El diseño de una puesta a tierra está determinado por varios factores específicos de cada instalación:
- Corriente residual dispersada por la puesta a tierra.
- Tiempo de duración de la falla residual.
- Resistividad superficial del terreno.
- Dimensiones de la puesta a tierra.
- Geometría de los electrodos de la puesta a tierra.
Los factores b) y d) son cruciales para determinar los valores de voltaje tolerables por el cuerpo humano, los cuales deben ser iguales o inferiores a los voltajes tolerables.
Corriente Residual Dispersada
En condiciones normales, las corrientes en las fases de las líneas de transmisión están equilibradas. Sin embargo, en caso de falla, se produce una corriente residual (Ir) que retorna a los neutros de los transformadores, parte por el terreno y parte por los cables de guarda. Para diseñar una puesta a tierra, es esencial conocer la magnitud de la corriente Id, la corriente efectiva dispersada por la puesta a tierra hacia el terreno, que forma parte del circuito de retorno de la corriente residual de falla. Es necesario determinar aquella que produce el máximo valor de Id²t.
La corriente Id no siempre coincide con la corriente residual total de falla Ir. Se define un factor Kd que relaciona ambas corrientes: Id = Kd Ir, donde 0 ≤ Kd ≤ 1. Tanto Ir como Kd dependen del punto de falla en el sistema eléctrico. Por lo tanto, se debe calcular la corriente total de falla y el factor Kd que resulten en la máxima corriente dispersada por la puesta a tierra.
Al ocurrir una falla a tierra, una fracción Kd de la corriente residual total Ir fluye hacia o desde la tierra remota. Las corrientes residuales quedan restringidas al nivel de voltaje en que ocurre la falla.
La corriente residual total Ir se divide en dos componentes: Id, dispersada por la puesta a tierra, e Ic, que fluye por los cables de tierra hacia las subestaciones con neutros conectados a tierra.
Tiempo de Duración de la Falla Residual
El tiempo durante el cual una persona puede estar sometida a una solicitación eléctrica es el tiempo que dura la falla. En algunos casos, se debe considerar el tiempo de retardo de los circuitos de control y el tiempo de operación de los interruptores.
Tiempo de Operación de las Protecciones
Los sistemas eléctricos están equipados con elementos de protección que detectan fallas y provocan la desconexión para aislar el equipo. Estos elementos pueden ser fusibles, relés de sobrecorriente, relés de distancia, etc. Las fallas en líneas de transmisión son las que con mayor frecuencia y magnitud generan corrientes residuales. Por lo tanto, se consideran las solicitaciones y tiempos de despeje al ocurrir fallas en líneas de transmisión.
Para relés de distancia, la característica Distancia / Tiempo es definida, con tiempos de operación constantes para fallas dentro de las zonas del relé. Es crucial conocer el tiempo de operación de las protecciones al ocurrir fallas a tierra.
Tiempo Total de Despeje de la Falla
En líneas de distribución protegidas por fusibles, el tiempo total de despeje es el tiempo de fusión del fusible. Los interruptores de alta tensión tienen tiempos de operación de 1 a 5 ciclos (20 a 100 ms a 50 Hz) para voltajes iguales o superiores a 44 kV, y 8 ciclos (160 ms) para voltajes de distribución (12-23 kV). Se considera el tiempo total de despeje determinado por el primer frente de protección.
Máxima Solicitación Ih²t
La expresión Ifv = (0,116/√t) | 5s – 8ms establece un valor máximo permisible del producto Ih²t, donde Ih es la corriente por el cuerpo humano y t es el tiempo de duración de la solicitación. A un valor máximo de Id²t, corresponde un valor máximo de Ih²t. Se debe calcular la puesta a tierra con los voltajes tolerables y las solicitaciones de voltaje para la corriente correspondiente.
Resistividad del Terreno
La resistividad del terreno influye significativamente en el diseño de la puesta a tierra. Es necesario un conocimiento preciso de la resistividad, que puede variar ampliamente. Aunque idealmente se representa el terreno por una resistividad equivalente, algunas configuraciones reales pueden asimilarse a un terreno homogéneo aplicando un criterio conservativo. Una forma más exacta es asimilarlo a un terreno de dos estratos, lo cual requiere el uso de programas computacionales.
Resistividad Superficial del Terreno
Los valores tolerables de voltaje Vpp y Vmp dependen de la resistividad de la parte superior del terreno, que determina la resistencia Rp de contacto del pie con el terreno. Estos valores se mantienen casi constantes a lo largo del año. En algunos casos, la superficie del terreno se cubre con pavimento de hormigón o asfalto.
Tabla N°2: Resistividades típicas de hormigones.
| Tipo de hormigón | ρ (Ω – m) |
|---|---|
| Hormigones muy secos (W < 10%) | 50.000,00 |
| Hormigones en exteriores secos normales | 500,00 |
| Hormigones en exteriores húmedos normales | 200,00 |
| Hormigones en terrenos normales | 200,00 |
| Hormigones saturados de humedad | 100,00 |
Para el asfalto, se estima un valor conservativo de resistividad de 3000 Ω-m. La siguiente tabla muestra resistividades típicas para varios revestimientos de suelos:
Tabla N°3: Resistividades típicas de revestimientos de pisos
| Tipo de revestimiento | ρ (Ω – m) Seco | ρ (Ω – m) Húmedo |
|---|---|---|
| Entablado de roble sin barnizar en centro habitación | ∞ | 1.100,00 |
| Entablado de roble barnizado | ∞ | 11.300,00 |
| Ladrillo corriente | 5.000,00 | 500,00 |
| Embaldosado cerámico en centro habitación | 560,00 | |
| Embaldosado cerámico junto a muro | 500,00 | |
| Azulejos, bajo lava manos | 11.500,00 | |
| Embaldosado gres cerámico bajo lava manos | 1.100,00 | |
| Embaldosado gres cerámico centro habitación | 14.700,00 | |
| Cemento centro habitación | 7.550,00 | |
| Cemento sobre hormigón | 438,00 | |
| Cemento sobre piedras | ∞ | 5.340,00 |
| Enlosado de vidrio | ∞ | ∞ |
| Enlosado de piedra | ∞ | 24.200,00 |
Dimensiones de la Puesta a Tierra
Al proyectar una puesta a tierra, se deben cumplir dos requerimientos: un valor máximo de resistencia y la seguridad de personas y equipos. La resistencia depende de la dimensión principal de la puesta a tierra. Por ejemplo, la relación de resistencias entre una puesta a tierra rectangular y una plancha metálica de igual dimensión es de 1 a 0,72 en un terreno homogéneo. Si se establece un valor máximo de resistencia, la dimensión principal de la puesta a tierra queda determinada. En terrenos no homogéneos, se debe considerar un factor que ajuste la resistencia. Se puede aumentar la superficie de la malla de tierra para disminuir la resistencia.
Geometría de la Puesta a Tierra
Una puesta a tierra puede tener como único requisito un valor máximo de resistencia. Se pueden agregar electrodos auxiliares para controlar las solicitaciones de voltaje. Para instalaciones grandes, se utilizan mallas de tierra. Existen métodos de cálculo para minimizar la longitud total del conductor en mallas de tierra de grandes dimensiones.