Investigación sobre el diseño de mallas de tierra

2. Desarrollo
3. Conclusiones
4. Bibliografía

1. INTRODUCCIÓN

Dos objetivos
principales deben lograrse en el diseño de las mallas de
tierra de las subestaciones bajo condiciones normales y de
fallas:

a) Proveer un medio para disipar las corrientes
eléctricas en la tierra
sin exceder los límites
de operación de los equipos.

b) Debe asegurar que una persona en la
vecindad de este sistema no
esté expuesto al peligro de choque
eléctrico.

En Cuba durante
muchos años ha sido utilizada la metodología de diseño de la antigua
U.R.S.S, que se ha adaptado a nuestras condiciones. Dos de las
normas que
están establecidas en nuestro país y que tienen
relación con el diseño y operación de las
mallas de tierra son las siguientes:

2. Norma Ramal: NRIB 1148, 1991. Subestaciones
   Eléctricas. Instalaciones de puesta a tierra. Método
   de cálculo.
3. Norma Ramal: NRIB 570, 1983. Líneas
   aéreas y subestaciones eléctricas. Sistemas de
   aterramiento. Métodos
   de medición.

Al realizar una revisión de estas normas
detectamos las siguientes limitantes:

1. No se establece ninguna metodología para el
   diseño de puestas a tierra en suelos con una
   marcada no uniformidad o suelos conformados por más de
   una capa (multicapas).
2. No se da una explicación detallada de
   cómo realizar las mediciones de resistencia y
   resistividad.
3. No se especifican normas de seguridad al
   realizar las mediciones.
4. No hace referencia al método Wenner como el
   ideal para los electricistas para realizar las mediciones de
   resistividad.
5. No se definen los tipos de instrumentos a utilizar
   (telurómetros) para realizar estas mediciones, ni los
   requisitos (frecuencia, potencia, función
   voltímetro que permita detectar corrientes parasitas del
   terreno, rangos de medición) que deben poseer los mismos
   para realizar una adecuada medición de los
   parámetros resistividad y resistencia.
6. Entre los métodos de medición de
   resistencia que aparecen en esta norma, no aparecen los dos
   métodos más utilizados
   internacionalmente.

• Método de la curva de caída de
  potencial.
• Método de la regla del 62%.

1. Solamente se establece como parámetro rector
   después de construida la malla el valor de la
   resistencia de puesta a tierra obtenido en la medición,
   no se tiene en cuenta otros parámetros importantes como
   son la medición de las tensiones de paso y contacto y la
   medición de equipotencialidad.
2. No hace mención del uso de suelos artificiales
   para el mejoramiento de la resistencia de puesta a tierra en
   los SPT o la utilización de concretos
   especiales.
3. No se especifican que requerimientos deben cumplir
   los conductores y bajantes de tierra al ser construida la
   malla.
4. No se establece la separación que debe existir
   entre los electrodos cuando se utilizan configuraciones de
   puestas a tierras de más de un electrodo, para evitar la
   aparición de potenciales peligrosos.
5. No se considera el comportamiento de las mallas de tierra en baja y
   alta frecuencia.
6. No se propone la utilización de puntos de
   conexión de tierra o barrajes equipotenciales, lo cual
   facilita el mantenimiento y medición de la
   malla.
7. Las ecuaciones
   que propone para el cálculo de la corriente que fluye a
   tierra, a través del circuito de tierra durante la falla
   a tierra, requiere del cálculo de muchos
   parámetros (conductancias).
8. El método propuesto para la selección del conductor de la malla es
   muy engorroso.
9. Los valores de
   tensión de paso y contacto establecidos como tolerables
   en dependencia del tiempo de
   duración de la falla están
   desactualizados.
10. Las expresiones propuestas para el cálculo de
    las tensiones de paso y contacto recaen en una serie de
    constantes empíricas.
11. La expresión propuesta para el cálculo
    de la resistencia de tierra de la malla es bastante
    complicada.

En la mayoría de nuestras empresas
eléctricas se han realizado diseños de mallas de
tierra, violando varios aspectos importantes:

1. No se tiene en cuenta el análisis geológico del terreno
   como un aspecto importante para decidir la ubicación
   de la subestación y por consiguiente su malla de
   tierra.
2. Se han realizado diseños de mallas de tierra
   sin haber medido la resistividad del terreno.
3. Solamente establecen como parámetro rector
   de una malla de tierra el valor de su resistencia a tierra,
   no se tiene en cuenta las tensiones de paso y contacto que
   pueden aparecer en la malla cuando circula una corriente de
   falla a tierra, por lo que no se realizan mediciones de estos
   parámetros.
4. En ocasiones se realizan diseños
   ineficientes con espaciamientos entre conductores no
   adecuados, sin tener en cuenta los peligrosos potenciales de
   paso y contacto que puede ocasionar esto.
5. Se realizan diseños de mallas sin tener en
   cuenta la corriente de cortocircuito

a tierra que se presenta en la
subestación.

6. En ocasiones son colocados electrodos verticales
tipo varilla a una separación menor que la longitud del
electrodo, esto puede traer consigo la aparición de
tensiones peligrosas en presencia de corrientes de
falla.

2. DESARROLLO

Para dar solución a todos estos problemas
detectados en estas normativas, el autor realiza una
revisión de un grupo de
bibliografías
internacionales actuales y confecciona una guía para el
diseño de puestas a tierra en subestaciones de
potencia:

1. Para el dimensionado de la malla de tierra de la
   subestación se tendrán en cuenta las

siguientes prescripciones:

• El dimensionado de la instalación de tierra es
  función de la intensidad que, en caso de fallo, circula
  a través de la parte afectada de la instalación
  de tierra y del tiempo de duración del
  defecto.
• El dimensionado de las instalaciones se hará
  de forma que no se produzcan calentamientos que puedan
  deteriorar sus características o aflojar elementos
  desmontables.
• Los electrodos y demás elementos
  metálicos llevarán las protecciones precisas para
  evitar corrosiones peligrosas durante la vida de la
  instalación.
• Se tendrán en cuenta las variaciones posibles
  de las características del suelo en
  épocas secas y después de haber sufrido
  corrientes de fallo elevadas.

1. Al proyectar una instalación de puesta a
   tierra para una subestación, se seguirá el
   siguiente procedimiento:

1. Investigación de las características
   del suelo.
2. Determinación de las corrientes
   máximas de puesta a tierra (1f a tierra) y el tiempo
   máximo correspondiente de eliminación del
   defecto.
3. Diseño preliminar de la instalación
   de tierra.
4. Cálculo de la resistencia del sistema de
   puesta a tierra.
5. Cálculo de las tensiones de paso en el
   exterior de la instalación.
6. Cálculo de las tensiones de paso y contacto
   en el interior de la instalación.
7. Comprobar que las tensiones de paso y contacto
   calculadas son inferiores a las tensiones de paso y contacto
   admisibles.
8. Investigación de las tensiones transferibles
   al exterior por tuberías, raíles, vallas,
   conductores de neutro, blindaje de cables, circuitos
   de señalización y de los puntos especialmente
   peligrosos, y estudio de formas de eliminación o
   reducción.
9. Corrección y ajuste del diseño
   inicial estableciendo el definitivo.

Después de construida la instalación
de tierra, se harán las comprobaciones y
verificaciones precisas in situ, y se efectuarán los
cambios necesarios que permitan alcanzar valores de
tensión aplicada inferiores o iguales a los
máximos admitidos.

3) Medición de la resistividad del
terreno:

La medición de la resistividad del terreno es la
razón más importante para los electricistas al
diseñar sistemas de puesta a tierra. La resistividad es un
factor determinante en el valor de resistencia a tierra que pueda
tener un electrodo enterrado, puede determinar a que profundidad
debe ser enterrado el mismo para obtener un valor de resistencia
bajo. La resistividad puede variar ampliamente en terrenos que
tengan las mismas características, su valor cambia con las
estaciones. La misma es determinada grandemente por el contenido
de electrolitos, el cual consiste de humedad, minerales y sales
disueltas. Un suelo seco tiene un alto valor de resistividad si
no contiene sales solubles. La resistividad es también
influenciada por la temperatura.

El método más utilizado por los
electricistas para realizar las mediciones es el de
Wenner:

Para la medición se disponen 4 electrodos en
línea recta y equidistantes una distancia "a",
simétricamente respecto al punto en el que se desea medir
la resistividad del suelo, como se muestra
posteriormente, el equipo de medida es un telurómetro de
cuatro terminales, los electrodos externos son los de
inyección de la corriente y los centrales los encargados
de medir la caída de potencial (en función de la
resistencia).

El valor obtenido con la medición es sustituido
en la expresión (1), obteniéndose un valor promedio
de resistividad aparente a una profundidad equivalente a la
distancia "a" entre los electrodos:

Donde:

:
Distancia entre electrodos en metros

b : Profundidad del electrodo en metros

R : Valor de resistencia obtenido en la
medición con el telurómetro

Si a > 20b la expresión anterior se puede
aproximar a:

(con
en m
)

(con
en
pies)

En relación a este método, deben tenerse
presente los siguientes aspectos:

La profundidad de sondeo es la comprendida entre la
superficie del terreno y la profundidad a la cual la corriente se
ha reducido a la mitad de su valor en la superficie, siendo esta
profundidad de exploración aproximadamente de 0.75
"".

Elección de la profundidad de investigación: Cuanta mayor
extensión vaya a ocupar el electrodo de tierra, mayor
será la profundidad de exploración del suelo de
cuyas características depende el SPT.

Por otro lado, los potenciales en la superficie dependen
principalmente de la resistividad de la capa superficial de
terreno que se escoja, mientras que la resistencia de puesta a
tierra no depende de ella.

Figura 1. Esquema para la
medición de resistividad del terreno por el método
de

Wenner, con un telurómetro clásico de
cuatro terminales.

Criterios prácticos a tener en cuenta al medir la
resistividad del terreno:

1. La profundidad de los electrodos no debe sobrepasar
   30 cm.
2. Es conveniente que se realicen mediciones en
   diferentes direcciones para un mismo sondeo, por ejemplo de
   Norte a Sur y de Este a Oeste, debido a las
   características de anisotropía de los
   suelos.
3. Al elegir la profundidad de exploración no se
   recomiendan profundidades mayores a los 8 metros puesto que es
   muy difícil poder llegar
   con las tomas de tierra hasta esos niveles, esto implica
   separaciones interelectródicas hasta 11
   metros.
4. No es conveniente que las mediciones se realicen
   donde existan tomas de tierra o tuberías, puesto que las
   mismas provocan que la corriente que se inyecta en el terreno
   tome otra trayectoria no deseada perturbando así el
   resultado.
5. Si se quiere conocer la resistividad existente en una
   puesta a tierra, es obligatorio realizar la medición en
   una zona cercana a la misma, con características
   similares y con la misma conformación geológica,
   a una separación igual o mayor a tres veces la
   separación de los electrodos.
6. Al realizar las mediciones en las diferentes
   direcciones (Norte-Sur)(Este-Oeste), los valores
   de resistencia obtenidos para cada separación entre
   electrodos pueden ser promediados, no pueden ser promediados valores
   obtenidos con diferentes

. Con estos valores obtenidos se traza la curva de
resistividad, por la cual se selecciona, a que profundidad deben
ser enterrados los electrodos.

4. Cuando por los valores de la resistividad del
   terreno, de la corriente de puesta a tierra o del tiempo del
   eliminación de la falla, no sea posible
   técnicamente, o resulte económicamente no
   factible mantener los valores de las tensiones de paso y
   contacto dentro de los límites admisibles,
   deberá recurrirse al empleo de
   medidas adicionales de seguridad a fin de reducir los
   riesgos a
   las personas y los bienes.

Tales medidas podrán ser entre
otras:

1. Hacer inaccesibles las zonas
   peligrosas.
2. Disponer de suelos o pavimentos de elevada
   resistividad que aíslen suficientemente de tierra las
   zonas de servicio
   peligrosas.
3. Aislar todas las empuñaduras o mandos que
   hayan de ser tocados.
4. Establecer conexiones equipotenciales entre la zona
   donde se realice el servicio y todos los elementos
   conductores accesibles desde la misma.
5. Aislar los conductores de tierra a su entrada en el
   terreno.

Se dispondrá el suficiente número de
rótulos avisadores con instrucciones adecuadas en las
zonas peligrosas y existirá a disposición del
personal de
servicio, medios de
protección tales como calzado, guantes, banquetas o
alfombras aislantes.

4. Un barraje es una pletina de cobre
   pretaladrada, con dimensiones y separación de pernos
   y huecos. Debe ser dimensionado de acuerdo con los
   requisitos inmediatos de aplicación y teniendo en
   consideración futuros crecimientos, sus dimensiones
   mínimas son de 5 mm de espesor x 50 mm de ancho y
   longitud variable.

   Es preferible pero no imprescindible que sea
   recubierto con níquel, si no lo es, debe limpiarse
   antes de unir los conectores. Deben utilizarse conectores
   certificados de compresión de dos huecos o soldadura exotérmica y debe ser
   aislada de su soporte, se recomienda una separación
   de 50 cm.

   Para ver el gráfico
   seleccione la opción "Descargar" del menú
   superior

   Figura 1. Barrajes equipotenciales
   y zonas de conexión

5. En las líneas de tierra deberán
   existir los suficientes puntos de puesta a tierra o como
   también se llaman barrajes equipotenciales, mediante
   estos barrajes es posible interconectar todas las puestas a
   tierra, esto permite un fácil acceso a las diferentes
   puestas a tierra lo que facilita los mantenimientos y las
   mediciones de resistencia y equipotencialidad.
6. Para la puesta a tierra se podrán utilizar
   en ciertos casos, previa justificación:

1. Las canalizaciones metálicas.
2. Los blindajes de cables.
3. Los elementos metálicos de las fundaciones,
   exceptuando las armaduras pretensadas del
   hormigón.

4. Los conductores o bajantes empleados en las puestas
   a tierra cumplirán las siguientes

prescripciones:

1. Tendrán una resistencia mecánica adecuada y ofrecerán
   una elevada resistencia a la corrosión.
2. Su sección será tal, que la
   máxima corriente que circule por ellos en caso de
   defecto o de descarga atmosférica no lleve a estos
   conductores a una temperatura cercana a la de fusión, ni ponga en peligro sus
   empalmes y conexiones.
3. Podrán usarse como conductores de tierra las
   estructuras de acero de
   apoyo de

los elementos de la instalación.

d. Deben instalarse procurando que su recorrido sea lo
más corto posible.

e. Se prohíbe que el bajante de tierra
presente cambios bruscos de dirección, teniendo en cuenta que el
ángulo de curvatura no puede ser menor de 90 grados y
tendrá un radio de
curvatura no menor de 203 mm (8 pulgadas).

f. Se recomienda que sean conductores desnudos
instalados al exterior de forma visible, en el caso de que
fuese conveniente realizar la instalación cubierta,
deberá serlo de forma que pueda comprobarse el
mantenimiento de sus características.

1. Los empalmes y uniones deberán realizarse con
   medios de unión apropiados (grampas Ampact, soldadura
   exotérmica, etc.), que aseguren la permanencia de la
   unión y que no se experimenten calentamientos al paso de
   la corriente superiores a los del conductor, y estén
   protegidos contra la corrosión
   galvánica.

8) Para la medición de la resistividad del
terreno y la resistencia de tierra será conveniente
realizar las mediciones con el terreno seco, por lo menos a una
semana después de la última lluvia.

9. Cuando la humedad del terreno varíe
   considerablemente de unas épocas del año a otras
   se tendrá en cuenta esta circunstancia al dimensionar y
   establecer el sistema de tierra. Se utilizarán
   recubrimientos con gravilla en la subestación entre
   otras cosas como ayuda para conservar la humedad del
   suelo.

10) En la subestación se pondrán a
tierra los siguientes elementos:

1. Los chasis y bastidores de aparatos de
   maniobra.
2. Los envolventes de los conjuntos de
   armarios metálicos.
3. Las puertas metálicas de los
   locales.
4. Las vallas y cercas metálicas.
5. Las columnas, soportes, etc.
6. Las estructuras y armaduras metálicas de los
   edificios que contengan instalaciones de alta
   tensión.
7. Los blindajes metálicos de los
   cables.
8. Las tuberías y conductos
   metálicos.
9. Las carcasas de los transformadores.
10. Los hilos de guarda o cables de tierra de las
    líneas aéreas.
11. Los neutros de los transformadores.
12. Los circuitos de baja tensión de los
    transformadores de medida.
13. Los limitadores, descargadores, pararrayos, para
    eliminación de sobretensiones o descargas
    atmosféricas.
14. Los elementos de derivación a tierra de los
    seccionadores de puesta a tierra.

Serán interconectadas todas las puestas a tierra
de la subestación (puestas a tierra de

servicio y protección), garantizando la
equipotencialidad de la misma.

11) Las puestas a tierra de los dispositivos
utilizados como descargadores de sobretensiones se
conectará a la puesta a tierra del aparato o aparatos
que protejan. Estas conexiones se realizarán procurando
que su recorrido sea mínimo (para evitar tensiones
inducidas en los bajantes de conexión) y sin cambios
bruscos de dirección.

12) En los conjuntos protegidos por envolvente
metálica deberá existir un conductor de tierra
común para la puesta a tierra de la envolvente,
dispuesta a lo largo de toda la aparamenta. La sección
mínima de dicho conductor será de 35
mm2 de conductor cobre.

Las envolventes externas de cada celda se
conectarán al conductor de tierra común, como
asimismo se hará con todas las partes metálicas
que no formen parte de un circuito principal o auxiliar que
deban ser puestas a tierra.

A efectos de conexión a tierra de las armaduras
internas, tabiques de separación de celdas, etc., se
considera suficiente para la continuidad eléctrica, su
conexión con tornillos o soldadura. Igualmente las
puertas de compartimento de alta tensión deberán
unirse a la envolvente de forma apropiada.

Las piezas metálicas de las partes
extraíbles que están normalmente puestas a
tierra, deben mantenerse puestas a tierra mientras el
aislamiento entre los contactos de un mismo polo no sea
superior, tanto a frecuencia industrial como a onda de choque,
al aislamiento de tierra o entre polos diferentes. Estas
puestas a tierra deberán producirse
automáticamente.

13) Los elementos metálicos de la construcción en edificaciones que
alberguen instalaciones de alta tensión, deberán
conectarse a tierra de acuerdo con las siguientes
normas:

a) En los edificios de estructura
metálica los elementos metálicos de la
estructura deberán ser conectados a tierra. En estas
construcciones, los restantes elementos metálicos como
puertas, ventanas, escaleras, barandillas, tapas y registros,
etc., así como las armaduras en edificios de
hormigón armado, deberán ser puestas a tierra
cuando pudieran ser accesibles y ponerse en tensión
por causa de fallas o averías.

b) Cuando la construcción estuviera realizada
con materiales, tales como hormigón en
masa, ladrillo o mampostería, no es necesario conectar
a tierra los elementos metálicos anteriormente
citados, más que cuando pudieran ponerse en
tensión por causa de defecto o averías, y
además pudieran ser alcanzados por personas situadas
en el exterior de los recintos de servicio
eléctrico.

14) Los elementos metálicos que salen fuera del
área de la subestación, tales como raíles
y tuberías, deben estar conectados a la
instalación de tierra general en varios puntos si su
extensión es grande. Será necesario comprobar si
estos elementos pueden transferir al exterior tensiones
peligrosas, en cuyo caso deben adoptarse las medidas para
evitarlo mediante juntas aislantes, u otras medidas si fuera
necesario.

15) La cerca de la subestación se
colocará a un metro hacia dentro del perímetro de
la malla, para evitar tensiones de contacto peligrosas para una
persona parada en la parte exterior de la subestación y
tocando la cerca de la misma, la cerca se conectará a
dicha malla en cada uno de sus vértices.

En subestaciones ya construidas donde la cerca de la
subestación se encuentra separada de la malla, se
garantizará lo siguiente:

1. Si la cerca esta construida de hormigón, se
   conectará la puerta de la subestación con la
   malla por dos lugares garantizando la equipotencialidad del
   lugar, esta conexión se realizará utilizando
   conductores de cobre o acero-cobre.
2. Si la cerca es metálica conjuntamente con la
   puerta se conectará también a la malla de la
   subestación por varios lugares.

16) Las subestaciones alimentadas en alta
tensión por cables subterráneos provistos de
envolventes conductoras (apantallado) unidas
eléctricamente entre sí, se conectarán
todas las tierras en una tierra general en los dos casos
siguientes:

a) Cuando la alimentación en
alta tensión forma parte de una red de cables
subterráneos con envolventes conductoras, de
suficiente conductividad.

b) Cuando la alimentación en alta
tensión forma parte de una red mixta de
líneas y cables subterráneos con envolventes
conductoras, y en ella existen dos o más tramos de
cable subterráneo con una longitud total mínima
de 3 km con trazados diferentes y con una longitud cada uno
de ellos de más de 1 km.

En las instalaciones conectadas a redes constituidas por
cables subterráneos con envolventes conductoras de
suficiente sección, se pueden utilizar como electrodos
de tierra dichas envolventes, incluso sin la adición de
otros electrodos de tierra.

17) Después de construida la malla serán
comprobadas las tensiones de paso y contacto que pueden
aparecer en la malla, garantizando que los valores medidos
estén por debajo de los límites
admisibles.

• Para efectuar esto se utilizara un
  voltímetro de resistencia interna de 1000
  Ω.
• Los electrodos de medida para simulación de los pies deberán
  tener una superficie de 200 cm2 cada uno y
  deberán ejercer sobre el suelo una fuerza
  mínima de 250 N cada uno, la fuerza de 250 Newton a
  que se alude puede obtenerse mediante pesos . Ver Figura
  2.
• Se emplearán fuentes de
  alimentación de potencia adecuada para simular la
  falla, de forma que la intensidad empleada en el ensayo
  sea como mínimo el 1% de la corriente para la cual ha
  sido dimensionada la instalación sin que sea inferior
  a 50 A para subestaciones y 5 A para centros de
  transformación, con lo que se eliminan los defectos de
  las posibles tensiones vagabundas o parásitas
  circulantes por el terreno.
• Consecuentemente, y a menos que se emplee un
  método de ensayo que
  elimine el efecto de dichas corrientes parásitas, por
  ejemplo, método de inversión de la polaridad, se
  procurará que la intensidad inyectada sea del orden
  del 1 por 100 de la corriente para la cual ha sido
  dimensionada la instalación y en cualquier caso no
  inferior a 50 A para subestaciones y 5 A para centros de
  transformación.
• Medidos los valores de tensión de paso (Vc)
  y contacto (Vp) a la corriente de ensayo (IE) se
  procede a calcular por extrapolación los valores de Vc
  y Vp a corriente de puesta a tierra IT.(corriente
  de falla a tierra para el cual ha sido diseñada la
  instalación).

Para realizar la medición de estas tensiones se
seguirán los siguientes pasos:

1. Mediante el empleo del equipo adecuado inyectar una
   corriente
   alterna entre el electrodo de tierra y un electrodo
   auxiliar(dispersor).
2. El valor de la corriente a inyectar será
   determinado siguiendo las disposiciones
   reglamentarias.
3. El electrodo auxiliar habrá que emplazarlo a
   una distancia tal que el reparto de corriente que parte del
   electrodo resulte regular. Este aspecto será
   preferible determinarlo por ensayo en la propia
   instalación.
4. Con un voltímetro de resistencia interna de
   1000 Ω medir en el interior y en el
   exterior del αrea protegida las tensiones presentes en
   el terreno a distancias de 1m y entre partes
   metálicas del voltímetro emplear dos pesos de
   25 kg cada uno y 200 cm2 de superficie de contacto
   con el suelo también cada uno.
5. Los resultados obtenidos en el ensayo habrá
   que referirlos a las condiciones presentes durante un fallo a
   tierra en la instalación, para ello bastará
   aplicar la expresión siguiente:

paso =
contacto=

Cuando se utilice el método de inversión
de polaridad se tendrá en cuenta

que:

Para la tensión de paso medida:

p.medida =

Para la tensión de contacto medida:

c.medida =

Siendo
y las tensiones
de paso y contacto respectivamente

inyectadas en un sentido y y las inyectadas en sentido contrario.

Se comprende la facilidad que este ensayo puede
entrañar riesgos para el personal operador y para las
personas en general, si los valores de corriente son elevados,
y como desconocemos si van a aparecer gradientes de potencial
elevados. Las medidas deben realizarse por personal
especializado y extremando las condiciones de
seguridad.

Es importante, delimitar la zona donde se
efectúan las mediciones mediante cintas, carteles de
señalización, señales luminosas si fuera necesario,
etc. principalmente en los alrededores de los electrodos que se
emplean como toma de tierra auxiliar, que puede estar
constituida por varios electrodos de barra.

Los sitios de medición deben tomarse al azar,
tanto en la parte externa como interna y en tantos puntos como
lo permita la instalación. Se deben dar prioridad a
puntos ubicados en el perímetro de la malla, pues en
estos sitios existe mayor probabilidad de
tensiones altas, en especial los soportes metálicos,
puertas metálicas de acceso, rejillas de
ventilación accesibles a personas, carriles para el
desplazamiento de transformadores y, en general, cualquier otro
tipo de elemento que, en un momento dado, pueda estar en
contacto con las personas, referenciando todos los lugares con
una clara identificación.

Para instalaciones nuevas, sobre todo si son
importantes, se recomienda efectuar las mediciones cuando ya
esté montado todo el SPT y antes de proceder a la etapa
de acabados asfálticos, de gravilla u otros.

Para ver el gráfico seleccione
la opción "Descargar" del menú
superior

Figura 2. Representación de medición de
tensión de paso y contacto.

18) Las subestaciones después de ser
construidas serás recubiertas en toda su área con
una capa de gravilla de 10 a 15 cm otra opción pudiera
ser recubrir la misma con una capa de hormigón de 10 cm,
exceptuando las áreas donde se encuentran los
transformadores de potencia y los desconectivos por alta y baja
(interruptores o desconectivos portafusibles), las cuales
serán recubiertas con una capa de gravilla con un
espesor no menor de 10 a 15 cm.

19) Los electrodos verticales de neutros y pararrayos
se vinculan a la malla de tierra y serán tenidos en
cuenta al determinar el valor total del sistema de puesta a
tierra.

20) La sección mínima de los conductores
de tierra deberá ser determinada en función de la
corriente máxima previsible de falla.

21) Si los cálculos basados en el diseño
preliminar indican que pueden existir diferencias de potencial
peligrosos dentro de la subestación, las siguientes
posibles soluciones
deben ser estudiados y aplicadas donde sea
apropiado:

1. Disminución total de la resistencia de tierra:
   Una total disminución de la resistencia de tierra
   disminuirá el máximo GPR (máxima
   elevación de potencial en la red de una
   subestación con respecto a un punto distante que se
   asume que está al potencial de tierra remoto) y por
   tanto la máxima tensión transferida. La
   vía más efectiva para disminuir la resistencia
   de una malla de tierra es por un incremento del área
   ocupada por la malla. Pozos o varillas enterradas
   profundamente pueden ser usados si el área disponible
   es limitada y las varillas penetran capas de baja
   resistividad. Una disminución en la resistencia de la
   subestación puede o no disminuir apreciablemente los
   gradientes locales, dependiendo del método
   usado.

   Otra manera efectiva y económica de controlar
   los gradientes es incrementar la densidad de
   varillas de tierra en el perímetro. Esta densidad
   puede ser decrementada hacia el centro de la
   malla.

   Otro método para controlar los gradientes
   perimetrales y los potenciales de paso es enterrando dos o
   más conductores en paralelo alrededor del
   perímetro a profundidades sucesivamente mayores
   según la distancia de separación de la
   subestación. Otra metodología es variar el
   espaciamiento de los conductores colocando un espaciamiento
   menor de los conductores cercanos al perímetro de la
   malla.

2. Espaciamiento cercano de la malla: Con el empleo de
   espaciamientos de los conductores cercanos, la condición
   del plato continuo puede ser aprovechado más
   estrechamente. Potenciales peligrosos dentro de la
   subestación pueden por tanto ser eliminados a un
   costo. El
   problema en el perímetro puede ser más
   difícil, especialmente en pequeñas subestaciones
   donde la resistividad es alta. Sin embargo, es usualmente
   posible enterrar los conductores de tierra por fuera de la
   línea de la cerca para asegurar que los gradientes
   escarpados que surgen inmediatamente fuera del perímetro
   de la malla no contribuyan a mayores tensiones peligrosas de
   contacto.
3. Desviar una gran parte de la falla de corriente hacia
   otros caminos, conectando conductores de guarda en
   líneas de transmisión o disminuyendo el valor de
   resistencia de la base de la torre en las proximidades de la
   subestación, parte de la corriente de la falla se
   desviará a partir de la malla. Sin embargo, en
   relación con lo último, debe ser valorado el
   efecto de los potenciales de falla cercanos a las bases de las
   torres.
4. Limitando la corriente de falla total: Si es
   factible, limitando la corriente total de la falla
   disminuirá el GPR y todos los gradientes en
   proporción. Sin embargo, otros factores harán
   normalmente esto impráctico. Además si es
   realizado a cuenta de un mayor tiempo de limpieza de la falla,
   el daño
   puede ser incrementado en lugar de disminuir.
5. Limitando el acceso a áreas limitadas:
   Limitando el acceso a ciertas áreas se reducirá
   la probabilidad de daños al personal.

22) La profundidad de enterramiento de la malla se
realizará a profundidades que oscilen entre 0.60 y 0.80
m.

23) Al margen de las necesidades específicas
relativas a la resistividad del terreno y a las tensiones de
paso y contacto, las retículas de la malla de tierra se
podrán densificar mediante el agregado de ramas
adicionales en las proximidades de las estructuras de
retención de barras el hilo de guarda, los
transformadores de medida y pararrayos.

24) Los bajantes para conexión a la malla
deberán ser conectadas, con la mínima longitud
posible, a dos de los lados de la retícula que rodean
los pórticos y/o estructura soporte de equipo. Cada
conexión se hará lo más cercana a los
cruces de la malla. La sección de los cables de bajada
deberá ser igual a la sección del cable de la
malla de tierra.

25) Los pararrayos se conectarán a la malla de
tierra de forma tal que las corrientes que drenen no afecten la
zona de puesta de aparatos de señal (TC, TV, capacitores
de acople).

26) Los canales interiores para cables llevarán
un conductor de puesta a tierra similar al de los exteriores
igualmente vinculado a la malla de puesta a tierra.

27) Los locales donde se instale equipamiento
electrónico deberán estar provistos de un plano
de tierra equipotencial, compuesto por una plancha de cobre
continuo sobre todo el piso, con un espesor aproximado de 0.1
mm o cinta de cobre 100 x 1 mm en configuración mallada,
dependiendo del número y posición de los
aparatos, instalada por ejemplo bajo el falso piso. Dicho plano
de tierra constituirá el colector de la puesta a tierra
funcional y de seguridad, para todos los aparatos
electrónicos instalados, de clase 2
kV.

El plano de tierra deberá ser conectado a una
única toma de tierra que llegue a la malla de tierra
mediante conexión de sección adecuada. Dicha
conexión, si es de longitud superior a algunos metros,
deberá ser de tipo blindado, debiendo ser dicho blindaje
conectado a tierra, sólo del lado de la malla de
tierra.

Las tierras de los aparatos deberán conectarse
al mencionado plano de tierra equipotencial, en modo radial,
cada una con conexión propia de mínima
longitud.

Todos los aparatos no electrónicos (otras
alimentaciones y servicios
como la instalación de acondicionamiento de aire, etc.),
deberán conectarse a la toma de tierra utilizando
conexiones independientes de las anteriores.

28) Como metodología de cálculo de la
malla para suelos uniformes se utilizará la propuesta
por la IEEE Std-80 2000:

Constantes:

ρ : Resistividad aparente del terreno,
Ω.m

I : Corriente de falla monofásica en el
secundario, kA

Io : Corriente de falla monofásica a tierra en el
primario, A

tc : Tiempo de despeje de la falla, s

KF : Constante para diferentes materiales a
diferentes temperaturas de fusión Tm y una temperatura
ambiente de
40 oC.

Variables:

hs : Grosor de la capa superficial,
m

ρs :
Resistividad aparente de la capa superficial,
Ω.m

L1 : Largo de la malla, m

L2 : Ancho de la malla, m

h : Profundidad de enterramiento de la malla,
m

Lc : Longitud total del conductor horizontal,
m

Lv : Longitud de un electrodo tipo varilla, m

D : Espaciamiento entre conductores, m

N : Número de electrodos tipo varilla

Upaso tolerable : Tensión de paso
tolerable, V

Ucontacto tolerable : Tensión de
contacto tolerable, V

Ureticula : Tensión de la
retícula en caso de falla, V

Upaso : Tensión de paso en caso de
falla, V

A : Sección transversal del conductor,
mm2

Cs : Coeficiente en función del
terreno y la capa superficial

LT : Longitud total del conductor,
m

A : Área disponible para construir la puesta a
tierra, m2

Rg : Resistencia de puesta a tierra
calculada, Ω

Km : Factor de espaciamiento para
tensión de malla

Kii : Factor de corrección por
ubicación de electrodos tipo varilla

Lp : Longitud del perímetro

Kh : Factor de corrección por la
profundidad de enterramiento de la malla

n : Factor de geometría

Ki : Factor de corrección por geometría de la malla

Ks : Factor de espaciamiento para la
tensión de paso

:
Corriente admisible por el cuerpo humano

a) Conductor a utilizar:

Amm2 = mm2 (2)

b)Tensiones de paso y contacto máximas
tolerables:

Para una persona de 70 kg:

(corriente admisible soportada por el cuerpo
humano).

Upaso tolerable= (V) (3)

Ucontacto tolerable= (V) (4)

Donde:

Cs=1- (5)

c) Determinación de la configuración
inicial:

Longitud del conductor LT = Lc+N *
Lv (m) (6)

Donde Lc=( (m) para mallas cuadradas o
rectangulares

Cálculo del área:
A=L1*L2 (m2)

d) Cálculo de la resistencia de puesta a
tierra Rg en ohmios:

Rg= (Ω) (7)

e) Cálculo del máximo potencial de
tierra (GPR):

GPR = IG * Rg (V) donde
IG=1,9 Io (A) (8)

Si GPR > Ucontacto tolerable se calculan
las tensiones de malla y de paso en caso de falla; si GPR <
Ucontacto tolerable , entonces el diseño ha
concluido.

f) Cálculo de tensión de
retícula en caso de falla:

Ureticula= (V) (9)

Donde: Km= (10)

Kii = 1 para mallas con electrodos de varilla
a lo largo del perímetro, en las esquinas o dentro de la
malla.

Kii = para mallas sin electrodos tipo varilla o con pocas varillas
dentro de la malla.

Kh= y Ki = 0.644 + 0.148 * n

n = na*nb*nc donde:
na= nb = nc=

Lp= (L1+L2)*2 (m) para mallas cuadradas o
rectangulares.

Ureticula > Ucontacto, se debe
cambiar la configuración de la malla; si
Ureticula < Ucontacto se pasa a calcular
la tensión de paso.

g) Cálculo de la tensión de paso en
caso de falla:

Upaso= (V) (11)

Ks= (12)

Si Upaso> Upaso tolerable
cambiar la configuración de la malla; si Upaso
< Upaso tolerable el diseño ha
terminado.

29) Se establece como valor máximo de
resistencia de puesta a tierra a lograr con la malla de tierra
diseñada un valor de 1 Ohm.

30) Se utilizará un modelo de
cálculo más complejo (modelo de dos capas) para
diseñar una malla de tierra, cuando estemos en presencia
de suelos con una marcada no uniformidad (suelos multicapas).
Además, cuando existen asimetrías en la malla,
cuando existen espaciamientos desiguales en conductores o
varillas y cuando es necesario más flexibilidad en la
determinación de puntos locales de peligro.

31) En lugares donde sea necesario realizar el montaje
de pozos profundos para lograr disminuir la resistencia de la
malla se seguirán los siguientes criterios:

• El criterio fundamental para decidir el montaje de
  electrodos profundos, es que las capas inferiores sean de
  mucha menor resistividad, esto es verificado al realizar el
  sondeo de resistividad a varias profundidades.
• Deben ser ubicados en la periferia de la malla,
  pero como parte de ella, no separados.
• La profundidad a la cual se enterrará el
  electrodo profundo estará determinada por el sondeo de
  resistividad realizado, el que determinará a que
  profundidad se encuentra la menor resistividad, y a esta
  será la profundidad donde se montará el
  electrodo profundo.
• Que el montaje del pozo profundo llegue a
  profundidades donde se encuentre el manto freático
  (saturación de humedad) no garantiza que exista una
  baja resistividad.
• El hoyo que se abra para el montaje del electrodo
  profundo será rellanado con el mismo suelo que se
  extrae o con un suelo artificial de baja
  resistividad.
• Se garantizará que el suelo que se utiliza
  como relleno debe ser debidamente compactado alrededor del
  electrodo.

1. Conclusiones

1. Con el análisis crítico de las
   normativas vigentes en Cuba en relación al
   diseño de las mallas de tierra en subestaciones se
   llega a la conclusión que se debe hacer una
   revisión de las mismas, para que recojan los nuevos
   descubrimientos que han acontecido en este campo (en cuanto a
   cálculo, medición, configuraciones de puestas a
   tierra, mejoramiento de los sistemas de puesta a tierra,
   entre otros). Muchos de estos aspectos son mencionados en la
   guía realizada por el autor.
2. La guía de diseño realizada
   constituye una herramienta de diseño de mucha
   importancia para dar respuesta a las situación
   existente en el país vinculada con este
   tema.
3. Esta guía puede servir de base para elaborar
   una nueva norma cubana para el diseño de mallas de
   tierra en subestaciones de potencia.

Bibliografía

1. estaciones transformadoras. Argentina.

2. Gerencia Técnica, Transener S.A. Guía
   de diseño y normas para puesta a tierra de
3. Casas Ospina, Favio. Tierras. Soporte de la
   Seguridad Eléctrica. Segunda Edición. Bogotá. D.C., Junio del
   2003.
4. IEEE Std 80-2000 (Revision of IEEE Std 80-1986).
   IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding. Approved 30
   January 2000.
5. Noriega Stefanova, Ernesto. Metodología para
   el diseño de sistemas de puesta a tierra en
   líneas y subestaciones para tensiones intermedias.
   Tesis
   presentada en opción al grado científico de
   Master en Ingeniería
   Eléctrica.
6. UNESA, Unidad Eléctrica, S.A. Comité
   de distribución comisión de
   reglamentos. Método de cálculo y proyecto de
   instalaciones de puesta a tierra para centros de
   transformación conectados a redes de tercera
   categoría. 1989.
7. Norma Española ITC MIE-RAT 13. Instalaciones
   de puesta a tierra.
8. Granero, Andrés. Centro de Formación
   Schneider. Medidas y vigilancia de las instalaciones de
   puesta a tierra. Mayo 2001.

Autor: M.Sc. Ernesto Noriega
Stefanova

Empresa Eléctrica Matanzas. CUBA.

Datos del autor:

Nació el 7 de Julio de 1973, obtuvo los
títulos de Ingeniero Electricista en 1998 y Master en
Ingeniería Eléctrica en el año 2004 en la
Universidad
Central de las Villas. Desde 1998 hasta la fecha se
desempeña como Investigador Principal del Grupo de
Ingeniería de Distribución de la Empresa
Eléctrica Matanzas. Su experiencia profesional se centra
en la actividad de investigación, operación de los
sistemas de distribución y docencia. Ha
realizado diversas investigaciones
en su empresa vinculada
a las temáticas de puestas a tierra, protección
contra rayos de las redes de distribución, coordinación de aislamiento y calidad de
energía.

Empresa Eléctrica Matanzas.

Contreras # 70, CP 40100. Matanzas. CUBA.