Diseño de mallas de tierra por métodos computacionales

Debido a que diferentes equipos y/o dispositivos que conforman los sistemas eléctricos de potencia basan su correcto funcionamiento en una adecuada red de tierra para ser efectivos, (Supresores de Picos, Pararrayos, tierra física del sistema de distribución, etc) y disipar correctamente las condiciones anormales e inseguras que puedan presentarse. 

Para lograr esto, en este nuevo blog comentaremos acerca del diseño de sistemas de mallas de tierra  o GGS (Ground Grid System) por sus siglas en inglés, desarrollados mediante software y considerando distintos métodos de cálculo. 

Primeramente hay que definir que un sistema de tierra es un conjunto de conductores desnudos instalados de forma subterránea que se encuentran conectados entre sí por medio de conectores y electrodos y esta instalación debe asegurar que: 

  • Las corrientes circulantes de cortocircuito sean dispersadas sin permitir que en todo el sistema “cubierto” por la malla se presenten voltajes de toque o de paso de gran magnitud que representen un peligro para el personal. 
  • Sea capaz de descargar sobretensiones originadas por descargas atmosféricas o conmutación de voltaje mediante interruptores. 
  • Proporciona una trayectoria de baja impedancia para la circulación de corrientes de tierra. 
  • Ofrece mayor confiabilidad y continuidad al sistema eléctrico industrial y de potencia. 

Los conductores neutros de los transformadores, los pararrayos, la red aérea de hilos de guarda, y en general todas las estructuras metálicas (tanques, puertas, gabinetes, etc.) de la instalación deben estar al potencial de tierra. 

En el caso concreto del diseño de una malla de tierra para subestaciónes o sistemas eléctricos industriales, suele llevar consigo un extenso cálculo para dimensionar las características de los distintos elementos que la componen, como la cantidad conductores y los electrodos (varillas), derivado del estándar americano IEEE80-2000 IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding. Sin embargo, este método sólo es útil para mallas que tienen formas geométicas regulares, es decir, mallas con forma cuadrada o rectangular. 

El desarrollo de Mallas de Tierra mediante herramientas de análisis computacional como el software ETAP, permite el uso de métodos numéricos probados como el MEF o método de elementos finitos (que realizan miles de cálculos que son transperentes para el analista), el cual permite optimizar las dimensiones de las cuadrículas, la cantidad de varillas a usar, y el tiempo requerido para llegar al diseño óptimo. 

malla con geometría regular en software ETAP
Fig. 1 Diseño de una malla con geometría regular en software ETAP, usando el estándar IEEE 80 como método de cálculo. 
malla irregular con software ETAP
Fig. 2 Diseño de una malla irregular con software ETAP, su cálculo solo ser realizado mediante el método de elementos finitos MEF. 
Gráfico de tensión 3D generado
Fig. 3 Gráfico de tensión 3D generado en el reporte de Análisis de Malla de Tierra en software ETAP. 

Para determinar un adecuado diseño de una malla de tierra es importante tener en cuenta que hay 2 valores como resultado de los cálculos que demuestran la eficacia, seguridad y confiabilidad de nuestra malla de tierra. 

Voltaje de Contacto o Toque: Se divide en 2 resultados, los cuales son el voltaje circulante en la malla y el voltaje tolerable por el ser humano y en pocas palabras se define como la diferencia de potencial entre una parte conductora y una persona en cualquier punto de la superficie de la tierra, cuando se presenta una corriente de falla en la Subestación Eléctrica y al mismo tiempo tiene una mano o parte de su cuerpo en contacto a una distancia horizontal de 1 metro. 

Voltaje de Paso: Se divide en 2 resultados, los cuales son el voltaje circulante en la malla y el voltaje tolerable por el ser humano y en pocas palabras se define como la diferencia de potencial experimentada por una persona con separación entre sus pies de 1 metro, cuando se presenta una corriente de falla en una estructura cercana puesta a tierra, pero sin estar en contacto con ningún objeto aterrizado. 

En ambos casos, el valor resultante del voltaje de la malla debe ser menor al tolerado por el ser humano. 

conceptos de voltaje de toque y voltaje de paso.
Fig. 4 Representación de los conceptos de voltaje de toque y voltaje de paso. 

Dentro de las posibilidades del software ETAP, el análisis de suelos permite realizar una generación automática del modelo de suelo de dos capas, partiendo de los datos de medición de resistividad basado en el método de cuatro puntas de Wenner. Podemos realizar el diseño y análisis de nuestro sistema de mallas de tierra por medio de 2 métodos de cálculo como lo son: IEEE 80 (para geometrías regulares) y MEF (para configuraciones irregulares de cualquier forma). 

Es posible utilizar en la configuración el uso automático de los resultados del Estudio de Cortocircuito, por lo tanto, el análisis mediante software nos permitirá optimizar el número de o cantidad de conductores, así como de las varillas fijas o electrodos. El software es capaz de realizar un rápido análisis de mallas de tierra irregulares y de tamaño macro como el caso de aplicaciones de sistemas de generación renovables, proveyendo resultados gráficos y tabulares de los potenciales en la superficie de la tierra, de las tensiones de paso y de contacto dentro y fuera de la malla y entregando un reporte completo con gráficos e informes sobre la configuración de la malla de tierra mostrando la cantidad y características de los conductores y varillas, un diagrama de la resistividad del suelo y también gráficos tridimensionales de los potenciales codificados por colores. 

También es posible hacer una simulación agregando el costo de los materiales y dando como resultado la inversión necesaria para el diseño de la malla que se configure y en base a esto poder hacer comparativas en cuanto a eficacia del diseño y el costo aproximado requerido. Esto sin duda es de gran ayuda para optimizar nuestro sistema eléctrico al ahorrar tiempo y dinero en el diseño y cálculo de las redes o mallas de los sistemas de puesta a tierra. 

DOCUMENTOS DE REFERENCIA: 

IEEE-80-2000 IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding 

Acerca del Autor: 

Ing. Victor Guevara Del Ángel 

Ingeniero Electricista 

Ingeniero Analista de Sistemas Eléctricos Industriales en Radthink SA de CV. 

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