MALLAS DE PUESTA A TIERRA

MALLAS DE PUESTA A TIERRA.
La malla de puesta tierra es un conjunto de conductores desnudos por lo general de cobre que
permiten conectar los equipos que componen una instalación a un medio de referencia, en este
caso la tierra.
Los objetivos fundamentales de una malla de tierra
• Evitar tensiones peligrosas entre estructuras, equipos y el terreno durante cortocircuitos a tierra
o en condiciones normales de operación. • Evitar descargas eléctricas peligrosas en las personas,
durante condiciones normales de funcionamiento. • Proporcionar un camino a tierra para las
corrientes inducidas. Este camino debe ser lo más corto posible.
• Protección para el personal operativo, autorizado o no autorizado. • Protección a los equipos e
instalaciones contra tensiones peligrosas. • Evitar que, durante la circulación de falla a tierra, se
produzcan diferencias de potencial entre distintos puntos de la instalación, proporcionando para
esto, un circuito de muy baja impedancia para la circulación de estas corrientes. • Apego a normas
y reglamentos públicos en vigor.
REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA
Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta a tierra son los siguientes:
a. Debe tener una resistencia tal, que el sistema se considere sólidamente puesto a tierra.
b. La variación de la resistencia, debido a cambios ambientales, debe ser despreciable de manera
que la corriente de falla a tierra, en cualquier momento, sea capaz de producir el disparo de las
protecciones.
c. Impedancia de onda de valor bajo para fácil paso de las descargas atmosféricas.
d. Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencial peligrosos entre sus
puntos vecinos.
e. Al pasar la corriente de falla durante el tiempo máximo establecido de falla, (es decir disparo de
respaldo), no debe haber calentamientos excesivos.
f. Debe ser resistente a la corrosión.
Geometría de la malla:
Las limitaciones de los parámetros físicos de una malla de puesta a tierra están basadas en las
restricciones físicas y económicas de la misma. Es poco práctico instalar una placa de cobre como
sistema de puesta a tierra.
• Los espaciamientos típicos entre conductores (D) están en el rango: 15m > D > 3m
• Las profundidades típicas (h) están en el rango: 1.5m > h ≥ 0.5 m
• Los calibres típicos de conductores (ACM) están en el rango: 500 MCM > 𝐴𝐶𝑀 ≥ 2/0 AWG
• El diámetro del conductor de la malla tiene un efecto despreciable sobre la tensión de malla.
• El área del sistema de puesta a tierra (A) es el factor más importante en la determinación de la
resistencia de malla (Rg). Entre mayor sea A, menor será Rg y, por lo tanto, es menor la elevación
del potencial de tierra (GPR).
Refinamiento del diseño preliminar
Si los cálculos basados en el diseño preliminar (Figura 1) indican que pueden existir diferencias de
potencial peligrosas dentro de la subestación, se deben estudiar diferentes alternativas de
selección y aplicarlas donde sea adecuado.
Figura 1. Diseño preliminar de la malla
(1)
Dónde:
N → Número de conductores de longitud 𝐿𝑋
M → Número de conductores de longitud 𝐿𝑋
Posibles remedios o alternativas de solución
a) Disminuir la resistencia total de la malla:
Al disminuir 𝑅𝑔 se disminuye el GPR y por lo tanto el voltaje máximo transferido. Esto se
puede lograr aumentando el área total de la malla (A), enterrando varillas de puesta a tierra,
que penetren en capas de más baja resistividad.
b) Disminuir o ajustar los espaciamientos de los conductores de la malla (D):
Además de disminuir el espaciamiento D (lo cual aumenta la cantidad de conductor a enterrar)
también se puede pensar en extender el conductor de la malla por fuera de la cerca,
incrementar la cantidad de varillas perimetrales, enterrar dos o más conductores paralelos a lo
largo del perímetro, aumentar la profundidad de la malla y disminuir el espaciamiento cerca al
perímetro de la malla.
c) Derivar una porción más grande de la corriente de falla hacia otras trayectorias:
Esto se puede lograr disminuyendo la resistencia de puesta a tierra de las torres vecinas a la
subestación. Esto también significa trasladar el problema a las torres de transmisión y
distribución, donde no hay control de acceso.
d) Limitando la corriente total de falla
e) Colocando barreras para limitar el acceso a algunas áreas
f) Instalando mallas equipotenciales:
Hacerlo debajo de la capa de roca triturada y en los sitios donde las cuadrillas se ubican con
más frecuencia. Las mallas equipotenciales se conectan a la malla principal y a la estructura
metálica del equipo que está justo encima de ella (seccionadores, interruptores, etc.).
TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES
Tensión de paso
Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden ser tocados
simultáneamente por una persona; su valor permisible está dado por:
(2)
Donde:
Ep = Tensión de Paso Permisible en voltios.
𝜌𝑠 = Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m)
t = Duración máxima de falla en segundos.
Tensión de contacto
Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y cualquier otro punto
que se pueda ser tocado simultáneamente por una persona; su valor permisible está dado por:
(3)
En donde: Et = Tensión de contacto permisible en voltios.
Figura 2: Tensión de paso Ep y de contacto Et
DISEÑO DE UNA MALLA A TIERRA
El diseño de una malla a tierra está afectado por las siguientes variables:
• Tensión Permisible de Paso.
• Tensión Permisible de contacto.
• Configuración de la malla.
• Resistividad del terreno
• Tiempo máximo de despeje de la falla.
• Conductor de la malla.
• Profundidad de instalación de la malla
Selección del conductor de la Malla
Para calcular la sección del conductor se aplica la siguiente ecuación:
(4)
En donde:
Ac = Sección del conductor (CM).
I = Corriente máxima de falla (Amp.)
Tm = Temperatura máxima en los nodos de la malla (450°C con soldadura y 250°C con amarre
pernado.)
Ta = Temperatura ambiente (°C).
t = Tiempo máximo de despeje de la falla (seg).
Sin embargo, la sección mínima recomendable es 2/0 AWG para la malla y 5/8” para las varillas,
estos valores mínimos están de acuerdo con prácticas internacionales.
Tensiones Reales de Paso y de contacto
La tensión de paso real en una subestación está dada por
(5)
Donde:
𝐸𝑝 = Tensión de paso real en voltios.
𝐾𝑠 = Coeficiente que tiene en cuenta, la influencia combinada de la profundidad y del
espaciamiento de la malla.
𝐾𝑖 = Coeficiente de irregularidad del terreno.
ρ= Resistividad del suelo (Ω-m)
I = Corriente máxima de falla (Amp) L= Longitud total del conductor (m)
(6)
Donde:
𝐸𝑡 = Tensión de contacto en voltios.
𝐾𝑚 = Coeficiente que tiene en cuenta las características geométricas de la malla.
Determinación de los coeficientes 𝐾𝑚 , 𝐾1 𝐾𝑠
Para la determinación de los coeficientes es necesario tener en cuenta las siguientes definiciones:
A= Longitud de la malla (m).
B= Ancho de la malla(m).
L= Longitud total del conductor (m).
n= Número de conductores en paralelo de longitud A
m= Número de conductores en paralelo de longitud B.
D= Espaciamiento entre conductores (m).
h= Profundidad de enterramiento (m).
d= Diámetro del conductor(m)
La longitud total del conductor está dada por
(7)
Donde:
𝐾𝑚 =
1
𝐷2
1
3 5 7
𝑙𝑛 (
) + 𝑙𝑛 ( . . … . )
2𝜋
16ℎ𝑑
𝜋
4 6 8
(8)
n-2 términos
𝐾𝑖 𝑒𝑠:
𝐾𝑖 = 0.65 + 0.172
𝑛≤7
𝐾𝑖 = 2.0
𝑛>7
(9)
( 9𝑎 )
𝐾𝑠 𝑒𝑠:
1
1
1
1
1
𝐾𝑠 = 𝜋 (2ℎ + 𝐷+ℎ + 2𝐷 + 3𝐷 + ⋯ )
(10)
Valor de la resistencia de Puestas a Tierra.
El cálculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el método de Laurent y Niemann
o por método de Dwinght.
Método de Laurent y Niemann Este método es bastante aproximado y la expresión para el cálculo
es:
(11)
Donde:
R = Resistencia en ohmios.
𝐴𝛾 = Área de la malla de puesta a tierra en m²
ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)
L= Longitud total del conductor (m).
La ecuación (11) es una aproximación y su resultado siempre es mayor que el valor real
Este método es mucho más largo, pero es mucho más exacto que el anterior. El primer paso
consiste en hallar la resistencia de un conductor de la malla.
(12)
Donde:
Rs = Resistencia de puesta a tierra de un solo conductor en Ω
ρ = Resistividad en (Ω-m)
L′= Longitud del conductor (m)
h= Profundidad de enterramiento del conductor (m)
r= Radio del conductor en m.
Una vez calculada esta resistencia, se procede al cálculo de las resistencias debidas a las
interferencias mutuas entre los conductores, tal resistencia es:
(13)
Donde:
Ra = Resistencia mutua en Ω
E= Espaciamiento equivalente entre un conductor y los demás en m.
La resistencia total de un conductor es
(14)
La resistencia de n conductores es:
(15)
También en forma análoga se determina la resistencia de los conductores transversales de unión.
La resistencia “mutua” de los componentes de unión incluyendo la interferencia debida a los
conductores transversales a los cuales se encuentran unidos es:
(16)
𝑅𝑎𝑢 = Resistencia mutua de conductores de unión (Ω) La resistencia total de un solo conductor de
unión es:
(17)
𝑅𝑠𝑢 = Resistencia de un solo conductor de unión (Ω)
La resistencia de los m conductores es:
(18)
La resistencia total de la malla está dada por:
(19)
SISTEMAS Y EQUIPOS QUE CONFORMAN LA MALLA DE TIERRA.
El sistema de puesta a tierra consta, principalmente, de
1.Tomas de tierra.
2. Anillos de enlaces.
3. Punto de puesta a tierra.
4. Líneas principales de tierra.
5. Relleno.
Figura 3: Sistema de puesta a tierra
TOMAS DE TIERRA:
Las tomas de tierra están formadas por los siguientes elementos
ELECTRODOS:
Los electrodos son elementos metálicos desnudos de varios materiales que permanecen en
contacto directo con el terreno.
Tabla 1: Tamaño nominal de conductor al electrodo tierra
Placas:
Serán placas de cobre o hierro con baño de zinc, de al menos 4 mm de grosor, y una superficie útil
nunca inferior a 0.5 m2. Se colocarán enterradas en posición vertical, de modo que su arista
superior quede, como mínimo, a 50 cm bajo la superficie del terreno. En caso de ser necesarias
varias placas, están se colocarán separadas una distancia de 3 m.
Picas:
Pueden estar formadas por tubos de acero zincado de 60 mm de diámetro mínimo, o de cobre de
14 mm de diámetro, En el caso de ser necesarias varias picas, la distancia entre ellas será, al
menos, igual a su longitud.
Conductores Enterrados:
Se usarán cables de cobre desnudo de al menos 35 mm2 de sección, o cables de acero galvanizado
de un mínimo de 2.5 mm de diámetro. Estos electrodos deberán enterrarse horizontalmente a una
profundidad no inferior a los 50 cm.
Mallas Metálicas:
Formadas por electrodos simples del mismo tipo unidos entre sí y situados bajo tierra. En todos los
casos, la sección del electrodo debe ser tal que ofrezca menor resistencia que la del conductor de
las líneas principales de tierra.
ANILLOS DE ENLACE CON TIERRA:
El anillo de enlace con tierra está formado por un conjunto de conductores que unen entre sí los
electrodos, así como con los puntos de puesta a tierra. Suelen ser de cobre de al menos 35 mm2
de sección.
PUNTO DE PUESTA A TIERRA:
Un punto de puesta a tierra es un punto, generalmente situado dentro de una cámara, que sirve
de unión entre el anillo de enlace y las líneas principales de tierra.
LÍNEAS PRINCIPALES DE TIERRA:
Son los conductores que unen al pararrayos con los puntos de puesta a tierra. Por seguridad,
deberá haber al menos dos trayectorias (conductores) a tierra por cada pararrayos para
asegurarnos una buena conexión.
RELLENO:
Derramando una mezcla de sustancias químicas y de tierra armada o esparcida en el volumen
alrededor del electrodo, se obtendrá una reducción inmediata y significativa en su resistencia de
puesta a tierra. Sin embargo, si los elementos químicos usados son solubles continuarán
diluyéndose progresivamente por agua de lluvia u otra causa y la resistividad del suelo entonces
aumentarán, hasta eventualmente retornar a su valor original.
Ejemplo de Aplicación:
Calcular la malla de tierra de una subestación con los siguientes datos:
Dimensiones del patio:
40 x 50 m²
Corriente máxima de falla: 1000 A
Nivel de Tensión (primario): 34.5 kV
Resistividad del suelo: 300 (Ω-m)
Resistividad de la superficie: 2000 (Ω-m)
Tiempo máximo de falla: 1 seg.
Resolución
Aplicando la siguiente ecuación
1⁄
2
33 ∗ 1
𝐴𝑐 = 1000 (
)
250 − 30
𝑙𝑜𝑔 (
+ 1)
234 + 30
𝐶𝑀
Ac = 11213 CM
1 cm= 5 x 10−4mm², 11213CM=5.606mm²
El diámetro del conductor es= 2.6716 mm
Aproximando al calibre mínimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 2/0 que tiene
un diámetro igual a 10.52 mm
Elección de la malla
Supóngase que se tiene cuadrados de 10m: Por lo tanto:
A = 50m
B = 10m
n= 5
m=6
D=10m
El conductor se enterrará a 70 cm
h=0.7m
d= 0.01052
L= (5x50) +(6x40) = 490 m
𝑘𝑚 =0.881
𝑘𝑖 == 0.65+(0.172*5)
𝑘𝑖 ==1.5
𝑘𝑖 =0.291
Cálculo de las tensiones permisibles de paso
Los valores reales son:
La disposición escogida no cumple con el valor permisible de Et
Se ensaya una nueva disposición con cuadricula de 7m (con 9m ó 8m no cumple)
Los nuevos valores son:
A=49m
B=42m
n=7
m=8
D=7m
L=7*49+8*42=679
Km = 0.734
Ki = 0.65 + 0.172*7=1.854
Ks = 0.327
Debido a que estos valores si cumplen. se continúa el cálculo:
R 3.126 =Ω
Cálculo de la resistencia por el método de Dwight:
𝑅𝑠 11.800 s =Ω
E= 2.191D = 2.191*7 = 15.337m
𝑅𝑎 = 1.654Ω
𝑅𝑐 = 11.300+(7-1) *(1.654) = 21.724Ω
𝑅𝑐𝑛 = 21.724/7 = 3.103Ω
= 13.421Ω
E = 2.430D
E = 2.430* 7 =17.010m
= 1.685Ω
𝑅𝑎𝑚 = (8-1) *(1.685) + (7-1)*(1.654) = 21.719Ω
𝑅𝑐𝑢 = 13.421 +21.719 = 35.140Ω
𝑅𝑐𝑚 = 35.140/8 = 4.392Ω
1.818 3 Ω ∠ Ω
Por lo tanto, la disposición asumida de garantía tanto de tener los voltajes de paso y contacto
dentro de los permisibles como de que su resistencia es menor que el máximo aceptado.