Dimensionamiento de conductor de malla de puesta a tierra

Contenido: Parámetros IEEE 80

La selección adecuada de la sección transversal o calibre del conductor para una malla de puesta a tierra (PAT) es fundamental para garantizar la seguridad en subestaciones y sistemas industriales. Este cálculo se basa en el límite térmico del conductor en el caso de un cortocircuito, asegurando que el conductor no se funda ni pierda sus propiedades mecánicas durante una falla.

La sección minima del conductor para malla puesta a tierra se fundamenta rigurosamente en la Ecuación 37 (Sección 11.3.1) de la norma IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding (IEEE Std. 80-2013). Esta ecuación determina el calibre mínimo requerido para soportar el aumento de temperatura adiabático.

A continuación, se detallarán los parámetros críticos de diseño de la formula anterior:

Corriente RMS (I_f)

Se refiere a la magnitud de la corriente de falla en valor eficaz (RMS). En el diseño de mallas, se considera el nivel máximo de falla a tierra.

Es vital considerar factor de división de corriente (S_f) para determinar la porción real que fluye a través de la malla.

Duración Máxima de la Falla (t_c)

Este parámetro define el tiempo de despeje de la falla y depende directamente de la coordinación de protecciones del sistema de eléctrico.

Los valores típicos oscilan entre 0.5 s, 1.0 s. El ingeniero proyectista debe validar este dato en la especificación técnica del proyecto o el estudio de coordinación.

Temperatura Ambiente (T_a)

Se refiere a la temperatura del suelo a la profundidad de enterramiento de la malla. Este valor varía según la ubicación geográfica y la resistividad térmica del terreno.

Según la IEEE 80, los valores típicos de diseño se sitúan entre 15°C y 40°C. Es un dato de entrada fijo que no debe ser subestimado en climas cálidos.

Temperatura Máxima Permisible (T_m)

Este es el límite térmico de seguridad y depende del tipo de unión utilizada, no necesariamente del punto de fusión del conductor. La IEEE 80 recomienda:

• 250°C: Para conexiones mecánicas (apernadas o compresión). Superar esto implica riesgo de aflojamiento por ciclos térmicos.
• 450°C: Para uniones soldadas (soldadura exotérmica). Al ser una fusión molecular, soportan temperaturas superiores sin degradación.

Coeficiente térmico de resistividad (α_r):

Define qué tanto aumenta la resistencia del conductor a medida que se calienta. Este factor esta referenciado una temperatura T_r.

Resistividad del conductor (ρ_r):

Es la resistividad eléctrica específica del material a una temperatura de referencia (usualmente 20°C). Determina la oposición inicial al paso de la corriente de falla antes de que el calentamiento comience.

Constante de conductividad (K_o):

Es un valor constante que depende de la pureza del metal (relacionado con la temperatura teórica de resistencia cero). Para el cobre recocido estándar (Soft Drawn), este valor es 234.

Factor de capacidad térmica (TCAP):

Representa la "inercia térmica" del material, es decir, cuánta energía (Joules) puede absorber por unidad de volumen ($cm^3$) antes de subir su temperatura en 1°C. Un TCAP alto ayuda a amortiguar el aumento de calor durante los breves segundos de la falla.

Caso de Ejemplo: Cálculo de Sección

A continuación, realizaremos un ejemplo para determinar la sección minima mm² utilizando la fórmula Ecuación 37 para conductores de cobre.

Supongamos los siguientes datos para un proyecto de subestación:

Aplicando las constantes para un conductor tipo "Copper-clad steel wire", segun "Table 1 — Material constant" de la norma IEEE 80.

Reemplazando los valores en la ecuación 37, obtenemos:

Comercialmente, se debe seleccionar el calibre inmediato superior. En este caso, un conductor de 33,6 mm² (2 AWG). Y verificar con la norma local el minimo que exige la normativa.

El ingeniero debe verificar siempre si el conductor seleccionado cumple también con la resistencia mecánica necesaria para soportar los esfuerzos electromecánicos durante la falla, además del criterio térmico aquí expuesto. Y los minimos exigidos por su normativa local

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