La seguridad eléctrica en subestaciones depende críticamente de un sistema de puesta a tierra bien diseñado y calculado. La correcta conversión y cálculo de la malla de puesta a tierra garantiza protección ante fallas y descargas peligrosas.
En este artículo descubrirás cómo calcular mallas de puesta a tierra en subestaciones según IEEE 80 y NTC 2050, con fórmulas, tablas, ejemplos y una calculadora inteligente.
Calculadora con inteligencia artificial (IA) – Calculadora de malla de puesta a tierra en subestaciones – IEEE 80, NTC 2050
- ¡Hola! ¿En qué cálculo, conversión o pregunta puedo ayudarte?
- Calcular la resistencia de puesta a tierra para una subestación de 115 kV, área de 900 m², suelo de 100 Ω·m.
- Determinar la malla de puesta a tierra para una corriente de falla de 10 kA, tiempo de 0,5 s, resistividad 50 Ω·m.
- ¿Qué tamaño de conductor necesito para una malla de 20×20 m, 16 conductores, suelo de 80 Ω·m?
- Calcular el voltaje de paso y contacto para una subestación de 230 kV, corriente de falla 15 kA, resistividad 60 Ω·m.
Tabla de valores comunes para la Calculadora de malla de puesta a tierra en subestaciones – IEEE 80, NTC 2050
| Parámetro | Unidad | Valor típico mínimo | Valor típico máximo | Valor recomendado | Descripción |
|---|---|---|---|---|---|
| Resistividad del suelo (ρ) | Ω·m | 10 | 1000 | 100 | Depende del tipo de suelo, clave para el diseño |
| Corriente de falla a tierra (If) | kA | 1 | 40 | 10 | Corriente máxima esperada en falla |
| Tiempo de despeje de falla (t) | s | 0.1 | 1 | 0.5 | Tiempo que tarda la protección en actuar |
| Área de la malla (A) | m² | 100 | 10000 | 900 | Área cubierta por la malla de tierra |
| Número de conductores horizontales (Nh) | – | 4 | 40 | 16 | Depende del tamaño de la subestación |
| Separación entre conductores (S) | m | 2 | 10 | 5 | Distancia entre conductores paralelos |
| Profundidad de enterramiento (h) | m | 0.3 | 1 | 0.5 | Profundidad típica de la malla |
| Resistencia de puesta a tierra (Rg) | Ω | 0.1 | 5 | <1 | Valor objetivo para seguridad |
| Voltaje de paso (Vstep) | V | 50 | 1000 | <500 | Máximo permitido según normas |
| Voltaje de contacto (Vtouch) | V | 50 | 1000 | <500 | Máximo permitido según normas |
| Diámetro del conductor | mm | 8 | 70 | 35 | Depende de la corriente de falla |
| Material del conductor | – | Cobre | Acero | Cobre | Alta conductividad y resistencia a la corrosión |
Fórmulas para la Calculadora de malla de puesta a tierra en subestaciones – IEEE 80, NTC 2050
El diseño de la malla de puesta a tierra se basa en una serie de fórmulas establecidas por la norma IEEE 80 y la NTC 2050. A continuación, se presentan las principales ecuaciones, explicando cada variable y sus valores típicos.
1. Resistencia de puesta a tierra de la malla (Rg)
- Rg: Resistencia de puesta a tierra (Ω)
- ρ: Resistividad del suelo (Ω·m)
- L: Longitud total del conductor enterrado (m)
Valores típicos: ρ = 50-200 Ω·m, L = 100-1000 m.
2. Corriente de falla a tierra (If)
- If: Corriente de falla a tierra (A)
- Isc: Corriente de cortocircuito trifásico (A)
- k: Factor de distribución de corriente a tierra (0.1-1)
Valores típicos: Isc = 10,000-40,000 A, k = 0.2-0.7.
3. Voltaje de paso (Vstep)
- Vstep: Voltaje de paso (V)
- Ig: Corriente a tierra (A)
- Rstep: Resistencia equivalente de paso (Ω)
Valores típicos: Rstep = 1-10 Ω.
4. Voltaje de contacto (Vtouch)
- Vtouch: Voltaje de contacto (V)
- Ig: Corriente a tierra (A)
- Rtouch: Resistencia equivalente de contacto (Ω)
Valores típicos: Rtouch = 1-10 Ω.
5. Corriente permisible de falla (Iperm) según IEEE 80
- Iperm: Corriente permisible (A)
- t: Tiempo de despeje de falla (s)
- Abody: Área del cuerpo (m²), típicamente 0.165 m²
- Rbody: Resistencia del cuerpo humano (Ω), típicamente 1000 Ω
- Rfoot: Resistencia del calzado y suelo (Ω), típicamente 1000 Ω
Valores típicos: t = 0.5 s, Iperm = 100-500 A.
6. Longitud total de conductor en la malla (L)
- L: Longitud total de conductor (m)
- Nh: Número de conductores horizontales
- Nv: Número de conductores verticales
- S: Separación entre conductores (m)
Valores típicos: Nh = Nv = 8, S = 5 m, L = 160 m.
7. Cálculo del tamaño del conductor
- A: Área mínima del conductor (mm²)
- If: Corriente de falla (A)
- k: Factor de utilización (0.7-1)
- J: Densidad de corriente permisible (A/mm²), típicamente 100-200 A/mm² para cobre
Valores típicos: If = 10,000 A, J = 150 A/mm², A = 67 mm².
Ejemplos del mundo real de la Calculadora de malla de puesta a tierra en subestaciones – IEEE 80, NTC 2050
Ejemplo 1: Subestación de 115 kV, área 900 m², resistividad 100 Ω·m
Supongamos una subestación de 115 kV con un área de 30 m x 30 m (900 m²), resistividad del suelo de 100 Ω·m, corriente de falla máxima de 10 kA y tiempo de despeje de 0.5 s.
- Resistividad del suelo (ρ): 100 Ω·m
- Corriente de falla (If): 10,000 A
- Área de la malla (A): 900 m²
- Separación entre conductores (S): 5 m
- Número de conductores horizontales y verticales (Nh, Nv): 6 cada uno
Longitud total de conductor:
L = 2 × (Nh × S + Nv × S) = 2 × (6 × 5 + 6 × 5) = 2 × (30 + 30) = 120 m
Resistencia de puesta a tierra:
Rg = ρ / (4 × L) = 100 / (4 × 120) = 100 / 480 = 0.208 Ω
Voltaje de paso y contacto (asumiendo Rstep = Rtouch = 5 Ω):
Vstep = If × Rstep = 10,000 × 5 = 50,000 V
Vtouch = If × Rtouch = 10,000 × 5 = 50,000 V
Nota: Estos valores son teóricos; en la práctica, la corriente se distribuye y los voltajes reales serán menores debido a la disipación en el suelo y la geometría de la malla. Se deben comparar con los límites de seguridad de IEEE 80.
Ejemplo 2: Subestación de 230 kV, área 2500 m², resistividad 60 Ω·m
Para una subestación de 230 kV, área de 50 m x 50 m (2500 m²), resistividad del suelo de 60 Ω·m, corriente de falla de 15 kA, tiempo de despeje de 0.3 s, separación entre conductores de 5 m, y 10 conductores horizontales y verticales.
- Resistividad del suelo (ρ): 60 Ω·m
- Corriente de falla (If): 15,000 A
- Área de la malla (A): 2500 m²
- Separación entre conductores (S): 5 m
- Número de conductores horizontales y verticales (Nh, Nv): 10 cada uno
Longitud total de conductor:
L = 2 × (10 × 5 + 10 × 5) = 2 × (50 + 50) = 200 m
Resistencia de puesta a tierra:
Rg = 60 / (4 × 200) = 60 / 800 = 0.075 Ω
Voltaje de paso y contacto (asumiendo Rstep = Rtouch = 5 Ω):
Vstep = 15,000 × 5 = 75,000 V
Vtouch = 15,000 × 5 = 75,000 V
Comparación con límites de IEEE 80: Los valores calculados deben ser menores a los límites de seguridad (típicamente 500 V). Si los valores exceden, se debe aumentar la longitud de conductor, reducir la resistividad (mejorando el suelo) o aumentar el área de la malla.
Consideraciones adicionales y recomendaciones prácticas
- La resistividad del suelo debe medirse en campo con equipos como el telurímetro, usando el método de Wenner o Schlumberger.
- El diseño debe considerar la posible corrosión de los conductores, seleccionando materiales adecuados como cobre electrolítico.
- La malla debe cubrir toda el área de la subestación y extenderse más allá del perímetro de equipos críticos.
- Se recomienda realizar simulaciones con software especializado (ETAP, CYME, SKM) para validar el diseño.
- La NTC 2050 y la IEEE 80 establecen límites estrictos para voltajes de paso y contacto, que deben cumplirse para evitar riesgos de electrocución.
Para más información técnica y normativa, consulta la norma IEEE 80 y la NTC 2050.
El diseño de la malla de puesta a tierra en subestaciones es un proceso crítico que requiere precisión, conocimiento normativo y herramientas avanzadas. Utiliza siempre métodos de cálculo validados y consulta a expertos en ingeniería eléctrica para garantizar la seguridad y cumplimiento normativo.