Calculadora de puesta a tierra del generador: neutro flotante/conectado típico

Calculo preciso de puesta a tierra para generadores con neutro flotante conectado típicamente y seguridad.

Herramienta técnica para ingenieros eléctricos que aplica normas, parámetros y procedimientos de verificación operacionales prácticos.

Contexto técnico y objetivo del cálculo

Este artículo desarrolla una calculadora conceptual y procedimientos para la puesta a tierra de generadores con neutro flotante conectado típico. Se abordan los mecanismos de corriente a tierra, dimensionado de electrodos, resistencia admisible y criterios de seguridad según normas internacionales.

Fundamentos eléctricos aplicados al neutro flotante

Comportamiento del neutro flotante y corrientes de falla

Un generador con neutro flotante (no solidariamente conectado a tierra) no establece una referencia firme a potencial de tierra. En ausencia de conexión directa, la corriente de falla a tierra en una sola fase viene dominada por los elementos capacitivos del sistema (cableado, bobinas, aislamiento).

Para fines prácticos, se consideran tres escenarios eléctricos principales:

• Neutro verdaderamente no conectado (ungrounded): corrientes de fuga/capacitivas dominan.
• Neutro conectado a través de una impedancia (resistor de puesta a tierra o impedancia limitadora): corriente limitada por la impedancia.
• Neutro solidamente conectado a tierra: corrientes de falla elevadas, limitadas por la reactancia interna del generador y la impedancia del sistema.

Corriente capacitiva a tierra (sistema flotante)

La magnitud de la corriente de fuga/carga capacitiva por fase se calcula mediante la expresión:

Explicación de variables y valores típicos:

• I_c: corriente capacitiva a tierra (A), valor eficaz.
• f: frecuencia del sistema (Hz), típicamente 50 ó 60 Hz.
• C_total: capacitancia equivalente fase-a-tierra del sistema (F). Para redes cortas con cables subterráneos puede ser 0.02–0.5 µF/km, total práctico entre 0.005–0.1 µF para instalaciones pequeñas.
• V_phase: tensión fase a neutro (V). Por ejemplo, en 400/230 V, V_phase = 230 V.

Metodología de cálculo general

Pasos para dimensionar puesta a tierra del generador

1. Determinar el esquema de neutro (flotante, resistencia de puesta a tierra, sólido).
2. Calcular la corriente de defecto a tierra esperada usando la fórmula apropiada (capacitiva o resistiva).
3. Definir tensión de contacto/tolerable (según normas) y calcular la resistencia de tierra admisible.
4. Diseñar electrodos (varillas, anillos, mallas) para alcanzar la resistencia requerida según resistividad del suelo.
5. Verificar con pruebas in situ (medidor de resistencia de tierra) y aplicar equipotencialización si procede.

Cálculo de corriente de defecto cuando el neutro está conectado mediante resistencia

Si el neutro está conectado a tierra a través de una resistencia de puesta a tierra R_n y la resistencia del sistema a tierra R_g (electrodo), la corriente de defecto monofásico es:

Variables:

• I_g: corriente de defecto a tierra (A).
• V_phase: tensión fase-neutro (V).
• R_n: resistencia de puesta a tierra del neutro (ohm).
• R_g: resistencia del sistema de puesta a tierra (ohm).

Electrodos y resistencia equivalente: fórmulas y valores típicos

Resistencia de una varilla vertical (aproximación clásica)

La resistencia de una varilla vertical enterrada de longitud L y diámetro d en un suelo homogéneo de resistividad rho puede estimarse por:

Variables y valores típicos:

• R_rod: resistencia de la varilla (ohm).
• rho: resistividad del suelo (ohm·m). Valores típicos: 20–1000 ohm·m (véase tabla).
• L: longitud de la varilla (m), típicamente 2–6 m.
• d: diámetro de la varilla (m), típicamente 0.015–0.02 m (16–20 mm).

Combinación de varias varillas

Si se utilizan n varillas suficientemente separadas (separación ≥ 3–4 veces L), una aproximación práctica es:

R_eq ≈ R_rod / n

Para espaciamientos menores se aplica un factor de interacción; tablas y métodos numéricos (p. ej. método de imagen, software FEM) ofrecen mayor precisión.

Tablas con valores comunes

Criterios de seguridad y límites de tensión de contacto

Las normas internacionales (IEEE, IEC, NFPA) especifican criterios para limitar tensión de contacto y duración de corriente. Como guía práctica:

• Tensión de contacto tolerable a frecuencia industrial (limites típicos): 50 V en condiciones húmedas y 100–150 V en condiciones secas, según IEC 60479 y recomendaciones de IEEE Std 80.
• Para protección de personas, la resistencia de puesta a tierra debe reducir la tensión de contacto por la corriente de defecto dentro de los límites admisibles: R_g ≤ V_allow / I_g.
• Además de la resistencia, se recomienda equipotencializar y usar conductor de puesta a tierra robusto para reducir tensiones entre masas.

Ejemplos reales desarrollados

Ejemplo 1 — Generador 500 kVA, neutro flotante (corriente capacitiva)

Datos del sistema:

• Potencia aparente S = 500 kVA
• Tensión línea-línea = 400 V → V_phase = 230 V
• Frecuencia f = 50 Hz
• Longitud de cable subterráneo entre generador y tablero principal: 100 m
• Capacitancia cable fase-a-tierra estimada: 0.03 µF/km → para 0.1 km C_total ≈ 0.003 µF = 3 × 10^-9 F
• Neutro: flotante (no conectado mediante resistencia)

Cálculo de corriente capacitiva (I_c):

Calculando: 2 · pi · 50 ≈ 314.16; 314.16 · 3e-9 = 9.4248e-7; multiplicado por 230 → I_c ≈ 2.17e-4 A ≈ 0.217 mA

Interpretación y acciones:

• La corriente de defecto capacitiva calculada es 0.217 mA, extremadamente baja; no genera tensiones de contacto peligrosas por sí misma.
• Sin embargo, un sistema flotante puede presentar sobrevoltajes de fase en caso de segunda falla o condiciones transitorias. Se recomienda monitorizar con detectores de fallo a tierra y considerar conexión a tierra a través de una impedancia controlada si se requiere protección operativa.

Ejemplo 2 — Generador 500 kVA con neutro conectado mediante resistencia limitadora

Datos:

• S = 500 kVA, V_LL = 400 V → V_phase = 230 V
• Se decide limitar la corriente de falta a I_g_max = 5 A (criterio operativo)
• Por tanto R_total_max = V_phase / I_g_max = 230 / 5 = 46 ohm
• Se elige una resistencia de neutro R_n = 38 ohm (parte de la limitación) para controlar arco y protecciones; resta R_g_max admisible = 46 - 38 = 8 ohm
• Resistividad del suelo medida: rho = 100 ohm·m
• Se dispone de varillas de 3 m (d = 0.016 m). Según tabla, R_rod ≈ 33.5 ohm.

Determinación del número de varillas necesarias (aproximación):

Si asumimos varillas suficientemente separadas (≥ 4L), R_eq ≈ R_rod / n → Debemos cumplir R_eq ≤ 8 ohm

Revisión de la tensión de contacto:

Si se alcanzara R_g = 33.5 / 5 = 6.7 ohm y la corriente de falla I_g = V_phase / (R_n + R_g) = 230 / (38 + 6.7) = 230 / 44.7 ≈ 5.15 A (ligera desviación por aproximación)

Conclusiones del ejemplo:

• Con 5 varillas de 3 m (espaciadas), se obtiene R_g ≈ 6.7 ohm y V_touch ≈ 34.5 V, inferior al límite de 50 V para condiciones húmedas.
• Se recomienda equipotencializar las masas y conectar el conductor de protección con sección adecuada al generador y masa del sistema.
• Realizar mediciones in situ y ajustar el número de varillas o añadir tratamiento del suelo (sales, cemento conductivo) si la resistividad real difiere.

Ejemplo 3 — Comparación rápida: neutro solidamente puesto a tierra

Planteamiento:

• Mismo generador 500 kVA. Neutro solidario a tierra.
• La corriente de defecto estará limitada por la reactancia subtransitoria del generador X_d'' y la impedancia del sistema.
• Como referencia aproximada, un generador industrial puede tener X_d'' ≈ 0.15–0.35 pu. Si tomamos 0.2 pu, la corriente simétrica de cortocircuito puede ser ~ 1 / 0.2 = 5 pu.
• Corriente nominal del generador I_n = S / (sqrt(3) · V_LL) ≈ 500000 / (1.732 · 400) ≈ 721.7 A → I_cc ≈ 5 · 721.7 ≈ 3608 A

Implicaciones:

• Con neutro solidamente puesto a tierra, la corriente a tierra puede ser del orden de kiloamperios; por tanto las protecciones y capacidad de la puesta a tierra deben diseñarse para estas magnitudes.
• Se requiere una puesta a tierra con baja resistencia y conductores de derivación con capacidad térmica y mecánica; además coordinación con dispositivos de protección (relés, fusibles).

Verificación, pruebas y puesta en servicio

Pruebas in situ recomendadas

• Medición de resistividad del suelo (método Wenner) en varios puntos del emplazamiento.
• Medición de resistencia de puesta a tierra de la instalación (clamp meter para mallas o método de caída de potencial para electrodos).
• Prueba de continuidad y secciones de conductores de puesta a tierra.
• Simulación de fallo a tierra mediante inyección controlada de corriente para confirmar tensiones de contacto (en casos industriales regulados).

Consideraciones de protección y mantenimiento

• Implementar monitorización continua de falla a tierra si el sistema es flotante: detectores de desequilibrio y alarmas.
• Mantener accesos a electrodos limpios y libres de corrosión; aplicar recubrimientos anticorrosivos donde sea necesario.
• Revisar resistencia de tierra periódicamente, especialmente después de obras o cambios en drenaje y vegetación.

Referencias normativas y recursos de autoridad

Se recomienda consultar las normas y documentos técnicos siguientes para criterios detallados, procedimientos y límites:

• IEEE Std 80 — IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding. Ver: https://standards.ieee.org/standard/80-2013.html
• IEEE Std 142 — IEEE Green Book (Grounding of Industrial and Commercial Power Systems). Ver: https://standards.ieee.org/standard/142-2007.html
• IEC 60364 — Instalaciones eléctricas de los edificios: partes relevantes sobre puesta a tierra y protección. Información en: https://www.iec.ch/
• NFPA 70 (NEC) — National Electrical Code, artículo 250 sobre puesta a tierra y conexión a tierra. Información en: https://www.nfpa.org
• Documentación técnica y guías adicionales sobre resistividad del suelo y métodos de mejora del suelo: laboratorios geotécnicos y publicaciones de fabricantes de electrodos de puesta a tierra.

Recomendaciones prácticas y consideraciones finales técnicas

• Determinar siempre el esquema de neutro en fase de diseño: la elección entre neutro flotante, resistivo o sólido afecta enormemente la magnitud de corrientes a tierra y las medidas de protección requeridas.
• Para neutros flotantes, no se debe confiar únicamente en la baja corriente capacitiva como garantía de seguridad; considerar protecciones contra sobrevoltajes y detección de fallas a tierra.
• Cuando se utilicen resistencias de puesta a tierra, diseñarlas para cumplir simultáneamente criterios de protección personal (tensión de contacto) y de operación (limitar arco y daños al equipo).
• Documentar el diseño con cálculos, suposiciones y resultados de pruebas in situ; incorporar estas evidencias al expediente técnico de la instalación.

Si desea, puedo proporcionar una hoja de cálculo paso a paso (valores variables modificables) para implementar esta calculadora en hoja Excel o en una pequeña herramienta web, incluyendo formularios para resistividad del suelo, longitud de varillas, capacitancia estimada y criterios normativos aplicables.