los impactos directos del rayo a la estructura, utilizando un sistema de captación. o Conducir la energía del rayo de manera segura hasta la tierra, utilizando un sistema de bajantes. o Dispersar la energía de la descarga atmosférica dentro del suelo, utilizando un sistema de puesta a tierra. Una protección interna contra rayos previene de chispas peligrosas dentro de la estructura usando tanto equipotencialización como distancia de separación entre los componentes del SIPRA y otros elementos conductores eléctricos internos de la estructura. El tipo y ubicación del SIPRA debe estudiarse cuidadosamente en el diseño, para logra un sistema seguro a un mínimo costo. De esta manera se hace más fácil manejar los aspectos estéticos y la efectividad del sistema de protección con un mínimo esfuerzo. Antes de realizar el diseño del sistema de apantallamiento para una instalación dada se debe efectuar una valoración de riesgo, el propósito de la evaluación del factor de riesgo es establecer la necesidad de utilizar un sistema de protección contra rayos en una estructura dada y determinar si este sistema debe ser integral. Una vez efectuado este análisis para la estructura del presente proyecto, se determinó que este presenta un nivel de riesgo superior a los límites tolerables, por lo cual requiere tanto de un sistema de protección externo como de un sistema de protección interno. La valoración del nivel de riesgo para la estructura permite concluir que se requieren medidas para la disminución de los componentes de riesgo para las diferentes pérdidas, estas medidas son: o Ubicación de terminales de captación (pararrayos) o Interconexión de los terminales de captación y conexión a un sistema de bajantes 25

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o Las bajantes tienen como fin interconectar el sistema de captación con el sistema de puesta a tierra, por lo tanto son el camino de la corriente de rayo a tierra. El objetivo fundamental de las bajantes es reducir la probabilidad de daño debido a corrientes de rayo fluyendo por el sistema de protección externo, además de garantizar la existencia de varios caminos paralelos para la corriente, con una longitud mínima y garantizando equipotencialedad con todas las partes conductoras. o Ubicación y construcción de sistemas de puesta a tierra conectados a las bajantes del sistema de captación. o Determinación de medidas de protección internas consistentes en equipotencialización de los sistemas de tierra y de las componentes conductoras de la estructura y/o instalación de dispositivos de protección contra sobre tensiones DPS en las líneas de las acometidas eléctricas y en la conexión a tierra.

2.2.1

Metodología general de diseño

Para el diseño del sistema de protección externo contra DA se deben seguir los procedimientos especificados en la Norma IEC 62305-3,basados en la aplicación del método electro geométrico. La probabilidad de que una estructura sea penetrada por una corriente de rayo decrece considerablemente por la presencia de un sistema de captación diseñado adecuadamente, por lo cual, los terminales de captación se deben instalar en los puntos sobresalientes, esquinas y bordes de la estructura. Se debe tener en cuenta que los terminales de captación, pararrayos, deben ser varillas metálicas sólidas o tubulares en forma de bayoneta.

2.2.2

Método electro geométrico (esfera rodante)

El método electro geométrico tiene su aplicación en el estudio del apantallamiento que proveen varillas verticales y conductores horizontales a estructuras y líneas de transmisión respectivamente. La principal hipótesis en que se basa el método es que la carga espacial del líder es proporcional a la magnitud de la corriente de la descarga. Dependiendo del nivel de protección y el radio de la esfera rodante se puede escoger a partir de la Norma IEC 62305-3, capituló 5 tabla 2

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TOMADO DE LA NORMA IEC CAP 5 TABLA 2

Estos niveles y corrientes están dados para que con el radio escogido cualquier corriente igual o superior a la escogida sea interceptada por el sistema de protección externo y no impacte directamente a la estructura. Según la tabla 4 de la Norma IEC 62305-3, capituló 5, la separación promedio para los conductores bajantes, serán las siguientes:

TOMADO DE LA NORMA IEC CAP 5 TABLA 4

Una vez calculada la distancia de impacto se procede a determinar gráficamente la altura mínima de los dispositivos de captación, empleando como metodología la técnica de la esfera rodante. La técnica de la esfera rodante es un corolario del método electro geométrico y consiste en imaginar una esfera gigante de radio igual a la distancia de impacto del rayo sobre los volúmenes de las estructuras a proteger contra rayos. Todas las estructuras que la esfera imaginaria logre tocar estarán expuestas al impacto del rayo, por lo tanto el propósito del diseño del apantallamiento y de la ubicación de los terminales de captación es garantizar que la esfera nunca toque en ningún punto a la estructura a proteger sino al sistema de apantallamiento. 27

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2.2.3

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Equipotencialización e interconexión de sistemas de puesta a tierra

La equipotencialización se logra mediante la interconexión del sistema de protección contra rayos con las partes metálicas de la estructura, las instalaciones metálicas, las partes metálicas internas y externas conectadas a la estructura y los sistemas eléctricos y electrónicos. A nivel general se debe interconectar el sistema de puesta a tierra de sistema de protección contra descargas atmosféricas con el sistema de puesta a tierra de potencia ubicado en la subestación eléctrica. Para ello deberá llevarse un pase en cable No 2/0 AWG desnudo desde la caja de interconexión de tierras más próxima a la subestación hasta un punto o nodo de la misma. Para la instalación del anillo perimetral en la cubierta se utilizará Alambrón de Aluminio de 8 mm. Las derivaciones en las bajantes serán en cable No 1/0 de cobre desnudo.

2.2.4

Evaluación con SIPRA

Una vez establecidos los elementos que deberán ser incluidos en el SIPRA, se realizó una nueva evaluación de riesgo. A continuación se presentan los resultados obtenidos. Los resultados demuestran que la implementación de un SIPRA de nivel III, más la utilización de un esquema de coordinación de DPS, permite que el riesgo alcance valores tolerables y permitidos por la norma.

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MEMORIAS DE CALCULO

EVALUACION CON SIPRA

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2.3

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ANALISIS DE RIESGO ELECTRICO

Para evaluar el nivel de riesgo de tipo eléctrico, se aplica la matriz para toma de decisiones plasmada en la tabla 9.3 establecida en el RETIE 2013.

Se hace un listado de los posibles factores de riesgo eléctrico y se plasma en la siguiente tabla.

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FACTOR DE RIESGO ELÉCTRICO (peligros)

QUE PUEDE CAUSAR QUE ALGO SALGA MAL O FALLE ? (Causa)

CONSECUENCIA

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FRECUENCIA

RIESGO

ACCIONERS PARA MITIGAR EL PELIGRO Y RIESGO (controles)

ELECTROCUCIÓN POR CONTACTO DIRECTO

IMPERICIA DE NO TÉCNICOS

3

D

MEDIO

DISTANCIAS DE SEGURIDAD, PUESTA A TIERRA, PROBAR AUSENCIA DE VOLTAJE

ELECTROCUCIÓN POR CONTACTO INDIRECTO

FALLA CONDUCTOR PUESTA A TIERRA

3

D

MEDIO

DISTANCIAS DE SEGURIDAD, PUESTA A TIERRA, CONEXIONES EQUIPOTENCIALES, MANTENIMIENTO PREVENTIVO Y CORRECTIVO

CORTOCIRCUITO

FALLAS DE AISLAMIENTO, IMPERICIA DE TÉCNICOS

4

D

MEDIO

INTERRUPTORES AUTOMÁTICOS

RAYOS

DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

4

D

MEDIO

PARARRAYOS, BAJANTES, EQUIPOTENCIALIZACIÓN, APANTALLAMIENTO, SUSPENDER ACTIVIDADES CUANDO SE TENGA PERSONAL AL AIRE LIBRE

SOBRECARGA

SUPERAR LIMITES NOMINALES

2

D

MEDIO

INTERRUPTORES AUTOMÁTICOS

TENSIÓN DE CONTACTO

RAYOS, FALLAS A TIERRA, FALLAS DE AISLAMIENTO

2

D

MEDIO

PUESTA A TIERRA, CONEXIONES EQUIPOTENCIALES

TENSIÓN DE PASO

RAYOS, FALLAS A TIERRA, FALLAS DE AISLAMIENTO

2

D

MEDIO

PUESTA A TIERRA, CONEXIONES EQUIPOTENCIALES

En conclusión según la tabal anterior se concluyo que el NIVEL DE RIESGO eléctrico es MEDIO, el cual necesita protección básica, y se debe tener en cuenta lo indicado en la tabla 9.4 establecida en el RETIE 2013.

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A continuación se ilustran algunos factores de riesgo eléctrico más comunes, sus posibles causas y algunas medidas de protección

REGLAS DE ORO DE LA SEGURIDAD Al trabajar en línea muerta, es decir, sobre circuitos desenergizados se deben cumplir los siguientes requisitos: 1. Probar la ausencia de tensión.

6. Siempre se debe conectar a tierra y en cortocircuito como requisito previo a la iniciación del trabajo.

2.En tanto no estén efectivamente puestos a tierra, todos los conductores o partes del circuito se consideran como si estuvieran energizados a su tensión nominal.

7. Los equipos de puesta a tierra se deben manejar con pértigas aisladas, conservando las distancias de seguridad respecto a los conductores, en tanto no se complete la instalación.

3. Para su instalación, el equipo se conecta primero a tierra y después a los conductores que van a ser puestos a tierra, para su desconexión se procede a la inversa.

8. Los conectores se deben colocar firmemente, evitando que puedan desprenderse o aflojarse durante el desarrollo del trabajo.

4. Los equipos de puesta a tierra se conectarán a todos los conductores, equipos o puntos que puedan adquirir potencial durante el trabajo.

9. Cuando la estructura o apoyo tenga su propia puesta a tierra, se conecta a ésta. Cuando vaya a “abrirse” un conductor o circuito, se colocarán tierras en ambos lados.

5. Cuando dos o más trabajadores o cuadrillas laboren en lugares distintos de las mismas líneas o equipo, serán responsables de la colocación y retiro de los equipos de puesta a tierra en sus lugares de trabajo correspondientes.

10. Uso de Elementos de protección personal: Botas dieléctricas, guantes, casco, chaleco con reflectivo,

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2.4 Sistema de puesta a tierra REQUERIMENTOS GENERALES  

 

 

Los elementos metálicos que forman parte de las instalaciones eléctricas, no podrán ser incluidos como parte de los conductores de puesta a tierra. Los elementos metálicos principales que actúan como refuerzo estructural de una edificación deben tener una conexión eléctrica permanente con el sistema de puesta a tierra, con conector certificado para este uso. Las conexiones que van bajo el nivel del suelo en puesta a tierra, deben ser realizadas mediante soldadura exotérmica o conector certificado para tal uso por el RETIE. Para verificar las características del electrodo de puesta a tierra y su unión con la red equipotencial, cumplan con todos los requerimientos del RETIE, se debe dejar por lo menos un punto de conexión accesible e inspeccionable y una caja de inspección, cuyas dimensiones deben ser como mínimo de 30 cm X 30 cm o de 30 cm de diámetro. No se permite el uso de aluminio en los electrodos de las puestas a tierra. Las varillas del SPT es de cobre de 5/8” X 2.40 m. 35

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



2.5

MEMORIAS DE CALCULO

Se deberán proveer conexiones a tierra para todos los materiales, equipos, estructuras, según lo indicado en los planos y especificaciones y en cuanto sea necesario para cumplir los requerimientos del Código Nacional Eléctrico de los Estados Unidos (NEC) y la norma ICONTEC 2050 y el RETIE. El termino “Equipo Eléctrico” incluye todos los compartimentos, celdas o tableros que contengan conexiones eléctricas o conductores desnudos.

Valores de resistencia de puesta a tierra

TABLA 24 RETIE APLICACION

Estructuras de líneas de transmisión Subestaciones de alta y extra alta tensión Subestaciones de media tensión Protección contra rayos Neutro de acometida en baja tensión

2.5.1

     

2.5.2

VALORES MÁXIMOS DE RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA 20 ohmios 1 ohmios 10 ohmios 10 ohmios 25 ohmios

Requisitos de instalación

Cada electrodo será enterrado en su totalidad El punto de unión entre el conductor y el electrodo debe ser fácilmente accesible y hacerse con soldadura exotérmica o conector certificado por el RETIE para este uso: La parte superior del electrodo enterrado debe quedar mínimo 15 cm por debajo de la superficie. Los conductores del SPT deben ser continuos, sin interruptores o medios de desconexión. Esta configuración se utiliza para los sistemas de puesta a tierra de fuerza, comunicaciones y sistema de protección contra descargas eléctricas atmosféricas que tiene dos bajantes. Todos los sistemas de puesta a tierra son interconectados mediante puentes equipotenciales.

Barrajes equipotenciales

Para interconectar las mallas de puesta a tierra de los pararrayos, estructura del edifico, con la malla del tablero general, equipo de medida, planta eléctrica y tablero regulado, se utilizara un tablero en el cual se instalara un barraje equipotencial de 5mm x 50mm x 300mm, las conexiones al barraje serán con conectores certificados de compresión de dos huecos o soldadura exotérmica, y debe ser aislada de su soporte por lo menos 50mm 36

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ESPECIFICACIONES PUESTAS A TIERRA

Para las puestas a tierra, se utilizan electrodos de cobre. Los electrodos serán de 5/8” x 2,4 m y deben estar identificados con la razón social o marca registrada del fabricante en los 30 primeros centímetros desde la parte superior. Deben cumplir las dimensiones mínimas dadas en el RETIE en la Tabla 23. 

El cable usado como electrodo de puesta a tierra horizontales debe ser de cobre 2/0 AWG desnudo.



Los conductores horizontales deben quedar por lo menos a 50 cm bajo la superficie.



Las cabezas de los electrodos tipo varilla, deben quedar a una profundidad mínima de 15 cm.



Cuando se requiera la implementación de suelo artificial se debe dosificar de acuerdo a las recomendaciones del fabricante y se debe garantizar la autenticidad del producto.



La dosificación de suelo artificial marca Favigel ® es de una dosis de 25 kg por cada electrodo tipo varilla o por cada 7 m de electrodo horizontal.



Se debe construir una caja de inspección de 30 x 30 cm por cada puesta a tierra construida, es decir una caja de inspección para la puesta a tierra de equipo sensible

Figura 1 Construcción caja de inspección

 

Para las conexiones se debe emplear soldadura exotérmica o conectores certificados que cumplan con las recomendaciones de las normas IEC 60364-5-54/542.3.2, NTC 4628 o IEEE-837. La soladura exotérmica, es el sistema más fiable de conexión, pues evita discontinuidades por ser una unión a nivel molecular y presentar un alto 37

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punto de fusión. Consiste en una reacción química en la que se reduce óxido de cobre mediante aluminio en polvo. Se le llama exotérmica por el desprendimiento de calor. A continuación se presenta en forma gráfica y descriptiva todos los pasos a seguir para hacerla en forma segura.

Figura 2. Proceso de aplicación de soldadura exotérmica

     

4

Repita la soldadura si no presenta la uniformidad del molde. Repita la soldadura si presenta porosidad superior al 20% de su superficie o penetración de un clip hasta el cable. Golpee fuerte un par de veces con un martillo, la soldadura debe resistir. Un molde de buena calidad y bien cuidado puede durarle en promedio 50 soldaduras. No aplique una carga distinta a la especificada en el molde. Utilice sólo materiales y accesorios originales.

INTERCONEXIÓN DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA.

Cuando por requerimientos de una edificación existan varias puestas a tierra, todas ellas deben estar interconectadas eléctricamente. Ver artículo 250.60 del NEC, IEC 61000-5-2 / 5.3.2 y RETIE Art. 15. Se debe interconectar la puesta a tierra de potencia con la puesta a tierra de protección contra rayos diseñada, a través de la trayectoria más cercana, mediante cable de cobre 2/0 AWG que puede instalarse por debajo o por encima del nivel del suelo.

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Conexiones equipotenciales para edificios altos

Conductores de protección

Conductores aislados

Pararrayos o terminales de captación

Bajantes

Conexiones

Suelo Puestas a tierra

5. PROTECCIÓN INTERNA DPS

Se instalan limitadores de sobretensión que protejan adecuadamente a las personas y contra daños en los equipos. Se utilizan Dispositivos de Protección contra Sobretensiones DPS, para la escogencia del dispositivo se tiene en cuenta la tensión de operación del equipo a proteger y la corriente de falla. Para una correcta protección se deben instalar DPS clase I,II,III dependiendo la zona a proteger. Clase I: protección contra corrientes de rayos se instalan lo más cerca al punto de conexión Clase II: protección de equipos eléctricos Clase III: protección de equipos eléctricos sensibles a sobretensiones La corriente de choque de Rayo permite medir el tamaño del DPS, deberá estar indicado en el rotulo del aparato y claramente debe decir cuanta corriente en onda 10/350 µs puede soportar. Para dimensionar un DPS Clase I, primero tenemos que conocer el nivel de protección que se requiere implementar, este nivel de protección se obtiene del ANALISIS DE RIESGO. Existen cuatro niveles de seguridad de acuerdo con el análisis del riesgo, definidor por los niveles de corriente de Rayo que el descargador debe soportar: Nivel I: 200 KA 10/350 µs 39

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Nivel II: 150 KA 10/350 µs Nivel III: 100 KA 10/350 µs Nivel IV: 100 KA 10/350 µs Para calcular el tamaño del DPS se toma el 50% de la corriente de rayo y se divide por el número de fases más el neutro de la acometida y esto nos dará el requerimiento que dimensiona el DPS. Se desea implementar un nivel de protección III (resultado análisis de riesgo), se debe instalar un DPS para 50 kA de onda 10/350 µs, o dicho de otra manera, de 12,5 kA por polo. Para determinar la tensión máxima de operación continua y frecuencia nominal es:

UC ≥ 1.1 ∗ U0 UC= tensión máxima de operación continua y frecuencia nominal es U0= Tensión de fase nominal del sistema 𝑈𝐶 ≥ 1.1 ∗ 120V 𝑈𝐶 ≥ 132V

UP= Nivel de protección se selecciona dependiendo del nivel de protección y la clase del DPS

NIVELES DE PROTECCION DPS

Características DPS clase I Tablero general (Protección contra rayos) Corriente de descarga =12,5 kA 40

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Corriente de impulso 50kA Tensión máxima de operación continua =132Vac Nivel de protección =2,5kV 3 X DPS con Uc 1 X DPS con Uc

132V a.c. 120Va.c.

Características DPS clase II Tableros de distribución (Protección contra sobre tensiones) Capacidad de derivación 10kA Tensión máxima de operación continua =132Vac Nivel de protección =1,8 kV 3 X DPS con Uc 1 X DPS con Uc

132V a.c. 120V a.c.

Características DPS clase III Tableros regulados (Protección contra sobre tensiones) Capacidad de derivación 1.5kA Tensión máxima de operación continua =132Vac Nivel de protección =1,5 kV 3 X DPS con Uc 1 X DPS con Uc

132V a.c. 120V a.c.

CONEXION DPS

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6. CORRIENTE DE CORTO CIRCUITO

SUBESTACION 225KVA

CORRIENTE PRIMARIO:

I = S /(√3* kV) I = 225 / (13.2 * 1.732) I = 9.84A

CORRIENTE SECUNDARIO:

I = S /(√3* kV) I = 225 / 0.208 * 1.732 I = 625A

CORRIENTE FALLA PRIMARIO:

I falla = (In / Uz) * 100 I falla = (9.84 / 4.0) * 100 I falla = 246A

CORRIENTE FALLA SECUNDARIO:

I falla = (In / Uz) * 100 I falla = (625 /4.0) * 100 I falla = 15625A

CAPACIDAD DE INTERRUPCION. In= 225kVA/(0.208V x 1.73) = 625 A Icc sim= In / Ucc Icc sim= 625/ 0.04= 15625A simétricos. Se especifican 25 kA simétricos. 208 V. Icc asim= 1.25 * Icc sim= 19531A asimétricos. Se especifican 25 kA asimétricos. 208 V. El Breaker Termomagnético tripolar para el tablero general de B.T. debe cumplir con las siguientes características: Ir = 625A.; Icc >= 25 kA, 220 V; Vn = 600 V.

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