Durante una falta a tierra, la corriente que fluye a través del suelo crea gradientes de tensión en la superficie. La tensión de paso y la tensión de contacto determinan si una persona en la zona es o no electrocutada — y el diseño de la malla PAT debe garantizar que estos valores estén por debajo de los límites tolerables.
Contenido
01TL;DR
¿Cómo garantizar que la PAT no mate a nadie durante una falta?
La seguridad de personas durante fallas a tierra depende de que la tensión de paso (Estep) y la tensión de contacto (Etouch) sean menores que los valores tolerables calculados para el tiempo de despeje de la falla. Una capa de grava de 15 cm (ρ > 3 000 Ω·m) en la superficie de la subestación es la medida de control más efectiva y económica — puede multiplicar los límites tolerables por 4–6×.
- Etouch tolerable (50 kg, ts = 0.5 s): ≈ 116 V sin grava; ≈ 700 V con grava de 3 000 Ω·m
- Estep tolerable (50 kg, ts = 0.5 s): ≈ 174 V sin grava; ≈ 2 686 V con grava
- Tiempo de despeje de falla ts: factor crítico — más rápido el interruptor, mayor el límite tolerable
- IEEE 80-2013 inactivado en marzo 2024 — proyecto P80 en curso
- Verificar siempre con software 2D/3D para distribución real de tensiones — las fórmulas son aproximaciones
02Definiciones: tensión de paso y tensión de contacto
Etouch — mano a pies
Diferencia de potencial entre la mano (que toca una estructura metálica conectada a tierra) y los pies de la persona. Recorre el cuerpo desde la mano hasta los pies. Camino peligroso: atraviesa el corazón. Resistencia del cuerpo: 1 000 Ω (IEC 60479).
Estep — pie a pie
Diferencia de potencial entre dos puntos del suelo separados 1 metro (distancia de un paso). La corriente recorre la pierna hacia abajo y la otra pierna hacia arriba. Camino menos peligroso que Etouch, por eso el límite tolerable es mayor.
03Límites tolerables IEEE 80
Los límites tolerables dependen del peso de la persona (50 kg o 70 kg), del tiempo de despeje de la falla (ts en segundos) y de la resistividad de la capa superficial. IEEE 80-2013 establece las fórmulas para persona de 50 kg (más conservador) y 70 kg.
ρs = resistividad de la capa superficial [Ω·m] · ts = tiempo de despeje de la falla [s] · (0.116 = constante para 50 kg)
Para 70 kg: sustituir 0.116 por 0.157.
| Escenario | ts = 0.5 s | ts = 0.3 s | ts = 0.1 s |
|---|---|---|---|
| Etouch (50 kg) sin grava (Cs·ρs = 0) | 116 V | 150 V | 259 V |
| Etouch (50 kg) con grava ρs = 3 000 Ω·m (Cs = 0.74) | 700 V | 904 V | 1 563 V |
| Estep (50 kg) sin grava | 174 V | 224 V | 388 V |
| Estep (50 kg) con grava ρs = 3 000 Ω·m | 2 686 V | 3 466 V | 5 993 V |
04El rol determinante de la capa de grava
La capa de grava de alta resistividad en la superficie del patio de la subestación no reduce las tensiones en el suelo — las tensiones son función del suelo nativo y la corriente de falta. Lo que sí hace es aumentar drásticamente los límites tolerables al agregar una resistencia adicional en serie con el cuerpo humano. Una capa de solo 15 cm de grava puede multiplicar los límites tolerables por un factor de 4–6 veces.
05Tensiones de malla y de paso calculadas (valores reales)
Emesh = ρ × Km × Ki × Ig / Lc
Tensión de paso del diseño (Estep):
Estep_diseño = ρ × Ks × Ki × Ig / (0.75 × Lc + 0.85 × Lr)
Donde: ρ = resistividad suelo [Ω·m] · Km, Ks = factores geométricos · Ki = factor de irregularidad · Ig = corriente de falta a tierra [A] · Lc = longitud conductores malla [m] · Lr = longitud electrodos verticales [m]
Condición de seguridad:
Emesh ≤ Etouch_tolerable Y Estep_diseño ≤ Estep_tolerable
06Proceso de diseño seguro
- Determinar la corriente de falta a tierra (Ig) Calcular la componente simétrica de corriente de falta que fluye a través de la malla al suelo. Incluir el factor de decremento Df y el factor de división de corriente Sf (IEEE 80 § 15). No toda la corriente de falta pasa por la malla — parte retorna por los cables de guarda de las líneas.
- Calcular el tiempo de despeje ts Usar el tiempo del relé primario + el tiempo de apertura del interruptor. Si existe relé de respaldo, considerar el peor caso (relé principal falla, actúa respaldo). ts típico: 0.1–0.5 s en subestaciones con protección de alta velocidad.
- Calcular los límites tolerables Con las fórmulas IEEE 80 usando Cs y ρs de la capa de grava. Si no hay grava, Cs = 1.0 y ρs = ρ_suelo.
- Calcular Emesh y Estep del diseño propuesto Con los factores geométricos Km y Ks para la configuración de malla seleccionada. Usar software (CYMGRD, ETAP, SES CDEGS) para suelos no homogéneos.
- Verificar y ajustar el diseño Si Emesh > Etouch_tolerable: reducir espacio entre conductores, agregar grava, agregar electrodos verticales. Iterar hasta cumplir la condición.
- Verificar post-instalación con medición en campo Medir la distribución de tensiones en el patio aplicando corriente de prueba según IEEE 81 § 9.7. Los resultados medidos deben coincidir con lo calculado dentro de ±20%.
07Medición de tensiones en campo
La verificación de las tensiones de paso y contacto en campo se realiza inyectando una corriente de prueba conocida en la malla y midiendo la distribución de tensión en la superficie con una sonda de potencial. El procedimiento se describe en IEEE 81-2012 § 9.7 (Surface Voltage Profile and Step/Touch Voltage Measurement).
- Inyectar corriente de prueba AC entre la malla y un electrodo de corriente remoto (cables de guarda de LT o electrodo auxiliar). Usar frecuencia diferente a la de red (41.67 Hz o 55 Hz) para filtrar el ruido.
- Recorrer el patio con dos electrodos de tensión separados 1 metro para medir el perfil de tensión de paso. Mover en una cuadrícula de 3×3 m o 5×5 m según el tamaño del patio.
- Escalar los resultados al nivel de corriente de falta real. Si la prueba se hizo con 50 A y la Ig de diseño es 10 000 A, escalar multiplicando por 10 000/50 = 200.
- Comparar con los límites tolerables calculados y documentar el mapa de tensiones del patio para el expediente de la subestación.
08Estado de la normativa
Conclusiones
Las tensiones de paso y contacto son los indicadores de seguridad más importantes del diseño de una malla PAT — no la resistencia de la malla. Una subestación puede tener resistencia de malla de 1 Ω y aún así presentar tensiones de paso peligrosas si la corriente de falta es grande y el patio no tiene grava. El diseño correcto verifica Emesh ≤ Etouch_tolerable y Estep ≤ Estep_tolerable para la peor falta probable con el peor tiempo de despeje.
- Capa de grava (ρs ≥ 3 000 Ω·m, hs ≥ 15 cm): la medida de control más efectiva — multiplica límites tolerables por 4–6×
- Reducir ts (tiempo de despeje) aumenta el límite tolerable: protecciones de alta velocidad permiten diseños más económicos
- Usar software de distribución de tensiones para mallas irregulares o suelo de dos capas — las fórmulas solo son válidas para malla rectangular en suelo homogéneo
- IEEE 80-2013 inactivado (2024) pero técnicamente vigente hasta publicación P80
- Verificar en campo con inyección de corriente de prueba y recorrido de potencial — el diseño calculado puede diferir del real
Referencias
- IEEE Std 80-2013/Cor 1-2015 — IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding. IEEE PES. [Inactive-Reserved desde 2024-03-21]
- IEC 60479-1:2018 — Effects of current on human beings and livestock – Part 1: General aspects. IEC.
- IEEE Std 81-2012 — IEEE Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground Impedance, and Earth Surface Potentials. IEEE.
- Sverak, J. G. (1979). Simplified analysis of electrical gradients above a ground grid. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems.
- SES Technologies. (2023). CDEGS User Manual — Current Distribution, Electromagnetic Fields, Grounding and Soil Structure Analysis. SES Technologies Ltd.