P.2.0220.01 DISEÑO DE TIERRAS

ESPECIFICACION TECNICA PARA PROYECTO DE OBRAS

DISEÑO DE SISTEMAS DE TIERRA

(DESIGN OF GROUND SYSTEMS)

P.2.0220.01

PRIMERA EDICIONSEPTIEMBRE, 2000

SUBDIRECCION DE TECNOLOGIA Y DESARROLLO PROFESIONAL

UNIDAD DE NORMATIVIDAD TECNICA

Primera Edición P.2.0220.01:2000 UNT

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P R E F A C I O

Pemex Exploración y Producción (PEP) en cumplimiento del decreto por el que se reforman,adicionan y derogan diversas disposiciones de la Ley Federal sobre Metrología y Normalización,publicado en el Diario oficial de la Federación de fecha 20 de mayo de 1997 y acorde con el ProgramaNacional de Modernización de la Administración Pública Federal 1995 - 2000, así como con lafacultad que le confiere la “Ley de Adquisiciones, Arrendamientos y Servicios del Sector Público”, la“Ley de Obras Públicas y Servicios relacionado con las mismas” y la sección 4 de las ReglasGenerales para la Contratación y Ejecución de Obras Públicas y Servicios relacionados con lasmismas, expide la presente especificación sobre diseño de sistemas de tierra.

Esta especificación se elaboró tomando como base la norma No. 2.223.01, emitida en 1992 porPetróleos Mexicanos de la que se llevó a cabo su revisión, adecuación y actualización, a fin de adaptarla alos requerimientos de Pemex Exploración y Producción.

En la elaboración de esta especificación participaron:

Subdirección de Región Norte

Subdirección de Región Sur

Subdirección de Región Marina Noreste

Subdirección de Región Marina Suroeste

Dirección Ejecutiva del Proyecto Cantarell

Subdirección de Perforación y Mantenimiento de Pozos

Coordinación Ejecutiva de Estrategias de Exploración

Auditoría de Seguridad Industrial y Protección Ambiental

Subdirección de Planeación

Subdirección de Administración y Finanzas

Subdirección de Tecnología y Desarrollo Profesional

Unidad de Normatividad Técnica


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INDICE DE CONTENIDO Página

0. Introducción. …………………………………………….......….. 3

1. Objetivo. ................................................................................ 3

2. Alcance. ................................................................................. 3

3. Actualización. ........................................................................ 3

4. Campo de aplicación. ............................................................ 3

5. Referencias. ........................................................................... 3

6. Definiciones. .......................................................................... 3

7. Diferencias de potencial tolerables. ....................................... 4

8. Procedimiento para el diseño de un sistema de tierra. .......... 4

9. Bibliografía. ............................................................................ 10

10. Concordancia con otras normas. ........................................... 10


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0. Introducción.

Dentro de las principales actividades que se llevana cabo en Pemex Exploración y Producción (PEP),se encuentran el diseño, construcción, operación ymantenimiento de las instalaciones paraextracción, recolección, procesamiento primario,almacenamiento, medición y transporte dehidrocarburos, así como la adquisición demateriales y equipos requeridos para cumplir coneficiencia y eficacia los objetivos de la empresa. Envista de ésto, es necesaria la participación de lasdiversas disciplinas de la Ingeniería, lo queinvolucra diferencia de criterios.

Con el objeto de unificar criterios, aprovechar lasexperiencias dispersas, y conjuntar resultados delas investigaciones nacionales e internacionales,Pemex Exploración y Producción emite a través dela Unidad de Normatividad Técnica estaespecificación con el objeto de determinar losrequisitos para la Especificación de Diseño deSistemas de Tierra.

1. Objetivo.

Esta especificación establece el procedimientopara diseñar los sistemas de tierra en losproyectos de Pemex Exploración y Producción.

2. Alcance.

Esta especificación establece el procedimientopara el diseño de sistemas de tierras en laindustria petrolera con el objeto de proteger elpersonal, equipo e instalaciones contradescargas atmosféricas, cargas estáticas ycorrientes de falla.

3. Actualización.

A las personas e instituciones que hagan uso deeste documento normativo técnico, se solicitacomuniquen por escrito las observaciones que

estimen pertinentes, dirigiendo su correspondenciaa:

Pemex Exploración y Producción.

Unidad de Normatividad Tecnica.

Dirección: Bahía de Ballenas # 5, 9° piso.

Col. Verónica Anzures, México, D.F. 11300

Teléfono directo: 5 5-45-20-35.

Conmutador 5 7-22-25-00, ext. 3-80-80

Fax: 3-26-54

E-mail: mpacheco @pep.pemex.com

4. Campo de aplicación.

Esta especificación es aplicable en todas las áreasque realicen servicios de ingeniería para PemexExploración y Producción.

5. Referencias.

5.1 NOM-001-SE-1999 “InstalacionesElectricas (utilización)”.

6. Definiciones.

6.1 Sistemas de Tierra. Término usadopara designar tanto la puesta a tierra delsistema eléctrico como la puesta a tierra delequipo.

6.2 Puesta a Tierra del Sistema Eléctrico.Es la conexión a tierra del neutro de un sistemaeléctrico.

6.3 Puesta a Tierra del Equipo. Es laconexión a tierra del equipo eléctrico y noeléctrico, mediante una o más de sus partes


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metálicas que normalmente no conducencorriente eléctrica.

6.4 Resistencia de Conexión a Tierras. Esla resistencia total de la red de tierras, medidarespecto a una tierra remota.

6.5 Resistencia del Sistema de Tierras, Esla resistencia total de la red de tierras, medidarespecto a una tierra remota.

6.6 Resistividad del Suelo. Es laresistencia por unidad de longitud, especificodel terreno, determinada en el lugar donde selocaliza o se va a localizar el sistema de tierras.La unidad de la resistividad es el ohm-metro.

7. Diferencias de potencias tolerables.

La conducción de altas corrientes a tierra eninstalaciones eléctricas debido a cortocircuitoso descargas atmosféricas, obliga a tomarprecauciones para que los potencialesresultantes no ofrezcan peligro a losoperadores y en general al personal que laboraen las plantas.

La ecuación que liga los parámetros de laintensidad de corriente y el tiempo que puedetolerarla un organismo es:

Donde:

Ik = Corriente efectiva (rms) que circula por elcuerpo en amperes.

t = Tiempo de duración de la falla ensegundos.

7.1 Potencial de paso tolerable.

El potencial de paso es la diferencia depotencial que aparece entre los dos pies(generalmente un metro), cuando una personaestá parada en la superficie del terreno en el

cual se presenta un gradiente a causa del flujode la corriente de falla.

La ecuación que define el potencial de pasotolerable, en volts es la siguiente:

Donde:

ρs= Resistividad del suelo en la superficieen ohms-metro.


7.2 Potencial de contacto tolerable.

El potencial de paso es la diferencia depotencial que aparece entre los dos pies(generalmente un metro), cuando una personaestá parada en la superficie del terreno en elcual se presenta un gradiente a causa del flujode la corriente de falla.

La ecuación que define el potencial de pasotolerable, en volts es la siguiente:

8. Procedimiento para el diseño de unsistema de tierras.

Una vez calculados los potenciales tolerablesde paso y de contacto se puede diseñar yconstruir un sistema de tierras siguiendo lossiguientes pasos:

1. Investigación de las características delsuelo.

2. Determinación de la corriente máximade falla a tierra.

t

116.0Ik =

t

7.0116E s

pρ+

=

t

17.0116E s

cρ+

=


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3. Diseño preliminar del Sistema deTierras.

4. Cálculo de la Resistencia del Sistemade Tierras.

5. Cálculo del máximo aumento depotencial en la red.

6. Cálculo de los potenciales de paso yde contacto.

7. Investigación de los potenciales detransferencia.

8. Corrección del diseño preliminar, deacuerdo a los puntos 6 y 7.

9. Construcción del sistema de tierras.

10. Medición en campo de la resistenciadel Sistema de Tierras, una vezconstruido.

11. Revisión de los puntos 5, 6 y 7 paraestablecer la seguridad de la red.

8.1 Investigación de las Característicasdel Suelo.

Para determinar las características del suelo,se obtienen muestras a una profundidad tal quepermita juzgar su homogeneidad.

Las mediciones deben incluir datos sobretemperatura, humedad, tipo de terreno,profundidad de la medición y concentración desales, ya que estos factores determinarán laresistividad de suelo.

8.1.1 Efectos del contenido de humedad.

La resistividad depende fuertemente delcontenido en porciento de humedad del suelo.Cuando este contenido se reduce por debajodel 22% la resistividad aumentaaceleradamente.

Una variación en el contenido de humedad delsuelo hará más o menos efectiva una conexióna tierra.

La grava o roca triturada colocada en lasuperficie ayuda a evitar la evaporación de lahumedad y a su vez, esta cubierta de grava quees de alta resistividad, ayuda a reducir lamagnitud de los choques eléctricos.

8.1.2 Efecto de la Temperatura.

La temperatura también ejerce una influenciasignificativa sobre la resistividad de terreno.

Abajo de los 0° C, el agua en el suelo secongela y esto ocasiona un incremento en laresistividad.

8.1.3 Profundidad de instalación de loselectrodos.

La profundidad de los electrodos y la longitudde los mismos es un factor importante parapoder tener contacto con los niveles delsubsuelo con mayor humedad.

Cerca de la superficie se tiene alta resistividadademás de tener muchas variaciones en elcontenido de humedad, lo que no sucede conlas partes más profundas ya que éstas semantienen más estables.

8.1.4 Electrodos múltiples.

Otro método para mejorar la resistencia delterreno es el uso de electrodos múltiples.

Cuando se tienen dos o más electrodosconvenientemente espaciados uno de otro, seformarán circuitos en paralelo hacia tierra quesiguen hasta cierto grado, las mismas leyes quetienen las resistencias en paralelo.

El uso de electrodos múltiples es convenientepara mejorar instalaciones existentes. Cuandola resistencia de un electrodo es conocida, elnúmero aproximado de electrodos que serequieren para obtener una resistenciadeterminada puede ser estimado.

8.1.5 Tratamiento químico del terreno.

El tratamiento químico del terreno que rodea aun electrodo de tierra es usado para mejorar la


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resistencia del terreno desde una 15 a 90%dependiendo de la clase de aquel.

Existen numerosas substancias químicas paraeste propósito la resistividad del terreno. Losproductos químicos son gradualmente “lavados”por el agua de lluvia y el drenaje natural através del suelo.

Dependiendo de la porosidad del suelo y lafrecuencia de las lluvias, el período dereemplazo de los materiales químicos varia.

8.1.6 Medición de la resistividad delsuelo.

Existen varios métodos para medir laresistividad del suelo. Aquí se describe elMétodo de Wenner basado en la siguienteecuación.

Donde:

ρ = Resistividad del suelo en ohms-metro.

R = Resistencia en ohms.

A = Distancia entre electrodos en metros.

B = Profundidad de los electrodos enmetros.

Descripción del método:

Dos electrodos de corriente y dos electrodosintermedios de potencial, todos de pequeñasdimensiones, son colocados en el terreno aigual distancia entre uno y otro y en línea rectaa una profundidad “B”. La tensión entre los doselectrodos de potencial es medido y divididoentre la corriente para obtener un valor deresistencia “R”.

Los instrumentos utilizados efectúan la divisiónautomáticamente y dan la lectura directamenteen ohms.

En la Fig. 1 se muestra la disposición delmétodo.

Figura 1Medición de la resistividad del suelo

Para el caso en que no se pueda efectuar lamedición directamente en el terreno, se indicanen la tabla 1 algunos valores significativos deresistividad para diferentes tipos de suelo.

Tabla 1Resistividad del suelo.

Tipo de Suelo Resistividad(ohms-metro)

Tierra orgánica húmeda.Tierra húmeda.Tierra seca.Roca.

10 100 1,00010,000

8.2 Determinación de la CorrienteMáxima de Falla a Tierra.

Para determinar el valor correcto de la corrientede falla a tierra utilizada en el cálculo delsistema de tierras, se necesita:

8.2.1 Determinar el tipo de falla posible atierra que produzca el máximo flujo de corrienteentre la malla y la tierra adyacente.

8.2.2 Determinar el máximo valor efectivo dela componente simétrica de esta corriente en elinstante de iniciarse la falla.

A2B4A

A2B4A1

AR4

2222 +−++

π=ρ

B

A A A

C P P C

C P P C


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8.2.3 Aplicar un factor de corrección, cuandosea apropiado, para compensar el efecto deldesplazamiento de la onda de corriente directay los decrementos en la corriente alterna y lacorriente directa. El valor es obtenido de latabla 2.

8.2.4 Aplicar un factor de corrección, cuandosea apropiado, para compensar el incrementofuturo de la corriente de falla debido a laexpansión del sistema eléctrico.

Tabla 2Factor de Corrección.

Duración de la falla

Segundos Ciclos

Factor de

Corrección

0.0080.10.250.5 más

½ 6

15 30 ó más

1.651.251.101.00

Nota: Para valores intermedios de duración de falla,los factores de corrección pueden ser obtenidos porinterpolación lineal .

8.3 Diseño preliminar del Sistema deTierras.

8.3.1 Cálculo del calibre del Conductor dela Red.

Cada uno de los elementos del sistema detierras, incluyendo los conductores de la propiared, las conexiones y los electrodos, deben serseleccionados de tal manera que:

a) Las uniones eléctricas no se fundan odeterioren bajo la condiciones másdesfavorables de magnitud y duraciónde la corriente de falla.

b) Sean mecánicamente resistentes en altogrado especialmente en aquelloslugares en que quedan expuestos adaño físico.

c) Tengan suficiente conductividad paraque no contribuyan apreciablemente aproducir diferencias peligrosas depotencial.

La ecuación que permite seleccionar el calibredel conductor de cobre para evitar la fusión, esla siguiente:

Donde:

I = Corriente de falla a tierra, en amperes.

A = Sección transversal del conductor decobre, en circular mils.


Tm = Temperatura máxima permisible en °C.

Ta = Temperatura ambiente en °C.

Pueden suponerse normalmente los siguientesvalores:

Ta = 40°C

Tm= 1083°C, para cables solos.

Tm= 450°C, para conectores soldables.

Tm= 250°C, para conectores mecánicos.

La tabla 3 permite seleccionar de manerarápida la sección del conductor necesaria, apartir del tiempo de duración de la falla,basándose en la ecuación anterior.

Tabla 3

Circular mils por AmpereTiempo deduración dela falla(segundos)

Cablesolo

Conconectoressoldables

Conconectoresmecánicos

3041

0.50

401475

5020106.5

6524128.5

t334

1T234TTlog

IA n

am10 +

+−

=


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8.3.2 Propuesta de la Red.

Antes de proponer una red, es convenienteinspeccionar el proyecto de la planta osubestación, referente a la disposición delequipo y de las estructuras.

La red se compondrá de cables paralelos, adistancias razonablemente uniformes. Además,un cable continuo debe bordear su perímetropara evitar gradientes elevados en los extremosde los cables, y se conectarán electrodos paramejorar el contacto con el suelo.

Al proponer una red, debe dimensionarse paraconocer los factores necesarios para el cálculode la longitud mínima en el punto 8.3.3.

8.3.3 Cálculo de la Longitud Mínima en laRed.

La longitud mínima de la red se calcula deacuerdo a la siguiente ecuación.

Donde:

Km = Coeficiente que toma en cuenta ageometría de la red.

Su valor depende de los siguientes factores:

n = Número de conductores paralelos enuna dirección.

D = Espaciamiento entre conductores.

d = Diámetro de lo conductores.

h = Profundidad de enterramiento de losconductores.

1 Ln D + 1 Ln 3 5 7 . 2n 16 hd n 4 6 8

El número de factores dentro del paréntesis esigual a “n” menos 2.

El Coeficiente K i toma en cuenta la distribuciónirregular de los gradientes de tensión, originadapor el flujo no uniforme de la corriente de falla.

Su valor puede calcularse mediante la ecuaciónempírica, Ki=0.65 + 0.172n. Sin embargo, elvalor de Ki puede disminuirse utilizando mallasmás cerradas en las esquinas de la red. Con locual Ki variará de 1.2 a 2, dependiendo de lageometría de la red.

L Longitud total del conductor enterrado, enmetros.

Si la longitud de la red propuesta es menor a lalongitud misma calculada, entonces debemodificarse la red disminuyendo elespaciamiento entre conductores paraaumentar consecuentemente el número deconductores en paralelo y la longitud delconductor enterrado.

Entonces, se efectúa nuevamente el cálculo dela longitud mínima incluyendo los nuevosfactores geométricos.

8.4 Cálculo de la Resistencia del sistema detierras.

La resistencia del sistema de tierra s se calculamediante la siguiente ecuación:

Donde

r = Radio en metros de un círculo quetenga la misma área que la ocupadapor la red de tierras.

L = Longitud total del conductor enterrado,en metros.

ρ = Resistividad del suelo, en ohms-metro.

En donde el valor de “r” se calcula mediante lasiguiente fórmula.

s

im17.1116

tIKKL

ρ+ρ

=

Km= x x x

Lr4R

ρ+

ρ=

π= /Ar


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8.5 Cálculo del máximo aumento depotencial en la red.

El máximo aumento de potencial en la red detierras sobre un punto remoto, se obtienemultiplicando el valor de la resistencia de lared, obteniendo en 5.4 por la corriente de falla:

E = RΙ

Para valores bajos de resistencia y corriente defalla, este valor puede ser menor que eldeterminado en 4.2 en cuyo caso no habríanecesidad de cálculos adicionales y sólo severificarían los valores de resistencia de la reddespués de su construcción.

Sin embargo, generalmente no sucede así y sehace necesario hacer una comprobación de lospotenciales de paso y de contacto.

8.6 Calculo de los potenciales de Pasoy de Contacto.

Si en el diseño preliminar, la longitud total delconductor enterrado es igual o mayor al valorcalculado en 5.3.3., entonces los potenciales depaso y de contacto dentro del perímetro de lared deben estar, generalmente dentro de loslímites tolerables. Sin embargo, la situación esdiferente en la periferia, sobre todo si laresistividad de la superficie fuera del perímetroes menor a la que se tiene dentro.

La ecuación para calcular el potencial de pasomáximo es la siguiente:

Ep= KsK i ρ Ι / L

Donde:

Ks = Coeficiente que depende de lossiguientes factores:

n = Número de conductores paralelos enuna dirección.

D = Espaciamiento entre conductores.

H = Profundidad de enterramiento de losconductores.

El número de términos dentro del parámetro esigual a “n”.

La ecuación que define el potencial de contactomáximo es la siguiente:

Ec = KmKi ρ Ι / L

Para definir si el sistema de tierras diseñado esseguro, se debe cumplir lo siguiente:

1. Ep< Tolerable Ep

Es decir, KsK i ρ Ι t L

2. Ep< Tolerable Ec

Es decir, KsK i ρ Ι t L

8.7 Investigación de los Potenciales deTransferencia

Entre la red de tierras y punto eternos existe elpeligro de que se presenten potencialestransferidos a través de lo conductores decircuitos de comunicación o de conduits,tuberías, rieles, rejas metálicas, etc.

Un potencial de transferencia puede considerasecomo un caso especial de potencial de contacto.La importancia del problema se encuentra en lasaltas diferencias de potencial que pueden resultar,acercándose al valor máximo de elevación depotencial de la red en condiciones de corto circuito,en contraste a la parte relativamente baja de esevalor que se observa en los potenciales de paso yd contacto dentro de la red.

8.8 Corrección del Diseño Preliminar, deacuerdo a 8.6 y 8.7.

Si los cálculos basados en el diseño preliminar,indican que pueden existir diferencias depotencial peligrosas, las siguientesrecomendaciones deben estudiarse y aplicarse.

+++

++

π= ......

D31

D21

hD1

h211ks

-0.7ρs < 116

-0.7ps< 116


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a) Reducir, la resistencia total de la red,lo cual disminuirá el máximo aumento depotencial y por consiguiente el máximopotencial de transferencia. Hay dos formas deefectuar lo anterior: 1. Aumentando el Areaocupada por la red. 2. Incrementando el númerod electrodos.

b) Reducir el espaciamiento de losconductores que forman la red, acercándose enlos límites, a la condición de placa metálica.

c) Agregar una capa superficial dematerial con resistencia relativamente elevada(grava, por ejemplo) para aumentar laresistencia en serie con el cuerpo.

d) Limitar las corrientes de falla a tierra,cuando sea posible.

8.9 Construcción del sistema de tierras.

El siguiente paso es la construcción de la redde acuerdo con el diseño.

La construcción de la red dependerá defactores como el tamaño de la red, el tipo desuelo, el calibre del conductor, la profundidadde instalación, la ubicación del equipo y elcosto entre otros.

Para la instalación y elementos de la red detierras, así como la conexión a tierra desistemas eléctricos y equipo, referirse a laNorma 3.223.01 de Petróleos Mexicanos.

8.9 Medición en Campo de laResistencia del Sistema de tierras unavez construido.

De los cálculos previos sobre la resistencia atierra de la red, soslamente se pueden esperarresultados aproximados. Por lo tanto esnecesaria una medición precisa de laresistencia una vez construida la red.

8.11 Revisión de los puntos 8.5, 8.6 y 8.7,para establecer la Seguridad de la Red.

Conociendo el valor real de la resistencia a tierra,puede recalcularse la máxima elevación de

potencial de la red y compartirla con la calculadaen 8.5. Si la diferencia es significativa necesitanrevisarse las precauciones tomadas en 5.8 contralos potenciales peligrosos.

La resistencia a tierra medida no proporciona unmedio directo para revisar de nuevo lospotenciales de paso y de contacto, ya que éstos sederivan de la resistividad. Sin embargo, si ladiferencia entre la resistencia a tierra medida y lacalculada en muy grande, las cifras de resistenciay resistividad entran bajo sospecha, siendo laúltima en general, menos confiable. Por lo tanto,será necesario efectuar mediciones adicionales dela resistividad y en un caso extremo, de lospotenciales de paso y de contacto paracompararlos con los limites tolerables.

9. Bibliografía.

IEEE. Standard 80-1986. Guide For Safety inSubstation Grounding.

IEEE Standard 141-1976. Electric PowerDistribution for Industrial Plants.

IEEE Standard 142-1982. Grounding ofIndustrial Power Systems.

PEMEX Norma 3.223.01 Instalación deSistemas de conexión a Tierra.

10. Concordancia con otras normas.

Esta especificación no concuerda con ningunanorma oficial mexicana ni internacional.

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