Calculadora de elevación de neutro y puesta a tierra fácil

Calculadora para elevar neutro y diseñar puesta a tierra con criterios técnicos y seguridad normativa.

Herramienta fácil que calcula desplazamiento de neutro, resistencia de puesta a tierra y corrientes asociadas.

Fundamentos eléctricos y efectos de la elevación del neutro

La "elevación de neutro" es el aumento del potencial del conductor neutro respecto a tierra producido por desequilibrios, fallas o impedancias en la conexión a tierra. Este fenómeno puede causar tensiones peligrosas en carcasas, mal funcionamiento de protecciones y riesgo de electrocutación.

Para controlar la elevación del neutro es imprescindible modelar el sistema eléctrico, la impedancia de puesta a tierra y las corrientes de falla. El enfoque práctico combina leyes de circuito con parámetros de puesta a tierra y normativa técnica.

Conceptos clave

• Neutro: conductor que normalmente tiene potencial cercano a tierra en sistemas equilibrados con neutro puesto a tierra.
• Puesta a tierra (grounding): red o conjunto de electrodos que conecta partes del sistema a la tierra física para seguridad y referencia de tensión.
• GPR (Ground Potential Rise): elevación del potencial de una puesta a tierra o electrodo respecto a la tierra lejana durante una falla.
• Resistencia de tierra (Rg): resistencia aparente entre un electrodo o sistema de puesta a tierra y la tierra lejana.
• Impedancia de puesta a tierra (Zg): incluye resistencia y componente reactivo a frecuencia de red.

Modelado eléctrico para cálculo de elevación del neutro

El modelo más sencillo para evaluar la elevación del neutro durante una falla a tierra es una red donde la fuente (tensión de fase) alimenta la carga, y la corriente de falla regresa por la impedancia de la puesta a tierra.

Ecuaciones básicas

Para una falla monofásica directa con neutro puesto a tierra a través de una impedancia Zp, la corriente de falla aproximada se calcula como:

La elevación del neutro (V_N) respecto a tierra se obtiene por caída de tensión en Zp:

Variables:

• V_phase: tensión entre fase y neutro nominal (por ejemplo 230 V o 400 V).
• Z_source: impedancia interna de la fuente o transformador entre fase y neutro (Ω).
• Zf: impedancia del camino de falla (conductor, conexiones) (Ω).
• Zp: impedancia de puesta a tierra entre neutro y tierra, suele ser resistiva Rg (Ω).
• I_F: corriente de falla a tierra (A).
• V_N: elevación del neutro respecto a tierra lejana (V).

Ejemplo de fórmula de cálculo del GPR para una falla a tierra simple

GPR (V_GPR) se puede expresar como:

Donde:

• I_F: corriente de falla a tierra (A).
• R_G: resistencia de la puesta a tierra (Ω).

Valores típicos: I_F desde cientos hasta decenas de miles de amperios para fallas en transformadores; R_G buscada típicamente < 1 Ω en subestaciones, 5–30 Ω en instalaciones domésticas según normativa local.

Medición y parámetros de diseño de puesta a tierra

Métodos de medición de resistividad del terreno

La resistividad del terreno ρ (ohm·m) es la variable principal para diseñar electrodos. Se mide típicamente con el método de Wenner:

Donde:

• a: espaciado entre electrodos de corriente y potencial (m).
• R_w: resistencia medida con el arreglo de Wenner (Ω).

Valores típicos de ρ:

Diseño de electrodos

Resistencia de una varilla vertical en suelo homogéneo aproximada por:

Variables:

• R: resistencia de la varilla (Ω).
• ρ: resistividad del suelo (Ω·m).
• L: longitud de la varilla (m).
• d: diámetro de la varilla (m).

Valores típicos: varilla de cobre de 3 m, d ≈ 15 mm, ρ = 100 Ω·m → R ≈ cálculo práctico en ejemplo.

Procedimiento práctico para calcular elevación de neutro y dimensionar puesta a tierra

1. Recoger datos: tensión nominal de fase (V_phase), impedancia del transformador, longitud y sección de conductores, resistividad del terreno ρ, configuración del sistema (TN, TT, IT).
2. Medir resistividad del suelo con método de Wenner en varios puntos del sitio para obtener perfil estratificado.
3. Diseñar electrodos y calcular R_G individual con la fórmula de varilla o método de placas/zanjas; combinar electrodos en paralelo para reducir R_G.
4. Calcular la corriente de falla I_F para el tipo de falla (fase-tierra) considerando impedancias de sistema y retorno por tierra.
5. Calcular V_N = I_F × R_G y comparar con límites de seguridad (p.ej. 50 V DC/30 V AC por normativas locales para accesibilidad humana en condiciones de falla).
6. Iterar el diseño: si V_N es excesiva, reducir R_G mediante electrodos adicionales, ampliación de zanjas, uso de materiales de baja resistividad (sales, concretes) o emplear derivaciones equipotenciales.
7. Documentar y verificar mediante pruebas in situ: caída de potencial (Fall-of-Potential), mediciones de resistencia y GPR si es necesario.

Valores límite y criterios de seguridad

• IEC y IEEE indican criterios de tolerancia para tensiones de toque y paso; por ejemplo, IEEE 80 establece límites de exposición humana basados en corriente segura y tensión en el cuerpo.
• En instalaciones residenciales es común que R_G ≤ 30 Ω sea aceptable, pero en áreas públicas o subestaciones se requieren valores mucho menores (R_G < 1–5 Ω).

Ejemplos prácticos completos

Ejemplo 1: Falla monofásica en transformador con neutro resguardado por resistencia de puesta a tierra

Datos del sistema:

• Tensión de línea a neutro: V_phase = 230 V
• Impedancia interna transformador más conductores: Z_source ≈ 0,1 Ω (valor estimado para pequeño transformador)
• Impedancia del camino de falla Zf ≈ 0,05 Ω
• Resistencia de puesta a tierra R_G = 5 Ω (neutro conectado a tierra mediante resistencia intencionada para limitar corriente de falla)

Cálculo:

Elevación del neutro:

Interpretación:

• Con una resistencia de puesta a tierra de 5 Ω la corriente de falla se limita a 44,7 A, pero la elevación del neutro resulta casi igual a tensión de fase (223 V), creando riesgo elevado de contacto en partes expuestas.
• Si el objetivo es limitar V_N a ≤ 50 V, se requiere R_G ≤ 50 / I_F. Recalculando R_G objetivo suponiendo misma I_F variable no es correcto porque I_F depende de R_G. Solución iterativa: imponer V_N objetivo y resolver para R_G.

Resolución iterativa para V_N ≤ 50 V:

Planteamos f(R_G) = (V_phase / (Z_s + Zf + R_G)) × R_G - 50 = 0 y resolvemos numéricamente.

Búsqueda aproximada por prueba:

• Si R_G = 1 Ω → I_F = 230 / (0,15 + 1) = 230 / 1,15 ≈ 200 A → V_N = 200 × 1 = 200 V (demasiado alto)
• Si R_G = 0,1 Ω → I_F = 230 / (0,15 + 0,1) = 230 / 0,25 = 920 A → V_N = 920 × 0,1 = 92 V
• Si R_G = 0,05 Ω → I_F = 230 / 0,2 = 1150 A → V_N = 57,5 V
• Si R_G = 0,0435 Ω → I_F ≈ 230 / 0,1935 ≈ 1188 A → V_N ≈ 1188 × 0,0435 ≈ 51,7 V
• Si R_G = 0,0419 Ω → I_F ≈ 230 / 0,1919 ≈ 1198 A → V_N ≈ 50,2 V

Conclusión ejemplo 1:

• Para mantener V_N ≤ 50 V la resistencia de puesta a tierra debe ser extremadamente baja (≈ 0,042 Ω), lo cual es impráctico en la mayoría de instalaciones pequeños sin sistemas de puesta a tierra subterránea y conductores de baja impedancia.
• Alternativas prácticas: usar transformador con neutro solidamente puesto a tierra y bajísima impedancia, provisión de protecciones rápidas (disparo por detección de diferencial o corriente residual), o diseñar la resistencia de puesta a tierra de modo que protecciones operen con corrientes de detección even si V_N resulta mayor.

Ejemplo 2: Elevación de neutro por conductor neutro abierto en sistema TN-S (retorno por tierra entre transformador y carga)

Escenario:

• Tensión fase-neutro V_phase = 230 V
• Sistema TN-S con neutro que se abre en un tramo entre transformador y centro de carga. La corriente de carga de la fase A es I_load = 100 A hacia una carga desequilibrada.
• Resistencia del retorno por conductores abiertos es infinita; retorno se produce por la red de puestas a tierra interconectadas y la conductividad del suelo.
• Se simplifica el circuito a una fuente que alimenta la carga y la corriente regresa por la resistencia combinada de tierra: R_eq entre el punto de carga y el neutro transformador a través de la tierra.

Suposiciones razonables:

• Resistencia equivalente de retorno por tierra R_eq = 0,5 Ω (depende de múltiples puestas a tierra equipotenciales en instalaciones urbanas, suposición optimista).

Calculo de elevación del neutro en el punto de conexión de la carga:

Interpretación:

• Con un neutro abierto y retorno por tierra con R_eq=0,5 Ω, la elevación de neutro en el punto de carga sería 50 V, lo que puede exceder límites de seguridad para contacto.
• Si R_eq fuera mayor (suelos menos conductivos), V_N aumentaría proporcionalmente.

Medidas correctoras:

1. Restaurar continuidad del conductor neutro lo antes posible.
2. Instalar protecciones diferenciales y supervisión de continuidad de neutro.
3. Mejorar equipotencialidad mediante puestas a tierra adicionales y barras de equipotencialidad.

Tablas de referencia: parámetros y tolerancias comunes

Aspectos normativos y recomendaciones técnicas

Referencias normativas y guías técnicas relevantes:

• IEC 60364-5-54: Requisitos de puesta a tierra y protección contra sobrecorrientes y contactos indirectos. (https://www.iec.ch)
• IEEE Std 80 - Guide for Safety in AC Substation Grounding (proporciona métodos para cálculo de GPR y límites de tensión de paso y toque). (https://standards.ieee.org/standard/80-2013.html)
• NFPA 70 (NEC): Normativa estadounidense para instalaciones eléctricas y requisitos de puesta a tierra. (https://www.nfpa.org/)
• EN 50522: Requisitos para puesta a tierra en sistemas de potencia en Europa. (https://www.cenelec.eu)

Buenas prácticas de diseño

• Priorizar neutro solidamente puesto a tierra en redes de distribución para evitar elevaciones peligrosas al producirse fallas.
• Dimensionar electrodos y redes de tierra teniendo en cuenta resistividad estratificada del suelo, longitudes de electrodos y métodos combinados (varillas, mallas, zanjas).
• Utilizar protecciones selectivas y cooperación de interruptores y relés para aislar rápidamente fallas a tierra.
• Implementar barras de equipotencialidad en edificios y conexiones equipotenciales entre estructuras metálicas y sistemas de puesta a tierra.
• Realizar verificaciones y mediciones periódicas: resistividad del suelo, resistencia de puesta a tierra, pruebas "fall-of-potential" y registro de resultados.

Implementación de una calculadora práctica: parámetros de entrada y algoritmo

Una calculadora de elevación de neutro y puesta a tierra debe solicitar al usuario:

• Tensión de fase (V)
• Tipo de sistema (TN-S, TT, IT)
• Impedancia del transformador (Z_source)
• Impedancia de conductores de falla (Zf)
• Resistividad del suelo ρ (Ω·m)
• Configuración de electrodos (número, longitud, diámetro, separación)
• Corriente de carga y condiciones de falla previstas

Algoritmo básico:

1. Calcular R_G equivalente de la red de electrodos mediante suma en paralelo y corrección por efecto de interacción mutua (coeficientes de reducción).
2. Calcular I_F para el tipo de falla deseada usando la ecuación I_F = V_phase / (Z_source + Zf + R_G).
3. Calcular V_N = I_F × R_G y compararla con límites definibles por el usuario.
4. Ofrecer recomendaciones automáticas: aumentar número de varillas, alargar electrodos, añadir malla de tierra, o modificar protecciones.
5. Incluir verificación de tensiones de paso y toque según IEEE 80 si la instalación lo requiere.

Pruebas y verificación in situ

Métodos comunes

• Fall-of-Potential: medición directa de R_G de un electrodo mediante dos electrodos auxiliares.
• Método de Wenner (para ρ): para caracterizar estratificaciones del suelo y alimentar el diseño de electrodos.
• Prueba de continuidad de neutro y verificación de conexiones equipotenciales.
• Mediciones de GPR en subestaciones grandes mediante inyección controlada de corrientes y medición de potenciales en superficie.

Recomendaciones finales para el profesional

• Siempre revisar la normativa nacional y las guías técnicas locales: las metas y límites de R_G varían según el país y la aplicación.
• Priorizar la protección de vidas: diseñar reduciendo tensiones de toque/paso y asegurando desconexión rápida en fallas.
• Combinar medidas pasivas (red de tierra robusta) con protecciones activas (diferenciales, relés y coordinación de disparo) para mitigar riesgos asociados a elevaciones de neutro.
• Documentar todo diseño y resultados de prueba para auditoría y mantenimiento.

Referencias normativas y lecturas recomendadas

• IEC 60364-5-54: Electrical installations of buildings — Part 5-54: Selection and erection of electrical equipment — Earthing arrangements, protective conductors and protective bonding — https://www.iec.ch
• IEEE Std 80: Guide for Safety in AC Substation Grounding — https://standards.ieee.org/standard/80-2013.html
• NFPA 70 (NEC) — National Electrical Code — https://www.nfpa.org/
• EN 50522: Earthing of power installations exceeding 1 kV AC — https://www.cenelec.eu
• ASTM G57/G57M - Standard Test Method for Field Measurement of Soil Resistivity Using the Wenner Four-Electrode Method — https://www.astm.org/

Si desea, puedo generar una hoja de cálculo o una pequeña calculadora paso a paso (flujograma) basada en los algoritmos descritos, o adaptar los ejemplos a parámetros específicos de su instalación para obtener diseños y recomendaciones concretas.