Investigación sobre el diseño de mallas de tierra

. 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:

1. Norma Ramal: NRIB 1148, 1991. Subestaciones Eléctricas. Instalaciones de puesta a tierra. Método de cálculo.

2. 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:

a. 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).

b. No se da una explicación detallada de cómo realizar las mediciones de resistencia y resistividad.

c. No se especifican normas de seguridad al realizar las mediciones.

d. No hace referencia al método Wenner como el ideal para los electricistas para realizar las mediciones de resistividad.

e. 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.

f. 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%.

g. 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.

h. 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.

i. No se especifican que requerimientos deben cumplir los conductores y bajantes de tierra al ser construida la malla.

j. 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.

k. No se considera el comportamiento de las mallas de tierra en baja y alta frecuencia.

l. No se propone la utilización de puntos de conexión de tierra o barrajes equipotenciales, lo cual facilita el mantenimiento y medición de la malla.

m. 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).

n. El método propuesto para la selección del conductor de la malla es muy engorroso.

o. Los valores de tensión de paso y contacto establecidos como tolerables en dependencia del tiempo de duración de la falla están desactualizados.

p. Las expresiones propuestas para el cálculo de las tensiones de paso y contacto recaen en una serie de constantes empíricas.

q. 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.

3. 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.

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

a. Investigación de las características del suelo.

b. Determinación de las corrientes máximas de puesta a tierra (1f a tierra) y el tiempo máximo correspondiente de eliminación del defecto.

c. Diseño preliminar de la instalación de tierra.

d. Cálculo de la resistencia del sistema de puesta a tierra.

e. Cálculo de las tensiones de paso en el exterior de la instalación.

f. Cálculo de las tensiones de paso y contacto en el interior de la instalación.

g. Comprobar que las tensiones de paso y contacto calculadas son inferiores a las tensiones de paso y contacto admisibles.

h. 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.

i. 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:

(1)

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:

a) La profundidad de los electrodos no debe sobrepasar 30 cm.

b) 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.

c) 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.

d) 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.

e) 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.

f) 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:

a) Hacer inaccesibles las zonas peligrosas.

b) Disponer de suelos o pavimentos de elevada resistividad que aíslen suficientemente de tierra las zonas de servicio peligrosas.

c) Aislar todas las empuñaduras o mandos que hayan de ser tocados.

d) Establecer conexiones equipotenciales entre la zona donde se realice el servicio y todos los elementos conductores accesibles desde la misma.

e) 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.

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.

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.

Figura 1. Barrajes equipotenciales y zonas de conexión

6) Para la puesta a tierra se podrán utilizar en ciertos casos, previa justificación:

a. Las canalizaciones metálicas.

b. Los blindajes de cables.

c. Los elementos metálicos de las fundaciones, exceptuando las armaduras pretensadas del hormigón.

7) Los conductores o bajantes empleados en las puestas a tierra cumplirán las siguientes

prescripciones:

a. Tendrán una resistencia mecánica adecuada y ofrecerán una elevada resistencia a la corrosión.

b. 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.

c. 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.

b. 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:

a. Los chasis y bastidores de aparatos de maniobra.

b. Los envolventes de los conjuntos de armarios metálicos.

c. Las puertas metálicas de los locales.

d. Las vallas y cercas metálicas.

e. Las columnas, soportes, etc.

f. Las estructuras y armaduras metálicas de los edificios que contengan instalaciones de alta tensión.

g. Los blindajes metálicos de los cables.

h. Las tuberías y conductos metálicos.

i. Las carcasas de los transformadores.

j. Los hilos de guarda o cables de tierra de las líneas aéreas.

k. Los neutros de los transformadores.

l. Los circuitos de baja tensión de los transformadores de medida.

m. Los limitadores, descargadores, pararrayos, para eliminación de sobretensiones o descargas atmosféricas.

n. 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 (I_E) se procede a calcular por extrapolación los valores de Vc y Vp a corriente de puesta a tierra I_T.(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:

a. Mediante el empleo del equipo adecuado inyectar una corriente alterna entre el electrodo de tierra y un electrodo auxiliar(dispersor).

b. El valor de la corriente a inyectar será determinado siguiendo las disposiciones reglamentarias.

c. 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.

d. Con un voltímetro de resistencia interna de 1000 Ω medir en el interior y en el exterior del área 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.

e. 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.

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:

a) 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.

b) 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.

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.

c) 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.

d) 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.

e) 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

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

Variables:

h_s : Grosor de la capa superficial, m

ρ_s : 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

U_{paso tolerable} : Tensión de paso tolerable, V

U_{contacto tolerable} : Tensión de contacto tolerable, V

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

U_paso : Tensión de paso en caso de falla, V

A : Sección transversal del conductor, mm²

C_s : Coeficiente en función del terreno y la capa superficial

L_T : Longitud total del conductor, m

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

R_g : Resistencia de puesta a tierra calculada, Ω

K_m : Factor de espaciamiento para tensión de malla

K_ii : Factor de corrección por ubicación de electrodos tipo varilla

L_p : Longitud del perímetro

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

n : Factor de geometría

K_i : Factor de corrección por geometría de la malla

K_s : Factor de espaciamiento para la tensión de paso

: Corriente admisible por el cuerpo humano

a) Conductor a utilizar:

A_mm² = mm² (2)

b)Tensiones de paso y contacto máximas tolerables:

Para una persona de 70 kg:

(corriente admisible soportada por el cuerpo humano).

U_{paso tolerable}= (V) (3)

U_{contacto tolerable}= (V) (4)

Donde:

C_s=1- (5)

c) Determinación de la configuración inicial:

Longitud del conductor L_T = L_c+N * L_v (m) (6)

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

Cálculo del área: A=L₁*L₂ (m²)

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

R_g= (Ω) (7)

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

GPR = I_G * R_g (V) donde I_G=1,9 I_o (A) (8)

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

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

U_reticula= (V) (9)

Donde: K_m= (10)

K_ii = 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.

K_h= y K_i = 0.644 + 0.148 * n

n = n_a*n_b*n_c donde: n_a= n_b = n_c=

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

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

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

U_paso= (V) (11)

K_s= (12)

Si U_paso> U_{paso tolerable} cambiar la configuración de la malla; si U_paso < U_{paso 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.

3. Conclusiones

I. 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.

II. 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.

III. Esta guía puede servir de base para elaborar una nueva norma cubana para el diseño de mallas de tierra en subestaciones de potencia.