Alfredo Rifaldi

El tema de las redes de tierra despertó preocupación hace largos años, cuando comenzaron a analizarse las tensiones de paso, de contacto y transferidas, que se producían alrededor de una instalación eléctrica (en la que había realizado una red de tierra, o bien que tenia una red de tierra de hecho, realizada con las construcciones de la instalación) cuando ocurría una falla en un punto alejado.

Se cuenta que en un asado en una estancia el ingeniero proyectista del sistema eléctrico estaba explicando el tema de las tensiones de paso y de contacto, al grupo de colegas, y el dueño de la estancia que los homenajeaba con motivo de las obras en curso escuchaba atentamente la exposición...

Las tensiones de paso y de contacto en la superficie del terreno se determinan para una distancia convencional de 1 m, que es el paso de una persona, o la distancia que puede alcanzar una persona con el brazo extendido... explicaba el proyectista.

No, no... dijo el dueño de la estancia, para esta zona deben calcular eso para el paso de una vaca... esta es una zona ganadera, esa es nuestra riqueza, debemos cuidarla...

El programa IEEE80 permite con formulas simples determinar los valores de interés para analizar las redes de tierra de estaciones eléctricas.

Este programa se ha basado en la norma IEEE - 80 (ANSI / IEEE Std 80-1986 GUIDE FOR SAFETY IN AC SUBSTATION GRUNDING), que es la referencia clásica en el mundo.

En su introducción la guía define sus propósitos y finalidades que es conveniente destacar, a fin de establecer los alcances y significado de estos cálculos. Estos propósitos son:

La guía también sugiere desarrollar los cálculos en una sucesión de pasos, que fijan un orden de trabajo lógico.

paso1 - datos del campo de estudiose establecen las dimensiones del terreno, que será cubierto por la red de tierra y las características físicas (resistividad y espesor de las capas) del mismo

paso 2 - tamaño del conductor

Se fijan las características físicas del material conductor, las temperaturas extremas que se admiten, y la corriente de falla que por el debe circular, de esto se obtienen las dimensiones mínimas necesarias.

paso 3 - criterios de limites de paso y contacto

El objetivo es fijar valores de tensiones de paso y de contacto seguros para las personas. Se establece el tiempo de duración de la falla, y se encuentran las corrientes limites que pueden presentarse, se establecen características de los electrodos que simulan los pies, del cuerpo, y características de la eventual capa superficial de material con mayor resistividad (piedras que a veces caracterizan la superficie para aumentar los valores de las tensiones que pueden aplicarse)

Finalmente se obtienen los valores de resistencia entre pies en serie, en paralelo y se determinan las tensiones de paso y de contacto limites.

paso 4 - diseño inicial

Se fija la profundidad de la red, ya se dieron sus ancho y largo, se distribuyen uniformemente barras a lo largo y ancho, y se obtiene una longitud total de la red.

paso 5 - resistencia malla de tierra

Se determina la resistencia de la red de tierra con distintas formulas, utilizando los factores de Schwarz.

Se agregan piquetes, longitud media, diámetro, numero, se determina la resistencia aparente de los piquetes, y la resistencia equivalente total.

paso 6 - corriente drenada por la malla de tierra

La corriente total de tierra (obtenida de la corriente total, descontando la corriente que se drena a través de los cables de guarda) se divide entre piquetes y red mallada.

paso 7 - control de tensión total

paso 8 - tensiones de paso y de contacto

Se determina la longitud del dispersor considerando cierto mayor peso de los piquetes, luego se determinan factores que permiten finalmente calcular la tensión de malla, tensión de paso y de contacto, en dos direcciones distintas según el largo y el ancho obteniéndose el par de valores máximos.

paso 9 - control de tensión contacto y paso

Los valores obtenidos se comparan con los limites primeramente calculados, y si se verifican condiciones de seguridad se inicia el diseño de detalle, si no se debe regresar al paso 4 y proponer cambios en la red.

Esta metodología es de aproximaciones sucesivas, que inician con una rápida visión de los temas correspondientes a cada paso tratando de encontrar las características criticas del diseño a fin de proponer rápidamente una solución bien orientada.

El programa IEEE80 esta hecho en QBASIC, se ejecuta en una ventana de DOS y es interactivo, (pudiendo requerir el BRUN45 para ejecutarse, se deben ponerlos juntos en el mismo directorio)

Al arrancar el programa IEEE80 pregunta por un lote de datos, se lo puede señalar o bien trabaja sobre un ejemplo interno, al terminar genera un lote de resultados IEEE80.XXX, que se puede examinar dentro del programa, también se puede grabar el lote de datos.

Otro programa es el TERRAG que corre con modalidad batch, (esta hecho en fortran) y requiere un archivo de datos, el lote TERRAG.DAT contiene comentarios, estos son descartados durante la ejecucion del programa. Si se desean quitr el lote de datos se puede procesar previamente con SELTAR (que acompaña a otros programas).

Ejecute ahora TERRAG, informe el archivo de entrada TERRAG.DAT, y los archivos de salida TERRAG.TXT por ejemplo, vea este ultimo archivo con el NOTEPAD, o con el EDITOR.

Los métodos simplificados descriptos sugieren una distribución uniforme de barras dispuestas en el terreno en dos direcciones perpendiculares. Una red de este tipo se adapta bien a una estación eléctrica, pero no es adecuada en otras obras, donde el proyectista intuye que debe distribuir los materiales para que sean mejor aprovechados.

En general la red de tierra se debe concentrar alrededor de los equipos que pueden ser origen de tensiones de contacto (peligrosos cuando se los toca) esta parte se hace superficial, también se presentan zonas donde no existe el peligro de tensiones de contacto (no hay superficies peligrosas expuestas) los electrodos pueden estar a mayor profundidad, en la superficie las tensiones de paso son modestas.

Otra observación que el proyectista intuye es la forma perimetral de la red, es conveniente que no tenga apéndices, que no tenga vértices (convexos), la forma debe ser suave, sin puntos singulares. Cuando se mantienen los vértices se puede lograr la reducción local del campo eléctrico con mayor cantidad de electrodos, y en particular hincando jabalinas en la zona)

Se necesitan métodos de calculo que ayuden a resolver este tipo de problemas, evitando el desperdicio de materiales por un lado, y aprovechando los materiales que se utilizan al máximo.

Los valores calculados con la metodología indicada son aproximados, en un pasado ya remoto se determinaban las líneas equipotenciales en la superficie del terreno, utilizando modelos físicos (cubas electroliticas).

Las posibilidades que brindan las computadoras permitieron el desarrollo de programas de calculo que a partir de la descripción de características del terreno, generalmente considerando un par de capas de distinta resistividad, la descripción de todas las barras que forman la red de tierra (identificadas por las posiciones de sus extremos) determinan por calculo numérico la distribución de corriente entre las distintas barras, la resistencia total de la red, y finalmente las líneas equipotenciales en la superficie del terreno.

Se trata siempre, a partir de las equipotenciales, encontrar donde las tensiones de paso son máximas, donde las tensiones de contacto son máximas, y verificar que no superen valores limites que las normas fijan con el objeto de garantizar la seguridad de las personas.

Cuando las condiciones de tensiones excesivas se presentan en un solo punto (o pocos puntos) de la red de tierra, el problema es local, y se resuelve controlando localmente el campo eléctrico, formas mas redondeadas, electrodos mas profundos, electrodos adicionales, son las soluciones que mejoran la situación.

Los tramos en que se han dividido los electrodos de tierra para hacer el calculo, drenan una corriente (por unidad de longitud) distinta según la geometría, el valor relativo (respecto del valor medio) esta alrededor de 0.7 en el centro de la red, alcanza el 1.5 en el vértice, y supera el valor 2 para la jabalina profunda (ubicada mas allá del vértice).

Leyendo este gráfico el proyectista nota donde los electrodos faltan, debiendo agregarlos y donde puede quitarlos sin poner en crisis el diseño, y así logra perfeccionar el proyecto.

Los pasos del proyecto son los mismos que se descripto al detallar el método de calculo, pero en algunos cambia lo que efectivamente se hace, así en el:

paso 7 - control de tensión total

Se describe la red por sus electrodos componentes, se determina la tensión total de la red. También se determina el gráfico de las equipotenciales de la red, y se buscan las áreas de mayor peligro, seleccionando caminos que deben recorrerse para comprobar la seguridad.

paso 8 - tensiones de paso y de contacto

Se determinan tensión de paso y de contacto, en los caminos mas peligrosos.

paso 9 - control de tensión contacto y paso

Los valores obtenidos se comparan con los limites calculados, y no se verifican las condiciones de seguridad se deben proponer cambios en la red, agregando electrodos donde necesarios (y quitándolos donde sobran, ya que el desperdicio de materiales no significa mayor seguridad), y se repite desde el paso 7, hasta alcanzar una situación satisfactoria de tensiones de paso y de contacto.