El diseño de malla de tierra en subestaciones es el proceso mediante el cual se determina la geometría, los materiales y el número de electrodos del sistema de puesta a tierra, de forma que las tensiones de paso y contacto durante una falla queden dentro de los límites de seguridad establecidos por la IEEE 80. Este cálculo paso a paso es un requisito indispensable en cualquier proyecto de subestación eléctrica en Chile, tanto para la aprobación de la SEC como para la habilitación de la instalación en el SEN.

Este artículo describe el procedimiento de cálculo de la malla de tierra según IEEE 80, desde la recopilación de datos de entrada hasta la verificación final de los criterios de seguridad.

Datos de entrada necesarios para el cálculo de la malla

Antes de iniciar el diseño, se deben conocer los siguientes parámetros con precisión:

• Resistividad del suelo (ρ): obtenida mediante medición Wenner en terreno. Si el suelo es estratificado (caso frecuente en Chile), se trabaja con un modelo bicapa o multicapa
• Corriente de falla a tierra (If): corriente de cortocircuito monofásico máxima que fluirá por la malla. En subestaciones de transmisión troncal, este valor puede superar los 25 kA
• Tiempo de despeje de la falla (tf): tiempo máximo de actuación de las protecciones. Valores típicos: 0,1 s a 1 s según el nivel de tensión
• Área de la subestación (A): superficie total sobre la que se instalará la malla
• Resistividad superficial (ρs): de la capa de grava u otro material resistivo sobre la superficie
• Profundidad de enterramiento de la malla (h): generalmente 0,5 m

Paso 1: Calcular las tensiones tolerables de seguridad

La IEEE 80 define las tensiones máximas tolerables para una persona de 50 kg en función del tiempo de exposición:

Tensión de paso tolerable (E_step50)

E_step50 = (1000 + 6·Cs·ρs) × 0,116 / √tf

Tensión de contacto tolerable (E_touch50)

E_touch50 = (1000 + 1,5·Cs·ρs) × 0,116 / √tf

Donde Cs es el factor de reducción de la capa superficial. Para una capa de grava de 10 cm con ρs = 3.000 Ω·m sobre suelo de ρ = 100 Ω·m, Cs es aproximadamente 0,72.

Paso 2: Diseñar la geometría inicial de la malla

Se propone una malla rectangular con conductores paralelos en ambas direcciones:

• Espaciado entre conductores (D): inicialmente 5 a 10 m para subestaciones medianas
• Longitud total de conductor (LC): suma de todos los conductores de la malla
• Número de electrodos verticales (nr) y su longitud (Lr)

Longitud efectiva total: LT = LC + 1,55·nr·Lr

Paso 3: Calcular la resistencia de la malla

La resistencia de la malla de tierra (Rg) se obtiene con la fórmula de Sverak:

Rg = ρ × [1/LT + 1/√(20·A) × (1 + 1/(1 + h·√(20/A)))]

Para geometrías irregulares o suelos fuertemente estratificados, se recomienda el uso de software como CYMGRD, SES CDEGS o ETAP Earth Grid.

Paso 4: Calcular la elevación de potencial de tierra (GPR)

GPR = If × Rg

Si GPR es menor que E_touch50, el diseño es automáticamente seguro. Si supera este valor, se continúa con los pasos siguientes.

Paso 5: Calcular las tensiones de malla y de paso reales

Tensión de malla (Em)

Em = ρ·If·Km·Ki / LM

Donde Km y Ki son factores geométricos de la IEEE 80 que dependen del espaciado, el diámetro del conductor y la profundidad.

Tensión de paso (Es)

Es = ρ·If·Ks·Ki / LS

Paso 6: Verificar el cumplimiento de los criterios

El diseño es aceptable si se cumplen simultáneamente:

• Em ≤ E_touch50
• Es ≤ E_step50

Si alguno de los criterios no se cumple, se modifica el diseño reduciendo el espaciado o aumentando los electrodos. El proceso es iterativo.

Ejemplo de aplicación: subestación 66/23 kV

Para una subestación de 50 m × 80 m con ρ = 150 Ω·m, If = 10 kA, tf = 0,5 s y grava superficial ρs = 3.000 Ω·m: E_touch50 ≈ 540 V, E_step50 ≈ 1.800 V. Con malla D = 6 m y 12 electrodos de 3 m: Rg ≈ 0,9 Ω, GPR ≈ 9.000 V, Em ≈ 380 V, Es ≈ 620 V — cumple ambos criterios. Para el sistema completo, consulte nuestro artículo sobre puesta a tierra en subestaciones según IEEE 80.

Integración con la ingeniería de detalle

El cálculo de la malla debe integrarse con el plano de planta, la distribución de equipos y los sistemas de protección. Consulte las etapas clave del proyecto de ingeniería de subestaciones.

Conclusión

El cálculo de malla de tierra en subestaciones según IEEE 80 es un procedimiento iterativo que exige rigor en los datos de entrada y la verificación de criterios de seguridad. En Transmission Line realizamos diseños completos de sistemas de puesta a tierra incluyendo mediciones de resistividad y cálculo con software especializado. Conoce nuestros servicios de ingeniería.