Iniciar sesión

Ingresá tus credenciales para acceder al sistema de cálculo de puesta a tierra.

Datos de entrada
Subestaciones Eléctricas — Puesta a Tierra
Listo

Bienvenido a GND·CAL

BETA

Sistema de cálculo, verificación y optimización de sistemas de puesta a tierra para subestaciones eléctricas, conforme a IEEE Std 80-2013 y IEEE Std 81-2012.

Flujo de trabajo
4 pasos
1
MEDICIONES
Ingresá las mediciones Wenner de campo. El sistema ajusta el modelo de suelo (uniforme o dos capas) por Levenberg-Marquardt siguiendo IEEE 81.
2
CÁLCULO
Ingresá los parámetros de falla y la geometría propuesta. El sistema calcula Rg, GPR, Em y Es, y verifica los límites de IEEE 80.
3
OPTIMIZACIÓN
El optimizador v2 propone diseños más económicos respetando las restricciones del sitio (picas, espacio disponible, capa superficial).
4
INFORME
Generá el informe técnico en PDF con todos los cálculos, gráficas 3D de potencial, tensiones de toque y paso, y la verificación de seguridad.
Empezar

Para comenzar, completá la información del proyecto y luego seguí los módulos del menú lateral en orden. Cada tab tiene ayuda contextual sobre qué datos cargar.

Versión BETA en desarrollo activo. Funcionalidades y comportamiento pueden cambiar en próximas versiones. Para uso profesional, verificá los resultados contra cálculos manuales o herramientas de referencia antes de emitir un diseño final.
Información del proyecto
PROJECT
Denominación de la subestación o instalación. Aparece en la portada del informe.
Profesional responsable del diseño o empresa firmante del informe.
Fecha de emisión del informe técnico.
Dirección física de la instalación o predio.
Código interno o número de expediente administrativo.
Norma técnica de referencia para el diseño. Por defecto: IEEE Std 80-2013.
Instalación eléctrica
ELEC
kV Tensión nominal de la subestación o punto de suministro (en kV).
kW Potencia instalada o de referencia (en kW).
Marca, modelo y número de serie del telurómetro usado en el ensayo.
Fecha del ensayo de resistividad del suelo en campo.
Notas del ensayo: humedad del suelo, tiempo atmosférico, observaciones relevantes.
MEDICIONES DE CAMPO
ρa = 2π·a·R
Modo de entrada: ingrese la resistividad aparente ρa [Ω·m] medida directamente con el instrumento (ej. Metrel MI3295, ABEM Terrameter) en ambas direcciones de perfil X e Y. El sistema calcula el promedio ρa,prom por separación para el ajuste del modelo de 2 capas. Si el instrumento entrega resistencia R [Ω], convierta con: ρa = 2π · a · R
# a (m) PERFIL X — ρa,X (Ω·m) PERFIL Y — ρa,Y (Ω·m) ρa,prom (Ω·m)
0 filas
Curva de sondeo eléctrico vertical
SEV
Agregue mediciones y presione "Calcular modelo de suelo"
Suelo y capa superficial
SOIL
Ω·m
Ω·m
m
Parámetros de falla
FAULT
A
s
X/R:
Frecuencia:
auto
adimensional
°C  
Tabla Df de referencia Ec. 79 IEEE 80
Cable conductor de la malla
IEC 60228
Cobre desnudo (bare copper) — 100% IACS
Sección nominal
Sección transversal
Material
Sección nominal mm²
Diámetro exterior (d) mm  
Construcción hilos × ø
Resistencia CC (20°C) mΩ/m
Masa kg/km
Temp. máx. admisible (Tm) °C
Sección mínima Amin (Ec.43) mm²
Margen térmico instalado
Normas: IEC 60228 Clase 2 (cuerda circular cableada regular) · Parámetros térmicos: IEEE Std 80-2013 Tabla 1 (Cu duro) / Tabla 1 (Cu recocido)
Diseño de la malla
Geometría de la malla GRID
m
m
m
Picas — Electrodos verticales RODS
Disposición de picas
uds. distribuidas en el contorno
m
m (5/8" = 0.0159 m)
Cálculos basados en IEEE Std 80-2013 — Guide for Safety in AC Substation Grounding. Modelo de suelo uniforme, corriente de falla monofásica a tierra, conductor cilíndrico enterrado en semiesfera.
1. Factor de derating Cs
Ec. 27
\[ C_s = 1 - \frac{0.09 \cdot \left(1 - \dfrac{\rho}{\rho_s}\right)}{2 h_s + 0.09} \]
Si \(h_s = 0\) → \(C_s = 1\) (sin capa superficial).
2. Tensiones tolerables
Ec. 29–30
Tensión de toque admisible (V)
\[ E_{\text{toque}} = \frac{(1000 + 1.5 \cdot C_s \cdot \rho_s) \cdot K}{\sqrt{t_f}} \]
Tensión de paso admisible (V)
\[ E_{\text{paso}} = \frac{(1000 + 6 \cdot C_s \cdot \rho_s) \cdot K}{\sqrt{t_f}} \]
\(K = 0.116\) (peso corporal 50 kg) · \(K = 0.157\) (peso corporal 70 kg).
3. Geometría y conductores
\[ n_x = \left\lfloor \frac{L_y}{D_y} \right\rfloor + 1 \qquad n_y = \left\lfloor \frac{L_x}{D_x} \right\rfloor + 1 \]
\[ L_c = n_x \cdot L_x + n_y \cdot L_y \quad A = L_x \cdot L_y \quad L_p = 2(L_x + L_y) \]
\(L_c\) = longitud total de conductores · \(A\) = área de la malla · \(L_p\) = perímetro.
4. N° equiv. conductores n
Ec. 55
\[ n_a = \frac{2 L_c}{L_p} \qquad n_b = \sqrt{\frac{L_p}{4\sqrt{A}}} \]
\[ n = n_a \cdot n_b \]
5. Resistencia de malla Rg (Sverak)
Ec. 52
\[ R_g = \frac{\rho}{L_c} + \frac{\rho}{\sqrt{20A}}\left[1 + \frac{1}{1 + h\sqrt{\dfrac{20}{A}}}\right] \]
\[ GPR = I_g \cdot R_g \qquad I_g = D_f \cdot I_f \]
\(GPR\) = elevación de potencial a tierra · \(I_g\) = corriente máxima de malla.
6. Factor Km — tensión de toque
Ec. 81
\[ D = \sqrt{D_x \cdot D_y} \]
\[ K_m = \frac{1}{2\pi}\left[\ln\left(\frac{D^2}{16 h d} + \frac{(D+2h)^2}{8 D d} - \frac{h}{4d}\right) + \frac{K_{ii}}{K_h}\ln\left(\frac{8}{\pi(2n-1)}\right)\right] \]
\(K_h = \sqrt{1 + h}\) (con \(h_0 = 1\) m de referencia)
\(K_{ii} = 1\) con picas en esquinas/perímetro
\(K_{ii} = 1 / (2n)^{2/n}\) sin picas o solo esquinas
7. Factor Ks — tensión de paso
Ec. 94
\[ K_s = \frac{1}{\pi}\left[\frac{1}{2h} + \frac{1}{D+h} + \frac{1}{D}\left(1 - 0.5^{n-2}\right)\right] \]
8. Factor de irregularidad Ki
Ec. 89
\[ K_i = 0.644 + 0.148 \cdot n \]
9. Tensiones de malla y de paso
Ec. 80, 92
Con picas
\[ L_m = L_c + \left(1.55 + 1.22 \cdot \frac{L_r}{\sqrt{L_x^2 + L_y^2}}\right) \cdot N_r \cdot L_r \]
\[ E_m = \frac{\rho \cdot K_m \cdot K_i \cdot I_g}{L_m} \]
\[ L_s = 0.75 \cdot L_c + 0.85 \cdot N_r \cdot L_r \]
\[ E_s = \frac{\rho \cdot K_s \cdot K_i \cdot I_g}{L_s} \]
10. Sección mínima del conductor
Ec. 37
\[ A_{\min}\ [\text{mm}^2] = \frac{I_f / 1000}{\sqrt{\dfrac{TCAP \cdot 10^{-4}}{t_c \cdot \alpha_r \cdot \rho_r} \cdot \ln\left(\dfrac{K_o + T_m}{K_o + T_a}\right)}} \]
\(K_f = 226\) (Cu recocido) · \(K_f = 200\) (Cu duro) · \(K_f = 170\) (Cu-acero) · \(K_f = 80\) (acero galv.).
11. Criterio de aprobación
\[ E_m \le E_{\text{toque}} \qquad E_s \le E_{\text{paso}} \qquad A_{\text{inst}} \ge A_{\min} \]
Tensión de toque segura · Tensión de paso segura · Conductor térmicamente correcto.
Documentación del módulo Ensayo Wenner basada en IEEE Std 81-2012Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground Impedance, and Earth Surface Potentials of a Grounding System. Método de 4 puntos (Wenner), modelo de dos capas (Sunde/Tagg) y ajuste Levenberg-Marquardt.
1. Método de medición Wenner (4 electrodos)
IEEE 81 §5.3

Cuatro electrodos colineales con separación uniforme a. Los electrodos exteriores (C₁, C₂) inyectan corriente; los interiores (P₁, P₂) miden la diferencia de potencial.

\[ \rho_a = 2\pi \cdot a \cdot R \]
\(\rho_a\) = resistividad aparente [Ω·m] · \(a\) = separación entre electrodos [m] · \(R = V/I\) = resistencia medida [Ω]
Profundidad de investigación:a (conservador) o a/2 (estricto). Con amax=4m, la profundidad máxima investigada es ~2–4 m.
2. Modelo de dos capas — Sunde/Tagg
IEEE 81 Annex G

Suelo aproximado como semiespacio de dos capas horizontales: capa 1 (ρ₁, espesor h₁) sobre capa 2 (ρ₂, espesor infinito).

\[ \rho_a(a) = \rho_1 \left[ 1 + 4 \sum_{n=1}^{\infty} K^n \cdot f(n, h_1, a) \right] \]
Función \(f\) y coeficiente de reflexión
\[ f(n,h_1,a) = \frac{1}{\sqrt{1+\left(\frac{2nh_1}{a}\right)^2}} - \frac{1}{\sqrt{4+\left(\frac{2nh_1}{a}\right)^2}} \] \[ K = \frac{\rho_2 - \rho_1}{\rho_2 + \rho_1} \quad (-1 \le K \le 1) \]
K > 0 (H-type)
ρ₂ > ρ₁ — subsuelo resistivo.
Suelos secos sobre roca.
K < 0 (HA-type)
ρ₂ < ρ₁ — subsuelo conductivo.
Suelos húmedos bajo roca seca.
Convergencia: Serie truncada en n=25. Para |K|≤0.999, el término K²⁵<10⁻¹⁰ con K<0.97. Criterio adicional: |Kⁿ| < 1×10⁻¹⁰.
3. Algoritmo Levenberg-Marquardt
IEEE 81

Ajuste de (ρ₁, ρ₂, h₁) al conjunto de mediciones por mínimos cuadrados no lineales.

Función objetivo — RMSE relativo (IEEE 81)
\[ \text{RMSE} = \sqrt{\frac{1}{N}\sum_{i=1}^{N}\left(\frac{\rho_{a,\text{calc}}(a_i) - \rho_{a,\text{meas}}(a_i)}{\rho_{a,\text{meas}}(a_i)}\right)^2} \]
Jacobiana numérica
\[ J_{ij} = \frac{r(\theta + \varepsilon \cdot e_j) - r(\theta)}{\varepsilon} \quad (\varepsilon = 10^{-4}) \]
Ecuaciones normales (Marquardt)
\[ \left(J^T J + \lambda \cdot \text{diag}(J^T J)\right) \Delta\theta = -J^T r \]
Control adaptativo de λ:
Si RMSE(θ+Δθ) < RMSE(θ): aceptar, λ ← λ/10
Si no: rechazar, λ ← λ×10
Parámetros del solver: Max. iter: 999 · λ₀: 1×10⁻³ · λmin: 1×10⁻¹² · λmax: 1×10¹² · Convergencia: ‖Δθ‖ < 1×10⁻⁸. Operación en log-espacio (θ = [ln ρ₁, ln ρ₂, ln h₁]) para garantizar positividad.
4. Inicialización adaptativa (multi-start)

El LM es un optimizador local — depende del punto de inicio. El sistema detecta la forma de la curva ρa vs a y elige múltiples semillas.

Suelo uniforme (ratio < 1.3)
ρa_max/ρa_min < 1.3
→ Inicio 1: (ρ_media, ρ_media, a_min)
→ Inicio 2: (ρ_media·0.9, ρ_media·1.1, a_min)
Suelo estratificado (ratio ≥ 1.3)
ρa_max/ρa_min ≥ 1.3
→ Inicio 1: (ρ_primero, ρ_último, a_min)
→ Inicio 2: (ρ_último, ρ_primero, a_min)
→ Inicio 3: (ρ_media, ρ_media, a_min)

Corre LM desde todas las semillas y retorna el resultado de menor RMSE que cumpla las restricciones físicas.

5. Restricciones físicas
h₁ ∈ [ a_min / 4 , a_max ]
Cota inferior: a_min/4 — por debajo, la capa no afecta las mediciones.
Cota superior: a_max — la profundidad de investigación del ensayo. Postular capas más profundas es extrapolación sin sustento.
Opción "Fijar h₁ por datos geológicos": Si se conoce el espesor de la capa superior por perforación o testigo geotécnico, es posible fijar h₁. El optimizador entonces solo busca (ρ₁, ρ₂).
6. Interpretación del perfil para IEEE 80
|K| < 0.05 — Uniforme
Usar ρ equivalente (media geométrica) directamente como ρ de diseño en IEEE 80. El modelo de 1 capa es suficiente.
K > 0.15 — H-type
Usar ρ₁ como resistividad de diseño (capa donde va la malla). El subsuelo resistivo no aporta.
K < −0.15 — HA-type
Considerar ρ₁ con corrección por capa 2. El subsuelo conductivo ayuda a la dispersión de corriente.

El botón "Aplicar modelo 2 capas → Datos de entrada" transfiere ρ₁ como resistividad de diseño y ρs=ρ₂ como capa superficial (si aplica).

7. Configuración bidireccional

Para sitios anisótropos o heterogéneos se realizan mediciones en dos perfiles ortogonales (X, Y) para cada separación. El sistema calcula ρa,X y ρa,Y y su promedio para cada a. El ajuste opera sobre los promedios (un punto por separación), siguiendo la práctica estándar de laboratorios y la metodología IEEE 81.

8. Referencias normativas
[1] IEEE Std 81-2012, IEEE Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground Impedance, and Earth Surface Potentials of a Grounding System. IEEE, 2012.
[2] IEEE Std 80-2013, IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding. IEEE, 2013.
[3] E. D. Sunde, Earth Conduction Effects in Transmission Systems. Van Nostrand, 1949. Cap. 3.
[4] G. F. Tagg, Earth Resistances. Pitman, 1964.
[5] D. Marquardt, "An algorithm for least-squares estimation of nonlinear parameters," J. Soc. Ind. Appl. Math., vol. 11, pp. 431–441, 1963.
[6] K. Levenberg, "A method for the solution of certain non-linear problems in least squares," Q. Appl. Math., vol. 2, pp. 164–168, 1944.
Ingrese los datos en la pestaña Datos de entrada y presione Calcular sistema
Ejecute el cálculo primero para generar los gradientes 3D de potencial.
El informe completo se genera automáticamente al calcular el sistema.
Restricciones del sitio — qué es viable en este emplazamiento
SITIO
Optimizador v2 — respeta restricciones del sitio y busca mínimo costo
V2
Em ≤ Etouch × 100%
Es ≤ Estep × 100%
Configurá las restricciones del sitio arriba y ejecutá el optimizador v2.
No se encontraron resultados para la búsqueda.

1. Introducción

¿Qué es GND·CAL?

GND·CAL es un sistema de cálculo y diseño de puesta a tierra para subestaciones eléctricas, basado en la norma IEEE Std 80-2013 (Guide for Safety in AC Substation Grounding). Permite calcular tensiones de toque y paso, verificar criterios de seguridad, y generar informes técnicos completos.

Normas de referencia

  • IEEE Std 80-2013 — Diseño de sistemas de puesta a tierra en subestaciones AC
  • IEEE Std 81-2012 — Medición de resistividad del suelo y potenciales de superficie
  • IEC 60228:2004 — Conductores de cables aislados

Flujo de trabajo general

El flujo típico de trabajo es:

  • Paso 1: Completar los datos del proyecto (pestaña Proyecto)
  • Paso 2: Ingresar mediciones de campo Wenner y calcular el modelo de suelo
  • Paso 3: Configurar los parámetros de entrada (suelo, falla, geometría, conductor)
  • Paso 4: Ejecutar el cálculo IEEE 80 (botón "Calcular sistema")
  • Paso 5: Revisar resultados, verificar criterios de seguridad
  • Paso 6: Generar el informe técnico PDF
  • Paso 7: Guardar el proyecto para futuras consultas

2. Datos del proyecto

La pestaña Proyecto permite registrar la información administrativa de la subestación y del ensayo de campo. Estos datos aparecen en la portada del informe técnico.

Campos principales

  • Nombre del proyecto: identifica la subestación o instalación
  • Ingeniero responsable: nombre del profesional a cargo del diseño
  • Fecha del proyecto: fecha del cálculo/informe
  • Dirección: ubicación física de la subestación
  • Referencia / expediente: código interno del proyecto
  • Norma aplicable: por defecto IEEE Std 80-2013
  • Tensión nominal (kV): nivel de tensión de la subestación
  • Instrumento de medición: marca, modelo y serie del telurómetro
Todos los campos son opcionales para el cálculo, pero se recomienda completarlos para generar un informe profesional con trazabilidad completa.

3. Ensayo Wenner — Mediciones de campo

La pestaña Ensayo Wenner permite ingresar las mediciones de resistividad aparente del suelo realizadas en campo con el método de 4 electrodos (IEEE Std 81).

Cómo ingresar mediciones

  • Seleccione la disposición de electrodos (cruz ortogonal o en L) antes de ingresar datos
  • El sistema espera valores de resistividad aparente ρa (Ω·m) directamente
  • Ingrese la separación a (m) y los valores ρa,X y ρa,Y para cada dirección
  • El sistema calcula automáticamente el promedio por fila
  • Para agregar filas, haga clic en la fila fantasma (opaca) al final de la tabla

Cargar ejemplo

El botón "Cargar ejemplo" carga datos de referencia para probar el sistema rápidamente.

Si su instrumento entrega resistencia R (Ω) en vez de ρa, convierta manualmente: ρa = 2π · a · R

4. Modelo de suelo — Ajuste de 2 capas

Después de ingresar las mediciones Wenner, presione "Calcular modelo de suelo" para ajustar un modelo geoeléctrico de dos capas (Sunde/Tagg).

Resultados del ajuste

  • ρ₁ (Ω·m): resistividad de la primera capa
  • h₁ (m): espesor de la primera capa
  • ρ₂ (Ω·m): resistividad de la segunda capa (semiespacio)
  • RMSE (%): error del ajuste — menor es mejor (<5% excelente, <15% aceptable)
  • K: coeficiente de reflexión — indica el tipo de estratificación

Aplicar modelo a datos de entrada

Use los botones en la card del modelo para transferir los parámetros del suelo a la pestaña de datos de entrada. El modo "Aplicar modelo completo" asigna ρ₁ como capa superficial y ρ₂ como suelo nativo.

5. Datos de entrada IEEE 80

Parámetros del suelo

  • ρ (Ω·m): resistividad del suelo nativo (uniforme o del modelo Wenner)
  • ρs (Ω·m): resistividad de la capa superficial (grava, concreto, etc.)
  • hs (m): espesor de la capa superficial
  • Tipo de superficie: seleccione el material o "Sin capa superficial"

Parámetros de falla

  • If (A): corriente de falla máxima
  • tf (s): duración de la falla (tiempo de despeje)
  • Df: factor de decremento (se calcula automáticamente según X/R y frecuencia)
  • Peso corporal: 50 kg (conservador) o 70 kg (operadores)

Geometría de la malla

  • Lx, Ly (m): dimensiones de la malla
  • Conductores intermedios: use los botones +/- para agregar conductores en X e Y. El espaciado Dx/Dy se calcula automáticamente.
  • h (m): profundidad de enterramiento

Picas (electrodos verticales)

  • Contorno: picas distribuidas en el perímetro
  • Intersecciones: una pica en cada nodo de la malla (recomendado)
  • Solo esquinas: 4 picas en las esquinas

Cable conductor

Seleccione la sección nominal del catálogo IEC 60228 y el material (Cu duro, Cu recocido, etc.). El sistema calcula la sección mínima por criterio térmico (Ec. 43 IEEE 80).

6. Cálculo y resultados

Ejecutar el cálculo

Presione el botón verde "Calcular sistema" (esquina inferior derecha) para ejecutar el cálculo IEEE 80 completo. El sistema calcula automáticamente todos los coeficientes y verifica los criterios de seguridad.

Indicadores principales (KPI)

  • Rg (Ω): resistencia de puesta a tierra de la malla
  • GPR (V): elevación de potencial de tierra
  • Em (V): tensión de malla (toque) — debe ser ≤ Etoque
  • Es (V): tensión de paso — debe ser ≤ Epaso

Criterios de aprobación

El diseño se aprueba cuando se cumplen simultáneamente: Em ≤ Etoque, Es ≤ Epaso, y Ainst ≥ Amin (criterio térmico del conductor).

Optimizador automático

Si el diseño no cumple, el sistema propone automáticamente soluciones: reducir espaciado, aumentar picas, aumentar longitud de pica, o cambiar capa superficial.

7. Gradientes 3D

La pestaña Gradientes 3D muestra la distribución de potencial en la superficie del terreno.

Gráficos disponibles

  • Potencial V(x,y): distribución de voltaje en superficie
  • Tensión de toque: con plano límite Etoque
  • Tensión de paso: con plano límite Epaso
  • Vista fusionada: malla + suelo + gradiente en un solo gráfico

Controles

  • Aplanar superficie: slider para comprimir la vista vertical (3D → plano)
  • Opacidad: controla la transparencia de capas en la vista fusionada
  • Use el mouse para rotar (click + arrastrar), zoom (scroll) y pan (click medio)

8. Informe técnico PDF

Presione el botón azul "Informe PDF" para generar un informe técnico completo.

Contenido del informe

  • Portada con datos del proyecto
  • Parámetros de diseño (suelo, falla, malla, conductor)
  • Resultados con fórmulas desarrolladas
  • Verificación de criterios de seguridad
  • Gráficos de la malla y gradientes
  • Ensayo Wenner (si se realizó)
  • Referencias normativas
El informe se abre en una ventana nueva. Use Ctrl+P para imprimir o "Guardar como PDF" desde el navegador.

9. Guardar y abrir proyectos

Guardar

El botón "Guardar" en el sidebar almacena todos los datos del proyecto en la base de datos: parámetros de entrada, mediciones Wenner, resultados del cálculo, y configuración del conductor.

Abrir

El botón "Abrir" muestra una lista de proyectos guardados. Al seleccionar uno, se restauran todos los datos y se regeneran los resultados.

Indicador de proyecto

El nombre del proyecto activo se muestra en la barra superior cuando hay un proyecto guardado o cargado.

El primer guardado crea un proyecto nuevo. Los siguientes guardados actualizan el mismo proyecto (mismo ID).

10. Referencia rápida

Ecuaciones IEEE 80 implementadas

Ec.NombreFórmula
27Factor CsCs = 1 − 0.09·(1−ρ/ρs) / (2hs+0.09)
29Tensión toqueEtoque = (1000+1.5·Cs·ρs)·K / √tf
30Tensión pasoEpaso = (1000+6·Cs·ρs)·K / √tf
52Resistencia RgRg = ρ/LT + ρ/√(20A)·[1+1/(1+h√(20/A))]
80Tensión malla EmEm = ρ·Km·Ki·Ig / Lm
92Tensión paso EsEs = ρ·Ks·Ki·Ig / Ls
43Sección mínimaAmin = If·√(tc·αr·ρr / [TCAP·ln((K0+Tm)/(K0+Ta))])

Materiales de conductor

MaterialKfTm (°C)
Cobre recocido2261084
Cobre duro comercial2001084
Cobre-acero170800
Acero galvanizado80620

Capas superficiales típicas

Materialρs (Ω·m)
Concreto2 000
Grava triturada3 000
Grava seca10 000
Asfalto10 000 000
Sin capa superficial