El diseño de puesta a tierra en subestaciones eléctricas garantiza seguridad del personal y protección de equipos críticos.
La norma IEEE 80-2013 define criterios técnicos para calcular sistemas de tierra, con reconocimiento internacional estándar.
Calculadora de Malla de Puesta a Tierra – IEEE 80
Tabla 1: Parámetros Comunes Utilizados en el Cálculo de Malla de Puesta a Tierra
| Parámetro | Símbolo | Unidades | Valores Típicos / Rango Común | Descripción técnica |
|---|---|---|---|---|
| Resistividad del terreno | ρ | ohm·m | 10 – 1000 ohm·m | Depende del tipo de suelo, humedad, temperatura y estratificación |
| Corriente de falla | If | kA | 10 – 63 kA | Corriente de cortocircuito máxima esperada en la subestación |
| Tiempo de despeje | ts | s | 0.05 – 1 s | Tiempo en el que el sistema de protección elimina la falla |
| Profundidad de enterramiento | h | m | 0.3 – 1.0 m | Profundidad típica de los conductores de malla |
| Diámetro del conductor | d | m | 0.01 – 0.05 m | Depende del material y capacidad de conducción térmica |
| Material del conductor | — | — | Cobre / Acero cobreado | Debe soportar térmicamente la corriente de falla |
| Longitud total de conductor | L | m | 100 – 2000 m | Suma de la longitud de los conductores horizontales y verticales |
| Número de electrodos verticales | n | — | 0 – 20 | Se incrementa para reducir la resistencia de tierra |
| Resistencia térmica del suelo | ρt | °C·cm/W | 0.7 – 3 | Afecta la capacidad térmica del sistema de puesta a tierra |
| Tensión de paso permisible | Ep | V | 500 – 5000 V | Según IEEE 80, depende de corriente, tiempo y resistencia del cuerpo |
| Tensión de contacto permisible | Ec | V | 100 – 3000 V | Similar a Ep, pero considera contacto físico directo con estructuras |
Fórmulas Fundamentales del Cálculo de Malla de Puesta a Tierra (IEEE 80)
1. Cálculo de la Corriente de Falla que ingresa a la Tierra
Donde:
2. Tensión de Paso Permisible (según IEEE 80)
Donde:
3. Tensión de Contacto Permisible
Variables clave:
4. Resistencia del sistema de puesta a tierra (malla)
5. Capacidad térmica del conductor
Donde:
6. Estimación del tamaño de la malla
Ejemplo 1: Subestación urbana 115/34.5 kV
Datos del sistema:
| Parámetro | Valor |
|---|---|
| Corriente de falla | 25 kA |
| Tiempo de despeje | 0.2 s |
| Resistividad del terreno | 150 ohm·m |
| Profundidad de malla | 0.5 m |
| Diámetro del conductor | 0.0127 m |
| Material conductor | Cobre |
| Factor de división Df | 0.6 |
| Área disponible | 40 x 30 m |
Paso 1: Cálculo de Ig
Paso 2: Tensión de contacto permisible
Paso 3: Área requerida de malla
Área disponible: 1200 m² → se requiere aumentar conductores verticales o reducir resistencia.
Paso 4: Uso de electrodos verticales
Añadir 10 electrodos de 3 m distribuidos equidistantemente. Se simula en software como ETAP o CYME y se reduce Rg a valores aceptables (<1 ohm).
Ejemplo 2: Subestación rural 230/34.5 kV
Datos:
| Parámetro | Valor |
|---|---|
| Corriente de falla | 40 kA |
| Tiempo de despeje | 0.1 s |
| Resistividad del terreno | 1000 ohm·m |
| Profundidad de malla | 0.6 m |
| Diámetro conductor | 0.015 m |
| Área disponible | 60 x 60 m |
| Material conductor | Acero cobreado |
Paso 1: Corriente a tierra
Paso 2: Tensión de paso permisible
Paso 3: Área requerida
Área disponible: 3600 m² → No es suficiente.
Solución:
- Uso de electrodos verticales largos (6 m)
- Reducción de resistencia mediante mejoramiento del suelo (bentonita + sales conductoras)
- Implementación de malla adicional en perímetro
Optimización del Diseño de Malla de Puesta a Tierra
El diseño de una malla de puesta a tierra no solo debe cumplir con los límites de tensión de contacto y paso establecidos por la norma IEEE 80, sino que también debe ser económicamente viable, duradero y fácil de mantener. A continuación se detallan estrategias clave para optimizar el diseño.
Estrategias de optimización más comunes:
- Incremento del área de la malla
- Cuanto mayor es el área cubierta por la malla, menor es la resistencia de puesta a tierra.
- La forma cuadrada o rectangular es la más eficiente.
- Uso de múltiples electrodos verticales
- Añadir varillas verticales reduce significativamente la resistencia.
- Mejora el comportamiento ante resistividades altas (suelos rocosos o secos).
- Incremento de la profundidad de enterramiento
- Enterrar la malla a mayor profundidad puede reducir la resistencia y mejorar la disipación térmica.
- Aumenta la durabilidad mecánica.
- Mejoramiento del terreno
- Aplicación de materiales como bentonita, carbón vegetal, sal, o compuestos comerciales conductores.
- Mejora la conductividad alrededor de los conductores de puesta a tierra.
- Reducción del espaciamiento entre conductores
- Mallas con mayor densidad reducen los potenciales de paso y contacto.
- Uso de conductores de mayor sección
- Aumentar la sección transversal mejora la capacidad térmica y reduce la impedancia.
Tabla 2: Efecto del Mejoramiento del Terreno en la Resistividad (Ejemplo)
| Tipo de Material Usado | Reducción Esperada en Resistividad (%) |
|---|---|
| Bentonita (húmeda) | 30% – 70% |
| Sal común + agua | 20% – 50% |
| Carbón + sal + bentonita | 40% – 90% |
| Compuestos conductivos comerciales | 60% – 95% |
Nota: Estos valores son estimativos y dependen de la aplicación, compactación y condiciones del terreno.
Software de Apoyo al Diseño (IEEE 80)
Aunque los cálculos pueden realizarse manualmente, se recomienda el uso de software especializado para sistemas complejos o subestaciones grandes. Los siguientes programas incorporan la norma IEEE 80:
1. ETAP (Electrical Transient Analyzer Program)
- Permite modelado de mallas, electrodos verticales, mejora de suelos y simulación térmica.
- Resultados detallados de tensiones de paso y contacto.
2. CYME Grounding Analysis
- Simula geometría de la malla, perfil del suelo estratificado y mejora de terreno.
- Permite analizar subestaciones completas con transformadores y líneas conectadas.
3. SKM GroundMat
- Especializado en mallas de subestaciones.
- Fácil ingreso de datos y simulación rápida.
4. CDEGS (SES Software)
- El más completo y avanzado, permite modelado 3D del terreno y mallas complejas.
- Cumple con normas IEEE, IEC, ANSI, etc.
Enlace de autoridad IEEE:
https://standards.ieee.org/standard/80-2013.html
Lista de Verificación Técnica para Diseño de Puesta a Tierra según IEEE 80
- Definir topología de la malla (número de conductores horizontales y verticales)
- Estimar o medir resistividad del suelo (mediciones con Wenner o Schlumberger)
- Calcular corriente de falla y factores de partición
- Determinar tensiones permisibles de paso y contacto
- Calcular resistencia del sistema de puesta a tierra Rg
- Verificar tensiones de contacto y paso reales mediante simulación
- Mejorar el terreno si Rg es mayor al límite deseado
- Verificar capacidad térmica del conductor ante corriente de falla
- Documentar y validar con software si es una subestación crítica
Recomendaciones Prácticas del Diseño en Campo
- Evitar cruces innecesarios de la malla
- Reducen continuidad eléctrica y aumentan riesgo de corrosión.
- Utilizar conexiones exotérmicas (cadweld)
- Alta confiabilidad y baja resistencia de contacto.
- Proteger los puntos de conexión expuestos
- Evitar deterioro por humedad o corrosión galvánica.
- Inspeccionar periódicamente las resistencias
- Se recomienda usar telurímetros tipo Fall-of-Potential.
- Evitar pasar conductores cerca de drenajes o zanjas profundas
- La humedad excesiva puede cambiar la resistividad local.
- Evitar conductores de acero desnudo en zonas de alta humedad
- Riesgo de corrosión acelerada si no están cobreado o protegidos.
Tabla 3: Comparativa de Materiales de Conductor de Puesta a Tierra
| Material | Conductividad (%) IACS | Vida útil estimada | Costo relativo | Comentario técnico |
|---|---|---|---|---|
| Cobre electrolítico | 100 | > 40 años | Alto | Excelente conductor, caro, resistente a corrosión |
| Acero cobreado | 20 – 30 | 30 – 50 años | Medio | Buena opción, resistente y más económico |
| Acero galvanizado | < 10 | 10 – 30 años | Bajo | Menor costo, pero corroíble |
Referencias Normativas y Técnicas
- IEEE Std 80-2013: “Guide for Safety in AC Substation Grounding”
- IEEE Std 837-2014: “Standard for Qualifying Permanent Connections Used in Substation Grounding”
- IEC 61936-1: “Power installations exceeding 1 kV AC”
- NTC 2050 (Colombia): Basada en el NEC (NFPA 70)
- EPRI TR-102276: Substation Grounding Reference Book
Recursos útiles y simuladores en línea
Final: Importancia del Cumplimiento de la Norma IEEE 80
El diseño de sistemas de puesta a tierra con base en la norma IEEE 80 no es solo un requisito normativo, sino una garantía para proteger vidas humanas, equipos eléctricos de alto valor y la infraestructura energética nacional. Aplicar sus principios correctamente, apoyarse en simulación avanzada y realizar inspecciones periódicas, asegura la confiabilidad de las subestaciones a largo plazo.