Guía Completa para el Diseño de Sistemas de Puesta a Tierra en Subestaciones

Diseño del Sistema de Puesta a Tierra / Tierra en Malla de Subestación

Introducción a la Malla de Puesta a Tierra de Subestación

En subestaciones aisladas por aire (SAA) de alta y media tensión^[1], el campo electromagnético, cuyas causas son las cargas estáticas de cables y conductores desnudos y las condiciones atmosféricas (sobretensiones), inducen tensiones en partes no activas de la instalación que crean diferencias de potencial entre partes metálicas y tierra y también entre diferentes puntos del terreno.

Situaciones similares pueden ocurrir cuando hay faltas entre partes activas de la instalación y partes no activas, por ejemplo en cortocircuito fase-tierra.

Estas diferencias de potencial originan tensión de paso y tensión de contacto, o una combinación de ambas, que pueden provocar la circulación de corriente eléctrica a través del cuerpo humano, pudiendo causar riesgos para las personas.

Tensión de contacto (E_t) se define como la máxima diferencia de potencial que existe entre una estructura metálica puesta a tierra susceptible de ser tocada con la mano y cualquier punto del terreno, cuando circula una corriente de falta.

Es habitual considerar una distancia de 1 m entre la estructura metálica y el punto en el terreno.

Tensión de paso (E_s) se define como la máxima diferencia de potencial que existe entre los pies cuando circula una corriente de falta.

Es habitual considerar una distancia de 1 m entre los pies.

Un caso particular de tensión de paso es la Tensión transferida (E_trrd): donde una tensión se transfiere hacia o desde la subestación desde o hacia un punto remoto externo al recinto de la subestación.

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Otros conceptos son:

• Elevación de potencial de tierra (GPR): El potencial eléctrico máximo que una malla de puesta a tierra de subestación puede alcanzar respecto a un punto de puesta a tierra distante asumido al potencial de tierra remota. Esta tensión, GPR, es igual a la corriente máxima de malla por la resistencia de la malla.
• Tensión de malla (E_m): La máxima tensión de contacto dentro de una malla de una red de tierra.
• Tensión de contacto metal-metal (E_mm): La diferencia de potencial entre objetos o estructuras metálicas dentro del recinto de la subestación que pueden ser conectados por contacto directo mano a mano o mano a pies.

El diagrama de la Figura 1 muestra los fenómenos mencionados.

Figura 1 – Tensiones de contacto, paso y transferida

Para minimizar a valores aceptables las corrientes a través del cuerpo humano, garantizar la seguridad eléctrica para personas que trabajen dentro o cerca de la instalación, y también limitar cualquier interferencia eléctrica eventual con equipos de terceros, las SAA deben disponer de un sistema de puesta a tierra (o tierra), al que todas las partes metálicas no activas de la instalación deben estar conectadas, tales como estructuras metálicas, seccionadores de puesta a tierra, pararrayos, envolventes de cuadros y motores, raíles de transformadores y vallas metálicas.

Dado que la puesta a tierra influye en los niveles de sobretensiones del sistema de potencia y corriente de falta, y en la definición de sistemas de protección, el sistema de puesta a tierra debe diseñarse para asegurar el correcto funcionamiento de los dispositivos de protección como relés de protección y pararrayos.

El diseño y construcción del sistema de puesta a tierra deben asegurar que el sistema funcione durante la vida útil prevista de la instalación y, por tanto, debe tener en cuenta futuras ampliaciones y la corriente de falta máxima para la configuración definitiva.

El sistema de puesta a tierra consiste en una malla de cable de cobre desnudo enterrado, con varillas de tierra adicionales, y debe calcularse, recomendándose el uso de la Norma IEEE 80-2000.

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Fórmulas Importantes para el Diseño de un Sistema de Puesta a Tierra en Malla de Subestación

La sección transversal del cable enterrado debe calcularse de acuerdo con el valor de la corriente de cortocircuito fase-tierra, pero es común usar la corriente de cortocircuito trifásica para este propósito.

Para este cálculo debe usarse la siguiente fórmula:Donde:

• I”_K1 es la corriente de cortocircuito fase-tierra [A]
• t_s es la duración de la falta [s]
• Δθ es el aumento de temperatura máximo admisible [°C] – para cobre desnudo Δθ = 150 °C

Según la Norma IEEE referida, la tensión de paso y contacto máxima tolerable y la corriente máxima tolerable a través del cuerpo humano (I_hb) y la resistencia de la malla de tierra (R_g) se calculan mediante las fórmulas:

Tensión de paso máxima tolerable

Tensión de contacto máxima tolerable

Corriente máxima tolerable a través del cuerpo humano

Resistencia de la Malla de Tierra

Donde:

• C_s es el factor de reducción de la capa superficial y se calcula mediante la fórmula:
• t_s es la duración de la falta [s]
• ρ_s es la resistividad del material superficial [Ω.m] – valor típico para gravilla/roca triturada húmeda: 2.500 Ω.m
• ρ es la resistividad de la tierra bajo el material superficial [Ω.m]
• h_s es el espesor del material superficial [m]
• A es la área ocupada por la malla de tierra [m²]
• l_T es la longitud total enterrada de conductor, incluidas las varillas de tierra [m]

Si no se usa capa superficial protectora, entonces C_s =1 y ρ_s = ρ

Estos cálculos se realizan habitualmente usando software específico.

Malla de Puesta a Tierra de Subestación

La Figura 2 muestra un ejemplo de la malla de tierra.

Figura 2 – Malla de tierra

Los métodos más adecuados para la conexión de las uniones de la malla de tierra son:

a.) Soldadura exotérmica

Figura 3 – Soldadura exotérmica

La soldadura exotérmica es un proceso de conexión permanente de conductores que usa metal fundido y moldes, basado en una reacción química entre óxidos metálicos (el conductor) y polvo de aluminio encendido, que actúa como combustible, con liberación de energía térmica. Esta reacción química es una composición pirotécnica conocida como termita.

Debe asegurarse que el número de soldaduras exotérmicas realizadas con cada molde no exceda las indicaciones del fabricante.

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b.) Conector C:

usando una herramienta de crimpado hidráulico y matrices con tamaño adecuado para el tamaño de los conectores.

Figura 4 – Conector C y herramienta de crimpado

Cerca de las cajas de control de interruptores automáticos, seccionadores e interruptores debe instalarse una alfombra equipotencial metálica, conectada al sistema de tierra, similar a la que se muestra en la Figura 5.

Figura 5 – Alfombra equipotencial metálica

Información útil:

[1] Siendo U_n la tensión nominal de la red: AT – U_n ≥ 60 kV; MT – 1 kV < U_n ≤ 49,5 kV.

Sobre el Autor: Manuel Bolotinha

-Licenciatura en Ingeniería Eléctrica – Energía y Sistemas de Potencia (1974 – Instituto Superior Técnico/Universidad de Lisboa)
– Máster en Ingeniería Eléctrica y de Computadores (2017 – Facultad de Ciencias y Tecnología/Universidad Nova de Lisboa)
– Consultor Senior en Subestaciones y Sistemas de Potencia; Instructor Profesional