Qué se verifica de verdad
Durante una falla a tierra, una corriente IG entra a la malla y la levanta respecto de la tierra lejana: la elevación de potencial es GPR = IG·Rg. Pero una persona no toca la tierra lejana; toca una estructura y pisa el suelo a un metro. Lo que la pone en riesgo es la diferencia entre esos dos puntos —la tensión de contacto— o entre sus dos pies —la tensión de paso—, y el suelo que pisa decide cuánto de esa tensión le llega al cuerpo.
IEEE 80 da los límites tolerables para una persona de 50 kg: E_contacto = (1000 + 1,5·Cs·ρs)·0,116/√ts y E_paso = (1000 + 6·Cs·ρs)·0,116/√ts, donde ts es el tiempo de despeje de la falla, ρs la resistividad de la capa superficial y Cs un factor que corrige por su espesor. Dos cosas se leen directo en las fórmulas: una capa superficial de alta resistividad sube lo tolerable, y un despeje más rápido también.
Un ejemplo con números
Una malla de estación de 12 × 8 m, con conductores cada 2 m enterrados a 0,80 m y cuatro jabalinas de 3 m en las esquinas: 116 m de cobre y 12 m de jabalina. Suelo uniforme de 100 Ω·m. Una falla a tierra de 1 000 A, limitada por una resistencia de neutro, de la que la mitad vuelve por la malla y la otra mitad por las pantallas de los cables (IG = 500 A). Despeje en 0,5 s.
| Magnitud | Valor |
|---|---|
| Resistencia de la malla (Sverak) | 4,74 Ω |
| Elevación de potencial, GPR = IG·Rg | 2 368 V |
| Tensión de contacto en la malla, Em | 311 V |
| Tensión de paso, Es | 358 V |
| Contacto tolerable sin ripio | 189 V |
| Paso tolerable sin ripio | 262 V |
| Contacto tolerable con 10 cm de ripio de 3 000 Ω·m | 681 V |
| Paso tolerable con el mismo ripio | 2 231 V |
La GPR de 2,4 kV supera cualquier límite, así que la verificación rápida —GPR menor que la tolerable— no alcanza y hay que calcular contacto y paso. Sin ripio fallan los dos. Con diez centímetros de ripio cumplen los dos, con margen. Y fijate en la resistencia: 4,74 Ω no pasaría un pliego que pida 2 Ω, y sin embargo esa malla con ripio es segura. Al revés, una malla de 1 Ω en una estación con 5 kA de falla levanta 5 kV: la resistencia baja no prueba nada sin la corriente al lado.
Qué palanca mover primero
Cuando no cumple, las palancas no cuestan lo mismo ni rinden lo mismo. En orden:
- Capa superficial de ripio: sube lo tolerable sin tocar la malla. En el ejemplo multiplica el contacto admisible por 3,6.
- Un anillo exterior, a un metro del borde: la peor tensión de contacto aparece en las cuadrículas de las esquinas, y el anillo las aplana.
- Achicar la separación entre conductores: baja la tensión de malla, a costa de más cobre y más uniones.
- Jabalinas en el perímetro, y más largas si abajo hay una capa de suelo de menor resistividad: ahí es donde de verdad bajan la resistencia.
- Despejar más rápido: la tolerable crece con 1/√ts; pasar de 0,5 s a 0,3 s la sube un 29 %. Es una palanca de protecciones, no de la malla.
Los dos datos que nadie tiene al principio
La resistividad del suelo se mide, no se supone. El método de Wenner de IEEE 81 clava cuatro electrodos alineados y equidistantes; con la separación a se lee una resistividad aparente que representa, a grandes rasgos, el suelo hasta una profundidad del orden de a. Por eso se mide a varias separaciones y en dos direcciones cruzadas, y con esas lecturas se arma un modelo de dos capas. La campaña vale para la época en que se hizo: el suelo seco del verano no es el del invierno.
La corriente que importa no es la corriente de falla total sino la que vuelve por la malla. La falla a tierra se calcula en secuencia cero, y una parte vuelve por las pantallas de los cables y por otros caminos: IEEE 80 la descuenta con un factor de división. Usar la corriente total sobredimensiona la malla; usar un factor optimista la deja corta. En media tensión con el neutro limitado por resistencia, además, la sección del conductor casi nunca la decide el calor —1 000 A durante 0,5 s piden menos de 5 mm² de cobre—, sino la resistencia mecánica y la corrosión.
En un parque, la tierra no es sólo la de la estación
En un parque solar, miles de pilotes hincados son electrodos, las estructuras se unen entre sí y la malla de cada centro de transformación se vincula al campo y a las pantallas del colector. El sistema entero tiene una resistencia mucho menor que cualquier malla sola, y eso ayuda. Pero también transfiere: durante una falla en un CT, lo que está unido a su malla sube con ella, y un conductor metálico que sale de la malla —un cerco, un neutro de baja tensión, un cable de comunicaciones con cobre— lleva ese potencial hasta donde nadie lo espera. La fibra óptica sin elementos metálicos es, entre otras cosas, la manera de no transferirlo.