1. Información general
1.1 Alcance
Los métodos de ensayo y las técnicas utilizadas para medir las características eléctricas del sistema de puesta a tierra incluyen los siguientes temas: a) Establecer condiciones de seguridad para las pruebas. b) Medición de resistividad de la tierra c) Medición de la resistencia o impedancia del sistema de tierra a la frecuencia industrial para tierra remota d) Medición de la impedancia transitoria (de impulso) del sistema de tierra a la tierra remota e) Medición de tensiones de paso y contacto f) Verificación de la integridad del sistema de puesta a tierra g) Análisis de los métodos y procedimientos comunes para la realización de ensayos de tierra h) Análisis de las características y limitaciones de la instrumentación i) Análisis de los diversos factores que pueden distorsionar las mediciones de prueba.
1.2 Propósito
El propósito de esta guía es presentar métodos de instrumentación prácticos, que se puedan utilizar para la medición de la resistividad del terreno, de la impedancia a la tierra remota, de las tensiones de paso y contacto, y de la distribución de corriente en las redes de tierra asociadas a las instalaciones de servicios eléctricos. Estas redes suelen consistir en sistemas de puesta a tierra interconectados, que varían en complejidad, desde un par de varillas de tierra, a grandes redes con muchas varillas o pozos de tierra, conductores enterrados, y conexiones a tierra externas. Las Conexiones de tierra externas pueden incluir: blindaje de cables a tierra, fundas de cables subterráneos, neutros generales, contrapesos, conductores lazo de la malla, tubos metálicos, y otras conexiones que proporcionan caminos adicionales a la tierra remota. Esta guía está pensada para ayudar al ingeniero o técnico en la obtención e interpretación de datos en forma precisa, fiable. Los factores que influyen en la elección de los instrumentos se discuten junto con una presentación de técnicas de campo para diferentes tipos de mediciones. Estos factores incluyen: el propósito de la medición, la precisión requerida, los tipos de instrumentos disponibles, las posibles fuentes de error, y
la naturaleza del sistema de tierra o de puesta a tierra bajo prueba. También se describen los procedimientos de prueba que buscan la seguridad de personas y bienes, y se busca minimizar las interferencias de funcionamiento con instalaciones vecinas.
2 Referencias normativas
El siguiente documento es indispensable para la aplicación de este documento (es decir, tiene que ser entendido y usado, por lo que cada documento referenciado citado en el texto se cita en el texto y se explica su relación con este documento). Para las referencias con fecha, sólo se aplica la edición citada. Para referencias no fechadas se aplica la última edición del documento de referencia (incluyendo cualquier modificación o corrección): IEEE Std 80TM, IEEE Guía para la Seguridad en la puesta a tierra en Subestaciones de C.A.
2. Definiciones
Para los efectos de este documento, se aplican los siguientes términos y definiciones. (Se debe consultar el Diccionario en línea de normas de IEEE para los términos no definidos en este clausula.)³ Resistividad aparente de la tierra : La resistividad equivalente, en general de un volumen de terreno con propiedades variables. Unión (Equipotencializacion): Interconexión eléctrica de partes conductoras, diseñada para mantener un potencial eléctrico común. Contrapeso (líneas aéreas) (protección contra rayos): un conductor o sistema de conductores, por lo general dispuesto por debajo de una línea de transmisión o distribución, que se encuentra normalmente por debajo de la superficie de la tierra, y conectado al sistema de tierra de las torres o postes de soporte de la línea. Acoplamiento: La asociación de dos o más circuitos o sistemas, de tal manera que la energía o la señal de la información se transfiere de una a otra. Diferencia de potencial eléctrico : La energía potencial por unidad de carga entre dos puntos en un campo eléctrico
Línea equipotencial o contorno : El lugar geométrico de puntos que tienen el mismo potencial en un momento dado. Tierra: Una conexión conductora, ya sea intencional o accidental, por la cual un circuito o equipo eléctrico está conectado a la tierra o algún cuerpo conductor de magnitud relativamente grande que sirve como punto de tierra. Corriente de tierra: Una corriente que entra o sale de la tierra, o un equivalente que funciona como tierra. Electrodo de tierra: Un conductor incrustado en la tierra que se utiliza para colectar la corriente de tierra o para disipar la corriente de tierra, a la tierra. Malla de tierra: Un sistema de electrodos de tierra interconectados dispuestos en un patrón sobre un área especificada y enterrado debajo de la superficie de la tierra. Impedancia de tierra: La suma vectorial de la resistencia y la reactancia entre un electrodo de tierra, una malla o un sistema, y la tierra remota. Elevación potencial de tierra (GPR): El potencial eléctrico máximo que un electrodo, malla o sistema de tierra, podría alcanzar respecto a un punto de conexión a tierra distante, que se supone está en el potencial de tierra remota. NOTA-En condiciones normales, el equipo eléctrico conectado a tierra funciona cerca de potencial de tierra cero. Esto es, el potencial de un conductor neutro a tierra es casi idéntico al potencial de la tierra remota. Durante una falla a tierra, la porción de corriente de falla que es conducida por la malla de tierra a la tierra hace aumentar el potencial de la malla con respecto a la tierra remota. Resistencia de tierra: La impedancia, con exclusión de reactancia, entre un electrodo de tierra, o el sistema de malla y la tierra remota. Téngase en cuenta que algunas secciones de esta guía se refieren a impedancia de tierra como la resistencia de tierra, si la parte reactiva de la impedancia se considera insignificante. Circuito de retorno a tierra: Un circuito en el que se utiliza la tierra, o un cuerpo conductor equivalente, para completar el circuito y permitir la circulación de corriente hacia o desde la fuente de corriente. Conectado a tierra (puesto a tierra): Un sistema, circuito o aparato dotado de una tierra(s) para los efectos de establecer un circuito de retorno a tierra y para mantener su potencial aproximadamente al potencial de tierra. Sistema de puesta a tierra : Comprende todas las instalaciones de puesta a tierra interconectadas en un área específica. Resistencia mutua de los electrodos de tierra : es igual a la variación de potencial eléctrico en un electrodo producido por un cambio de corriente en otro electrodo, expresado en ohmios. Perfil (curva de gradiente) de potencial : Es una gráfica de potencial de un sistema, como función de la distancia, a lo largo de una ruta especifica.
Tierra remota: Es un concepto teórico que se refiere a un electrodo de tierra de impedancia cero, situado una distancia infinita de la tierra bajo prueba. En la práctica, se aproxima a la tierra remota cuando la resistencia mutua entre el suelo bajo prueba y el electrodo de prueba es insignificante. La tierra remota normalmente se considera que tiene potencial cero. Resistencia del suelo (tierra): Una medida de la cantidad que un volumen de suelo resistirá a una corriente eléctrica. Por lo general se expresa en ohm-metros. Tensión de paso: La diferencia en el potencial de la superficie que podría ser experimentada por una persona entre dos puntos a una distancia de 1 metro, con los pies, sin hacer contacto con cualquier objeto conectado a tierra. Gradiente de potencial superficial : La pendiente de un perfil de potencial, la trayectoria que intersecta líneas equipotenciales en ángulo recto. Tensión de contacto: La diferencia de potencial entre la elevación de potencial de tierra (GPR) de una red o sistema de puesta a tierra y el potencial de superficie en la que una persona puede estar de pie y al mismo tiempo tener una mano en contacto con una estructura u objeto conectado a tierra. Las mediciones de tensión de contacto pueden ser en "circuito abierto" (Sin la resistencia del cuerpo equivalente incluida en el circuito de medición) o en "circuito cerrado" (con la resistencia del cuerpo equivalente incluida en el circuito de medición). Tensión transferida: Es un caso especial de la tensión de contacto, cuando una tensión es transferida dentro o fuera de las proximidades de un electrodo de tierra desde o hacia un punto remoto externo al electrodo de tierra.
4. Propósitos de las pruebas . 4.1 Medida de la resistividad de la tierra.
Las mediciones de resistividad de la tierra se usan para conseguir: a) Calcular la impedancia de tierra de un sistema de puesta a tierra b) Estimar los gradientes de potencial, incluyendo las tensiones de paso y contacto. c) Calcular el acoplamiento inductivo entre circuitos eléctricos y de comunicaciones cercanos. d) Diseñar sistemas de protección catódica e) Diseñar la mitigación de la corriente alterna (AC) para el acoplamiento entre líneas de transmisión y tuberías (oleoductos, gasoductos) f) Llevar a cabo estudios geológicos
4.2 Medidas de impedancia y de gradiente de potencial
La medición de la resistencia o de impedancia de tierra y los gradientes de potencial en la superficie de la tierra debido a las corrientes de tierra se usan para: a) Verificar si un nuevo sistema de puesta a tierra es adecuado. b) Detectar cambios en un sistema de puesta a tierra existente c) Identificar tensiones peligrosas de paso y de contacto d) Determinar el GPR para diseñar las protecciones para circuitos eléctricos y de comunicaciones 5. Medidas de seguridad durante la realización de pruebas de tierra. 5.1 Pruebas de electrodo de tierra
PELIGRO Puede existir una tensión mortal entre el electrodo de tierra bajo prueba y la tierra remota Una tensión letal puede existir entre el electrodo de tierra bajo prueba y la tierra remota durante condiciones rutinarias, o si se produce una falla del sistema de potencia que involucre a la tierra de la estación, mientras que están siendo llevadas a cabo las pruebas de tierra. La elevación del potencial de tierra puede estar en el orden de los varios miles de voltios. También pueden ser letales las tensiones de paso y contacto alrededor del electrodo de tierra bajo prueba, o de los equipos de prueba, y las tierras remotas. Un plan de prueba se desarrolla y se revisa normalmente con el personal de prueba involucrado. Deben implementarse reglas de seguridad adecuadas. Dado que los electrodos de corriente y potencial se encuentran en puntos que representan a la tierra remota, los conductores de estos electrodos se tratan como si pudiera existir una posible tensión entre los cables de prueba y cualquier punto en la malla de la instalación de tierra. La principal área de preocupación se refiere a fallas del sistema o a la caída de rayos, los cuales pueden causar tensiones de varios miles de voltios entre la tierra de la instalación y los puntos remotos. También es importante comprender que la señal de prueba que se inyecta en un electrodo de corriente remoto puede también resultar en tensiones de contacto significativas. Las siguientes precauciones pueden reducir estos riesgos, aunque también podrían ser necesarias otras medidas de precaución:
a) No está permitido usar las manos u otras partes del cuerpo para completar el circuito entre los puntos de posible diferencia de potencial alta. Guantes y calzado dieléctricos pueden reducir los peligros asociados al manejo de cables de prueba que se extienden fuera de la malla de tierra. b) Los cables y electrodos de prueba expuestos deben estar separados de los trabajadores y el público en general, antes de la aplicación de tensiones de prueba. Los cables y electrodos de ensayo expuestos también se separan de los trabajadores y el público antes de conectar los cables a una red de estación de tierra u otros sistemas de puesta a tierra, que pudieran estar expuestos a corrientes de falla del sistema de tierra c) Se debe emitir una señal para periodos cortos de prueba, y todos los cables de prueba deben ser retirados inmediatamente después de que la prueba se termine. d) Si las sondas remotas de corriente y potencial no están a la vista del personal de prueba, o si la prueba de cables se realiza en una zona accesible para el público, estos puntos deben estar bajo continua observación, usando un observador que este en contacto por radio con el operador del equipo de ensayo, siempre y cuando la señal de prueba aplicada o potenciales remotos tengan más de 50 V. Uno o más cables de prueba que están conectados eléctricamente a una malla de tierra puede causar una transferencia de potencial bajo condiciones de falla que superarían 50 V, y sería necesario un observador, mientras los cables de prueba estén conectados a la malla de tierra. e) Si los extremos no puestos a tierra de los cables de prueba van en paralelo con una línea energizada por varios cientos de metros, se puede inducir una tensión peligrosa en los conductores de prueba, si fluyen corrientes grandes por la línea energizada. Este problema puede ser mitigado ya sea mediante la orientación física de los conductores de prueba, la puesta a tierra, o ambos. 5.2 Pruebas de continuidad a tierra de pararrayos.
Las pruebas de continuidad a tierra de pararrayos requieren de un cuidado especial, por las siguientes razones: a) La base del descargador de sobretensión puede acercarse a las tensiones de línea si se desconecta el cable de tierra mientras que el terminal principal permanece activado. Nunca, por ninguna razón, desconecte la tierra de un descargador de tensión mientras que el terminal principal permanezca conectado a una línea energizada. b) Corrientes de rayo o conmutación (suicheo) extremadamente altas y de corta duración pueden ser descargadas a tierra y pueden ser superiores a 50 000 A. c) Puede ocurrir una falla del sistema si un descargador de sobretensión falla durante la prueba.
Pueden probarse los conductores de tierra de los descargadores de sobretensión, siempre y cuando que se tengan suficientes precauciones de seguridad. 5.3 Pruebas de neutro y cable blindado a tierra.
Desconectar el neutro y los cables blindados puede generar tensiones peligrosas. Este peligro puede ocurrir aun si la línea está desconectada, debido al flujo de corriente a través de los hilos de blindaje interconectadas, o por acoplamiento con otros circuitos energizados. Usar procedimientos de trabajo adecuados puede mitigar estos riesgos. 5.4 Prueba de Equipo con neutro a tierra.
Pueden presentarse altas tensiones y posible daño a las personas y / o daños en el equipo, si se desconecta el neutro de un equipo energizado. 6. Consideraciones generales sobre los problemas relacionados con la medición. 6.1 Complejidades.
Las mediciones de resistividad del terreno, de impedancias de tierra, y de gradientes de potencial de la tierra, pueden introducir una serie de complejidades que no se encuentran en otras mediciones de resistencia, impedancia, o potencial. En algunas situaciones, puede que sea necesario llevar a cabo varias mediciones para trazar tendencias y analizar la situación. Corrientes parásitas y otros factores pueden interferir con las mediciones. Con el desarrollo y el crecimiento industrial adyacente a subestaciones de energía, la elección de un modelo adecuado, o la ubicación de sondas de prueba para hacer una prueba de resistencia se está volviendo cada vez más difícil. La conexión de cables aéreos de tierra, cubiertas de cables, tuberías de agua enterradas, vías férreas, sistemas de transporte adyacentes, y otros, pueden tener un efecto sobre el circuito eléctrico bajo prueba y pueden introducir errores significativos. También hay que señalar que los cables de tierra aéreos pueden aislarse, ya sea deliberadamente o por malas conexiones, y por lo tanto, las pruebas de baja tensión pueden dar respuestas diferentes a partir de pruebas de fallas reales. Para mejorar la precisión de la medición, para compararlas con los valores calculados, las mediciones de la impedancia de la tierra se pueden realizar antes de la interconexión de cables protectores externos, tubos metálicos, y otras interferencias externas.
La impedancia de una malla de tierra normalmente disminuirá ligeramente a medida que la tierra se asienta hacia una compactación uniforme, luego de un año o más, posteriores a la instalación. 6.2 Electrodos de prueba.
Varios métodos de medición de impedancia de tierra de los descritos de la Cláusula 7 a la Cláusula 12 requieren el uso de electrodos de prueba de corriente y tensión. La impedancia de los electrodos de prueba puede tener un efecto significativo sobre la precisión de mediciones de la impedancia. Si una prueba de tierra se realiza utilizando el método de prueba de dos puntos, el error de medición puede minimizarse, si la impedancia del electrodo de prueba es insignificante con respecto al suelo bajo prueba. Por el contrario, para el método de prueba de tres puntos, el error de medición puede ser minimizado si la impedancia del electrodo de prueba es similar en magnitud a la impedancia de la tierra bajo prueba. Obviamente, estas restricciones limitan el uso de tales métodos para casos relativamente pequeños, tales como piscinas de natación residenciales, campos de polo y tierras de pequeñas subestaciones de distribución de baja tensión. En el caso de mediciones de impedancia utilizando el método de caída de potencial, los requisitos de los electrodos de prueba no son tan críticos. Los instrumentos de prueba necesitan suficiente corriente fluyendo en el circuito de prueba para obtener mediciones de prueba precisas y resultados de ensayo fiables. Un conocimiento del circuito de prueba es necesario, ya que es posible que el equipo de prueba produzca corrientes de prueba insuficientes, si la resistencia del electrodo de prueba es demasiado alta. La corriente de prueba insuficiente se define como sigue: a) Corriente inferior a la sensibilidad del instrumento b) Corriente del orden de magnitud de las corrientes parásitas en la tierra c) O las dos cosas a) y b) En el caso a), la única acción correctiva disponible en el sitio de la medición es aumentar la corriente de prueba. Esto se puede hacer ya sea aumentando el potencial de la fuente de alimentación, o por la disminución de las resistencias de los electrodos que participan en el circuito de corriente. El aumento de la tensión de alimentación podría no ser una opción, debido a las limitaciones en el instrumento de medida. Si se utiliza un instrumento con una tensión más alta, debe tenerse cuidado para evitar los potenciales peligrosos en los electrodos y cables de prueba. La mayoría de los instrumentos de prueba suministran una tensión de 50 V o menos.
ADVERTENCIA Si la tensión de ensayo es superior a 50 V, existe un riesgo de descarga eléctrica si alguien toca un conductor energizado. Habitualmente el personal de pruebas debe usar un equipo de protección personal apropiado, y se deben implementan medidas adecuadas para proteger al público de la exposición a una situación potencialmente peligrosa.
A menudo, la manera más eficaz de aumentar la corriente de prueba es disminuir la resistencia del electrodo de corriente. La resistencia del electrodo de prueba puede ser reducida enterrando la barra más profundamente en el suelo, vertiendo agua alrededor de la varilla, o colocando barras adicionales e interconectándolas en paralelo. La adición de sal al agua vertida alrededor de los electrodos de prueba es de muy poco valor; La humedad es el principal requisito. Si un electrodo de corriente está compuesto de barras de tierra paralelas, entonces un espaciamiento adecuado entre las varillas de tierra (no más cerca que la menor longitud del electrodo de corriente) minimizará el impacto de las resistencias mutuas. Los valores máximos de resistencia de los electrodos de corriente y potencial dependerán del tipo de instrumento utilizado. Si están presentes corrientes parásitas cuando se realizan pruebas de corriente continua (DC), la interferencia puede ser mitigada mediante el ajuste de la corriente de prueba a un valor significativamente superior a las corrientes de tierra dispersas (parasitas) de corriente continua. Cuando las pruebas son con señales de corriente alterna AC o periódicamente invertida, la interferencia puede ser mitigada por ajuste de la frecuencia de la señal de prueba a una frecuencia en la que no estén presente las corrientes parásitas, o utilizar una señal de ruido aleatoria Una sonda de potencial con alta resistencia a la tierra remota también puede influir en la medida de tensión leída por el instrumento. Si esta resistencia es del mismo orden de magnitud que la impedancia de entrada del instrumento, entonces la tensión real se divide entre la tensión medida y la tensión a través de la resistencia del electrodo de potencial. En casos con baja resistividad del suelo, la influencia del error es insignificante, pero en el caso de medio ambiente arenoso o suelo rocoso, el usuario podría considerar reducir la resistencia del electrodo para reducir este error. De lo contrario, si prevalece esta influencia, entonces la resistencia indicada será menor que la resistencia real.
6.3 Corrientes directas dispersas (parasitas)
La conducción de la electricidad en el suelo es electrolítica, y la corriente directa resulta en reacciones químicas y diferencias de potencial. Se producen potenciales directos entre diversos tipos de suelo y entre suelo y metal por acción galvánica. Algunas de las principales fuentes de corrientes de DC en el suelo son los sistemas de protección catódica de tuberías, vías férreas de cc y dc, líneas de transmisión, etc. La polarización, los potenciales galvánicos y las corrientes parásitas directas pueden interferir seriamente con las mediciones de corriente continua. Por lo tanto, pueden usarse mediciones con corriente continua invertida periódicamente o tambien una corriente pulsada. Sin embargo, cuando se usa corriente directa invertida periódicamente para mediciones de resistencia, los valores resultantes serán bastante cercanos, pero podrían no ser exactos para aplicaciones de corriente alterna. Las corrientes inducidas por energía solar, que pueden ser cuasi-dc, podrían influir en los resultados de las pruebas. 6.4 Corrientes alternas dispersas (parasitas) Las corrientes alternas dispersas en la tierra, en el sistema de puesta a tierra bajo prueba, y en los electrodos de prueba presentan una complicación adicional. Los efectos de la corriente alterna dispersa pueden ser mitigados en las mediciones de la resistencia, mediante la utilización de una frecuencia que no esté presente en la corriente de fuga, o mediante el uso de una señal de ruido aleatoria. La mayoría de los dispositivos de medición utilizan frecuencias dentro de un rango de 50 Hz a 3400 Hz. A menudo se requiere el uso de filtros o instrumentos de medición de banda estrecha, o ambos, para superar los efectos de corrientes alternas parasitas. 6.5 Componente reactiva de la impedancia de grandes puesta a tierra.
La impedancia de un gran sistema de puesta a tierra puede ser baja (meno s de 1 Ω), pero podría tener un gran componente reactivo. Son necesarias ciertas precauciones para medir la impedancia a frecuencia industrial (normalmente 50 Hz o 60 Hz) de un sistema de puesta a tierra grande. Para tales mediciones, los dispositivos de ensayo se hacen operar a una frecuencia de prueba ligeramente superior o inferior de la frecuencia del sistema de potencia, para obtener mediciones más precisas.
6.6 Acoplamiento entre los cables de prueba.
Puede ocurrir un acoplamiento inductivo entre los componentes de dos o más circuitos de corriente alterna por medio de la inductancia mutua que asocia los dos circuitos. El efecto de acoplamiento entre los cables de prueba llega a ser importante cuando se miden valores bajos de impedancia de tierra. Cualquier tensión producida en el conductor de potencial debido a acoplamiento de corriente que fluye en el cable de corriente se añade directamente a la verdadera tensión y produce un error de medición. El acoplamiento inductivo a 50 Hz o 60 Hz entre dos cables de prueba en paralelo podría ser de hasta 0,1 Ω / 100 m. Como resultado de ello, el error puede ser apreciable , porque la baja impedancia de tierra generalmente se produce en las redes de tierra que cubren grandes áreas, y suelen ser necesarios cables de prueba largos para llegar a la tierra remota. De este modo, el acoplamiento entre los cables de prueba puede introducir grandes errores cuando una malla de tierra que cubre un área grande tiene una impedancia relativamente baja. Por el contrario, una malla de tierra que cubre un área pequeña por lo general tiene una impedancia de tierra relativamente alta, lo que permite cables de prueba más cortos para llegar a la tierra remota. Por lo tanto, los efectos de acoplamiento se puede esperar que sean peores en las mediciones de grandes superficies, y en tierras de baja impedancia. Como regla general, el acoplamiento del cable de prueba es generalmente insignificante en las mediciones de terreno que son de 10 Ω o mayor, es casi siempre muy importante en mediciones de 1 Ω o menos, y puede ser significativo en el rango entre 1 Ω y 10 Ω. El acoplamiento del cable de prueba puede ser minimizado mediante el enrutamiento de manera apropiada los conductores de potencial y corriente. Cuando se prevea en la prueba acoplamiento de conductores, el camino apropiado puede incluir la separación de los cables o cruzar los cables a 90 °. 6.7 Objetos metálicos enterrados
Objetos enterrados parcial o completamente, tales como rieles y tuberías metálicas, situados en el entorno de la tierra que se está probando, tendrán una influencia considerable en los resultados de las pruebas. Cuando se mide por encima de los objetos metálicos enterrados se distorsionan los contornos de potencial de tierra, y se incrementan los gradientes. Siempre que se sospeche la presencia de estructuras metálicas enterradas en la zona donde se llevarán a cabo las mediciones de la resistividad del terreno, y se conozca la ubicación de estas estructuras, pueden ser minimizada la influencia de estos estructuras sobre los resultados de las mediciones de resistividad del suelo, mediante la alineación
de las sondas de prueba en una dirección perpendicular a la ubicación de estas estructuras. Se deben localizar las sondas de prueba lo más lejos lo posible de las estructuras enterradas. 7. Resistividad del terreno. 7.1 Generalidades
Las técnicas para la medición de la resistividad del suelo son esencialmente las mismas para la mayoría de las mediciones. Sin embargo, la interpretación de los datos registrados puede variar considerablemente, sobre todo si se encuentran en suelos con resistividades no uniformes. La complejidad adicional causada por los suelos no uniformes es común, y en solamente unos pocos casos, las resistividades del suelo son constantes al aumentar la profundidad. La resistividad del terreno varía no sólo con el tipo de suelo, sino también con la temperatura, la humedad, el mineral contenido, y la compactibilidad (Figura 1). La literatura indica que los valores de resistividad de la tierra varían desde m enos de 1 Ω-m para el agua del mar, hasta 109 Ω-m para la piedra arenisca. La resistividad de la tierra aumenta lentamente con temperaturas decrecientes desde 25 ° C a 0 ° C. Por debajo de 0 ° C, la resistividad aumenta rápidamente. En el suelo congelado, como en la capa superficial del suelo en invierno, la resistividad puede ser excepcionalmente alta. La tabla 1 muestra los valores de resistividad para diferentes suelos y rocas. Cuadros más detallados están disponibles en IEEE Std 806. Por lo general, hay varias capas de tierra, cada una con una resistividad diferente. También pueden producirse cambios laterales, pero en general, estos cambios son graduales y despreciables en la proximidad de los lugares afectados. En la mayoría de los casos, la medición muest ra que la resistividad ρ es principalmente una función de la profundidad z. Con fines ilustrativos, vamos a suponer que esta función se puede escribir de la siguiente manera:
La naturaleza de la función ø en general no es simple, y, por consiguiente, la interpretación de las medidas consistirá en el establecimiento de una función simple
equivalente ø e, que dará una mejor aproximación. En el caso de circuitos de potencia y de comunicaciones, una configuración de dos capas horizontales y una tierra exponencial, han demostrado ser buenas aproximaciones que pueden ser útiles en la determinación de diseños de sistemas. Algunas publicaciones han demostrado que los gradientes de potencial en la superficie de la tierra, dentro de, o adyacente a un electrodo, son principalmente una función de la resistividad de la tierra vegetal. Por el contrario, la resistencia del electrodo de tierra es principalmente una función de resistividad del suelo profundo. En este caso, la resistividad del suelo profundo se refiere a profundidades de más o menos el diámetro de una sistema horizontal de electrodos o de hasta diez veces la profundidad de electrodos verticales. Esta definición de resistividad de suelo profundo no es válida en aquellos casos extremos en los que el electrodo está enterrado en una capa superficial del suelo de muy alta resistividad.
Figura 1 Variaciones de resistividad de la tierra (A) Sal, (b) Humedad, y (c) Temperatura
Al medir la resistividad del suelo para determinar la impedancia de retorno a tierra (secuencia cero) de una línea de transmisión ac, es importante entender que la impedancia de retorno a tierra es una función del log de la distancia entre un conductor y su vía de retorno equivalente. Esta profundidad de retorno a tierra equivalente es asumida como sobre la base de resistividad del terreno uniforme y relativamente baja frecuencia. Para frecuencias de 50 y 60 ciclos, la profundidad de retorno a tierra equivalente se aproxima a los 1000 m. Para frecuencias más altas, como de línea portadora (~ 150 kHz), de radio o cálculos de impedancia característica, la profundidad de retorno a tierra equivalente es más o menos 20 metros o menos. Por tanto, es importante llevar a cabo, tanto mediciones de resistividad somera como profunda, a lo largo de las líneas de transmisión para proporcionar información adecuada para la determinación de la impedancia de retorno a tierra. Tabla 1 Periodo y formación geológica [B57] Resistividad del terreno ohm-metros
Cuaternario
Cretácico terciario Cuaternario
Carbonífero triásico
Cámbrico Ordovícico devónico
Precámbrico Y combinación Con Cámbrico
1 Agua de mar 10 inusualmente baja
Marga Arcilla Tiza
30 Muy baja
Tiza Trampa Diabasa Esquisto Caliza Arenisca
100 baja 300 Media
Esquisto Caliza Arenisca Dolomita
1000 Alto 3000 muy alta
10 000 Inusualmente alto
Cuarzo arena y grava en capas superficiales
Arenisca Cuarcita Pizarra Granito
7.2 Métodos para medir la resistividad del terreno 7.2.1 Información geológica y muestras de suelos. A menudo, en el lugar donde se va a instalar un sistema de puesta a tierra, se realiza un extenso trabajo geotécnico. Este trabajo implica generalmente la prospección geológica, que puede proporcionar una considerable cantidad de información sobre la naturaleza y la configuración del suelo. Tales datos podrían ser de considerable ayuda al ingeniero de diseño, quien debe tratar de obtener al menos la siguiente información: ⎯ Tipo de suelo en cada capa ⎯ Contenido de humedad ⎯ El pH del suelo ⎯ Profundidad de las aguas subterráneas No se recomienda la determinación de la resistividad del suelo a partir de los valores de la resistencia medida entre las caras opuestas de una la muestra de suelo de dimensiones conocidas, porque las resistencias interfaciales no conocidas del suelo de la muestra y los electrodos están incluidos en el valor medido. La obtención de una aproximación útil de la resistividad del terreno a partir de mediciones de resistividad en muestras es difícil, y en algunos casos imposible. Esto es debido a la dificultad de obtener muestras representativas de suelos homogéneos y en la duplicación de la compactación del suelo original y el contenido de humedad en la célula de prueba. 7.2.2 Variante del método de la profundidad o método de los tres puntos.
En este método, las mediciones de resistencia de tierra se repiten varias veces en correlación con el aumento incremental de la profundidad de la varilla de tierra. El propósito de este método es forzar más la corriente de prueba a través del suelo profundo. El valor de resistencia medida entonces refleja la resistividad aparente para cada profundidad de la varilla. Las varillas de tierra son preferibles para esta medida, ya que ofrecen dos ventajas importantes: a) El valor teórico de la resistencia de la varilla de tierra es fácil de calcular con una precisión adecuada. b) El manejo de las varillas de tierra también da la confirmación de como la profundidad de las varillas se puede manipular durante la instalación.
Una desventaja de este método, es que la varilla podría vibrar al ser manipulada, lo que resulta en un mal contacto con el suelo a lo largo de su longitud, por lo tanto, resulta difícil una conversión a la verdadera resistividad aparente. La variación del método de profundidad proporciona información útil sobre la naturaleza del suelo en las proximidades de la varilla (de cinco a diez veces la longitud de la barra). Para detalles adicionales con respecto a este método, consulte 8.2. Para áreas grandes, diferentes localizaciones de varilla pueden dar una indicación de cambios laterales significativos en la resistencia del suelo. Si se prueba un gran volumen (gran superficie y profundidad) de suelo, entonces puede ser preferible utilizar el método de cuatro puntos porque el manejo de varillas largas podría no ser práctico en algunos suelos. 7.2.3 Método de cuatro puntos
Un buen método para la medición de la resistividad aparente de grandes volúmenes de tierra sin perturbaciones es el método de los cuatro puntos. Se instalan cuatro sondas auxiliares en la tierra, todas a la profundidad b y espaciadas (en línea recta) a intervalos a. Una corriente de prueba se aplica entre las dos sondas externas, y el potencial V entre las dos sondas internas se mide con un potenciómetro o un voltímetro de alta impedancia. Entonces, la relación V / I da la resistencia R en ohmios. Se utilizan a menudo dos variantes diferentes del método de cuatro puntos, como sigue: a) Igualmente espaciadas o Arreglo Wenner. Con esta disposición, las sondas están igualmente espaciadas, como se muestra en la Figura 2 (a). Sea a la distancia entre dos sondas adyacentes. Entonces, la resistividad aparente ρ en términos de unidades de longitud en la que se miden a y b es
En teoría, los electrodos deben ser contactos puntuales o electrodos hemisféricos de radio b. Sin embargo, en la práctica, se colocan cuatro varillas generalmente en línea recta a intervalos a, a una profundidad no superior a 0,1 a. Entonces, el usuario puede asumir b = 0 y la ecuación se convierte
Y resulta la resistividad aparente aproximada del suelo a la profundidad a. Un conjunto de lecturas, tomadas con diferentes separaciones de sonda, proporciona un conjunto de resistividades que, cuando es representada contra la separación, indica si
hay capas distintas de diferente suelo o roca y da una idea de las resistividades y profundidades respectivas (Figura 3).
Figura 2 –Método de Cuatro puntos: (a) Sondas de prueba igualmente espaciadas y (b) Sondas de prueba desigualmente espaciados. b) Espaciados desigualmente o Disposición de Schlumberger-Palmer. Uno de los defectos del método Wenner es la rápida disminución de la magnitud de potencial entre los dos electrodos interiores cuando su separación se aumenta a valores relativamente grandes. Históricamente, los instrumentos eran inadecuados para medir los valores de bajo potencial, aunque la mejoría en la sensibilidad de los modernos equipos de prueba mitiga este inconveniente en cierta medida. Otra desventaja del método Wenner es la necesidad de cambiar la posición de las cuatro sondas para cada profundidad a medir. La disposición que se muestra en la Figura 2 (b) se puede utilizar con éxito para medir la
resistividad del suelo, cuando las sondas de corriente están separados por una gran distancia o para pruebas rápidas con múltiples ubicaciones de la sonda de corriente. Con el método de Schlumberger, las sondas internas se colocan más cercanas y las sondas exteriores se colocan más separadas. A diferencia del método Wenner, que requiere que todas las sondas sean movidas para calcular la resistividad del suelo a diferentes profundidades, en el método de Schlumberger sólo se requiere reposicionar las sondas exteriores para realizar las mediciones posteriores. La reducción del número de reposicionamiento de las sondas para cada prueba hace del método de Schlumberger una alternativa rápida para las pruebas a diferentes profundidades. La ecuación para ser utilizada en este caso se puede determinar fácilmente. Si la profundidad de entierro de los electrodos b es pequeña comparada con su separación d y c, y c> 2d, entonces la medida de resistividad aparente se puede calcular como sigue:
La resistividad calculada por la ecuación (4) es la resistividad aparente a la profundidad aproximada [2c+ D] / 2, que es la distancia desde el centro de la prueba a las sondas de corriente exteriores [Figura 2 (b)].
Figura 3 Curva típica de resistividad
Al igual que la variante del método de la profundidad, el método de cuatro puntos da la resistividad aparente para un volumen de suelo específico, aunque más amplio, Es ventajoso para tomar mediciones a lo largo de varios perfiles en torno el área de interés,
para detectar cambios laterales en la resistividad del suelo, así como para determinar cualquier posible efecto de interferencia en las mediciones debido a objetos conductores cercanos. Otra manera de tener más confianza en que los objetos conductores de la tierra no afectan a las mediciones, es repetir la misma medición en el mismo lugar, pero 90 ° con respecto a la primera. Los valores medidos deben estar correlacionados. 7.3 Interpretación de las mediciones
La interpretación de los resultados obtenidos en campo es quizás la parte más difícil del proceso de medición. Como se ha mencionado en el punto 7.1, la variación de la resistividad del terreno es grande y compleja, debido a la heterogeneidad de la tierra. A excepción de muy pocos casos, es esencial establecer un equivalente sencillo a la estructura de la tierra. Este equivalente depende de los siguientes factores: a) La precisión y el alcance de las mediciones b) El método utilizado c) La complejidad de la matemática utilizada. d) El propósito de las mediciones Para aplicaciones en ingeniería de potencia, el modelo equivalente de dos capas es lo suficientemente preciso en muchos casos, sin ser matemáticamente demasiado complicado. Sin embargo, hay disponibles soluciones computacionales que pueden estimar con eficacia los modelos de suelo de varias capas, para diversas técnicas de medición. 7.3.1 Información geológica y muestras de suelos.
No son necesarias herramientas especiales o ecuaciones matemáticas para interpretar dicha información, que son a menudo dadas en las figuras y tablas proporcionadas por las exploraciones geológicas. Como se muestra en la Tabla 1, es difícil determinar un modelo de suelo preciso de las clasificaciones simples de tipos de suelo. Las clasificaciones simplemente dan una estimación aproximada de la resistividad de diferentes tipos de suelos. 7.3.2 Método de variación de profundidad (véase el anexo B)
Las siguientes interpretaciones suponen que el suelo ensayado es una varilla introducida a diferentes profundidades desde l 1 hasta l n. La Tabla 2 muestra un conjunto de valores medidos. Suponiendo que el radio de la varilla R es pequeño en comparación con l, la ecuación (7) se puede utilizar para calcular una resistividad aparente para cada valor medido. El usuario debe observar que la ecuación (7) se deriva en base a la suposición
de la resistividad uniforme del suelo, por lo que la resistividad aparente es, como mucho, aproximada. La resistencia de tierra de la varilla enterrada en un suelo uniforme está dada por Thug [B60]:
o
Dependiendo de las aproximaciones usadas. Reorganizando para resistividad aparente da:
Para cada longitud L de la varilla, el valor de la resistencia medida R determina el valor de resistividad aparente ρα, que, cuando se representa frente a l, ofrece una ayuda visual para determinar la variación de resistividad con la profundidad de la tierra. Para más claridad, supongamos que las pruebas de campo de la Tabla 2 dieron la curva mostrada en la Figura 4 (a) y la Figura 4 (b). Estas curvas se derivaron matemáticamente para adaptarse a modelos perfectos de suelo de dos capas. Por la inspección de la curva, se puede concluir que la estructura del suelo para la Figura 4 (a) es al menos de dos capas distintas. Para valores pequeños de l (0 a 6 metros), el suelo tiene un valor de resistividad de cerca de 300 Ω-m. La capa más bajo es más conductora. Su valor de resistividad se aproxima a 100 Ω-m. Por lo tanto, un adecuado modelo de suelo de dos capas se puede obtener por inspección visual para este caso. Consideremos ahora la curva de la figura 4 (b). Para este caso, la capa superior del suelo es de aproximadamente 1 00 Ω-m a una profundidad de aproximadamente 6 m. Sin embargo, el valor exacto de la capa inferior no se puede obtener a través de la inspección visual. El valor parece acercarse a 250 Ω-m, pero el valor correcto es 300 Ω-m. Son posibles entonces las siguientes dos soluciones: a) Continuar las mediciones, con varillas enterradas más profundamente en el suelo. b) Utilizar técnicas analíticas para calcular, a partir de los datos medidos, una modelo de resistividad de tierra equivalente.
Tabla 2 - Mediciones esperadas de campo de tres puntos para modelos de suelo de dos capas derivados matemáticamente
Figura 4 Variación de la profundidad derivada matemáticamente de mediciones de campo
Al utilizar métodos analíticos (software) para determinar los parámetros del suelo, es conveniente sustituir la ecuación simple (5) o la ecuación (6), las cuales asumen resistividad de suelo uniforme, con ecuaciones más exactas basadas en modelos de suelo en capas. Entonces, los parámetros del suelo para cada capa se pueden determinar con el fin de obtener el mejor ajuste con las medidas de las resistencias de las varillas enterradas. Mediciones adicionales sin duda ayudarán en la obtención de la resistividad de cada capa. Sin embargo, el espesor de cada capa no siempre es fácil de determinar. Por otra parte, enterrar varillas a gran profundidad puede ser difícil y costoso. La resistencia de una barra en tales modelos de tierra se conoce o se puede calcular fácilmente (véase el anexo A). Utilizando un sencillo programa de computador o simplemente por un método de corte y prueba, se pueden obtener el mejor ajuste de los resultados experimentales (véase el anexo B). Como se ha mencionado, la variación del método de profundidad no puede predecir la resistividad del terreno a grandes distancias de la zona en la que está incrustada la varilla de prueba (distancias mayores de cinco a diez veces la longitud de la varilla usada). Para grandes áreas, diferentes localizaciones de la varilla pueden dar una indicación de cambios laterales significativos en la resistividad del suelo. 7.3.3 Método de los cuatro puntos.
La interpretación del método de cuatro puntos es similar a la del método descrito en 7.3.2. Por ejemplo, en el caso de la disposición Wenner, la resistividad aparente medida se representa contra la separación de electrodos a. La curva resultante indica la estructura del suelo. Una vez más, las profundidades de las diferentes capas pueden no ser fácil de determinar por inspección visual de la curva. Muchos autores dan reglas empíricas rápidas para ayudar a establecer el espesor de capa. Los siguientes son ejemplos: a) El método Gish y Rooney [B32]: A partir de la curva de resistividad, un cambio en la formación, por ejemplo, otra capa, es encontrada a una profundidad igual a cualquier separación de los electrodos en el que se produce un rompimiento o cambio en la curvatura. b) b) El método de Lancaster-Jones [B43]: La profundidad de la capa inferior se toma como dos tercios de la separación de los electrodos en la que se produce el punto de inflexión.
c) c) Zohdy [B63] declaró que hay cinco axiomas que son ciertos acerca de la curvas de resistividad del suelo por sondeo (Graficando resistividad aparente contra separación de la sonda): 1) Las resistividades aparentes computadas son siempre positivas. 2) A medida que la resistividad real aumenta o disminuye con la mayor profundidad, la resistividad aparente también aumenta o disminuye con mayores distancias entre las sondas. 3) El máximo cambio de resistividad aparente se produce a un espaciamiento de sonda más grande que la profundidad a la que se produce el cambio correspondiente en la resistividad real. Por lo tanto, la los cambios en la resistividad aparente siempre se representan a la derecha de la distancia entre sondas correspondiente al cambio de la resistividad real. 4) La amplitud de la curva siempre es menor que o igual a la amplitud de la resistividad real versus la curva de profundidad. 5) En un modelo de múltiples capas, un cambio en la resistividad real de un espesor de capa en un resulta en un cambio similar en la curva de resistividad aparente. Usando estos axiomas como guía, se puede estimar el modelo multicapa apropiado que represente mejor una estructura de suelo en particular, teniendo en cuenta de que las separaciones de las sondas de las curvas de sondeo no corresponden con la profundidad real de cambio de la resistividad, y que las magnitudes de las resistividades aparentes no corresponden con la resistividad real. Por lo general, se utiliza uno de los siguientes modelos de tierra: ⎯ resistividad uniforme ⎯ capas horizontales de resistividades uniformes (véase el anexo A) ⎯ variación exponencial de la resistividad (véase el anexo A) Para cada modelo, se necesita conocer la relación matemática entre la resistividad aparente y los diversos parámetros de tierra, para que sea fácil de calcular. El mejor modelo a utilizar depende de la finalidad de las mediciones. A menudo, un modelo de tierra de dos capas da excelentes resultados. La figura 5 muestra un conjunto derivado matemáticamente de los valores que representan las mediciones de campo igualmente espaciados (Tabla 3) para dos modelos perfectos de tierra de dos capas de suelo. En la Figura 5 (a), las primeras lecturas parecen indicar un cambio de la resistividad del suelo a poca profundidad, a continuación, las lecturas subsiguientes se aproximan al valor correcto de 300 Ω -m, y, finalmente, las lecturas se acercan al valor menor correcto de la resistividad de la capa del suelo de 100 Ω-m. De esta curva, no se puede determinar fácilmente una clara indicación de la profundidad de la capa superior, aunque parece ser algo inferior a 5 m.
Ninguno de los métodos aproximados mencionados anteriormente predice correctamente la profundidad de 6,1 m. En la Figura 5 (b), la profundidad de la capa superior es aún más difícil de predecir. De hecho, no es claro en la Figura 5 (b) que haya un cambio notable en su resistividad del suelo; parece ser un cambio conti nuo a un valor cercano a 300 Ω-m. Los métodos discutidos en el anexo A y anexo B, pueden ser usados para determinar el mejor ajuste de los parámetros del suelo con los modelos de suelo uniforme de dos capas. Alternativamente, existe software disponible que pueden interpretar las medidas en un modelo de suelo apropiado, consistente en un suelo uniforme o en un modelo de varias capas de suelo.
Figura 5, Método de los cuatro puntos igualmente espaciados calculado matemáticamente de mediciones de campo 7.4 Orientación sobre la realización de mediciones de campo. 7.4.1Interferencias
Cuando se hacen mediciones utilizando los métodos de la variación de la profundidad o de los cuatro puntos, se debe tener cuidado para evitar interferencias de estructuras o circuitos cercanos. Estas interferencias pueden ser pasivas o activas. Las interferencias pasivas incluyen, pero no se limitan a, cercas metálicas, puestas a tierra de líneas de transmisión o distribución, cimientos de grandes edificios, objetos conductores enterrados y tuberías metálicas. Estas interferencias pueden actuar como un cortocircuito que distorsiona el potencial creado en el suelo por la corriente de prueba inyectada. Las interferencias activas incluyen, pero no se limitan a, líneas de transmisión o distribución en paralelo, circuitos de comunicación en paralelo y corrientes parasitas DC. Se deben usar puntas de prueba hechas en materiales que minimicen el par galvánico entre las puntas. Estas interferencias activas pueden ser una fuente de corriente que se suma o se resta a la corriente de prueba inyectada, distorsionando los potenciales en las puntas de prueba.
ADVERTENCIA Evitar la colocación de cables de prueba de gran longitud en paralelo con altas fuentes de corriente.
Una segunda, y más importante, razón para evitar fuentes activas en paralelo con la corriente, es la posible tensión peligrosa que se puede acoplar sobre el conductor de prueba a través de la inducción electromagnética. Con varios cientos de metros de alambre tendidos en paralelo con una línea que transporte una corriente grande de carga, podría ser suficiente para inducir una voltaje en el cable que cause un choque grave a una persona en serie con el extremo del alambre y una de las sondas de prueba. 7.4.2 Influencia del espaciamiento de la sonda sobre exactitud de la prueba.
Dependiendo de las reales variaciones de resistividad del suelo con la profundidad, la separación de la sonda para el método de Wenner puede influir significativamente en la precisión del modelo computarizado de suelo de varias capas. Southey y Dawalibi [B56] han mostrado en la Tabla 4 que las gamas de errores en la resistencia, tensiones de paso y contacto para una malla de tierra se puede encontrar en el espaciamiento de la sonda como una función de la dimensión de malla de tierra. Este análisis se basó en una serie de modelos "perfectos" de suelo de dos capas, con la resistividad aparente versus espaciamiento con sonda, calculada utilizando un programa de computador. Por lo tanto,
no hay una fuente de error entre el modelo la dos capas y los parámetros de profundidad frente a la estructura real del suelo.
Tabla 4 – Rango de error basado en el espaciamiento de la sonda
La Tabla 4 demuestra que las separaciones de la sonda en el orden de la dimensión de malla de tierra debe dar suficiente precisión al modelo para el cálculo de las tensiones de paso y contacto, mientras que se requieren separaciones de sonda de más tres veces de la longitud de la malla la para tener predicciones conservadoras de la resistencia de la malla. Para el método de variación de profundidad, la distancia de las sondas de corriente y potencial deberán satisfacer los requisitos de impedancia de electrodos en la cláusula 8. 8. Impedancia de tierra 8.1 Generalidades
Las mediciones de resistencia de una malla de tierra o electrodo de tierra se han realizado desde la década de 1950 y siguen siendo las pruebas más populares en la industria eléctrica. Los datos de resistencia proporcionan una estimación rápida de la elevación del potencial de tierra (I t × Rt) del electrodo de masa. Debido a la magnitud de la corriente de falla disponible y su alta probabilidad de la exposición, las mallas de tierra de la subestación son típicamente diseñadas para limitar los gradientes de tensión superficial a valores tolerables. Se puede o no limitar la resistencia a la malla de tierra de la subestación, dependiendo de la preferencia del usuario. A diferencia de las mallas de tierra de las subestaciones, las puestas a tierra de transmisión o distribución están
diseñadas e instaladas sobre la base de la limitación de sus impedancias a la tierra remota a los valores especificados. Esta práctica es más apropiada y práctica para mejorar el desempeño frente a descargas atmosféricas de los sistemas de transmisión y distribución. En cualquier caso, la medición de la malla de tierra o la impedancia del electrodo de tierra puede ser una parte importante del diseño o el análisis de un sistema de puesta a tierra. Para obtener más información sobre el uso de mediciones de la impedancia de tierra para el diseño de sistemas eléctricos de potencia, ver IEEE Std 80, IEEE Std-142TM 2007 [B36] y IEEE Std-367TM 2012 [B39]. Las conexiones a tierra tienen impedancias complejas que incluyen componentes resistivos, capacitivos, e inductivos, todos los cuales afectan a su capacidad de transporte de corriente. La resistencia de la conexión a tierra remota es de particular interés para los interesados en la frecuencia industrial, ya que se ve afectada por la resistividad de la tierra en el área de la conexión, suponiendo que el sistema de puesta a tierra es lo suficientemente pequeño para que la resistencia domine la impedancia total. Los valores de capacitancia e inductancia son de interés para los interesados en frecuencias más altas, tales como descargas atmosféricas, aplicaciones para comunicaciones de radio o sistemas de puesta a tierra muy grandes, cuando la resistencia no es dominante en la impedancia total. Un sistema de puesta a tierra de la subestación normalmente consiste en conductores de tierra enterrados, conectados a varias estructuras de transmisión y distribución de polos interconectados por cables blindados y conductores neutros. La impedancia interconectada de este tipo de sistema de puesta a tierra se conoce como impedancia del sistema de tierra. Tierras de postes aislados y la mayoría de las subestaciones de distribución con resistividades del terreno típicas son predominantemente resistivas. Por otro lado, los grandes sistemas de puesta a tierra, especialmente en áreas de baja resistividad del terreno, tendrán un componente reactivo significativo. Esta cláusula describe las técnicas de medición de la impedancia de los sistemas aislados, así como interconectados, de puesta a tierra. Para evitar confusiones, el término "Resistencia" se utiliza para referirse a la impedancia de un electrodo de tierra aislada en el siguiente subcláusulas. 8.1.1 Características
La impedancia de un sistema de puesta a tierra depende en gran medida de la resistividad del suelo circundante y las dimensiones y la configuración del electrodo enterrado. La Tierra en un lugar determinado puede estar compuesta de varias combinaciones de suelo seco, arcilla, grava, pizarra, piedra arenisca, u otros materiales naturales de muy diversas resistividad. El suelo puede ser relativamente homogéneo
sobre un área grande, o puede ser en capas del granito, arena, u otros materiales de alta resistividad y, por lo tanto, ser prácticamente aislados de la zona circundante. En consecuencia, la impedancia de la puesta a tierra puede variar con la estación como con la temperatura, contenido de humedad, y densidad del cambio del suelo. Los cálculos y la experiencia muestran que, en un suelo dado, la eficacia de una malla de tierra depende en gran medida del tamaño total de la malla de tierra y la resistividad del suelo. La adición de conductores y varillas de tierra dentro de un sistema de malla de tierra existente también pueden ayudar algo en la reducción de la impedancia de tierra de la malla. Esta reducción disminuye con la adición de cada conductor o varilla sucesiva. Después de la instalación de una subestación o de otra estructura puesta a tierra, el asentamiento del suelo con cambios climáticos cíclicos anuales tiende a reducir la impedancia del suelo durante el primer año o dos. La impedancia de un electrodo de puesta a tierra se mide generalmente en términos de resistencia, debido a que la reactancia es generalmente despreciable con respecto a la componente resistiva. El componente reactivo aumenta con el tamaño de la malla de tierra y especialmente cuando la malla de tierra está interconectado con sistemas de neutros puestos a tierra o de cables con pantalla puesta a tierra. La determinación del componente reactivo es necesaria cuando el análisis implica corrientes repentinas o de impulso. La resistencia no suele variar mucho por año a partir del primer o segundo año, después de su instalación. Aunque la malla de tierra puede ser enterrada sólo medio metro por debajo de la superficie, la resistencia de una malla de tierra parece tener poca relación con los cambios en la resistividad a nivel del entierro. La falta de correlación entre la resistencia y la resistividad de la profundidad de enterramiento de la malla es especialmente cierto para las redes equipadas con barras muy enterradas en contacto con el suelo profundo. Obviamente, esto no será cierto para suelo las redes enterradas sobre un estrato de alta resistividad, tales como un lecho de roca o rejillas enterrados en permafrost. 8.1.2 Valor teórico de la resistencia de tierra
Los valores calculados o teóricas de la resistencia de un electrodo a la tierra remota pueden variar del valor medido debido a los siguientes factores: a) La insuficiencia de los métodos analíticos utilizados en los cálculos de la resistencia. b) Resistividad de la tierra en el momento de la medición, diferente de la asumida en los cálculos. c) Medida Inexacta o insuficiente en el estudio de resistividad; por ejemplo, el número y la dispersión de las pruebas, el espacio entre la sonda o uso de instrumentos inadecuados.
d) La presencia de estructuras metálicas enterradas y cables de tierra en la proximidad del lugar de la prueba, que puede desviar una cantidad sustancial de la corriente de prueba. e) Lecturas con medidor tipo pinza pueden contener grandes errores, si la reactancia en el circuito de prueba es significativa en comparación con la resistencia del circuito de prueba, o si los filtros son insuficientes para filtrar las frecuencias de 50 Hz / 60 Hz causados por las corrientes parásitas. Los medidores de prueba tipo pinza están particularmente sujetos a errores causados por la reactancia en el circuito de prueba, porque las frecuencias de prueba suelen oscilar entre 1 kHz a 3,4 kHz. Además, si hay lazos de tierra presentes, los medidores de tierra tipo pinza podrían no medir la impedancia de tierra prevista. Para más información, véase el anexo E. La diferencia entre los valores medidos y calculados de la resistencia puede reducirse al mínimo, si las mediciones de resistividad del suelo y la resistencia malla de tierra se obtienen en condiciones climáticas similares. Del mismo modo, para las redes de tierra que se ven influidas por los cambios estacionales, es prudente realizar las mediciones de resistividad del suelo en condiciones meteorológicas adversas para obtener valores conservadores para la ubicación. 8.2 Métodos para medir la impedancia de tierra 8.2.1 General
En esta subcláusula se describe el método de medición de la impedancia de tierra. Para una descripción de disposición de instrumentos, ver el Anexo E. En este apartado, el valor de la impedancia medida se conoce como resistencia, a pesar de que contiene un componente reactivo. El componente reactivo puede ser muy importante para grandes sistemas de puesta a tierra interconectados. La resistencia de un electrodo de masa generalmente se determina con corriente alterna o invertida periódicamente. Esto minimiza el efecto de tensiones galvánicas que pueden estar presente en las pruebas, y la interferencia de corrientes continuas en el suelo debidas a la protección catódica o corrientes de tierra. La aplicación de corrientes de prueba que operan a una frecuencia diferente de la industrial, o de frecuencias armónicas, minimiza la interferencia de posibles corrientes parásitas. 8.2.2 Métodos 8.2.2.1 Método de los dos puntos.
En este método, la resistencia del electrodo de tierra objeto se mide en serie con un electrodo auxiliar de masa. La resistencia de la tierra auxiliar se presume que es insignificante en comparación con la resistencia de la tierra objeto. El valor medido entonces, representa la resistencia de la tierra objeto. Una aplicación de este método consiste en medir la resistencia de una varilla de tierra enterrada con respecto a una vivienda próxima. Por lo general, una vivienda cuenta con un sistema de puesta a tierra de baja impedancia debido a su vinculación con el conductor neutro del sistema de alimentación eléctrica. El uso de un sistema de este tipo de conexión a tierra como una auxiliar de tierra, puede producir un resultado de la prueba con una precisión razonable. Obviamente, este método está sujeto a grandes errores cuando se prueban tierras de baja resistencia. Si la tierra objeto y auxiliar está demasiado cerca una de la otra, entonces la resistencia mutua entre las dos puede también ser una fuente de error. Sin embargo, este método es una herramienta útil cuando solo se requiere tipo de prueba “pasa o no pasa”. 8.2.2.2 Método de los tres puntos
Este método implica el uso de dos electrodos auxiliares con sus resistencias designadas como r 2 y r 3.La resistencia del electrodo objeto se designa como r 1. La resistencia entre cada par de electrodos se mide y se designan r 12, r 13, y r 23, donde r 12 = r 1 + r 2, etc. Solución de las tres ecuaciones simultáneas, se deduce que
Mediante la medición de la resistencia en serie de cada par de electrodos de tierra y sustituyendo los valores de resistencia en la ecuación, se puede establecer el valor de r1. Si los dos electrodos auxiliares son de un material de mayor resistencia que el electrodo bajo prueba, entonces los errores en las mediciones individuales tendrán gran influencia en el resultado final. Para una medición exacta, los electrodos tienen que estar en una distancia lo suficientemente grande unos de otros, a fin de minimizar las resistencias mutuas entre ellos. En los casos de distancias inadecuadas entre los electrodos, pueden surgir absurdos como resistencias cero o negativas. En la medición de la resistencia de una barra de tierra, se deben separar los tres electrodos por, al menos, tres veces la profundidad de la varilla objeto. Al proporcionar esta orientación, otra suposición que también se hace es que los electrodos auxiliares
son enterrados a la misma, o menor, profundidad que la varilla de tierra objeto. Este método se hace más difícil de aplicar ya que el sistema de electrodos de tierra se hace más grande y complejo y por lo que se prefieren otros métodos, especialmente si se desea una mayor precisión. 8.2.2.3 Prueba por etapas de falla
Se pueden realizar pruebas de alta corriente por etapas a tensión plena o reducida para los casos específicos en que se desea información sobre una instalación de puesta a tierra particular. El objeto es registrar la tensión entre puntos seleccionados y corrientes en circuitos específicos. El método más práctico para registro de mediciones, es usar la instrumentación existente, como canales separados en registradores de fallas. Por lo general, las tensiones y corrientes que deben tomarse son de magnitudes altas, y como resultado, se requiere de circuitos de atenuación (transformadores de corriente, [TC] transformadores de tensión, divisores de tensión, etc.). Las tensiones a medir pueden ser estimadas mediante la realización de pruebas de caída de potencial. La impedancia de entrada del dispositivo de registro tiene que ser significativamente mayor que la resistencia que está siendo medida, para mejorar la precisión. El circuito de prueba puede implicar un electrodo auxiliar de alta resistencia conectado al lado primario del transformador de potencial. En tal caso, el dispositivo de registro puede ser calibrado mediante la inserción de una fuente de tensión variable entre el transformador de tensión y el auxiliar produciendo la tensión que va a ser medida. 8.2.2.4 Método de caída de potencial
El método de la caída de potencial (FOP) consiste en hacer pasar una corriente entre un electrodo de tierra (G) y una sonda de corriente (CP), y luego medir la tensión entre G y una sonda de potencial (PP), como se muestra en la Figura 6. Para reducir al mínimo las influencias entre los electrodos debido a las resistencias mutuas, la sonda de corriente se sitúa generalmente a una distancia sustancial desde el electrodo de tierra bajo prueba. Típicamente, esta distancia es de al menos cinco veces la dimensión más grande del electrodo de tierra bajo prueba. La sonda de potencial se coloca típicamente en la misma dirección que la sonda de corriente, pero se puede colocar en la dirección opuesta, como se muestra en la Figura 6. En la práctica, la distancia "X" para la sonda de potencial es a menudo escogida para ser el 62% de la distancia de la sonda de corriente cuando las sondas de corriente y potenciales están en la misma dirección (regla del 62%). Esta distancia se basa en la posición teóricamente correcta para la medición de la impedancia exacta de los electrodos para un suelo con resistividad uniforme, asume una distancia suficiente entre
el electrodo de tierra bajo prueba y las puntas de prueba que están presentes, para permitir que las sondas de prueba sean consideradas como un hemisferio, y adicionalmente asume que el electrodo de tierra no tiene interconexiones externas.
Figura 7 Impedancia Típica versus distancia entre sondas para el método de caída de potencial
El Dr. G. F. Tagg [B58] describe un método conocido como el "método de la pendiente." En su método, los supuestos de la resistividad del terreno uniforme y representación del sistema de electrodos de tierra como un electrodo semiesférico equivalente permanecen como antes. Sin embargo, su método permite la medición distancias de prueba desde un punto conveniente, tal como desde el borde de un sistema de electrodos de tierra,
mediante la introducción de las distancias de error en la ecuación de caída de potencial. El método de la pendiente del Dr. Tagg [B58] se puede resumir como sigue: a) Elegir un punto de partida conveniente para mediciones lineales, y seleccionar una distancia adecuada para el CP. b) Medir resistencias R 1, R2 y R3 insertando PP a distancias de 0.2CP, 0.4CP y 0.6CP, respectivamente. c) Calcular el coeficiente de variación de pendiente μ = (R3 - R2) / (R2 - R1). d) Consultar el valor de PPT / CP correspondiente al valor "μ" en la Tabla 5. e) Medir la resistencia mediante la colocación de la sonda de potencial a la distancia PPT. Tabla 5 - Coeficientes del método de la pendiente [B58] μ 0,40 0,41 0,42 0,43 0,44 0,45 0,46 0,47 0,48 0,49 0,50 0,51 0,52 0,53 0,54 0,55 0,56 0,57 0,58 0,59 0,60 0,61 0,62 0,63 0,64 0,65 0,66 0,67 0,68 0,69 0,70 0,71 0,72 0,73 0,74 0,75 0,76 0,77
PPT / CP 0,643 0,642 0,640 0,639 0,637 0,636 0,635 0,633 0,632 0,630 0,629 0,627 0,626 0,624 0,623 0,621 0,620 0,618 0,617 0,615 0,614 0,612 0,610 0,609 0,607 0,606 0,604 0,602 0,601 0,599 0,597 0,596 0,594 0,592 0,591 0,589 0,587 0,585
μ 0,80 0,81 0,82 0,83 0,84 0,85 0,86 0,87 0,88 0,89 0,90 0,91 0,92 0,93 0,94 0,95 0,96 0,97 0,98 0,99 1,00 1,01 1,02 1,03 1,04 1,05 1,06 1,07 1,08 1,09 1,10 1,11 1,12 1,13 1,14 1,15 1,16 1,16
PPT / CP 0,580 0,579 0,577 0,575 0,573 0,571 0,569 0,567 0,566 0,564 0,562 0,560 0,558 0,556 0,554 0,552 0,550 0,548 0,546 0,544 0,542 0,539 0,537 0,535 0,533 0,531 0,528 0,526 0,524 0,522 0,519 0,517 0,514 0,512 0,509 0,507 0,504 0,502
μ 1,19 1,20 1,21 1,22 1,23 1,24 1,25 1,26 1,27 1,28 1,29 1,30 1,31 1,32 1,33 1,34 1,35 1,36 1,37 1,38 1,39 1,40 1,41 1,42 1,43 1,44 1,45 1,46 1,47 1,48 1,49 1,50 1,51 1,52 1,53 1,54 1,55 1,56
PPT / CP 0,494 0,491 0,488 0,486 0,483 0,480 0,477 0,474 0,471 0,468 0,465 0,462 0,458 0,455 0,452 0,448 0,445 0,441 0,438 0,434 0,431 0,427 0,423 0,418 0,414 0,410 0,406 0,401 0,397 0,393 0,389 0,384 0,379 0,374 0,369 0,364 0,358 0,352
0,78 0,79
0,584 0,582
1,17 1,18
0,499 0,497
Figura 8 Posición requerida del electrodo potencial en una tierra de dos capas
1,57 1,58
0,347 0,341
8.2.2.4.1 Interpretación de los resultados
En el caso del método de caída de potencial, para una ubicación dada de la sonda de corriente, hay una separación de la sonda de potencial que da la verdadera impedancia de tierra de la tierra bajo prueba. Sin embargo, el espacio correcto puede ser muy difícil de determinar, sobre todo si la malla de tierra tiene una forma compleja. El espacio correcto es también una función de la configuración del suelo, como se demuestra en Dawalibi y Mukhedkar [B20] y se ilustra en la Figura 8, que es aplicable a los sistemas de tierra pequeños. Como se indica en la Figura 8, el espaciamiento requerido de la sonda de potencial x (cuando la sonda está entre E y C y cuando el suelo es uniforme) es tal que la relación x / d = 0,618. Esto fue demostrado por primera vez por Curdts [B18] para pequeñas electrodos semiesféricos. Ver Anexo C. Los enunciados anteriores muestran que para aplicar la regla del 62%, deben existir las siguientes condiciones: a) Un suelo bastante uniforme. b) Distancias grandes entre la malla de tierra bajo prueba y los electrodos de referencia, de manera que se pueda asumir que el electrodo es semiesférico. c) El electrodo bajo prueba no tiene conexiones externas a tierra. Además, se necesita el origen de referencia para la medición de las distancias de los electrodos auxiliares (sondas de corriente y tensión). Para tierras hemisféricas, el origen es el centro de la tierra. Para sistemas de tierra grandes, algunos autores introducen el concepto de centro eléctrico y describen el método de determinación de la impedancia de sistemas grandes de puesta a tierra incrustados en un suelo uniforme. El usuario debe tener en cuenta que para un sistema de malla de tierra grande y complejo, el centro eléctrico podría no ser el mismo del centro geométrico de la malla de tierra. A diferencia del centro geométrico, la ubicación del centro eléctrico depende en gran medida del perfil de densidad de corriente, en y alrededor de los conductores de la malla de tierra. La prueba de caída de potencial mide la resistencia entre un punto de la malla de tierra y la tierra remota. Si un valor de prueba es mucho mayor de lo esperado, entonces los cables de prueba pueden haber sido unidos a un conductor que estaba conectado inadecuadamente a la malla de tierra. Si se sospecha de una mala conexión, entonces las mediciones pueden repetirse en otros puntos de la malla de tierra. Si los valores originales y repetidos varían dramáticamente, entonces la malla de tierra puede estar dañada, y puede ser apropiada una prueba de integridad de la malla de tierra. Por otra parte, las pruebas de continuidad pueden llevarse a cabo antes de realizar la prueba de caída de potencial. En general, la mejor manera de obtener una medida satisfactoria, es lograr el espaciamiento entre la malla de tierra y la sonda de corriente (Figura 6) de tal manera
que todas las resistencias mutuas sean suficientemente pequeñas, y se obtenga la curva de caída de potencial (Figura 7). La principal ventaja del método de caída de potencial es que los electrodos de potencial y de corriente pueden tener una resistencia sustancialmente mayor que el suelo que se está probando, sin afectar significativamente la exactitud de la medición. 8.2.2.5 Mediciones de resistencia por el método de pinza o sin estacas
El medidor de pinza mide la resistencia de un electrodo de puesta a tierra mediante la sujeción del conductor que baja a la tierra, como se ilustra en la Figura 9. Cuando se activa, la pinza amperimétrica induce una tensión con una frecuencia definida, por lo general entre 1 kHz y 3,4 kHz, en el sistema de tierra integrado, incluyendo la conexión a tierra del electrodo bajo medición. La tensión inducida hace que una corriente (Iprueba) fluya en el sistema multiaterrizado, la cual es medida por el instrumento de medición. La relación de tensión a corriente (impedancia) se determina entonces y se muestran en el medidor. El método se basa en la suposición de que la impedancia del sistema de neutro (o escudo) multiaterrizado, excluyendo el electrodo de tierra bajo prueba, es tan pequeño en comparación con el electrodo de tierra bajo prueba, que se puede suponer que es cero (Zeq = 0). Con este supuesto, la lectura indicada se aproxima a la resistencia del electrodo de tierra cuando es adecuadamente utilizado. La precisión del dispositivo de pinza se basa en el acoplamiento adecuado y la alineación de las tenazas. Los Medidores de pinzas deben calibrarse con frecuencia para asegurar un funcionamiento adecuado. Aunque este método es práctico y ampliamente utilizado para las líneas de transmisión y distribución, su teoría se presta a algunas limitaciones de aplicación que se indican a continuación: a) La aplicación se limita a un electrodo de tierra conectado a una impedancia relativamente baja del sistema de puesta a tierra. b) Se puede introducir un error grande en la medición de prueba, si la reactancia inductiva del blindaje o el sistema de neutro del sistema bajo prueba es significativa en comparación con la resistencia que se mide. Esto es particularmente cierto para pinzasque requieren frecuencias de altas, de 1 kHz a 3,4 kHz, para mantener sus perfiles convenidos, suponiendo que no se tiene en cuenta la reactancia en el circuito de prueba. La alta frecuencia que se inyecta en el circuito de prueba aumentará la impedancia reactiva del circuito, y puede distorsionar en gran medida las lecturas de la prueba, si la inductancia es significativa.
c) Empalmes o conexiones defectuosos en el sistema de neutro (o cable de protección) pueden influir en la lectura. Típicamente, un blindaje o cable neutro abierto será indicado, sin embargo, por el medidor. d) El método no es aplicable a un sistema de electrodo de tierra multi-conectado, tal como una malla de tierra de subestación, postes multi-conectados, o tierras de estructuras. Se deben desconectar los postes o estructura de tierra multi-conectados, excepto en el tramo de medición. Asegúrese de que cualquier conductor de tierra se desconecta de manera segura. e) El ruido de alta frecuencia en el sistema puede influir en la lectura. Una alta relación de ruido a señal puede ocurrir durante la medición de una tierra de alta resistencia.
Figura 9 -Resistencia medidas por el método de pinza (sin estacas)
Para obtener más información acerca de las limitaciones y precisión de los medidores de pinzas, véase el Anexo E. 8.2.2.6 Mediciones de resistencia por el método FOP / pinza
Una resistencia independiente de un electrodo de tierra se puede medir también mediante la combinación del método de la caída de potencial y el método de pinza,
como se muestra en la Figura 10. Las sondas de corriente y tensión se colocan de la misma manera que para el método de FOP. Además de pasar la corriente en el sistema de puesta a tierra, un CT tipo pinza mide la porción de la corriente de prueba que fluye en el sistema de puesta a tierra. La relación de la tensión medida a la corriente de tierra medida, determina entonces la resistencia independiente del sistema de puesta a tierra. El método de la FOP / pinza se utiliza a menudo cuando se miden las resistencias de estructuras de líneas de transmisión con guayas o multi apoyadas que no cuentan con sistemas de electrodos de puesta a tierra dedicados. Para la medición de la corriente que fluye a tierra, se utiliza un gran CT de núcleo dividido, como se muestra en la Figura 10. En el caso de una torre de cuatro apoyos, la resistencia de cada pata se mide por separado antes de la combinación de ellos para determinar la resistencia global de la estructura. Recientemente, ha sido desarrollado un dispositivo que permite la medición de las cuatro resistencias simultáneamente. Similar que en el método de la pinza, el ruido de alta frecuencia en el sistema puede influir en la lectura. Una alto relación de ruido a señal también puede ocurrir durante la medición de una tierra de alta resistencia.
Figura 10 Pruebas del sistema de resistencia tierra de una torre utilizando FOP y mediciones de corriente de fuga
8.2.2.7 Medida de la impedancia de puesta a tierra por multímetro de puesta a tierra basado en computador.
Un multímetro de puesta a tierra (telurometro) basado en computadora fue desarrollado con la capacidad de caracterizar la impedancia de un sistema de tierra aislada o integrada. La prueba consiste en la instalación de una corriente de retorno y seis electrodos de detección de tensión (a través de un par de cables tricoaxiales, cada uno conectado a tres electrodos), como se muestra en la figura 11. El electrodo de retorno de corriente se coloca a una distancia de, al menos, dos veces la dimensión más larga de la subestación. La primera sonda de tensión en cada cadena se coloca típicamente a una distancia de 15 m (50 pies) de la cerca de la subestación. Las distancias de las sondas de tensión restantes son fijadas automáticamente desde la primera sonda. Para una mayor precisión, las sondas de tensión se encuentran tan lejos de otras estructuras de tierra (como, tierras de postes, tuberías, etc.) como sea posible. Por lo general, estos tipos de multímetros presentan al usuario las siguientes opciones de medición: a) La impedancia de tierra (sistema de puesta a tierra aislada o interconectado de una torre, poste o subestación) b) La resistividad del suelo c) La impedancia de tierra de la torre (torre autónoma / impedancia de tierra sin desconectar la pantalla o cables neutros) d) Tensión de contacto e) Tensión de paso f) La Impedancia del terreno de la instalación (impedancia de tierra de la subestación autónoma sin necesidad de desconectar la pantalla y los cables neutros) g) Tensión transferida. h) Continuidad / baja impedancia / (prueba de la integridad del conductor de la malla de tierra de la subestación) Sobre la base de la opción de medición seleccionada, el usuario introduce entonces varios parámetros, incluyendo el tipo y el tamaño del sistema de puesta a tierra (varillas de tierra, contrapesos, o malla de tierra) y coordenadas aproximadas de electrodos de corriente y de tensión. Durante la prueba, la fuente de alimentación continua inyecta pulsos (ruido blanco) entre el electrodo de puesta a tierra bajo prueba y el electrodo de retorno. Los pulsos de corriente son inyectados en periodos de corta duración, típicamente 0,5 segundos. En el modo de impedancia de tierra, las diferencias de potencial de tierra son medidas por seis electrodos de tensión. El software del computador procesa entonces las corrientes medidas y las diferencias de potencial de tierra (GPDs) y realiza lo siguiente:
-
-
Filtra el ruido. Corrige los errores de los transductores de corriente y tensión. Calcula la impedancia del electrodo de tierra y factor de suelo a través de la solución de una matriz de 2 a 6 ecuaciones, utilizando el método de los mínimos cuadrados ponderado. Muestra en la pantalla una gráfica de impedancia de tierra (magnitud y ángulo de fase) contra frecuencia.
En otras áreas, como las siguientes, el método de computador tiene similares limitaciones que el método de la caída de potencial que pueden influir en la precisión de los datos:
-
-
Las distancias de prueba de tensión y corriente son medidas desde un centro eléctrico asumido, y como resultado, los valores de impedancia de un sistema aterrizado interconectado no son determinadas con precisión. Los valores medidos de impedancia pueden variar por cambios en la ubicación de los electrodos de corriente y/o tensión. Sin embargo, el método proporciona un rango de error a acorde con el valor de la impedancia. El método asegura que el valor verdadero de la impedancia se encuentra dentro de este +/- rango.
9. Prueba de potenciales de tierra y tensiones de paso y contacto.
9.1 Propósito.
Se pueden realizar medidas de diferencias de potencial locales para: -
Revisión de las tensiones de paso y contacto en una instalación existente, para compararlas con los límites tolerables de resistencia del cuerpo. Confirmar los valores de diseño de tensiones de paso y contacto en una instalación nueva. Estas tensiones pueden ser diferentes a los valores medidos debido a diferentes aproximaciones en la modelación del sistema.
En general, la malla de tierra de una subestación está diseñada para limitar las tensiones de paso y contacto en y alrededor del patio, dentro de los límites tolerables. Dependiendo de las suposiciones hechas en el diseño, los valores reales de tensión de paso y contacto durante la falla podrían diferir de los valores diseñados. Una mejor garantía de que la malla de tierra de la subestación cumple sus objetivos de diseño, vendría de la medición real de las tensiones de paso y contacto, mediante la inyección de una cantidad conocida de la corriente en la superficie del suelo, a partir de un electrodo de masa remoto, y medir los gradientes de tensión resultantes. Las magnitudes reales de tensiones de paso, de contacto y transferencia pueden ser entonces determinados escalando a la de corriente de falla de la subestación. 9.2 Tipos de tensiones de paso y contacto
En la siguiente lista se describen los diferentes tipos de tensiones de paso y de contacto:
a) Definición general de Tensión de Paso La diferencia de potencial en la superficie, que podría ser experimentada por una persona a una distancia de 1 m entre los pies sin hacer contacto con cualquier objeto conectado a tierra. b) Tensión de contacto. Definición general. La diferencia de potencial entre la GPR de un sistema o malla de tierra y el potencial de la superficie en la que una persona puede estar de pie, mientras que al mismo tiempo tiene una mano en contacto con una estructura u objeto conectado a tierra. 3) Diversos tipos de tensiones de contacto son las siguientes :
1) Tensión de contacto de estructura La tensión de contacto de la estructura se mide entre una estructura puesta a tierra (o un objeto metálico dentro de la subestación) y la superficie del suelo a la distancia de 1 m (alcance del brazo). El máximo se produce normalmente en estructuras cercanas al borde de la red.
2) Tensión de contacto de Rejilla La tensión de contacto de rejilla se mide entre la malla de puesta a tierra y la superficie del suelo dentro de la huella de una malla de rejilla. El máximo se produce normalmente cerca del centro de una rejilla en la periferia de la malla. 3) Tensión de contacto de la cerca La tensión de contacto de la cerca se mide entre una cerca metálica y la superficie del suelo a menos de 1 m (distancia de toque de un brazo). Para una cerca puesta a tierra, el máximo general se produce en el exterior en la esquina más alejada del centro de la rejilla. Para una valla aislada, el máximo también puede producirse en el interior en un punto cercano a la red. 4) Tensión de toque de la puerta La tensión de contacto de la puerta es la diferencia de potencial máxima entre una puerta metálica y la superficie de suelo dentro de 1 m (distancia de toque del
brazo) para cualquier posición de giro de la puerta. Muchas puertas giran a través de un arco de radio de 3 m, por lo que los puntos dentro de los 4 m de la posición de cierre deben ser verificados. De lo contrario, los tapetes de control del gradiente podrían no moderar adecuadamente los potenciales táctiles alrededor de una oscilación de la puerta cuando la puerta está en la posición abierta. 5) Tensión de contacto transferido de Estación La tensión de contacto transferido de estación es la diferencia de potencial máxima entre la malla de tierra y el suelo dentro de 1 m (distancia de toque del brazo) de un objeto metálico exterior a la red pero unido a la red. Los ejemplos incluyen una herramienta de potencia con carcasa puesta a tierra utilizada fuera de la rejilla, el forro de los cables de alimentación unidas en un poste vertical, la válvula de cierre externo para un tubo de suministro de agua unida a la red, o una vía de ferrocarril unido a la red. 6) Tensión de contacto transferido a distancia La tensión de contacto transferido a distancia es la diferencia de potencial máxima entre un objeto metálico depositado en forma remota y el suelo dentro de 1 m (distancia de toque de u brazo) en proximidad a una estación. Los ejemplos incluyen un grifo de agua en una residencia vecina unido a la distribución de neutro multi aterrizado o un teléfono de forma remota referenciado a la cubierta del cable.
9.3 Procedimiento de medición (general)
Los pasos para el procedimiento de medición son los siguientes: a) La corriente de prueba se hace fluir entre un punto remoto y la red, haciendo la prueba simulando una condición de falla. Las diferencias de potencial locales se miden por lo general junto con la impedancia de tierra de la estación. Ver cláusula 8 para más detalles con respecto a la inyección de corriente de prueba. b) Los potenciales se pueden medir diferencialmente usando un par de hilos trenzados unido a dos sondas (tensión de paso) o unidos a una sonda y un clip a una estructura metálica en las inmediaciones (tensión de contacto). La tensión de paso también se puede obtener al hacer dos mediciones de tensión de contacto en ubicaciones a 1 m de distancia y tomando la diferencia entre las tensiones de contacto medidas.
c) Asegúrese de que las sondas hacen buen contacto con el suelo subyacente. Un ohmímetro ac con una batería de potencia separada se puede configurar para medir la resistencia entre la sonda y la tierra de la estación, para confirmar que su resistencia es pequeña en comparación con la impedancia de entrada principal del instrumento de prueba. d) Varillas relativamente delgadas (6 mm de diámetro) son mucho más fáciles de manejar que las barras de tierra permanentes (18 mm de diámetro) y proporcionan casi la misma resistencia a una profundidad dada. Use barras que sean rígidas, lisas y resistentes a la corrosión. La penetración en el subsuelo húmedo es generalmente suficiente (Típicamente 150 mm). Las terminales de conexión previstas de fábrica en algunas varillas pueden ser difícil de mantener; un clip de batería conectada al cable de prueba funciona bien. e) Las comunicaciones inalámbricas entre la persona que realiza las sondas y la persona que hace la mediciones ayudan a acelerar la prueba. f) El uso de una cinta métrica y la colocación de varias sondas, o el uso de una unidad de sistema de posicionamiento global, reducen los errores posicionales. g) La tensión de paso o de contacto se mide normalmente como una tensión con relación a sonda de potencial en la tierra remota o con relación a la malla de tierra, y se registra la corriente de prueba. Las tensiones medidas son entonces escaladas por la corriente de falla que pudiera entrar en la tierra del sistema interconectado, para determinar la tensión de contacto o paso. h) Para evaluar la seguridad, las tensiones de paso y contacto medidas son comparados con los límites de tensión tolerable definidos por IEEE Std 80. Tal como se define, estas tensiones limitantes dependen del límite tolerable de corriente, la resistencia bajo los pies, y la duración de la falla. i) La piedra superficial del patio a menudo se deteriora debido a la intrusión de arcilla subyacente, el crecimiento de malezas, o contaminación por fallas. Una prueba de resistividad del material de la superficie (ver Anexo D) ayudará a establecer los límites de tensión tolerables. 9.4 Métodos de medición de tensiones de paso, de contacto y transferidas.
9.4.1 Montaje de prueba de fallas. Medidas de la conexión a tierra realizadas con una corriente de falla completa de fase a tierra en una subestación, proporcionan los datos más precisos de las tensiones de paso, contacto y transferidas. Sin embargo, este tipo de prueba se realiza rara vez, a menos que exista alguna otra razón, más exigente, tal como la determinación de los parámetros del circuito, el rendimiento de los equipos, y de protección de características para las
pruebas. La prueba de fallos por etapas se lleva a cabo de la misma manera que se describe en la cláusula 8, pero son necesarios un cuidado especial y una preparación previa para llevar a cabo la prueba de forma segura. 9.4.2 Prueba de inyección de corriente o de falla de baja tensión. El método de inyección de corriente consiste en hacer pasar una corriente de prueba de frecuencia industrial en el rango de 100 A a 200 A entre la malla de tierra y una malla de tierra o electrodo de tierra lejano, como se ilustra en la Figura 12 y la Figura 13. Con la corriente de prueba que fluye continuamente en la malla de tierra, se miden la distribución de corriente, el GPR, y varios gradientes de tensión. A veces, las mediciones incluyen corrientes a través de una resistencia de 1000 Ω o 500 Ω para simular un cuerpo humano. Finalmente, las tensiones y corrientes medidas son escaladas multiplicando los valores medidos por la relación de la corriente de defecto de la subestación a la corriente de prueba.
Figura 12 Diagrama Unifilar de prueba típica de inyección de corriente o prueba de falla a baja tensión
Figura 13 - Medición típica de la tensión toque por inyección de corriente o prueba de falla a baja tensión.
Para realizar esta prueba, normalmente se desactiva una línea de transmisión o distribución. Los conductores de fase entonces, llevan la corriente de prueba de la fuente, que se puede ubicar o bien en el electrodo de masa remoto o en la subestación bajo prueba. La fuente consiste típicamente en una subestación móvil o un transformador de potencia instalada temporalmente. Otra fuente podría ser un soldador de arco de corriente alterna de impulsado a gasolina o generadores portátiles, con el control del regulador ajustado para producir corrientes en el rango de unos pocos cientos de amperios a una frecuencia ligeramente fuera de la frecuencia de red. La técnica de arco de soldadura puede ser utilizada para evitar la interferencia de corrientes parásita de frecuencia industrial. Suponiendo tensiones fijas generadas por el sistema en la malla de tierra, esta prueba puede aplicarse sin desenergizar la subestación completa modificando las medidas de prueba. La presencia de corrientes de frecuencia industrial y armónicos interferentes se elimina mediante la inversión de flujo de corriente utilizando interruptores de 1 a 4 en el lado de salida de la fuente (Figura 12). El interruptor permite una prueba para obtener tres mediciones separadas para cada parámetro de puesta a tierra que se enumeran como sigue: a) Sin la corriente de prueba (“0" polaridad) b) Con corriente de prueba en una dirección con respecto a la corriente de interferencia (polaridad "a") c) Con corriente de prueba en dirección opuesta con respecto a la corriente de la polaridad de interferencia (“b") Un valor preciso del parámetro medido se obtiene aplicando la ecuación (9) o la ecuación (10).
Con fines ilustrativos, estas ecuaciones muestran únicamente la corriente de prueba y los parámetros de tensión de paso, respectivamente:
Itst (0) = corriente desequilibrada en el neutro del transformador sin corriente que fluye en el circuito de prueba:
(10) Puede no ser práctico hacer tres mediciones para cada variable. En tales casos, la selección de una magnitud de corriente de prueba suficientemente alta en comparación con el ruido de interferencia puede reducir al mínimo la duración del ensayo. 9.4.3 Medición con el medidor convencional de tierra
Existen varios tipos de probadores de tierra disponibles en el mercado para llevar a cabo pruebas de caída de potencial. La mayoría de estos son instrumentos que funcionan con baterías y producen corriente alterna de frecuencia variable. Un dispositivo típico inyecta la corriente a través de la sonda de referencia de corriente y mide el gradiente de voltaje resultante a través de la sonda de referencia de voltaje. La salida de un dispositivo de este tipo es una relación de tensión a corriente (Impedancia) en términos de ohmios. Los dispositivos que están actualmente disponibles tienen los siguientes rangos de visualización: ⎯ 0 V a 50 V ⎯ 0 mA a 250 mA ⎯ 40 Hz a 500 Hz (50 Hz y 60 Hz se han omitido) ⎯ 20 MW a 300 kW
Figura 14. Mediciones de tensiones de contacto por medidores de prueba de tierra convencional.
El uso de un probador de tierra (Telurómetro) para la medición de la impedancia de un sistema de electrodo de tierra es una práctica ampliamente aceptada en la industria eléctrica. Por otra parte, su uso para la medición de tensiones de paso, contacto, o transferidas es raro. Sin embargo, si se desea, se puede medir el gradiente de tensión en, o alrededor de, una subestación de patio siempre que el probador de tierra sea capaz de inyectar corriente suficiente a una frecuencia distinta de 50 Hz o 60 Hz. Los párrafos siguientes describen la aplicación de probadores convencionales de tierra para medir tensiones de paso, contacto y transferidas en o alrededor de un sistema de electrodos de tierra. La Figura 14 ilustra la aplicación de un probador de tierra convencional para medir tensiones de contacto en una subestación de patio. El probador de tierra, cuando está conectado como se muestra, mide la impedancia (Vtoque / amperio) entre la malla de tierra y un punto de investigación en el patio. Multiplicando el valor de la impedancia medida por la corriente de falla estimada en la subestación, determina la tensión de contacto en el punto de investigación. La tensión de paso se determina típicamente mediante el cálculo de la diferencia entre los dos datos obtenidos de tensión de contacto con puntos de tensión a 1 m de distancia. La distancia entre la sonda de corriente y la malla de tierra influye de manera significativa en los datos de la tensión de contacto, cuando se emplea un medidor de tierra
convencional. La orientación para la localización de la sonda de corriente, como se dispone en la cláusula 8, mejorará la exactitud de la prueba. Si la distancia entre la sonda de corriente y la malla de tierra es inadecuada, entonces, las tensiones de contacto medidas serán menores que sus valores verdaderos. 9.4.4 Medición de tensiones de paso y contacto utilizando un multímetro de puesta a tierra basado en computador. La función básica de un dispositivo basado en computador se describe en la Cláusula 8. El diagrama unifilar de la Figura 15 ilustra cómo se usa el dispositivo para la medición de tensiones de paso y de contacto. Usando la misma configuración también se puede determinar la tensiones transferidas. En el modo de la medición de la tensión de toque, la inyección de la corriente y la medición de seis GPD S siguen siendo los mismos, con la excepción de la localización de las sondas GPD en los puntos de tensión de contacto deseados. Como se ha mencionado, todas mediciones de corriente y de tensión se procesaran en el software, el cual rechaza el ruido externo utilizando el método de la correlación. Posteriormente, métodos de estimación se utilizan para calcular las tensiones de contacto. Cada salida consiste de seis tensiones de contacto normalizadas con la corriente de falla de la subestación, la cual el usuario introduce en el computador antes de iniciar las mediciones.
Figura 15. Mediciones de tensión de contacto por multímetro de tierra (Telurómetro) basado en computador .
Para aumentar la precisión, los algoritmos de estimación de tensión táctil compensan las dos variables críticas como sigue: a) La proximidad del electrodo de retorno de corriente b) Número de torres puestas a tierra conectadas a la malla o específicamente la impedancia total de otras tierras relacionados con la malla. 9.5 Temas de medición
La medición de diferencias de potencial locales pueden tener las siguientes consideraciones: a) Algunos trabajos han sugerido el uso de un zapato conductor en contacto con la superficie del suelo para medir los voltajes de paso o toque. Este método es probable que falle si no se consigue la resistencia deseada de contacto con la superficie. b) Los ángulos de fase (si está disponible en el instrumento de prueba) no necesitan ser registrados cuando se mide diferencialmente entre dos puntos cercanos. Incluso cuando se prueba secuencialmente con un solo conductor de prueba (restando dos lecturas cercanas), los ángulos de fase tienden a ser prácticamente los mismos y pueden ser ignorados. c) Las diferencias de potencial local tienden a ser pequeñas (una fracción de la elevación del potencial de tierra) de modo que el instrumento de prueba debe tener suficiente resolución (mejor que 1 MΩ) y un buen desempeño para cancelar el ruido de 60 Hz. d) Puede ser difícil juzgar dónde se producirán los potenciales más elevados, dado que sólo puede ser probada un limitado número de localizaciones de la sonda, en el tiempo disponible. Pueden ser útiles dibujos de la disposición de la malla, o un equipo de rastreo de cables subterráneos. e) Los cambios estacionales en la humedad del suelo pueden afectar los resultados de la prueba. Los potenciales más altos normalmente ocurren cuando la resistividad superficial del suelo es máxima. Zonas montañosas sin cobertura vegetal y con arena o grava en el subsuelo suelen experimentar los mayores cambios. f) Los resultados requieren ajuste si la corriente de prueba inyectada tiene diferentes divisiones en cables aéreos de tierra o neutros interconectados (por ejemplo, debido al acoplamiento inductivo) que puedan estar presentes con la corriente de falla del sistema. g) Las superficies pulidas con asfalto u hormigón son difíciles de acceder con sondas. Puede ser posible encontrar áreas de acceso adyacentes que tengan un perfil parecido, cercanas a los conductores enterrados del sistema de tierra que puedan proporcionar una tensión de paso o toque similar.
h) Pueden introducirse errores debido a diferencias de potencial presentes en toda la red. Estos errores son más probable que ocurran cerca de donde el generador de corriente de prueba se conecta a la malla de tierra. i) Cuando el principal instrumento de prueba es portátil (por ejemplo, un óhmetro AC alimentado con batería), es posible tomar las lecturas en la ubicación de la sonda. Aquí, un cable de dos conductores conectado a los terminales C1 y C2 del medidor pueden transferir la corriente de prueba de nuevo a la punta de prueba de inyección remota y la conexión a la red local. Este método acelera la búsqueda del mayor gradiente en una zona dada. j) La localización de la sonda de corriente a una distancia suficiente de la rejilla de tierra que se está probando, es crucial en la producción de resultados precisos. Para una mayor precisión, esta distancia debe ser al menos cinco veces la mayor dimensión de la red de conexión a tierra. 10. Integridad de los sistemas de puesta a tierra 10.1 Generalidades.
Las mediciones de impedancia a tierra y continuidad de tierra normalmente se realizan para comprobar la idoneidad de una malla de tierra recién instalada y, posteriormente, volver a confirmar su estado periódicamente. El propósito de estas pruebas es verificar que una malla a tierra se ha instalado y se ha mantenido a lo largo de su vida útil. La razón de tener una malla de puesta a tierra correctamente diseñada, instalada y mantenida es eliminar los riesgos de choque y las condiciones de funcionamiento anormales que pueden surgir debido a corrientes de falla. Para verificar que hay un camino de baja resistencia para las corrientes de tierra, todos los conductores de tierra accesibles tiene qué ser inspeccionados, y los que están enterrados bajo la superficie de la tierra necesitan ser probados periódicamente. No hay requisitos específicos en los códigos para las pruebas de los sistemas de puesta a tierra. Sin embargo, la norma NFPA 70E-2012 [B49] requiere que la puesta a tierra de los circuitos, equipos y recintos debe ser permanente, continua y eficaz. Además, la parte III de la norma NFPA 70E-2012 [B49] exige que la unión de los equipos y el encerramiento se deben mantener. Además, la Administración de Seguridad y Salud Ocupacional (OSHA) ha adoptado la norma NFPA 70E-2012 [B49] como un requisito específico de seguridad de OSHA para los empleados en el lugar de trabajo. Las sobretensiones eléctricas o sobretensiones relacionados con la falla son conocidas por causar daños a los circuitos electrónicos sensibles en la casa de control, si su tierra esta pobremente conectada al resto de la tierra de la subestación. Estos tipos de incidencias son aún más comunes en torres de microondas y estaciones
meteorológicas. La prueba de integridad del suelo, la cual consiste en probar la calidad de la continuidad entre los dos puntos de la rejilla de tierra, es generalmente realizada en tales casos. Donde la seguridad es una preocupación, en particular en las subestaciones antiguas, la prueba de integridad el suelo se realiza normalmente antes de cualquier otra prueba. A veces, para grandes sistemas de redes de tierra tal como un sistema de puesta a tierra de una central eléctrica, la continuidad del sistema de tierra está marcada como una medida de control de calidad después de la construcción. Las descripciones de varios métodos de prueba la integridad de la malla de tierra se presentan en 10.2 a 10.4. 10.2 Método de prueba de alta corriente
Como su nombre lo indica, el propósito de esta prueba es comprobar la continuidad de los conductores enterrados y conectores de tierra, mediante la inyección de una corriente de prueba alta. La Figura 16 ilustra la prueba.
Figura 16 - Prueba de integridad de la tierra utilizando un equipo de prueba de alta corriente.
Un equipo de prueba típico consiste en una fuente de tensión variable (0 V a 35 V, 0 A a 300 A), dispositivos de medición de tensión y corriente, y dos puntas de prueba. En la Figura 16, el conductor de prueba T1 está conectado a una tierra de referencia elevada, generalmente un punto puesto a tierra de un transformador, y T2 está conectado a la tierra a medir. La prueba consiste en introducir una corriente (típicamente en el intervalo de 10 A a 300 A) que fluye entre las puntos conectados y medir la caída de tensión en el circuito de tierra, incluyendo los cables de prueba. La medición de la división en el punto de tierra bajo prueba, usando un pinza amperimétrica, proporciona datos adicionales para evaluar la trayectoria a tierra. Manteniendo el punto de referencia conectada, se mueve el segundo conductor de prueba en torno a puntos de prueba en otros equipos y estructuras hasta probar toda la red de tierra de la subestación. A veces, se emplea un cable trazador para localizar el conductor de tierra desconocido o roto. El cable trazador detecta el campo magnético producido por la corriente de prueba y genera una de ruido equivalente, que se puede escuchar a través de auriculares. La ausencia del ruido es indicativa de un cable de tierra roto o una conexión abierta. Es necesario medir la caída de tensión de los cables de prueba. Esta medición se lleva a cabo por un cortocircuito de los cables a través del equipo de prueba y midiendo la caída de tensión mediante la inyección de la misma corriente de prueba en el lazo. Esta medición de una sola vez obtiene la impedancia en serie de los conductores de prueba. Es importante realizar esta prueba de medición antes de el final de la prueba de modo que la temperatura del cable, y por lo tanto, la resistencia del cable será similar a la resistencia durante las mediciones de puntos de prueba. Para obtener un correcto valor de la impedancia, la impedancia del cable de prueba se resta de la impedancia medida entre las estructuras medidas. También es importante evitar bucles o bobinas de los cables de prueba, ya que esto puede producir inductancia significativa y modificar la caída de tensión. Aunque la prueba de integridad es la más práctica y conveniente para llevar a cabo la prueba, sus resultados se pueden analizar subjetivamente. Una forma de evaluar una malla de tierra es comparar las caídas de tensión entre sí e identificar las sitios probados que tienen valores de impedancia anormalmente altos. También se puede evaluar una malla de tierra mediante la comparación de la caída de tensión con un valor de referencia conocido [Normalmente 1,5 V / 15 m (50 pies) entre puntos de prueba] y la determinación de los vínculos débiles entre las puntos. Divisiones de corriente medidas pueden indicar si hay una alta impedancia o un camino abierto en cualquier dirección. Sin embargo, este método de evaluación sólo es válido para redes de tierra bastante densas, en lugar de mallas disponibles de repuesto o tierras
individuales de dispositivos remotos. Más información sobre este método se puede encontrar en Gill [B31]. 10.3 Medición de la resistencia entre dos puntos.
Este método de prueba es esencialmente el mismo al que se describe en 10.2, excepto que se determina la resistencia del camino de terreno entre las bandas ensayadas. El esquema de la Figura 17 muestra la aplicación de este Método. El sistema de prueba inyecta corriente de 60 Hz de 25 A a 30 A, entre dos puntos de tierra. Después medir la corriente, la caída de tensión a través del camino conductor de tierra, y el ángulo de fase entre ellos, se calcula la resistencia de la trayectoria de la red o de tierra utilizando la ecuación (11) (Patel et al [B51].):
R trayectoria =VCosθ/I
(11)
Dónde Rtrayectoria es la ruta (s) de resistencia entre los dos puntos. V es la tensión a través de los dos puntos. I es la corriente entre los puntos. θ es el ángulo de fase entre V y I
Figura 17 Prueba de integridad de la malla de tierra mediante la medición de la resistencia entre dos puntos.
10.4 Medida de continuidad de baja impedancia mediante multímetro de conexión a tierra (telurómetro) basado en computador.
La subcláusula 8.2.2.7 describe la configuración básica y el funcionamiento del multímetro a tierra basado en computadora. Una función del multímetro es determinar la continuidad de la conexión de la trayectoria a tierra entre diferentes puntos en una subestación o instalación. Los conjuntos de tensión y corriente de la sonda se instalan como se muestra en la figura 18. En la figura, y cables de corriente rojo y negro están conectados entre el punto de referencia y el punto ascendente bajo prueba, respectivamente. El cable rojo está conectado en la unidad de ensayo y de calibración que se suministra con el dispositivo. En esta configuración, la unidad de calibración actúa como una resistencia limitadora de corriente de aproximadamente 50 ohms. A conectar esta resistencia, la perilla ubicada en la parte delantera de la unidad de ensayo y de calibración se gira al modo de impedancia de tierra. Si la unidad de ensayo y de calibración no está disponible, entonces puede ser utilizado una resistencia externa de capacidad adecuada.
La tensión entre el punto de referencia y el punto bajo prueba se mide a través del cable amarillo y el cable verde, como se muestra en la Figura 18. La configuración mostrada en la figura 18 dará lugar a una completa caracterización de la impedancia (R + jX) entre el punto de referencia y el punto bajo prueba.
Figura 18 Prueba de integridad de la malla de tierra usando multímetro de tierra (telurometro) basada en ordenador
11. División de corriente 11.1 Introducción
El sistema extendido de puesta a tierra de la estación puede incluir conexiones a las redes auxiliares, cables de tierra aereos, neutros de redes de distribución de alta tensión y cubiertas de cables de comunicación, tuberías metálicas, vallas, y vías del ferrocarril. La medición de corrientes parciales en estos conductores podría ser útil para varias razones como son: a) Determinación la resistencia y la tensión de red, para comparar con los cálculos de diseño. b) Evaluación de las conexiones a tierra, tales como conductores de neutro y de armadura. Por ejemplo, en las áreas urbanas, los neutros de distribución tienden a ser
más eficaces que conductores de transmisión blindados para reducir la impedancia integrada de la malla de tierra. c) Validación de modelos informáticos mediante la medición de la división de corrientes. d) Determinación de blindaje o apantallamiento de cables de tierra y cables aéreos. Los circuitos de tierra con factores de blindaje más altas llevan más corriente a la malla de tierra, por lo tanto, reducen la GPR y las consecuente tensiones de paso y contacto en la subestación. e) La determinación de la corriente de la malla de tierra ayuda a evaluar la exposición para los cables de comunicación antes de ser instalados. 11.2 Consideraciones sobre las pruebas La división de corriente de tierra por trayectorias paralelas se puede medir mediante el uso de una o más TC tipo pinza de núcleo partido. Típicamente, la salida de los transformadores de intensidad es recibida por un sistema de adquisición de datos multicanal. La fuente de corriente puede ser alimentada mediante la aplicación de, ya sea el método de fallo por etapas (9.4.1) o el método la inyección de corriente (9.4.2). En cualquiera de los métodos, las siguientes son consideraciones importantes para las mediciones: a) Debido a que los ángulos de fase pueden variar significativamente entre los diferentes conductores, se requiere hacer la medida de corriente como una cantidad vectorial (magnitud y ángulo de fase). Esta disposición implica la medición de una variable de referencia tal como la corriente inyectada. b) La carga de los CT puede ser local, con la transmisión de la señal de tensión sobre un par trenzado delgado, o puede estar en el centro de la prueba principal, con la transmisión de la señal de corriente. Para esto último, es probable que se necesiten cables de baja resistencia para controlar la carga total del circuito, dependiendo de la distancia. El primer método puede ser más propenso a las interferencias, especialmente si el secundario en derivación es demasiado pequeño. Un gran resistencia de carga puede afectar a la medición del ángulo de fase más que a la magnitud. Una calibración con transformadores de corriente de ensayo y de referencia sobre el mismo conductor probará esta posibilidad. c) Para corrientes muy pequeñas, la característica de magnetización del CT puede ser influenciada y altera esta calibración. En tal caso, la corriente de prueba se puede aumentar (método de inyección de corriente). d) La interferencia de la frecuencia industrial es probable que sea un problema mayor en la realización de las mediciones de las divisiones de corriente, en comparación con las
mediciones de gradiente de voltaje, que no son tan sensibles a la inducción de corrientes circulantes localizadas. e) Algunos conductores de tierra, tales como tuberías o cables de alta tensión, podrían ser demasiado grande para el uso de transformadores de corriente de núcleo partido de tamaño estándar. En tales casos, pueden ser usados TC con núcleos partido grandes. Pueden ser utilizados Transformadores de corriente de Hilo bobinado siempre que sean adecuadamente calibrados antes del uso. La corriente de red es típicamente calculada restando la medida de corriente en los caminos paralelos, del total de la corriente inyectada. 12. Impedancia transitoria del sistema de puesta a tierra. 12.1 Generalidades.
Las características de un sistema de tierra bajo las condiciones de impulso de un rayo son importantes si se requiere implementar un sistema eficaz de protección contra rayos. Es necesario confirmar que el sistema de puesta a tierra proporciona una baja impedancia de tierra y no sólo una baja resistencia. Este es un punto central a la filosofía de diseño del sistema de tierra de protección contra rayos. El aumento de tensión (elevación del potencial de tierra) debido a un rayo depende no sólo de la resistencia del sistema sino también de la reactancia del sistema. El impulso de un rayo comprende componentes tanto alta como de baja frecuencia. La forma de onda del impulso se caracteriza por un aumento muy fuerte en tensión y corriente, seguida de una larga cola de contenido de energía en exceso. Los tiempos de la pendiente de tensión y corriente a su valor pico, típicamente varían entre 1 y 10 μs para el primer golpe, y de 0,1 a 1 para reencendidos posteriores. Los componentes de alta frecuencia están asociados con frente de rápido crecimiento, mientras que los componentes de frecuencias más bajas se encuentran en la larga cola de, de alta energía. Debido a este ritmo de subida empinada de la corriente, la reactancia inductiva del sistema de tierra se convierte en el factor dominante que afecta el aumento de tensión en el sistema. Se ha demostrado que la impedancia de un electrodo de puesta a tierra sencillo depende de la amplitud del impulso de corriente, y también varía con el tiempo, dependiendo de la forma del impulso. La no linealidad de la impedancia de puesta a tierra es causada por descargas locales a tierra en la zona donde el gradiente de campo eléctrico excede los 2,5 kV / cm a 3 kV / cm. Dado que el gradiente de campo alcanza el valor más alto en el electrodo de tierra, las descargas cortocircuitan parcialmente el suelo adyacente al electrodo. En consecuencia, la impedancia transitoria del sistema de puesta a tierra para
impulsos de alta corriente es menor que el valor medido con los métodos de estado estacionario convencionales, o con un impulso de amplitud más baja, que no produce las descargas a tierra. Un efecto opuesto se ha observado en el caso de grandes electrodos de tierra, alambres, o tiras de más de 300 m (1000 pies) de largo, cuando se probó con impulsos de frente de onda. La caída de tensión a través de la impedancia de puesta a tierra, muestra un gran componente inductivo. La impedancia instantánea es determinada normalmente como un cociente de la tensión transitoria aplicada y la corriente registrada en el mismo instante. La parte de tensión adicional que aparece a través de la inductancia de conexión a tierra con un frente de impulso empinado (o en un colapso brusco de la corriente de impulso) se interpreta como un aumento de la impedancia de puesta a tierra. Los instrumentos de prueba de tierra tradicionales funcionan con un puente equilibrado de corriente alterna a baja frecuencia u otro método parecido, y la impedancia medida es la resistencia cercanamente igual a la DC, entonces no incluye los componentes de reactancia de alta frecuencia. Los equipos de prueba usados para evaluar la reactancia de alta frecuencia de una de sistema de electrodos de tierra utilizan, ya sea una corriente de alta frecuencia, en el rango de las decenas de kHz, o un impulso sostenido con un tiempo de subida rápida (1 microsegundo). Las configuraciones de prueba del método de caída de potencial o del método de tres puntos usan normalmente este tipo de equipos de prueba.. Para medir la impedancia de tierra de una torre de una línea de transmisión usando un medidor de baja frecuencia y el método de la caída de potencial, se requiere la desconexión del cable de tierra aéreo (cable de guarda) con el fin de aislar la tierra de la torre de la tierra de la red de la línea de transmisión. Los estudios han sido realizados por el Instituto de Tecnología de Georgia [B29] El Centro Nacional Aplicación Pruebas y de Investigación de Energía Eléctrica (NEETRAC), y gran parte de 12.2 por 12.4 fueron preparados por NEETRAC. 12.2 Medición usando un generador de impulsos móvil (Georgia Institute of Tecnología [B29])
La impedancia de rayo de un sistema de puesta a tierra se puede medir mediante la inyección de un impulso de frente empinado de corriente a cierta distancia y registrar la tensión y la corriente. La Impedancia característica es normalmente representada como una resistencia y es un parámetro de alta frecuencia. Una vez que una onda viajera está establecida dentro de un medio conductor, la impedancia característica es el parámetro predominante. Por ejemplo, un cable coaxial de la televisión está marcado como si tuviera una impedancia de 75 Ω. Si se midiera el cable coaxial de extremo a extremo con un voltímetro de cc u otro medidor de impedancia de baja frecuencia, la lectura sería
cerca de 0 Ω en lugar de 75 Ω. Sin embargo, para una señal de alta frecuencia , la impedancia de un extremo a final es 75 Ω. Este valor 75 Ω también se conoce como la impedancia característica del cable coaxial. Por lo tanto, para medir un parámetro de alta frecuencia, se emplean técnicas de medición de alta frecuencia. Una vez que se registran las formas de onda de tensión y corriente, el punto en el tiempo de la forma de onda de corriente (pico) donde di / dt (pendiente) = 0 (y, en adelante, LDI / dt = 0) es el punto de resistencia pura. El valor de tensión coincidente en el tiempo con este punto de la forma de onda de corriente se divide por el valor de la corriente. Este cociente es igual entonces a la impedancia característica del medio conductor. A veces, el proceso es complicado por la reflexión sobre las formas de onda, pero para sistemas simples, los picos de la forma de onda de la tensión y la corriente están claramente definidas como picos coincidentes (ya que la impedancia es puramente resistiva). Un ejemplo de tensión de impulso y corriente para una varilla de tierra de 2.4 m (8 pies) de largo x 16 mm (5/8 de pulgada) de diámetro se muestra en la Figura 19. Como se indica en la Figura 19, la impedancia de la varilla de tierra es de aproximadamente 40 kV dividido por 210 A o aproximadamente 190 Ω. La figura 20 muestra las características de impulso de una malla de tierra de una subestación autónoma de 63 m (206 pies) x 57 m (186 pies) 55 rejillas. En este caso, la impedancia mide aproximadamente 61 Ω (17 kV dividido por 280 A).
Figura 19 -Ejemplo de medida de impedancia al impulso de una de la barra de tierra de 2,4 m (8 pies) de largo x 16 mm (5/8 pulg) (Instituto de Tecnología de Georgia [B29])
Figura 20 -Ejemplo de impedancia medida en una malla de tierra de una subestación de un 63 m (206 pies) × 57 m (186 pies) con 55 rejillas (Instituto de Tecnología de Georgia [B29])
Figura 21 -Configuración para las mediciones de impedancia del electrodo de tierra de sobretensión T & D (Instituto de Tecnología de Georgia [B29])
La Figura 21 y la Figura 22 muestran configuraciones típicas de equipos e instrumentación para realizar las mediciones usando un generador de impulsos móvil para la tierra de una Torre de transmisión y una subestación, respectivamente. Las variaciones y limitaciones para cables y arreglos de tierra de referencia siguen siendo los mismos que para la prueba de baja frecuencia FOP (caída de potencial). Sin embargo, cuando se utiliza un generador de impulsos de alta tensión, la corriente y la tensión están aisladas de tierra para evitar interferencias. Los cables de prueba pueden ser fácilmente aislados de la tierra colgando los cables sobre ductos de cloruro de polivinilo (PVC). Al igual que en las pruebas de baja frecuencia, se inyecta una corriente de impulso en la tierra por el cable de corriente. Las formas de onda de corriente y de tensión se miden simultáneamente en un registrador digital. La duración del frente de impulso de corriente se ajusta normalmente a aproximadamente 0.5 μs. Con este impulso de frente de onda de corriente, una onda completa se puede configurar en aproximadamente 150 m (500 pies).
Figura 22 -Configuración para las mediciones de impedancia de impulso de los electrodos de tierra de una subestación (Instituto de Tecnología de Georgia [B29]
12.3 Medición utilizando un medidor de banda ancha (Instituto de Tecnología de Georgia [B29]) En una prueba realizada por NEETRAC, se utilizaron un conjunto de 20 frecuencias entre 100 Hz y 1 MHz para realizar las mediciones. El método de tres puntos se realizó utilizando sondas proporcionados por el fabricante y conductores de prueba coaxiales.
Figura 23 -Ejemplo de un gráfico de impedancia de impulso de una varilla de tierra de 2,4 m (8 pies) de largo x 16 mm (5/8 pulg) de diámetro usando un medidor de impedancia de banda ancha, (Instituto de Tecnología de Georgia [B29]
Un ejemplo del gráfico de impedancia de salida se muestra en la Figura 23. La frecuencia se visualiza en el eje horizontal, mientras que la impedancia en ohmios se muestra en el eje vertical. El software traza tres curvas a partir de los datos procesados: impedancia, resistencia y reactancia. En este ejemplo, la curva Z es la impedancia total, la curva R es la resistencia, y la curva X es la reactancia. Para efectos de presentación, la reactancia ha sido invertida de la que el software produce. Por lo tanto, los datos positivos mostrados corresponden a reactancia inductiva y los datos negativos a capacitiva. En el ejemplo anterior, la impedancia de tierra de baja frecuencia y la resistencia están en el rango de 300 Ω. Alrededor de 100 kHz, la reactancia cruza el cero y la impedancia y la resistencia alcanzan un pico y son iguales. El valor de impedancia es un poco mayor de 300 Ω en este punto. Sin embargo, nótese que la reactancia se aproxima a cruzar otro cero un poco por encima de 1 MHz. En este punto, la impedancia y la resistencia serán alrededor de 100 Ω. 12.4 Instrumentación
Un diagrama esquemático del equipo utilizado se da en la Figura 24. La medición de impedancia transitoria de una varilla de puesta a tierra o de un sistema de tierra distribuida requiere un equipo especializado, que se utiliza normalmente en los laboratorios de alta tensión. El impulso de alta tensión y alta corriente es generado por la
descarga de un condensador grande en una red de formación de impulso. Haciendo referencia a la figura 24, los condensadores de impulsos se cargan primero a una alta tensión de corriente continua. Una vez cargada, la distancia entre las esferas se disminuye hasta que se produce la formación de chispas a través del espacio, generando el impulso de corriente y tensión deseados. A pesar de que un circuito de este tipo se puede improvisar en el sitio de prueba, en los casos más prácticos, se utiliza un generador de impulsos móvil. No existen normas generalmente aceptadas para la forma del impulso, pero el impulso 8/20 μs o 4/10 μs se aplica con frecuencia para las mediciones de la impedancia transitoria de puesta a tierra. Aparte de la tierra que se desea medir, el circuito de prueba tiene que tener otra tierra auxiliar que lleve la corriente de retorno al generador de impulsos a través de la tierra bajo prueba (Figura 21 y Figura 22). Esta tierra es preferiblemente del tipo distribuido para proporcionar un valor tan bajo como una impedancia prácticamente despreciable. El generador de impulsos está conectado a la tierra bajo prueba a través de una derivación de alta frecuencia para la medición de la corriente de choque. IEEE Std 41995 [B35] proporciona los requisitos que debe cumplir la unidad respuesta en derivación. La caída de tensión en la resistencia de la tierra es medida por un divisor de tensión, preferiblemente del tipo resistivo y diseñado para el rango de tensión esperada. Es esencial mantener la derivación y los puntos del divisor de conexión a tierra conectados directamente a la tierra auxiliar por cables cortos, de baja inductancia.
Figura 24 - Esquema básico del generador de impulsos IEEE Std 4-1995 [B35] proporciona los requisitos de cumplimiento para el divisor. Mantener el conductor enrutado desde el divisor a la tierra que se mide de la forma más
corta posible minimizará error causado por la impedancia de este conductor. El registro simultáneo de los impulsos de tensión y corriente es normalmente realizado con un osciloscopio. Los dos cables coaxiales que conectan el divisor y la derivación al osciloscopio debe tener la misma longitud para evitar retrasos de tiempo entre las mediciones registradas. La impedancia característica se define como la relación de la tensión máxima dividida por la corriente máxima. Cuando se inyecta una forma de onda del rayo estándar en el suelo, la tensión máxima y la corriente máxima puede ocurrir en diferentes momentos. Anexo A (Informativo)
Suelos no uniformes A.1 Resistividad aparente del suelo de dos capas En este modelo, la tierra se caracteriza (véase la Figura A.1) por los siguientes atributos: ⎯ La Altura de la primera capa, h ⎯ La primera capa de resistividad, ρ1 ⎯ Capa de resistividad profunda, ρ2 ⎯ El coeficiente de reflexión
Una determinación de la resistividad mediante el método de Wenner (ver 7.2) da como resultado una resistividad aparente que es una función de la separación de los electrodos a. En términos de los parámetros en la ecuación (A.1), la resistividad aparente se puede demostrar que es:
Figura A.1 Tierra de dos capas
A.2 Resistencia de una varilla de tierra en un terreno de dos capas
La resistencia de tierra de una varilla de longitud l y radio r enterrado en la primera capa de un suelo de dos capas está dada por:
Dónde: K es el coeficiente de reflexión que se define en la ecuación (A.3) Cuando K = 0, la fórmula corresponde a la modelo de suelo uniforme con
Si en un sitio dado se mide la resistencia de tierra de una varilla para diversas longitudes L1, L2, L3 ... Ln (al menos tres valores), los valores medidos R 1, R2, R3, ... Rn proporcionarán un conjunto de ecuaciones del tipo [Ecuación (A.3)] que puede resolverse para dar los valores desconocidos de ρ1, K, y h. En algunos casos, se obtienen resultados contradictorios o absurdos (cuando se realizan más de tres mediciones). Esto indica, ya sea precisión insuficiente en las mediciones o que el supuesto de un suelo uniforme de dos capas no era una aproximación adecuada. Es preferible, a continuación, utilizar método de Wenner o de los cuatro puntos con varios valores de separación de la sonda e interpretar los resultados por la inspección visual de la curva de resistividad aparente (ver 7.2).
Anexo B (Informativo) Determinación de un modelo de tierra.
Este anexo tiene por objeto ayudar al usuario a obtener, a partir de los datos de resistividad medida, el modelo de la tierra que mejor se ajuste a los datos. El modelo de la tierra está limitado a una configuración de suelo de dos capas (véase la figura A.1).
Sea ρº ser el valor de resistividad aparente tal como se mide por el método de cuatro puntos o Wenner y sea ρ el valor de resistividad calculado asumiendo que la tierra es una configuración de dos ca pas. Tanto ρº y ρ son funciones de la separación de la sonda. ρ está dada por la ecuación (A.2). Sea ψ (ρ1, ρ2, h) sea una función de error dada por:
Dónde: N es el número total de valores de resistividad medidos con la sonda de la distancia a como parámetro Para obtener el mejor ajuste, ψ deben minimizarse. Para determinar los valores de ρ, K, y h que minimizan ψ, se utiliza el método del descenso más agudo:
También tenemos:
Para asegurarse de que los cálculos convergen a la solución deseada, los valores de Δρ1, Δρ2, Δ h deben ser tales que:
σ, y γ son valores positivos y lo suficientemente pequeños como para garantizar una solución con la precisión deseada. ζ,
Normalmente, los valores que conducen a las siguientes soluciones son satisfactorios:
Utilizando la ecuación (B.3) y la ecuación (B.4), se obtiene la siguiente ecuación:
Donde ρ se calcula utilizando la ecuación (2) y, suponiendo que los valores inicia les. ρ1, ρ2, y h, Δψ se calculan utilizando la ecuación (B.6). Si | Δψ | > ε, la precisión deseada, entonces se itera el cálculo. En la iteración k los nuevos valores están dados por:
Los cálculos iterativos se detienen cuando Δψ como está dado [Ecuación (B.6)] es tal que: Con ε siendo la precisión deseada. Δρ1, Δρ2, y Δ h se calculan utilizando la Ecuación (B.5), que a su vez requiere que los
valores de
y
dada por la ecuación (B.2).
En la ecuación (B.2), los valores de (A.2) como sigue:
y
se obtienen de la ecuación
Dónde:
Y ρ1, ρ2, y h son los valores calculados en la iteración K [Ecuación (B.7)]. El método descrito en este anexo es la base de un programa de computador diseñado para determinar la configuración de dos capas de suelo que mejor se adapte a los datos obtenidos en el campo. Usando este programa se obtuvo la Figura 5. Anexo C
(Informativo) Teoría del método de caída de potencial C.1 Definiciones y símbolos básicos La base para el método de caída de potencial con sus definiciones y símbolos asociados es la siguiente: a) Cuando un electrodo E no conduce ninguna corriente a la tierra y está ubicado a una gran distancia de cualquier otro electrodos conductores de corriente, su auto-potencial (o GPR) es cero (potencial de tierra remota). b) Si una corriente I entra en la tierra a través de este electrodo, entonces, su potencial sube a donde Re es la impedancia del electrodo. Si I = 1 A, entonces, Por lo tanto, en lo sucesivo, designa el aumento potencial de
electrodo E cuando 1 A entra en la tierra a través de la electrodo. igual a la impedancia del electrodo en ohmios.
es numéricamente
c) Se asume ahora que a cierta distancia finita del electrodo E, un electrodo G inyecta una corriente I a la tierra (E no conduce ninguna corriente). Debido a la elevación del potencial de tierra local, el electrodo E, inicialmente al potencial cero, tendrá un potencial (este fenómeno se llama a menudo acoplamiento resistivo). Si I = 1 A, entonces, (numéricamente igual a la denominada resistencia mutua entre E y G). d) Si el electrodo E conduce 1A y simultáneamente el electrodo G conduce también 1A, el aumento potencial del electrodo E será Las expresiones teóricas que permiten el cálculo de o son complejas y no se incluye en este anexo, con excepción de configuraciones sencillas de tierra y electrodo. C.2 derivación de las ecuaciones fundamentales El problema se ilustra en la Figura C.1. La corriente i en el electrodo P se presupone despreciable con relación a I. En un momento dado t, la corriente I que se inyecta en el suelo en E se supone positiva y, la recogida por G, se supone que negativa. Sobre la base de las definiciones y los símbolos presentados anteriormente, se cumplen las siguientes relaciones:
Dónde
Up y UE son los potenciales o GPR (con respecto a tierra remota) de electrodos P y E, respectivamente. La tensión V medida por el método de caída de potencial es:
Figura C.1 Método de la caída de potencial
es la elevación del potencial de electrodo E, que resulta de su propia corriente de 1 A. Esto es, por definición, la impedancia R E del electrodo E. Por lo tanto, la ecuación (C.3) se puede escribir como:
son funciones de la separación entre los electrodos (E, G, y P), la configuración de los electrodos, y las características del terreno. C.3 Suelo uniforme.
Definamos las siguientes funciones η, Φ, y ψ con respecto al sistema de coordenadas mostrado en la Figura C.1. (Se supone que η, Φ, y ψ son funciones sólo de las distancias D y X).
De acuerdo con la ecuación (C.4), la impedancia medida R = V / I será igual a la verdadera impedancia Re si: Es decir: Es decir:
C.4 Electrodos idénticos y distancias grandes.
Si los electrodos E y G son idénticas Φ = ψ y si D es suficientemente grande tal que 0, con estas condiciones la ecuación (C.8) se convierte en: Así: x0 = D/2 Es decir, la sonda debe estar situada a medio camino entre E y G. C.5 Electrodos hemisféricos
Si los electrodos E y G son hemisferios por los que circula una corriente continua a través del suelo uniforme, entonces la funciones potenciales Φ, η, y ψ son inversamente proporcionales a la distancia relativa al centro del hemisferio. Si el origen de los ejes está en el centro de hemisferio E, entonces la ecuación (C.8) se convierte en: ) La raíz positiva de la ecuación (C.9) es la ubicación exacta de la sonda potencial x 0: x0 = 0,618 D
Este resultado es la conocida regla del 61,8%. Si la sonda de potencial P está en la ubicación P2 (lado E, véase Figura C.1), entonces D - x debe ser sustituida por D + x en la ecuación (C.9). En este caso, la ecuación tiene sólo raíces complejas. Si P está en la posición P1 (lado G, véase la figura C.1), entonces D - x debe ser sustituido por x – D en la ecuación (C.9). La raíz positiva de la ecuación (C.9) es: x0 = 1,618 D C.6 Caso general
Si el suelo no es uniforme, o los electrodos E y G tienen configuraciones complejas, o ambos, entonces las funciones Φ, η, y ψ no son fáciles de calcular. En tales casos, se requieren generalmente soluciones informáticas. Anexo D (Informativo) Resistividad superficial del material
D.1 Introducción IEEE Std 80 observa que el material que se utiliza para cubrir la capa de suelo de la subestación tendrá un gran efecto en las corrientes por el cuerpo resultantes de las tensiones de paso y contacto. En la mayoría de los casos, los valores seguros de tensiones de contacto y paso se basan en la resistividad en húmedo del material de la superficie, considerando que la resistividad en seco de muchas materiales de superficies es muy alta y no representa el peor valor de cálculo. Las condiciones locales, la humedad, tamaño y tipo de piedra, y otras pueden afectar el valor de la resistividad del material de la superficie, y es importante la medición de la resistividad de las muestras de rocas húmedas típicas del tipo que se utiliza en un área determinada. La Tabla D.1 se reproduce de IEEE Std 80-2000 y da valores de resistividad típicos para diferentes tipos de material de la superficie medidos en diferentes regiones de los Estados Unidos. Estos valores no son válidos para Todos los tipos y tamaños de piedra en una región determinada. IEEE Std 80 sugiere que se realicen pruebas para determinar la resistividad de la piedra típicamente conseguida por la compañía eléctrica. Desafortunadamente, no existe un estándar de la industria sobre cómo medir la resistividad en húmedo de materiales de superficie o como preparar la muestra húmeda. En general, los métodos descritos en este anexo se pueden utilizar para medir la
resistividad en húmedo o en seco del material de superficie. Cuando se mide la resistividad en húmedo, se ha ideado un método para humedecer la muestra a fondo, y entonces drenar el agua hasta que se alcanza algún arbitrario contenido de humedad. Normalmente, se deja que el probador determine el método y el valor de este contenido de humedad. La resistividad eléctrica de un material puede ser medida después de su colocación usando los métodos de resistividad del terreno. Sin embargo, los métodos de resistividad descritos en la Cláusula 7 no son aplicables al material de la superficie en profundidades de 100 mm a 400 mm, que se utilizan típicamente en aplicaciones de subestaciones.
Medidas realizadas después de la colocación, bajo un conjunto de condiciones atmosféricas y del suelo, puede no permitir determinación de la resistividad en todas las condiciones de operación. Además, las mediciones hechas después de la colocación del material hacen que sea poco prácticas para ajustar el diseño de los materiales de la malla y la superficie. Medidas de resistividad de material de la superficie, en condiciones controladas, antes de la colocación, permite una amplia gama de modificaciones prácticas del diseño de la
malla de tierra. Hay siete métodos publicados para medición de la resistividad del suelo o del material de superficie (también conocido como "roca"). Hay tres métodos adecuados para efectuar mediciones de resistividad del suelo y están incluidos en esta guía. Estos tres métodos de medición del suelo pueden ser aplicados a la medición de la resistividad de la "roca" (material superficial de la subestación). Un cuarto método para la medición de la resistividad del suelo se da en ASTM G57-2012 [B10], y este método también puede ser utilizado para medir la resistividad de la roca. La literatura publicada incluye tres métodos para la medición de resistividad que se aplican específicamente a la medición de la "roca" en lugar de "suelo". D.2 Métodos de suelo aplicados para la medición de la resistividad de la roca.
Los tres métodos de medición de resistividad del suelo de esta guía son el método de dos puntos, método de la variación de profundidad (tres puntos), y el método de cuatro puntos. El material de la superficie de Subestación (por ejemplo, roca) se aplica típicamente en una capa relativamente delgada de 150 mm o menos. La capa delgada de material conduce a problemas importantes en la aplicación de cualquiera de los tres métodos de esta guía para medición in situ o por muestra la resistividad de la roca. D.2.1 Método de los dos puntos
El método de dos puntos se usa para la medición del suelo in situ. Este método podría ser utilizado para medición in situ de la roca, pero la capa de roca fina comprometería aún más la calidad de los datos. El método de los dos puntos podría aplicarse para la medición de la muestra, pero este método también requeriría atención a la resistencia interfacial entre las sondas de prueba y la roca. D.2.2 Método de los tres puntos
El método de tres puntos requiere el aumento de la profundidad de las varillas para mediciones sucesivas. El método no es una alternativa práctica para medición in situ de la fina capa de la roca de superficie instalada. Una medición de muestra podría ser hecha con este método, pero se requiere una profundidad de muestra bastante grande para la muestra (por ejemplo,2 m a 3 m). Además, este método requeriría atención a la resistencia interfacial entre las puntas de prueba y la roca. D.2.3 Método de los cuatro puntos
El método de cuatro puntos mide la resistividad media a una profundidad que se aproxima a la distancia entre electrodos. Para hacer una medición in situ de una capa delgada (por ejemplo, 200 mm) de roca, los electrodos se separan por no más de 200 mm, pero la profundidad del electrodo tendrá que ser 150 mm a 200 mm para hacer suficiente contacto con la roca. Sin embargo, el método de cuatro puntos se basa en la suposición de que la longitud de sondas de prueba es pequeña, comparada con la distancia entre las sondas. Como resultado, la base teórica para el método de cuatro puntos no es válida para este arreglo. La medición de la resistividad de la roca es posible usando el método de cuatro puntos. Sin embargo, la suposición de radio requiere que la separación de la sonda sea grande con respecto a la longitud de la sonda. Distancia grande entre sondas requiere dimensiones de muestra más grandes para la medición de la resistividad de un material homogéneo, de una sola capa (sin reflexión). Para mediciones válidas y para un diámetro de la sonda de 150 mm a 200 mm, las distancias de los electrodos deben ser del orden de 1500 mm a 2000 mm. Las dimensiones de la muestra necesitan ser más de tres veces la separación igual entre las cuatro sondas (es decir, aproximadamente 4,5 m²). Para medir la muestra y no el recipiente de muestra, la profundidad de la muestra debe ser mayor que la separación de la sonda (por ejemplo, 1500 mm). Para una medición de cuatro puntos, la muestra debe ser de aproximadamente 4,5 m² y 1,5 m de profundidad. Para más información sobre este método, véase D.3 D.3 Método ASTM aplicado a la medida de resistividad de las rocas.
ASTM G57-2012 (B10) presentan un método de medición in situ y de muestra de la resistividad del suelo. Las ecuaciones ASTM son idénticas a la ecuación (3) y la ecuación (4) en 7.2. Como se observó, la ecuación (3) y la ecuación (4) suponen que la separación de la sonda es mucho mayor (por ejemplo, por un factor de 10) que la longitud de las sondas. Como con el método de cuatro puntos de esta guía, las dimensiones de la muestra deben ser de aproximadamente 4,5 m². La profundidad debe ser de 1,5 m, como se muestra en la figura A.1 de ASTM G57-2012 (B10).Figura D.1
. D.4 Literatura publicad sobre medida de resistividad de las rocas.
En la literatura publicada se dan tres métodos para la medición de la resistividad del material superficial. Un método fue presentado por Carmen y Woodhouse (B16) publicado para el IEEE Conferencia Internacional Powercon en 2000. Abledu y Laird (B2) publicaron otro método en las Transacciones sobre la entrega de energía en 1993. Un tercer método se describe en un proyecto patrocinado por el Instituto de Investigación de Energía Eléctrica (Patel (B53)),
D.4.1 Método de Carmen y Woodhouse.
El método Carmen y Woodhouse de medición de resistividad de la muestra fue desarrollado principalmente para evaluar el efecto del agua en el material superficial de
la roca. Sin embargo, se hicieron mediciones de resistividad para diferentes tipos y tamaños de roca seca. D.4.1.1 Selección y dimensiones de la muestra.
Las mediciones de resistividad de la roca seca se realizaron sobre material descrito como " metal grande azul, granito aplastado y grava de río”. El artículo de Carmen y Woodhouse [B16] no contiene información que describa las propiedades de los materiales, distintos de gradación de la roca (es decir, dimensiones). Los tamaños de roca en la medición son 30 mm a 40 mm (aproximadamente 1 1/4 a 1 1/2 de pulgadas). Fueron hechas mediciones de otros tamaños de roca, y los tamaños son descritos como " partículas más pequeñas" y "partículas grandes." D.4.1.2 Medición de configuración.
La configuración de la medición fue similar a la configuración utilizada en el método de Laird. A 150 mm (aproximadamente 6 in) se utilizó cilindro de PVC. Una malla de cobre descrita como un "superficie de limpieza" se utilizó para los electrodos superior e inferior. Se hizo un intento de usar papel de aluminio para los electrodos, pero el papel no era suficientemente robusto para soportar múltiples pruebas. No hay descripción de la fijación de los equipos de medición a los electrodos de malla de cobre. Se hizo una evaluación de la validez de la configuración de medición. Una célula hecho de un 300 mm (Aproximadamente 12 in) de diámetro de cilindro se utiliza para hacer las medidas. Las mediciones con el cilindro de 150 mm se encontraban dentro del 2% de las mediciones realizadas con el cilindro 300 mm. D.4.1.3 instrumentación de medida y cálculo de la resistividad.
El primer intento de mediciones de resistividad se hizo con un medidor de aislamiento digital. Durante la prueba, el valor de la resistencia medida continuo incrementándose, lo cual muestra un efecto de carga capacitivo entre los dos placas de electrodo. La curva de carga fue lenta (del orden de horas) debido a la enorme resistencia involucrada (> 10 k ohmios). Esto tiende a ser un problema cuando se analizan muestras secas de alta resistencia. En última instancia, el instrumento utilizado para las pruebas de resistividad húmedas también fue utilizado en la medición de la resistencia roca en seco. Un preciso medidor digital de resistencia (el cual requiere una salida de corriente razonable) proporciona una
rápida y precisa lectura, para valores de hasta 20 k ohmios. Para valores superiores a este, se utilizó una resistencia de precisión en paralelo de 10 k ohmios . Inicialmente, se utilizó este instrumento para pruebas secas. Sin embargo, los valores obtenidos fueron mucho más alta que la resistencia de 10 k ohm, por lo que no se pudo lograr un nivel aceptable de precisión, por lo que requiere el uso de un medidor digital de aislamiento. La resistividad se calculó con la siguiente ecuación: r = R × A / L (D.1) Dónde r es la resistividad (ohm-m) R es la resistencia medida (ohms) A es el área (m²) L es la profundidad de la muestra (m) Las pruebas de más altas tensiones y más altas corrientes se realizaron utilizando un equipo de prueba de 100 kV para hacer pruebas de degradación. No se proporciona una descripción del equipo de prueba en el documento de Carmen y Woodhouse [B16]. Además, no se presenta ningún método para el cálculo de la resistividad de la muestra sobre la base de los valores de degradación de tensión. D.4.1.4 Procedimiento de medición.
Antes de que el recipiente de prueba se llenara con la roca, se secó por los lados con un paño tratado con silicio, para minimizar la formación de pistas de carbono a lo largo de la pared del vaso. Después de llenar el cilindro, se puso la roca bajo presión con un peso de 25 kg, el cual fue utilizado para mantener la presión apropiada durante el ensayo. D.4.1.5 Resultados experimentales.
El objetivo fue determinar la resistividad de la roca mojada. Sin embargo, la resistividad de la roca seca era medida también. Para "(partículas pequeñas) limpias y secas" una resistividad "típica" de la roca fue de 14 000 ohm-metro. Por " (partículas grandes) limpias y secas ", una "resistividad típica" de la roca fue de 1 000 000 ohm-metro.
El artículo de Carmen y Woodhouse [B16] no presenta una definición de las categorías de roca, el número de mediciones hechas, o el método utilizado para calcular un valor típico. D.4.2 Método de Laird
El método Laird para medición de la resistividad de la muestra también fue desarrollado para medir el efecto del agua (Por ejemplo, el agua del grifo) en la resistividad de la superficie de la roca de la subestación. Selección de la muestra D.4.2.1 y dimensiones.
Un solo material y gradación fueron escogidos para la medición. La muestra era un " agregado grueso, lavado, de 3/4 a 1 pulgadas. La roca utilizada fue de granito "(Abledu y Laird [B2]). El agregado de 3/4 (19,1 mm) a 1 pulgadas (25,4 mm) corresponde a la norma ASTM D448-03a-2008 [B9] agregado Nº 5. Como se ha indicado, una definición ASTM de "granito" se da en la norma ASTM C615-2003 [B8]. Sin embargo, la referencia a las normas ASTM no es presentada en el documento de Abledu y Laird [B2], ni tampoco el peso de la muestra de campo requerida por ASTM C136-2006 [B7] (aproximadamente 40 kg). D.4.2.2 Medición de configuración.
En el método de Laird, la configuración de la medición consiste en un cilindro de plástico de 154 mm (6 pulgadas) que tiene 298 mm (11,75 pulgadas) de diámetro. El cilindro está abierto en ambos extremos y se coloca sobre una placa base plana de aluminio. El cilindro se llena con la muestra a ensayar, y la parte superior de la muestra se pone a nivel con la parte superior del cilindro. La muestra está completamente cubierta con capas de papel de aluminio. Un relleno blando y con peso de 10 kg se usa para presionar la lámina contra la roca. D.4.2.3 Instrumentación de la medida y cálculo de la resistividad.
Un medidor de resistencia, con escala de 0.01 ohmios a 9990 ohmios, con una resistencia de precisión en paralelo de 10 k ohmios, se utilizó para medir la resistencia de la muestra. La resistencia de la muestra de roca se calculó disponiendo un arreglo en paralelo de la resistencia de precisión y la muestra. La ecuación es la siguiente:
Dónde Rs es la resistencia de la muestra de roca Rm es la resistencia medida La resistividad de la muestra se calculó con la ecuación (D.3):
Dónde Rs es la resistencia de la muestra de roca d es el diámetro del aparato de ensayo en metros (es decir, 0.298 m) h es la altura del aparato de ensayo en metros (es decir, 0.154 m)
D.4.2.4 Procedimiento de medición.
El cilindro se llena con la muestra a analizar, y la parte superior de la muestra se pone al nivel de la parte superior del cilindro. Los cables de la resistencia de precisión se conectan directamente a los terminales del medidor de resistencia, y los terminales del medidor de resistencia se conectan a la base de aluminio y la lámina superior con alambre de cobre desnudo y conectores mecánicos (pinzas de cocodrilo). El objetivo principal del experimento era medir el efecto de la resistividad del agua en la resistividad de la roca húmeda. La muestra de roca se saturó a fondo mojando la roca con agua de una conocida resistividad y se recirculo el drenaje 20 veces. A continuación, se dejó que la muestra escurriera durante 10 min antes de que fuera tomada la primera medición de la resistencia. D.4.2.5 Resultados experimentales.
La resistividad en húmedo misma roca de la muestra varió en un amplio intervalo, dependiendo de la resistividad inicial del agua y el tiempo de drenaje. Cuando se probó con agua de resistividad de 500 Ω-m, la roca tenía una resistividad de 10 410 Ω-m después de 10 minutos de drenaje y 16 562 Ω -m después de 130 minutos de drenaje. Cuando se probó con agua de 5,7 Ω-m de r esistividad, la misma roca tenía un 2,180 Ω -m
de resistividad a 10 min de drenaje y aumentó a 4136 Ω-m después de 130 minutos de drenaje. Debido a la amplia gama de valores, el trabajo de Abledu y Laird [B2] recomienda que la prueba se realice con agua de 100 Ω-m, y las mediciones se hagan después de 10 minutos de tiempo de drenaje. Puede ser usada agua de otra lata de resistividad, y el documento ofrece un gráfico y la ecuación para la corrección a 100 ohm-metro. D.4.3 Método del volumen rectangular.
El método de volumen rectangular de medición de resistividad de la muestra también fue desarrollado para hacer medidas de campo para determinar el efecto de las variaciones estacionales en las condiciones climáticas. Las mediciones se hicieron con el material de la superficie expuesta a la intemperie, y es poco probable que la resistividad refleje la resistividad del material seco. Sin embargo, los métodos pueden aplicarse a material seco. D.4.3.1 Selección y dimensiones de la muestra.
El material de la muestra se describe como " triturado de 1 1/2," grava lavada de "# 3," y "# 4 e grava lavada" (Patel [B53]). Es probable que el 1 1/2 tuvieran una gradación de acuerdo con ASTM D 448-03a-2008 [B9] (es decir, el tamaño número 4, 1 1/2 pulgada a 3/4 pulgadas). No hay una norma de ingeniería que define "triturado," y no se describe más allá en el documento publicado (Patel [B53]). También es probable que el # 3 y # 4 sean las referencias a la norma ASTM D448-03a2008 [B9] (es decir, el tamaño del número 3, 2 pulgadas a 1 pulgada en tamaño y número 4, 1 1/2 pulgada a 3/4 pulgadas). La inclusión de "lavado" es más probable alusión a ASTM C117-04-2004 [B5] y, probablemente, define el material que carece de partículas que pueden pasar un tamiz de 70 micras. Aunque no existe una definición estándar de "triturado," es probable que la muestra haya incluido material que pueda pasar un tamiz de 70 micras. No se proporciona información sobre el peso de la muestra. Es probable que la muestra llene el aparato descrito a continuación y que tenía un volumen de 0.081 m3 . D.4.3.2 Medición de configuración. Se colocaron cajas de fibra de vidrio envigas de 2 pulgadas por 4 pulgadas (tamaño comercial). No hay información proporcionada en el documento publicado sobre las
propiedades de la cajas de fibra de vidrio (por ejemplo, la resistividad de materiales) (Patel [B53]). Las cajas de fibra de vidrio fueron de aproximadamente 900 mm de largo, 600 mm de ancho y 150 mm de profundidad. Varios agujeros fueron perforados en el suelo de estas cajas para facilitar el drenaje del agua de lluvia de la caja. Ninguna otra descripción es suministrada del material de la caja inferior (por ejemplo, tipo de material, espesor, método de fijación de la parte carriles, y se proporciona material de resistividad). El material en los cuadros de fibra de vidrio fue expuesto a la intemperie. La configuración eléctrica de la medición se muestra en la Figura D.2 y se reproduce con el permiso EPRI del informe de Patel. Electrodos de cobre cubren dos caras de la caja de fibra de vidrio. Se seleccionaron las caras para dar una gran área de sección transversal del material para la medición. Bolas de aluminio se insertaron entre el material medido y cada una de las dos caras de los electrodos de cobre de la caja de prueba para reducir la resistencia de contacto entre la grava y la superficie del electrodo de metal. Pruebas posteriores demostraron el efecto de la resistencia de contacto entre los electrodos y la muestra. Sin las bolas de aluminio, la resistencia a través de la muestra fue tanto como 600% de la resistencia medida con la mejora de las bolas de aluminio.
Figura D.3-Circuito para eliminar el error causado por el voltímetro
D.4.3.3 Instrumentación de medida y cálculo de la resistividad.
Se utilizó una fuente de potencia para proporcionar una alta corriente de suministro al material. Aunque la impedancia de entrada de los voltímetros fue relativamente baja, el error causado por el dispositivo de medición de tensión se vio compensada por los cálculos que se describen en D.4.3.4. Dos voltímetros separados se utilizan para medir la tensión de la resistencia y la tensión entre electrodos accesorios de la muestra. El documento publicado por Patel [B53] no incluye información sobre el método utilizado para calcular resistividad. Sin embargo, los cálculos se hicieron probablemente con la ecuación clásica, por ejemplo: Dónde ρ es la resistividad (ohm-m) R es la resistencia medida (ohms) A es el área (m2) L es la profundidad de la muestra (m) D.4.3.4 Procedimiento de medición.
La salida de la Powerstat se ajustó para lograr una caída de 500 V a través de la muestra. Los multímetros Fluke se insertan simultáneamente en el circuito de prueba a través de la muestra de ensayo. Un multímetro de Fluke mide tensión a través de la muestra de ensayo, y el otro mide la suma de la corriente fluye a través de la muestra de ensayo y primer medidor. El error causado por el metro de medición de voltaje a través de la muestra de ensayo se eliminó a continuación, mediante la corrección de las lecturas de tensión, como se ilustra en la Figura D.3. D.4.3.5 Resultados experimentales.
Los resultados publicados en Patel [B53] no indican que las mediciones se hicieron para roca seca. Las mediciones que se hicieron sí indican que hubo diferencias significativas en la resistividad de la "Grava lavada" y la roca triturada. Esto indicaría que la selección del material de la muestra es una consideración importante en la toma de mediciones de roca seca.
Anexo E (Informativo) E.1 Medidor de prueba de Tierra
Un probador especializado se utiliza para probar la única naturaleza de la resistencia de tierra. Una probador de resistencia de tierra especial puede evitar los problemas que pueden surgir de la utilización de un ohmímetro de CC o un multímetro de dos terminales. El probador establece una corriente a través del suelo de la tierra de prueba a una sonda de prueba a una distancia que representa la "Tierra remota." Una corriente alterna o señal de ruido blanco se utiliza para minimizar la interferencia de los transitorios del suelo y ruido inductivo, proporcionando una frecuencia distinta de la que se realizará la medición. Una segundo sonda remota detecta la caída de tensión por la resistencia de la tierra hasta el punto de colocación, y las dos miden los parámetros de caída de tensión y corriente que se utilizan para calcular la resistencia de la tierra de ensayo. La habilidad para mover la sonda de potencial independientemente de la sonda de corriente permite la representación gráfica de los cambios de resistencia en el entorno de la tierra de prueba, para evitar interpretaciones erróneas causadas por anomalías localizadas o acoplamiento con la sonda de corriente. Los modelos antiguos operaban con el equilibrio de la resistencia desconocida de la tierra de prueba frente a una serie de diez resistencias de valores precisos. La energía era suministrada por un generador de manivela acoplado. El probador de tierra de manivela es un instrumento con un generador de corriente alterna que tiene un rectificador mecánico, un tren de engranajes y manivela para el funcionamiento del generador, y una red de resistencias. El indicador es un micro-amperímetro. Cuando se aplica la corriente al indicador, el puntero desvía positivamente (derecha), negativamente (izquierda), o se mantiene en (centro) cero. La dirección y la cantidad de desviación son determinadas por la relación de la resistencia indicada en el probador de tierra y la resistencia bajo prueba. Si la resistencia bajo prueba es mayor que la resistencia indicada en el probador de tierra, entonces el indicador mostrará el mensaje positivo. Si la resistencia bajo prueba es menor que la resistencia marcada en el probador de tierra, entonces el indicador leerá negativo. Si las resistencias son iguales, entonces el indicador marcará cero. Mediante este proceso, una serie de marcadores de década equilibra cada resistencia conocida en el instrumento, contra la carga bajo prueba, hasta que se obtiene la lectura final. El generador de corriente alterna consta de una sola bobina de estator y un rotor de imán permanente bipolar. Un rectificador mecánico colocado en el extremo del eje convierte la corriente de retorno desequilibrada hacia el medidor DC.
Los modelos más recientes emplean medidores analógicos de lectura directa. Cuando se cierra el interruptor de prueba, la corriente que pasa a través del electrodo bajo prueba desde el generador de prueba, y la caída de tensión entre el electrodo bajo prueba y la pica de potencial se utilizan como entradas a un log ratio computer. La salida del log ratio computer es el logaritmo de la resistencia desconocida. Esta señal acciona el ohmímetro cuya escala es calibrada directamente en ohmios. Podría realizarse una segunda función, probar la resistencia de las sondas, teniendo en cuenta que podrían ser comprobadas para estar dentro de los parámetros de medición necesarios. Una segunda posición de conmutación permite al probador medir la resistencia entre el electrodo bajo prueba y la pica de corriente. En esto modo, un circuito de rango separado permite que el medidor indique una resistencia mucho mayor que la de la escala principal, usando una sub-escala independiente de corriente / resistencia. La misma función se puede utilizar para comprobar la resistencia potencial a través de una conmutación momentánea de los cables. Los dos circuitos de detección operan sincrónicamente con la frecuencia de la corriente de prueba. Esto permite rechazar las señales de otras frecuencias. Los modelos digitales se desarrollaron más tarde con las modificaciones apropiadas si bien mantienen el esquema fundamental de un probador de tierra dedicado. La caída de potencial a través de la resistencia de tierra bajo prueba se alimenta por el circuito de medición a través de los terminales de potencial. Un buffer de entrada y un limitador de tensión evitan que la medida circuito de carga de la resistencia de tierra bajo prueba. La señal de prueba se suministra por una fuente de corriente continua o por una fuente de corriente constante AC alimentado desde una fuente flotante que se puede variar para proporcionar los rangos adecuados. Modelos posteriores automáticos controlados por lógica de control monitorean la salida del detector fuera de rango y conmutan la fuente de corriente a una salida de corriente inferior. Estos instrumentos también cambian de escala automáticamente si el detector bucle de corriente de resistencia detecta demasiada corriente de resistencia de bucle para el rango preestablecido. Un relé interno pudiera ser un pequeño terminal de corriente y de potencial para proporcionar una prueba de tres polos para velocidad y comodidad, si se desea. La corriente de prueba se pasa a través de los terminales de corriente a la tierra bajo prueba. Un oscilador de cristal controlado es el centro del circuito generador de forma de onda. La frecuencia fundamental así derivada se subdivide para proporcionar una señal de prueba apropiada. Formas de onda son generadas también para operar el filtro de fase sensitivo y el detector de circuitos. El filtro de fase sensitivo elimina el ruido introducido a la señal de prueba, que pasa a través de la tierra bajo prueba. El microprocesador calcula la resistencia a medir a partir de estos dos parámetros, y la medida se muestra directamente en la pantalla en unidades de ohmios.
E.2 Probador de tierra de pinza
El método de caída de potencial es fiable y preciso, y puede ser utilizado para probar cualquier tamaño de sistema de tierra. Además, el operador tiene el control completo de la configuración de la prueba y puede probar o chequear los resultados mediante pruebas en diferentes espaciamientos de sonda. Por desgracia, el método de caída de potencial también tiene con varias desventajas significativas, como son: a) Consume mucho tiempo y mucha mano de obra. b) Electrodos de tierra periféricos o externos conectados al sistema a medir pueden afectar la medición de la resistencia. El método de pruebas de tierra con Pinza proporciona al operador la capacidad de hacer mediciones efectivas en las condiciones adecuadas. La metodología de pinza se basa en la ley de Ohm (R = V / I). Una tensión conocida se aplica a un circuito completo, y se mide el flujo de corriente resultante. La resistencia del circuito puede calcularse entonces. La pinza probadora de tierra aplica la señal y mide la corriente directamente sin conexión eléctrica. La abrazadera incluye una bobina de transmisión que aplica la tensión y una bobina de recepción que mide la corriente. Para que el método de pinza funcione correctamente, debe haber un circuito completo ya en el sitio, pues el operador no tiene sondas y, por lo tanto, no puede configurar el circuito de prueba deseado. El operador debe estar seguro de que la tierra está incluido en el bucle de retorno. El probador mide la resistencia completa de la ruta (bucle), que la señal está tomando. Todos los elementos del bucle se miden en serie. El método supone que sólo la resistencia del terreno de ensayo contribuye de manera significativa.
Figura E.1- Metodología básica de las medidas tierra con pinza.
La Figura E.1 muestra la metodología básica. El probador está montado sobre R X. Toda corriente de prueba circula a través de Rx, pero se divide entre las resistencias restantes para regresar. Nótese que R X se supone que es mucho, mucho mayor que la resistencia combinada de todos los demás electrodos de tierra. En un sistema de tierra múltiple, el circuito puede ser considerado un bucle que consiste en el electrodo de tierra individual, un camino de retorno a través de todos los otros electrodos, y la masa de la tierra. El único electrodo tendrá una resistencia más alta que el resto de tierras conectadas en paralelo.
Figura E.2-Aplición par puesta a tierra de postes.
La Figura E.2 muestra un ejemplo práctico en de que el método de pinza es muy eficaz, siempre que R X sea mucho más grande que la trayectoria de retorno de los caminos de tierra paralelos. La aplicación es una tierra interconectada en paralelo, tal como una línea de distribución o transmisión. El sistema de neutro completa el retorno. A más retornos, menor es la contribución de elementos extraños a la lectura y, por tanto, mayor es la precisión. Incluso un elemento de "malo" (de alta resistencia) entre muchos retornos de baja resistencia no es suficiente para dañar a la medición. Pero, si los retornos son pocos, o todos los elementos son "altos" de resistencia, entonces el error puede ser grande. La principal ventaja del método de pinza es que es rápido y fácil, ya que no hay sondas tienen que ser manejadas y la varilla de tierra no tiene que ser desconectada del sistema. El método de pinza incluye también la resistencia de la unión y de la conexión general del sistema y pueden medir la corriente de fuga que fluye a través del sistema; esta información no está disponible a partir de una prueba de caída de potencial. El método de caída de potencial mide sólo el electrodo de tierra, y no la unión del sistema. Con el
método de pinza, una unión "abierta" o de alta resistencia vínculo se mostrará en la lectura, porque la pinza utiliza el conductor de tierra como parte de la trayectoria. Hay varias ventajas importantes en el método de pinza, pero también muchas desventajas. Es importante para el operador entender las limitaciones del método de ensayo, de modo que el operador no haga un mal uso de la instrumento y obtenga lecturas erróneas o engañosas. Un probador de pinza es una herramienta importante en la bolsa de un técnico de prueba, pero no puede ser el único instrumento utilizado. El método de pinza sólo es eficaz en situaciones con múltiples tierras en paralelo, o con electrodo de tierra bajo prueba conectado a un segundo electrodo de una resistencia muy baja (por ejemplo, un sistema de puesta a tierra muy grande). Este método no se puede utilizar para tierras aisladas, ya que no hay camino de retorno, lo que no es aplicable para controles de la instalación o puesta en marcha de nuevos sitios. Además, el método de pinza no se puede utilizar si existe un retorno de menor resistencia alternativa que involucre la tierra, tal como con las torres celulares o subestaciones. El operador también debe ser consciente de las sutilezas del método de prueba para asegurar análisis y resultados exactos. Si otra parte del sistema de tierra se encuentra en la "zona de resistencia" del electrodo bajo prueba, entonces el resultado será menor que la verdadera resistencia del electrodo, lo que podría conducir a una falsa sensación de seguridad. Además, la prueba se realiza a una alta frecuencia para permitir que los transformadores sean tan pequeños como sea posible desde un punto de vista práctico. La desventaja es que este enfoque podría ser menos representativo de una falla a frecuencia industrial que el resultante de las pruebas tradicionales de tierra a la frecuencia de 128 Hz. Para considerar el efecto de las frecuencias más altas en la precisión de la lectura, vamos a utilizar el sistema mostrado en la Figura E.2 que tiene los siguientes supuestos: ⎯ Conductor aéreo = Nº 2 AWG ACSR ⎯ Longitud de cada tramo de línea aérea de = 61 m (200 pies) ⎯ Número de tramos = 5 G = R # = Resistencia de cada varilla de tierra, en ohmios = 1 ohm para el caso 1 = 10 ohmios para el caso 2 = 100 ohmios para el caso 3 L60 = Impedancia de cada tramo de línea aérea a 60 Hz = (200 ÷ 5280) [(RLine + 0,00159 × 60 ) + (XLINE × 60 ÷ 60 + 0,004657 × 60 × Log (2162 60 100 ÷))× i] = 0,057 + 0.57i L2403 = Impedancia de cada tramo de línea aérea a 2403 Hz = (200 ÷ 5280) [(RLine + 0 ,00159 × 2403) + (XLINE × 2403 ÷ 60 + 0,004657 × 2403 × Log (2162 2403 100 ÷)) × i]
= 0,198 + 2.604i L3333 = Impedancia de cada tramo de línea aérea en 3333 Hz = (200 ÷ 5280) [(RLine + 0,00159 × 33 33) + (XLINE × 3333 ÷ 60 + 0,004657 × 2403 × Log (2162 3333 100 ÷)) × i] = 0,254 + 3.654i Utilizando los parámetros y los cálculos en la lista, que se mide la impedancia de la resistencia total total del bucle p or el medidor de pinza y e ell porcentaje de error puede ser calculado utilizando el análisis de circuito simple. La resistencia de bucle medido con una señal de prueba 60 Hz sería la siguiente: Z (1, L60) = 1,32 + 0.108i = 1.3244 ohmios, 32,44% más que la varilla de tierra real de 1 ohm Z (10, L60) = 10.317 + 10.319 = 0.211i ohmios, 3.19% por encima de la varilla de tierra real de 10 ohmios Z (100, L60) = 100.238 + 100.238 = 0.225i ohmios, 0.24% por encima de la varilla de tierra real de 100 ohmios La resistencia de bucle medido con una señal de prueba 2403 Hz sería la siguiente: Z (1, L2403) = 2.031 + 3.489 = 2.837i ohmios, 248% más que la varilla de tierra real de 1 ohm Z (10, L2403) = 13.723 + 14.842 = 5.656i ohmios, 48% más que la varilla de tierra real de 10 ohmios Z (100, L2403) = 101.703 + 102.209 = 10.155i ohmios, un 2,2% más que la varilla de tierra real de 100 ohmios La resistencia de bucle medido con una señal de prueba 3333 Hz sería la siguiente: Z (1, L3333) = 2.144 + 4.408 = 3.852i ohmios, 341% más que la varilla de tierra real de 1 ohm Z (10, L3333) = 14.61 + 6 .667i = 16.059 ohmios, 61% más que la varilla de tierra real de 10 ohmios Z (100, L3333) = 102.759 + 103.714 = 14.043i ohmios, 3,7% más que la varilla de tierra real de 100 ohmios
Como se indica, un error significativo puede ocurrir con la medida por el sistema de pinza, si la reactancia del bucle es significativa en comparación con la resistencia que se mide. Los filtros pueden estar presentes en Algunos medidores de pinza pueden tener filtros para reducir el error, pero el usuario tendrá que ser conscientes de las limitaciones del equipo y de todo el circuito de prueba. También es importante estar seguro de que se tiene una buena vía de retorno para obtener lecturas precisas. Una ruta de retorno pobre puede dar lecturas altas. La conexión debe estar en la parte correcta del bucle para el electrodo bajo prueba, porque una conexión incorrecta puede dar una lectura defectuosa. Un conocimiento profundo del sistema es necesario para saber exactamente lo que se se está midiendo. El método es susceptible al ruido de aparatos eléctricos cercanos y es menos eficaz para muy "bajas" tierras (elementos extraños en la lectura se vuelven comparativamente grande). Una última desventaja del probador de tierra de pinza es que no hay ninguna prueba construida para el método. Con las pruebas de caída de potencial, el operario puede comprobar los resultados mediante el aumento de las separaciones de la sonda. Con el método de la pinza, los resultados son aceptados en la "fe". Como se señaló anteriormente, una pinza de tierra se puede complementar con otros instrumentos de prueba para mejorar la confianza en los resultados de la prueba. Es, sin embargo, una parte importante del kit de herramienta de prueba de tierra, junto con una probador de caída de potencial. El probador de pinza se puede utilizar para identificar los problemas con rapidez. Un probador de caída de potencial, puede ser utilizado para
confirmar los resultados de esos problemas. Este enfoque permite al operador ahorrar tiempo y mejorar la precisión. La Figura E.3 es un ejemplo de cómo el método de pinza puede producir mediciones inexactas y de por qué un conocimiento del sistema es crítico para hacer la prueba correcta.
Figura E.3-Aplicación en torre Celular
Figura E.3 muestra los problemas al intentar utilizar un probador de tierra de pinza en una torre celular. Las torres de Celular están conectados a tierra en la base, en cada cable de sujeción a tierra y todos ellos conectados entre sí en un anillo de tierras. Si el operador abraza con la pinza uno de los cables de guaya puestos a tierra, la corriente de prueba simplemente se completa en el circuito en el anillo de tierra y no a través del suelo. Nótese que la corriente de prueba circula a través del conductor que conecta los elementos individuales (varillas de tierra) que componen el anillo. Como tal, la pinza de tierra no hará una medición de del sistema de tierra. La lectura será en realidad una la lectura de la resistencia del "bucle".
E.3 Medida de tierra por el método caída de potencial modificado basado en computador
El método de caída de potencial es el método más popular de la medición de la resistencia de los electrodos de tierra y ha sido ampliamente utilizado durante muchos años. Sin embargo, hay muchas variables y situaciones que pueden distorsionar los resultados de la prueba y reducir considerablemente la precisión de estas mediciones. En los últimos años, un medidor de resistencia de tierra (Telurómetro) basado en computador ha sido desarrollado para moderar los efectos que las variables tienen en los resultados de las pruebas, y así mejorar la precisión de las mediciones. Un medidor de tierra basado en computador consiste típicamente en un computador, una fuente de corriente de frecuencia variable (0 Hz a 2500 Hz) capaz de generar de 2 A a 20 A, y un sistema sistema de adquisición adquisición de datos datos multicanal multicanal con las las sondas necesarias necesarias y el cableado de interconexión. Este método inyecta una serie de corrientes eléctricas transitorias entre la malla de tierra bajo prueba y una sonda de corriente a distancia con diferentes potenciales de tierra medidos en múltiples lugares. Se utilizan filtros para eliminar las frecuencias fuera de la frecuencia de la señal de prueba, los cables de prueba están calibrados y se toman otras medidas para reducir al mínimo las influencias externas sobre los datos medidos. La forma de onda mostrada de la corriente de prueba y las diferencias de potencial resultantes son registrados por el equipo, incluyendo el ángulo de fase. Antes de realizar realizar la prueba, prueba, se dibujan dibujan la configuración configuración de de la malla de tierra tierra y las ubicaciones de las sondas, usando un editor de software suministrado con el equipo. es importante representar con precisión la configuración de la malla de tierra y las localizaciones de las sondas, para para conseguir una buena precisión en las mediciones. Con la malla de tierra modelada y los resultados obtenidos de la prueba, el software del computador compara los gradientes de tensión modelados con los gradientes de tensión registrados en la prueba y realiza un análisis estadístico para determinar la resistencia de tierra que mejor se ajusta al modelo malla de tierra con los datos de prueba. Las principales ventajas del medidor de tierra basado en computadora son las siguientes: a) La malla de tierra no necesita ser aislada de tierras de otras fuentes. b) El electrodo de corriente puede ser posicionado como mínimo a una distancia de dos veces la diagonal de la malla, en comparación con cinco veces la distancia de la diagonal de la malla, requerida por el método tradicional de caída de potencial. c) Los datos registrados son menos susceptibles a las interferencias, los armónicos, y las tensiones inducidas.
