Las modernas plantas de generación renovable –eólica y fotovoltaica– son las instalaciones dotadas de mayores sistemas de puesta a tierra, con dimensiones que alcanzan kilómetros.
Los dos tipos de plantas generadoras, además de su gran tamaño, comparten otra característica común: su alta exposición a los rayos. Sin embargo, en cuanto a la topología del sistema de puesta a tierra, cabe destacar que presentan diferencias significativas:
- Parques Eólicos – topología lineal, definida por el trazado de líneas de media tensión (habitualmente 34,5kV) que interconectan puestas a tierra concentradas en las bases de las torres de los aerogeneradores;
- Plantas Solares – topología matricial, con una amplia red de líneas de baja tensión (corriente continua y alterna) y de media tensión (habitualmente 34,5 kV), con puesta a tierra distribuida en toda la superficie.
Los parques eólicos se ubican en una amplia variedad de entornos, desde zonas costeras hasta zonas de interior, desde mesetas hasta cimas de colinas, a veces a gran altitud. Suelen consistir en parques eólicos individuales, cada uno con hasta 15 aerogeneradores, que forman parte de un complejo eólico de varios parques interconectados a una subestación colectora de alta tensión.
Existe una gran variedad de condiciones de instalación para plantas de generación fotovoltaica, las cuales pueden clasificarse en:
- GFV – Generadores Fotovoltaicos: plantas dentro de las unidades de consumo y que las alimentan principalmente, instaladas en el suelo o en los techos de edificios (residenciales, comerciales e industriales), incluidos los techos de estacionamientos;
- UFV – Plantas Fotovoltaicas: plantas de generación dedicadas, que entregan energía a una red de distribución de media tensión (UFV GD – Generación Distribuida) o a una subestación de alta tensión en el caso de UFV de mayor tamaño (UFV GC – Generación Centralizada), que pueden incluso integrar plantas de generación híbridas, compartiendo áreas cercanas con otras plantas generadoras, ya sean parques eólicos o centrales hidroeléctricas (en el caso de UFV flotantes).
Los UFV también se pueden clasificar según su potencia instalada:
- microgeneración distribuida – GFV de hasta 75 kW y conectada a instalaciones de edificios (cubiertas de viviendas, edificios, naves industriales y aparcamientos), conectada a la red de distribución de BT o MT a través de las instalaciones de unidades de consumo;
- minigeneración distribuida (GD): de hasta 2,5 MWp, ocupando áreas de hasta 5 ha y conectada a la red de distribución de media tensión y a una empresa distribuidora de energía;
- Plantas de gran escala: usualmente con potencia instalada superior a 100 MWp y ocupando áreas de cientos de hectáreas, con una red interna compleja de baja y media tensión y usualmente conectadas al Sistema Interconectado Nacional (SIN) a través de una subestación colectora de alta tensión (de 138 kV a 500 kV).
Para estas plantas generadoras, es importante establecer dos definiciones, que ya están incluidas en la norma NBR-7117/2020, que son términos utilizados indistintamente, pero que tienen diferentes interpretaciones:
- Rejilla de puesta a tierra: conjunto de electrodos de puesta a tierra no naturales, interconectados y enterrados en el suelo en un área limitada por la instalación a servir, diseñados específicamente para disipar corrientes eléctricas en el suelo;
- Sistema de puesta a tierra: conjunto de todos los electrodos y conductores de puesta a tierra interconectados, enterrados o no, así como las piezas metálicas que actúan como función de distribución y disipación de corrientes eléctricas en el terreno, tales como pies de torres, refuerzos de cimentaciones, estacas metálicas, etc.
En el caso de la red de puesta a tierra, aunque se utiliza el término malla, este conjunto de conductores no necesariamente necesita tener la topología de red típica de una red de puesta a tierra de subestación.
Vale la pena recordar que la red de puesta a tierra de una subestación típica es del orden de una a dos hectáreas, mientras que la red de puesta a tierra de una UFV puede alcanzar varios kilómetros cuadrados.
Entre los sistemas de puesta a tierra de gran escala, además del UFV, con una amplia red de puesta a tierra interconectada a cientos o miles de estacas en las estructuras que soportan los módulos fotovoltaicos, cabe destacar:
- Líneas de transmisión, donde los contrapesos de puesta a tierra de las estructuras están interconectados mediante pararrayos;
- Parques eólicos, donde los terrenos de las torres están interconectados mediante pararrayos o mediante conductores de tierra de líneas de media tensión.
El rendimiento de un terreno se puede caracterizar por su resistencia/impedancia y por los potenciales en la superficie del terreno producidos cuando una corriente inyectada en él se disipa en el terreno.
Los gradientes de estos potenciales sobre la superficie del terreno darán lugar a las conocidas tensiones de paso y de contacto, que establecen las condiciones de seguridad humana del sistema de puesta a tierra, cuando se producen fallas a tierra en la instalación.
La respuesta del sistema de puesta a tierra a una inyección de corriente se puede analizar desde dos puntos de vista:
- Resistencia de puesta a tierra: para un evento de baja frecuencia, como una falla a tierra en el bus de alta tensión de la subestación colectora, o visto por la cola de una descarga atmosférica, cuando las frecuencias dominantes ya han caído en relación con el frente de onda impulsivo;
- Impedancia de puesta a tierra: respuesta de un punto del sistema de puesta a tierra a un evento impulsivo, como la caída de un rayo o la activación de un pararrayos o SPD.
Es necesario señalar que la premisa de una única resistencia de puesta a tierra, aplicable a redes de puesta a tierra medianas a pequeñas (con una diagonal inferior a 300 m), no se aplica a las puestas a tierra de UFV, que por sus grandes dimensiones presentan una impedancia de puesta a tierra que variará en función del punto de inyección de corriente en la red.
Por ello, cabe destacar dos aspectos relacionados con el diseño de sistemas de puesta a tierra de cientos de metros o kilómetros:
- La necesidad de modelos de suelo profundos, con una profundidad compatible con el tamaño del sistema a diseñar, y pueden ser necesarios modelos de suelo hasta 2000 m de profundidad (en el caso de suelos de alta resistividad);
- La necesidad de simular el sistema de puesta a tierra, para calcular su comportamiento, utilizando un programa que considere la no equipotencialidad de la red, es decir que considere las caídas de tensión que se producirán a lo largo de los conductores de la red.
Estos dos aspectos se enfatizan especialmente en la norma IEEE-2778, que establece los criterios básicos de diseño para sistemas de puesta a tierra de UFV.
En general, las normas IEC e IEEE enfatizan que los criterios de diseño aplicables a subestaciones, que tienen áreas del orden de unos pocos cientos de metros cuadrados, no se pueden aplicar de la misma manera al diseño de instalaciones que tienen áreas de cientos a miles de metros cuadrados.
El comité de puesta a tierra COBEI CE 102.01, que desarrolla normas ABNT para el sector eléctrico, está trabajando en el desarrollo de una norma de puesta a tierra de UFV, que reflejará los criterios ya establecidos por la normalización internacional, así como la experiencia adquirida aquí en Brasil con los muchos proyectos que se han implementado aquí.
Creador de texto
Ingeniero eléctrico con maestría en Sistemas de Potencia de la PUC-RJ y doctorado en Geociencias de la Unicamp. Se especializó en puesta a tierra en SES (Montreal, Canadá). Es socio fundador de Paiol Engenharia y ha trabajado durante más de 40 años en proyectos de puesta a tierra y sistemas de protección contra rayos. Es miembro del CE 03:102, el Comité de Estudio sobre "Seguridad en la Puesta a Tierra Eléctrica de Subestaciones de CA".
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