Puesta a tierra de una subestación eléctrica: 5, 10 o 25 Ω según la NOM-001-SEDE-2012, red de tierras y malla de tierra

La puesta a tierra de una subestación eléctrica en México se rige por la NOM-001-SEDE-2012, vigente al 15.10.2026. Su Tabla 921-25(b) fija la resistencia máxima de todo el sistema de tierra: menos de 25 Ω para subestaciones de hasta 35 kV y hasta 250 kVA, menos de 10 Ω para las de hasta 35 kV y más de 250 kVA, y menos de 5 Ω cuando superan 35 kV y 250 kVA. Una subestación de 1,000 kVA en 23 kV, por lo tanto, debe quedar por debajo de 10 Ω. Ese número no basta. Con terreno de 100 Ω·m, una sola varilla de 2.44 m da unos 39.8 Ω, así que hace falta una red de tierras (también llamada malla de tierra o sistema de tierras). Además, la malla debe mantener las tensiones de paso y de contacto por debajo de lo que tolera una persona, según IEEE Std 80. Aquí «tierra» significa el sistema de electrodos y conductores enterrados, no el neutro del transformador ni la «tierra física» de un contacto. La guía es para subestaciones particulares de 13.2, 23 y 34.5 kV, compactas o tipo pedestal, que la UVIE revisa antes de que CFE conecte el servicio. Los requisitos para una subestación eléctrica CFE explican ese trámite; este artículo cubre el valor de resistencia, el cálculo de la malla, el calibre del conductor y la medición.

¿Qué resistencia de puesta a tierra exige la NOM-001-SEDE-2012 a una subestación?

La sección 921-25 (Parte D, Subestaciones) remite al Artículo 250 y, en su inciso (b), exige que la resistencia del sistema de tierra, incluidos todos sus elementos, se conserve por debajo de la Tabla 921-25(b). La sección 921-18 añade el criterio general: una resistencia baja «para minimizar los riesgos al personal en función de la tensión de paso y de contacto». Considera aceptable 10 Ω y admite hasta 25 Ω en terrenos de alta resistividad. Para plantas y subestaciones con tensiones y corrientes altas pide una malla con múltiples electrodos y conductores enterrados.

Fuente: NOM-001-SEDE-2012, DOF del 29.11.2012, Artículos 921 y 250.

Para las capacidades más comunes en una nave industrial o un comercio la lectura es directa. Una subestación de 75, 112.5, 150 o 225 kVA en 13.2 o 23 kV queda en 25 Ω. Una de 300, 500, 750, 1,000 o 1,500 kVA en 13.2, 23 o 34.5 kV queda en 10 Ω. Todas estas tensiones están por debajo de 35 kV. El inciso 921-25(b) exige además pruebas periódicas durante la operación, con registros, «de preferencia en época de estiaje».

¿Una subestación tipo pedestal estrella-estrella puede tener la red de tierras solo bajo el equipo?

Sí, con condiciones. El inciso 921-25(a) pide que el cable del perímetro sea continuo y rodee el área del equipo. Para subestaciones tipo pedestal de conexión estrella-estrella, acepta que el sistema de tierra quede confinado dentro del área que el equipo proyecta sobre el suelo. La condición es que el transformador esté conectado a un sistema de 3 fases, 4 hilos desde la subestación del suministrador. Aun así, la resistencia total debe cumplir la Tabla 921-25(b). Una subestación compacta con transformador delta-estrella no entra en esa excepción y lleva malla perimetral.

Electrodos de puesta a tierra: qué medidas pide el Artículo 250

Los electrodos que forman la red deben cumplir el Artículo 250, Parte C, como indica la sección 921-18. Estos son los mínimos que más se revisan en obra:

Fuente: NOM-001-SEDE-2012, Artículo 250, DOF del 29.11.2012. El aluminio y la tubería de gas no se permiten como electrodos (250-52(b)).

Un solo electrodo de varilla debe complementarse con otro, salvo que por sí mismo mida 25 Ω o menos (250-53(a)(2), Excepción). La sección 921-8 prohíbe insertar un dispositivo de desconexión en el conductor de puesta a tierra; solo permite desconectarlo temporalmente para pruebas, bajo supervisión de personal calificado.

¿Cuántos ohms da una varilla? Resistividad del terreno y resistencia por electrodo

La resistencia de un electrodo depende sobre todo de la resistividad del terreno (ρ, en Ω·m). Para una varilla de longitud L y radio r, la tesis de la FES Aragón (UNAM, 2012) da la relación:

R = ρ / (2π · L) · [ln(4L / r) − 1]

Con la varilla mínima de la NOM (L = 2.44 m, diámetro 16 mm, r = 0.008 m), el factor vale 0.3983 m⁻¹, y R ≈ 0.3983 · ρ:

Cálculo propio con la fórmula anterior; suelo uniforme.

Para llegar a 10 Ω con una sola varilla el terreno tendría que estar por debajo de unos 25 Ω·m. Por eso, en subestaciones de más de 250 kVA, la red casi siempre es una malla de conductores con varillas.

¿Cómo se mide la resistividad del terreno?

Antes de diseñar se mide ρ con el método de Wenner: cuatro electrodos en línea, a igual separación a y a poca profundidad. Cuando la profundidad es pequeña frente a a, la resistividad aparente es ρ = 2π · a · R, con R la lectura del telurómetro. Se hacen varias lecturas con distintas separaciones y sobre diagonales del terreno.

¿Por qué 10 Ω no basta? Tensión de paso y de contacto según IEEE 80

Durante una falla a tierra en media tensión, la corriente que entra a la malla eleva su potencial respecto a la tierra remota: es la elevación de potencial de tierra (GPR = I_G · R_g). Una persona que toca un gabinete con los pies a 1 m de su base queda sometida a la tensión de contacto; una que camina sobre la malla, con los pies separados 1 m, queda sometida a la tensión de paso. IEEE Std 80-2013 fija cuánto tolera el cuerpo para una persona de 50 kg en función del tiempo de falla t_s y de la capa superficial:

E_contacto,50 = (1000 + 1.5 · C_s · ρ_s) · 0.116 / √t_s

E_paso,50 = (1000 + 6 · C_s · ρ_s) · 0.116 / √t_s

C_s = 1 − 0.09 · (1 − ρ / ρ_s) / (2 · h_s + 0.09)

Donde ρ_s es la resistividad de la capa superficial (grava, piedra o asfalto) y h_s su espesor. Sin capa, C_s = 1 y ρ_s = ρ. La capa superficial es la medida de mitigación más económica. La tabla de IEEE 80 que reproduce la tesis de Rivera Hernández (UNAM, 2017) da resistividades húmedas de 1,300 Ω·m para granito triturado; 5,000 Ω·m para granito lavado similar a grava pequeña; 10,000 Ω·m para granito lavado similar a grava de 0.02 m (¾ in) (de 10,000 a 6×10⁶ Ω·m para el asfalto); y de 21 a 100 Ω·m para el concreto. Una losa de concreto, por lo tanto, no protege. Con ρ = 100 Ω·m y h_s = 0.10 m:

Cálculo propio con las ecuaciones de IEEE 80; resistividades de la Tabla 10 de la tesis citada.

Un tiempo de liberación más corto también eleva el límite: pasar de 1.0 s a 0.5 s lo multiplica por √2 ≈ 1.41. Ese tiempo sale de la coordinación de protecciones. Su punto de partida es el cálculo de cortocircuito en transformador, que incluye el nivel de cortocircuito que entrega CFE.

Cálculo de la red de tierras de una subestación: ejemplo de 1,000 kVA en 23 kV

Una nave industrial recibe 23 kV de CFE en una subestación compacta de 1,000 kVA, 23 kV – 480Y/277 V, con transformador delta-estrella. El patio mide 18 × 15 m. Datos de partida del ejemplo; en un proyecto real se sustituyen por la medición y el estudio de cortocircuito: falla monofásica en 23 kV de 5 kA, liberada en 0.5 s, relación X/R = 10. Como criterio conservador, se supone que toda la corriente regresa por la malla (factor de división S_f = 1).

1. Resistividad. Wenner con a = 3 m da R = 5.3 Ω: ρ = 2π · 3 · 5.3 = 99.9 ≈ 100 Ω·m.

2. Límite de la NOM. 23 kV ≤ 35 kV y 1,000 kVA > 250 kVA → Tabla 921-25(b): menos de 10 Ω.

3. Una varilla no basta. R = 0.3983 · 100 = 39.8 Ω, por encima de 25 y de 10 Ω.

4. Malla inicial. 18 × 15 m (A = 270 m²), conductores cada D = 3 m (7 de 15 m y 6 de 18 m), enterrada a h = 0.8 m, con 8 varillas de 3 m en el perímetro (4 en las esquinas): L_C = 7 · 15 + 6 · 18 = 213 m; L_R = 8 · 3 = 24 m; L_T = 237 m. Con la ecuación de Sverak (IEEE 80):

   R_g = ρ · [1/L_T + 1/√(20A) · (1 + 1/(1 + h · √(20/A)))]

   R_g = 100 · [1/237 + 1/73.48 · (1 + 1/1.2177)] = 100 · (0.00422 + 0.02478) = 2.90 Ω. Cumple holgadamente los 10 Ω.

5. Corriente de malla y GPR. El factor de decremento para 0.5 s y X/R = 10 es D_f = 1.026: I_G = 1.026 · 1 · 5,000 = 5,130 A. GPR = 5,130 · 2.90 = 14,878 V, muy por encima de cualquier tensión tolerable, así que hay que calcular la tensión de malla.

6. Tensión de malla (contacto) E_m = ρ · K_m · K_i · I_G / L_M. Con n = n_a · n_b = (2 · 213 / 66) · √(66 / (4 · √270)) = 6.455 · 1.002 = 6.468; K_i = 0.644 + 0.148 · 6.468 = 1.601; K_h = √(1 + 0.8) = 1.342; cable 4/0 AWG (d = 0.01325 m, el valor que usa la tesis de Rivera Hernández) y K_ii = 1, como en esa misma tesis, que IEEE 80 admite con varillas en el perímetro o en las esquinas:

   K_m = 1/(2π) · [ln(D²/(16·h·d) + (D + 2h)²/(8·D·d) − h/(4d)) + (K_ii/K_h) · ln(8/(π · (2n − 1)))]

   Con D = 3 m, h = 0.8 m, d = 0.01325 m y n = 6.468: K_m = 0.5567. L_M = 213 + [1.55 + 1.22 · (3 / √(18² + 15²))] · 24 = 253.95 m. E_m = 100 · 0.5567 · 1.601 · 5,130 / 253.95 = 1,801 V.

7. Comparación. Con grava de 5,000 Ω·m y 0.10 m, la tensión de contacto tolerable es 1,020 V < 1,801 V: no cumple, aunque la malla mida 2.90 Ω. La tensión de paso de la malla, E_s = ρ · K_s · K_i · I_G / L_S con K_s = (1/π) · [1/(2h) + 1/(D + h) + (1/D) · (1 − 0.5^(n−2))] = 0.384 y L_S = 0.75 · 213 + 0.85 · 24 = 180.15 m, da 1,751 V, menor que 3,589 V: esa sí cumple.

8. Revisión. Se amplía la malla a 21 × 18 m (1.5 m fuera de la cerca) con la misma retícula y 8 varillas, y se especifica una capa de 0.10 m de granito lavado similar a grava de 0.02 m (¾ in), de 10,000 Ω·m. Con A = 378 m², L_C = 7 · 21 + 8 · 18 = 291 m, L_T = 315 m, n = 7.473, K_i = 1.750, K_m = 0.5382 y L_M = 331.38 m, el resultado es R_g = 2.44 Ω, E_m = 1,458 V contra 1,869 V tolerables, y E_s = 1,454 V contra 6,983 V. Cumple. La cerca queda dentro de la malla y se pone a tierra (921-26(a)).

Las ecuaciones de K_m y K_s de IEEE 80 suponen suelo uniforme y una retícula regular, enterrada entre 0.25 y 2.5 m de profundidad. Con suelo de dos capas, cercas metálicas o una corriente de falla mayor, el cálculo se hace con software y se mide al terminar.

¿Qué calibre de cable necesita la malla de tierra de una subestación?

El conductor debe soportar la corriente de falla durante el tiempo de liberación sin fundirse en las uniones. La sección 921-10 lo llama «ampacidad de tiempo corto». En sistemas puestos a tierra en un solo punto (921-10(a)), si no puede determinarse la corriente de falla, la ampacidad permanente del conductor debe ser al menos la corriente a plena carga del transformador. IEEE 80 da la sección mínima para cobre recocido de 100 % de conductividad (TCAP = 3.42 J/cm³·°C, α_r = 0.00393, ρ_r = 1.72 μΩ·cm, K_0 = 234, T_m = 1,083 °C), aquí con temperatura ambiente T_a = 40 °C:

A (mm²) = I (kA) / √[(TCAP · 10⁻⁴ / (t_c · α_r · ρ_r)) · ln((K_0 + T_m) / (K_0 + T_a))]

Cálculo propio con las constantes de cobre recocido que reproduce la tesis de Rivera Hernández (UNAM, 2017); secciones comerciales de la NOM-001-SEDE-2012, Capítulo 10, Tabla 8.

El valor T_m = 1,083 °C vale para uniones con soldadura exotérmica; con conectores de compresión o mecánicos, IEEE 80 indica una temperatura máxima menor, y la sección necesaria aumenta. En subestaciones de distribución el calibre lo suelen fijar la resistencia mecánica y la corrosión, no el calentamiento. Por eso muchas especificaciones piden un mínimo como 4/0 AWG; confírmelo con el proyecto y con la UVIE.

Medición de la puesta a tierra en subestaciones: telurómetro y caída de potencial

La red terminada se comprueba con un telurómetro por el método de caída de potencial. Se clava un electrodo de corriente lejos de la malla y un electrodo de potencial entre ambos; en suelo uniforme, el de potencial se coloca al 62 % de la distancia entre la red y el electrodo de corriente. Si la lectura cambia mucho al desplazarlo, los electrodos están demasiado cerca entre sí y hay que alejar el de corriente. Si la medición sale mayor que el valor calculado, se añaden conductor y varillas hasta igualarlo o bajarlo.

El protocolo que se entrega a la UVIE debe indicar fecha, método, distancias de los electrodos auxiliares y condición del terreno. La sección 921-25(b) pide repetir la prueba durante la operación y anotarla en registros, de preferencia en época de estiaje, cuando el terreno está más seco y la resistencia es mayor.

Diseño de puesta a tierra para subestaciones: errores comunes

• Usar 25 Ω en una subestación de más de 250 kVA. El valor de 25 Ω del Artículo 250-50 o de un electrodo único no aplica a una subestación de 500 kVA en 23 kV: la Tabla 921-25(b) pide menos de 10 Ω. Lo detecta la UVIE al revisar el protocolo de medición conforme al Artículo 921.
• Dar por segura una malla porque mide menos de 10 Ω. En el ejemplo, 2.90 Ω cumplen la NOM y dejan 1,801 V de contacto contra 1,020 V tolerables. La prueba que lo revela es la comparación E_m contra E_contacto de IEEE 80, no la lectura del telurómetro.
• Calcular la tensión tolerable con la losa de concreto como capa aislante. El concreto húmedo tiene de 21 a 100 Ω·m. Con 100 Ω·m, el límite de contacto es 189 V, no los 1,869 V de una capa de piedra de 10,000 Ω·m. La capa superficial se especifica en el plano con material y espesor.
• Medir la red recién construida en temporada de lluvias y archivar la lectura. Una lectura de 8 Ω en terreno húmedo puede superar los 10 Ω en estiaje. La sección 921-25(b) pide pruebas periódicas con registro, de preferencia en estiaje.
• Colocar el electrodo de potencial a ojo. En el método de caída de potencial, el electrodo de potencial va al 62 % de la distancia al de corriente; demasiado cerca de la malla, la lectura sale baja. Se detecta repitiendo la lectura desplazando el electrodo: si varía mucho, las zonas de influencia de los electrodos se traslapan.

Sistema de tierras para subestaciones eléctricas: qué especificar

• Resistividad del terreno (Ω·m) medida con el método de Wenner, con varias separaciones a y diagonales; es la base de todo el cálculo.
• Resistencia máxima de diseño (Ω) según la Tabla 921-25(b): 25, 10 o 5 Ω por tensión y kVA; la escribe el proyectista y la verifica la UVIE.
• Corriente de falla a tierra (kA) y tiempo de liberación (s), con el nivel de cortocircuito que entrega CFE y el ajuste de la protección de media tensión; definen calibre y tensiones tolerables.
• Factor de división S_f y factor de decremento D_f, del estudio de cortocircuito y de la tabla de IEEE 80; si no hay estudio, S_f = 1.
• Capa superficial: material, resistividad húmeda (Ω·m) y espesor (m), porque fijan C_s y el límite de contacto.
• Geometría de la malla: área (m²), separación D (m), profundidad h (m, 0.75 m mínimo para un anillo según 250-53(f)), número y longitud de varillas (2.44 m mínimo, 16 mm).
• Conductor: cobre desnudo, sección (mm²) por calentamiento y por mínimo mecánico, y conexiones con soldadura exotérmica, conectores mecánicos o de compresión (921-9).
• Protocolo de medición de la red terminada por caída de potencial, con fecha, condición del terreno y programa de mediciones periódicas.

El papel de Entogo

Entogo Inc. es una empresa canadiense con sede en Toronto que fabrica sus equipos en su propia fábrica integrada verticalmente en China. La subestación compacta tipo pedestal llega a 2,500 kVA en clases de 15 y 25 kV, diseñada según IEEE C37.121, ANSI C57.12.34 / .28 e IEC 62271-202, a 60 Hz. El transformador trifásico tipo pedestal va de 75 a 2,500 kVA con tensiones primarias de 12.47 a 34.5 kV. En ambos equipos, la certificación UL (cULus) / CSA o NOM/ANCE está disponible bajo solicitud. La red de tierras, su cálculo y su medición forman parte del proyecto en sitio y del dictamen de la UVIE, no del suministro del equipo.

El plazo de entrega es de 16 a 24 semanas para equipos fabricados según normas norteamericanas (ANSI/IEEE); hasta 36 semanas cuando el pedido requiere una nueva certificación cULus/CSA, y unas 12 semanas en promedio para equipos de catálogo IEC/CE. La garantía mínima es de 36 meses; el plazo exacto se fija por producto. Para comparar el presupuesto completo de la obra, vea cuánto cuesta una subestación eléctrica, los transformadores y subestaciones o la gama de subestaciones y distribución de energía. Envíe kVA, tensión de CFE y datos del patio por contacto; el área de ingeniería de Entogo responde en un día hábil (una respuesta, no una cotización).

En resumen: la NOM-001-SEDE-2012 fija el techo de resistencia (25, 10 o 5 Ω), pero la seguridad la decide la tensión de contacto. Mida la resistividad, diseñe la malla, calcule E_m con la corriente de falla real, elija la capa superficial y mida la red terminada, de preferencia en estiaje.