Tensiones de paso y contacto en puestas a tierra
El peligro oculto bajo el suelo
Cuando circula una corriente de falla a tierra por el electrodo de puesta a tierra, se genera un gradiente de potencial en el terreno circundante. Una persona parada cerca del electrodo puede estar expuesta a dos tipos de tensión peligrosa: la tensión de contacto (Vtc) es la diferencia de potencial entre la estructura metálica conectada a tierra que toca la persona y sus pies; la tensión de paso (Vtp) es la diferencia de potencial entre los dos pies de la persona (separados ~1m). Ambas pueden causar electrocución si exceden los límites tolerables por el cuerpo humano.
Cómo se calculan los límites admisibles
Los límites admisibles dependen de: (1) la corriente máxima tolerable por el cuerpo humano (función del tiempo de exposición: It = k/√t, donde k=0.116 para persona de 50kg), (2) la resistencia del circuito a través del cuerpo (1000Ω cuerpo + resistencia de los pies al suelo), (3) la resistividad de la capa superficial del terreno (que limita la corriente que ingresa por los pies). La grava de alto valor resistivo (ρ=3000 Ω·m) sobre el terreno natural es la medida de seguridad más efectiva y económica para reducir la corriente a través del cuerpo: con 10-15cm de grava, la tensión de contacto admisible se multiplica por 5-10.
Elevación del potencial de tierra (GPR)
El GPR (Ground Potential Rise) es la tensión que alcanza la malla de tierra respecto a un punto remoto cuando circula la máxima corriente de falla. Se calcula como: GPR = Ig × Rpat, donde Ig es la corriente de falla que fluye por la puesta a tierra y Rpat es la resistencia de la PAT. Si el GPR es menor que la tensión de contacto admisible, la instalación es segura sin necesidad de análisis detallado. Si supera el límite, se requiere un estudio de distribución de potenciales con software especializado (CDEGS, ETAP, WinIGS).
Medidas para reducir tensiones peligrosas
Las medidas más comunes son: (1) capa de grava de alta resistividad (3000-5000 Ω·m) de 10-15cm de espesor sobre toda la superficie de la subestación, (2) malla equipotencial enterrada bajo la superficie, conectada a la PAT principal, con conductores de cobre cada 3-6m formando una retícula, (3) reducir la resistencia de la PAT (más jabalinas, más conductor enterrado, tratamiento del suelo), (4) reducir la corriente de falla (neutro de alta impedancia, pero esto requiere reingeniería del sistema de protecciones), (5) reducir el tiempo de despeje de la falla (protecciones más rápidas).
Diseño de malla equipotencial: criterios IEEE 80
IEEE Std 80 (Guide for Safety in AC Substation Grounding) es el estándar de referencia para el diseño de mallas de tierra en subestaciones, adoptado por AEA 95401 como guía complementaria. El procedimiento simplificado es: (1) Determinar la corriente de falla máxima (dato del sistema eléctrico), dividiéndola por el factor de distribución de corriente Sf (parte que fluye por la malla vs parte que retorna por los cables de guarda). (2) Calcular las tensiones de paso y contacto admisibles a partir del peso de la persona (50 o 70 kg), la resistividad superficial (terreno natural o grava) y el tiempo de despeje de la falla. (3) Diseñar una malla rectangular con espaciamiento uniforme entre conductores (D). Típico: D = 3-6m para subestaciones de distribución 13.2-33 kV, D = 6-12m para AT 132+ kV. (4) Calcular la tensión de malla (Em) y la tensión de paso (Es) con las fórmulas de IEEE 80 que consideran la geometría de la malla, la profundidad de enterramiento (0.5-0.8m) y los factores de corrección. (5) Verificar: Em ≤ Vtc admisible y Es ≤ Vtp admisible. Si no se cumple, reducir el espaciamiento D o agregar jabalinas en los nodos de la malla.
Transferencia de potencial: el peligro fuera de la subestación
Cuando ocurre una falla a tierra en una subestación, el potencial elevado (GPR) puede transferirse fuera del perímetro a través de conductores metálicos: cables de telecomunicaciones (fibra óptica no tiene este problema, pero cobre sí), tuberías de agua o gas metálicas que atraviesan la malla, cercos perimetrales metálicos conectados a la malla, cables de BT que salen de la subestación hacia los usuarios. Esta transferencia de potencial puede poner en peligro a personas fuera de la subestación que tocan estas estructuras. Las medidas preventivas incluyen: (1) aislar las tuberías que cruzan el perímetro con juntas dieléctricas, (2) seccionar el cerco perimetral cada 20-30m con postes aislados o sin continuidad eléctrica, (3) instalar transformadores de aislación para las telecomunicaciones por cobre, (4) verificar la tensión transferida en los puntos de salida. En Argentina, cuando una subestación AT/MT alimenta directamente viviendas cercanas, AEA 95401 exige que la tensión transferida no supere 50V (24V en locales mojados). Esto ha llevado a rediseñar PATs de subestaciones urbanas de Edenor/Edesur/EPEC cuando se detectan viviendas dentro de la zona de influencia del GPR.
Preguntas frecuentes
¿La grava realmente protege contra electrocución?
Sí, significativamente. La grava seca de granito tiene una resistividad de 3000+ Ω·m, comparada con 100-300 Ω·m del terreno natural. Esto aumenta la resistencia de contacto entre los pies y el suelo, limitando la corriente que puede circular a través del cuerpo humano. Con 10-15cm de grava, la tensión de contacto admisible pasa de ~164V (suelo natural, 100 Ω·m, 0.5s) a ~900V. Es la medida más costo-efectiva para subestaciones. La grava debe mantenerse limpia (sin acumulación de tierra o vegetación que reduzca su resistividad).
¿Se verifican las tensiones de paso y contacto en instalaciones residenciales?
No normalmente. La verificación de tensiones de paso y contacto se aplica a subestaciones de media y alta tensión (≥13.2 kV), donde las corrientes de falla son del orden de cientos a miles de amperes. En instalaciones de baja tensión (220/380V), la coordinación PAT-diferencial garantiza la seguridad: el diferencial de 30mA detecta la corriente de fuga y desconecta en menos de 30ms, limitando la tensión de contacto a valores seguros (Vc = Ig × Rpat ≈ 0.030 × 10 = 0.3V, mucho menos que los 50V límite).
¿Qué software se usa para diseño de mallas de tierra?
Los software profesionales más usados son: CDEGS (SES, Canadá) — el estándar de la industria, usado por distribuidoras y grandes consultoras. ETAP (módulo de grounding) — integrado con análisis de sistemas de potencia. WinIGS (A.P. Sakis Meliopoulos) — excelente relación costo/prestaciones. AutoGround (Dimetra) — para diseños estándar. Estos programas modelan la malla en 3D, calculan la distribución de potenciales en la superficie, y verifican tensiones de paso y contacto en cada punto. Para instalaciones simples (1-3 jabalinas), las fórmulas analíticas de IEEE 80 son suficientes.
¿La persona de 50 kg o 70 kg: cuál usar para el cálculo?
IEEE 80 define dos modelos: persona de 50 kg (más conservador, corriente tolerable menor) y persona de 70 kg. AEA 95401 recomienda usar 50 kg para áreas donde pueda haber público general (incluyendo niños), y 70 kg para áreas de acceso restringido a personal capacitado (interior de subestaciones con cerco perimetral bajo candado). Para subestaciones del tipo cámara transformadora en edificios residenciales de CABA (donde puede acceder personal de mantenimiento no especializado), se recomienda usar 50 kg.
¿El tiempo de despeje de la falla influye mucho en el resultado?
El tiempo de despeje es el factor más determinante. La corriente tolerable es inversamente proporcional a la raíz cuadrada del tiempo: It = 0.116/√t para 50 kg. Con t = 0.1s (protección rápida): It = 367 mA, tensión de contacto admisible ~830V. Con t = 1.0s (protección lenta): It = 116 mA, tensión admisible ~263V. Con t = 3.0s (falla sostenida): It = 67 mA, tensión admisible ~152V. Mejorar la velocidad de la protección (relé de distancia en 2-3 ciclos vs relé de sobrecorriente temporizado en 1 segundo) es la forma más efectiva de relajar los requisitos de la malla. En subestaciones modernas con protección numérica, el despeje típico es 80-100 ms (4-5 ciclos de 50 Hz).
¿Puedo medir las tensiones de paso y contacto reales en una instalación existente?
Sí, mediante ensayo de inyección de corriente. Se inyecta una corriente conocida (10-100A) al electrodo de tierra y se mide la tensión entre puntos del terreno y la estructura metálica (contacto) o entre dos puntos del terreno separados 1m (paso). La medición debe extrapolarse a la corriente de falla real: Vcontacto_real = Vmedido × (Ifalla / Iinyectada). Equipos como Megger DET2/3 y Dranetz pueden realizar este ensayo. Es el método definitivo para verificar la seguridad de una subestación existente y se exige en subestaciones nuevas antes de la energización. Precaución: durante el ensayo, se debe acordonar el área para evitar que personas desprevenidas se expongan a las tensiones generadas.