El calibre mínimo del conductor de una malla de tierra lo fija el calentamiento que produce la corriente de falla durante el tiempo de despeje: sección, corriente y duración se relacionan con una ecuación térmica y con las constantes del material. En la práctica se elige un calibre mayor por resistencia mecánica, corrosión, caída de tensión, temperatura máxima permitida y crecimiento futuro.
Respuesta corta
El conductor de una malla de puesta a tierra debe soportar, sin fundirse ni deteriorarse, la peor combinación de corriente y duración de falla durante toda la vida de la instalación. IEEE Std 80-2013 relaciona la sección del conductor con la corriente, el tiempo y las constantes del material mediante una ecuación térmica. El calibre que resulta es un mínimo: casi siempre se elige uno mayor por razones mecánicas, de corrosión y de crecimiento futuro. De dónde sale la corriente de diseño está en corriente máxima de malla y factor de división.
Qué debe cumplir cada elemento de la malla
La norma pide que cada parte del sistema de tierra (conductores de la malla, conexiones, bajantes y electrodos principales) cumpla, durante la vida útil esperada:
- Conductividad suficiente, para que no aporte diferencias de tensión locales importantes.
- Resistencia a la fusión y al deterioro mecánico bajo la peor combinación de magnitud y duración de la falla.
- Fiabilidad y robustez mecánica elevadas.
- Capacidad de mantener su función aunque sufra corrosión o daño físico.
Cómo se relacionan corriente, tiempo y sección
La norma modela el calentamiento del conductor con una ecuación térmica que evalúa la capacidad de corriente de cualquier conductor del que se conozcan las constantes del material. Parte de dos suposiciones:
- Todo el calor queda dentro del conductor, sin disiparse al entorno (proceso adiabático).
- El producto del calor específico por la densidad, llamado capacidad térmica por unidad de volumen, se toma casi constante. La suposición es válida en un rango amplio de temperaturas mientras la falla dure pocos segundos.
Para el cobre recocido, la norma da una forma simplificada: la sección en kcmil es la corriente en kA multiplicada por una constante del material (7,00 para cobre blando, con ambiente de 40 °C y temperatura límite igual a la de fusión) y por la raíz cuadrada del tiempo en segundos. Con ella, la norma calcula para una falla de 20 kA y 3 s:
| Material | Resultado | Calibre que se usa |
|---|---|---|
| Cobre blando | 242,5 kcmil | 250 kcmil |
| Acero revestido de cobre, 40 % de conductividad | 362 kcmil | cable de 19 hilos No. 7 |
| Acero | 552,5 kcmil | conductor de 3/4 pulgada de diámetro |
Esa misma ecuación sirve para comparar un calibre fijo en distintos tiempos. Un cobre blando 4/0 AWG (211,6 kcmil) soporta unos 42,7 kA durante 0,5 s y unos 17,5 kA durante 3 s: a mayor duración, menor corriente admisible.
IEEE Std 837 incluye estas mismas ecuaciones en su Anexo B.
- Corriente máxima de falla que conducirá el conductor. Incluye el crecimiento futuro del sistema
- Tiempo máximo de despeje. Con la protección de respaldo
- Material y temperatura límite. Constantes del material y temperatura de fusión o límite de diseño
- Sección térmica mínima. Resultado de la ecuación de la norma
- Calibre elegido. Se aumenta por resistencia mecánica, corrosión y bajantes
Constantes de los materiales
La Tabla 1 de la norma reúne las constantes de los materiales más usados. Algunos datos:
| Material | Conductividad (% IACS) | Temperatura de fusión | Capacidad térmica (J/cm³·°C) |
|---|---|---|---|
| Cobre recocido, blando | 100 | 1083 °C | 3,4 |
| Cobre comercial, estirado en frío | 97 | 1084 °C | 3,4 |
| Acero revestido de cobre, alambre | 40 o 30 | 1084 °C | 3,8 |
| Acero 1020 | 10,8 | 1510 °C | 3,8 |
| Acero inoxidable 304 | 2,4 | 1400 °C | 4,0 |
| Acero galvanizado (varilla) | 8,6 | 419 °C | 3,9 |
En los materiales bimetálicos, la temperatura de fusión que cuenta es la del metal de menor punto de fusión: la integridad del conductor debe mantenerse durante toda la vida de la subestación. Para el acero revestido de cobre, los ensayos independientes muestran que la corriente de fusión real puede diferir de la calculada, porque el calor específico del acero varía mucho entre 550 °C y 800 °C. Los fabricantes pueden dar datos de ensayo de sus conductores.
Corrientes asimétricas
Las ecuaciones térmicas básicas son para corriente simétrica, sin componente de continua. Cuando se quiere considerar esa componente hay dos formas:
- Usar el factor de decremento. Se calcula una corriente simétrica equivalente, siempre mayor que la simétrica real, porque parte de la hipótesis de que la componente alterna no decae.
- Usar las tablas de corriente asimétrica. La componente de continua calienta más al conductor y hace que las fuerzas mecánicas y la energía absorbida sean casi cuatro veces las de un caso simétrico equivalente. Las Tablas 3 a 6 de la norma dan las corrientes límite del cobre con distintos grados de componente de continua, obtenidas teóricamente y verificadas con ensayos.
El efecto de la componente de continua puede despreciarse si la duración de la corriente es de 1 s o más, o si la relación X/R en el punto de falla es menor que 5.
Por qué se elige un calibre mayor
El calibre de la ecuación es un piso. La norma enumera las razones para subir:
- Resistencia mecánica y corrosión. El conductor debe aguantar el abuso mecánico y corrosivo esperado. En suelos que promueven la corrosión puede convenir un calibre mayor, aun cuando conductor y conexión hayan pasado los ensayos de IEEE 837.
- Conductancia. Debe evitar cualquier caída de tensión peligrosa durante una falla, durante toda la vida de la instalación.
- Temperatura máxima. Cerca de materiales inflamables los límites de temperatura son más estrictos. Si se necesita la resistencia del cobre estirado en frío, conviene no pasar de 250 °C para no recocerlo.
- Factor de seguridad, como en cualquier componente eléctrico.
- Crecimiento futuro. Es más barato incluir el margen en el diseño inicial que reforzar bajantes después.
- Bajantes de los equipos. Pueden soportar toda la corriente que entra a la malla; por eso pueden requerir un calibre mayor o conductores múltiples. La corriente de rayo rara vez exige más: el calibre elegido por falla suele bastar para sobretensiones de corta duración.
En la práctica, la fiabilidad mecánica fija el calibre mínimo.
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La corriente, el tiempo de respaldo y el material salen de su estudio de cortocircuito y de la coordinación de protecciones. En Tiza Group verificamos el calibre dentro del diseño de la malla de subestaciones de media, alta y extra alta tensión. Puede hacer una primera comprobación con la herramienta gratuita Resistencia de puesta a tierra. Conozca nuestro servicio de diseño de ingeniería y estudios o escríbanos.
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Referencias
- IEEE Std 80-2013, IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding, cláusulas 11.1 y 11.3, ecuaciones (37) a (47); Tablas 1 y 3 a 6.
- IEEE Std 837, Standard for Qualifying Permanent Connections Used in Substation Grounding.
Preguntas frecuentes
¿Qué tiempo se usa para dimensionar el conductor de la malla?
El tiempo máximo posible de despeje, incluido el respaldo. La norma explica que una falla de relé puede alargar el despeje más allá del primario; en subestaciones pequeñas el respaldo puede llegar a 3 s o más, mientras que en las grandes, por tener protecciones redundantes, la falla suele despejarse en 1 s o menos.
¿Los bajantes de los equipos pueden ser del mismo calibre que los conductores de la malla?
No necesariamente. Un bajante desde un equipo puede soportar toda la corriente de falla que entra a la malla, mientras que cada tramo de la malla solo soporta una fracción. Por eso los bajantes pueden requerir un calibre mayor o varios conductores en paralelo.
¿Por qué no basta con el calibre que sale de la ecuación térmica?
Porque la ecuación solo evita la fusión del conductor. La práctica exige además resistencia mecánica, conductancia suficiente para no producir caídas de tensión peligrosas, límites de temperatura cerca de materiales inflamables, un factor de seguridad y un margen por corrosión y por crecimiento futuro del sistema.