Juan Camilo Díaz Monroy 20101007073 Sandra Viviana López Chaparro 20101007042 Grupo: 3 INGENIERÍA ELÉCTRICA CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS INFORME MEDICIÓN DE RESISTIVIDAD Y PUESTAS A TIERRA 1. MARCO TEÓRICO : SISTEMA DE PUESTAS A TIERRA Un sistema de puestas a tierra, es un método de seguridad empleado en las instalaciones eléctricas, con el objetivo de brindar protección a los seres vivos, conducir las corrientes de falla, y servir como punto de referencia común del sistema eléctrico. El STP debe despejar despejar de manera eficiente las fallas, bien bien sea por la caída de rayos, o por algún tipo de de descarga no adecuada en los equipos, esto se hace a partir de la conexión de las carcasas, bastidores o estructuras metálicas no portadores o trasmisores de corriente, al sistema de protección. Entre los propósitos de STP se encuentran: Evitar altas tenciones de paso y de contacto. Mantener una diferencia de potencial bajas entre las estructuras metálicas, y así r esguardar al personal de los choques choques eléctricos. eléctricos. Mejor desempeño de los sistemas de protección. Buen desempeño de los equipos. Evitar incendios generados por las altas diferencias diferencias de potencial.
METODO DE WENNER Método de medición de resistividad de un terreno, en el que se puede conocer la resistividad de capas profundas sin tener que enterrar los electrodos a distancias equivalentes. En este caso, los electrodos son colocados a una distancia idéntica de “a” en metros. Corresponde al método más confiable para mediciones de resistividad promedio de grandes áreas. Consiste en la instalación de cuatro electrodos enterrados a una distancia “b” en metros de la superficie y distanciados, en línea recta, a intervalos de una distancia “a” en metros. Una corriente de prueba, se
hace circular entre los electrodos exteriores y la caída de potencial “V” entre los electrodos interiores es medida con un voltímetro de alta impedancia. RESISTENCIA Y RESISTIVIDAD: Resistencia es la propiedad propiedad de los materiales que describe describe la oposición al paso de de corriente eléctrica. La resistividad es una constante de proporcionalidad , que representa el comportamiento de un material frente a un flujo de corriente, en función de la temperatura y los componentes con los que está
fabricado, es decir que mide el grado de dificultad que presenta el movimiento de electrones a partir de Él, se representar por la letra griega ρ (rho). 2. DESCRIPCION EXPERIMENTOS Medición Resistividad a partir del método de Wenner: El método que se empleó para la medición de resistividad fue el método de wenner, que fue aplicado en un segmento de terreno en el parque nacional, para dicho procedimiento, empleamos cuatro electrodos enterrados equidistantes el uno del otro, los electrodos se distinguían por parejas, la primera inyectaba corriente al sistema (Electrodos Externos) y la otra, media la diferencia de potencial debido a dicha corriente en un espacio determinado (Electrodos Internos), posterior a esto, el telurómetro hacia el cálculo de la resistencia, con la corriente y el voltaje medido, a través de la ley de ohm ( R = V/I) . Para hacer una medida de resistencia adecuada, se tomaron siete (7) medidas, en las que se distinguen, 1, 2, 3, 4, 8, 9 y 10 metros respectivamente, para dichas, se tomaba un flexómetro, con el que se medía la mitad de la distancia entre el punto cero a cada una de las puntas de voltaje, y desde ese punto el 100% de la distancia indicada para allí enterrar las puntas de corriente. (Ver Figura 2)
Figura No 2: Disposición electrodos en el terreno., (Bibliografía ) Seguido a esto, el telurómetro nos daba un valor de resistencia aparente que fuimos registrando progresivamente en las tablas. Sistema de Puestas a Tierra: Para hacer el diseño de puestas a tierra se tomaron cuatro electrodos, y se dispusieron de la siguiente forma: se tomó un electrodo de corriente, y se puso en corto circuito con uno de voltaje, en este mismo punto se enterró la varilla de puesta tierra, posterior a esto, se enterró el electrodo restante de voltaje al 62% de la distancia a la que se enterró el de corriente. (Ver figura 3). Se tomaron 6 medidas así: a1(m) 1 1.61 3.22 4.83 6.45 8.06
a2(m) 0.62 1 2 3 4 5
R(Ω)
431 438 440 441 441 441
Donde, a1 es la distancia al segundo electrodo de voltaje a2 es la distancia entre los dos electrodos de corriente R es la medida de resistencia dada por el telurómetro
Figura 3: Disposición electrodos para Puesta a Tierra 3. TABLAS DE DATOS RESISTENCIA Y RESISTIVIDAD Para realizar los cálculos expuestos en la Tabla No: 1, se tomó el valor de la distancia en la que se encontraban los electrodos del telurómetro, vs la resistencia aparente que indicaba el Ohm-nimetro del equipo, para hacer el cálculo de resistividad usamos la siguiente ecuación. Dónde: a es la distancia entre electrodos b es la longitud del electrodo
TABLA No1: MEDICION RESISTIVIDAD a (Metros) 1 2 3 4 8 9 10
Resistencia (Aparente) 61.6 32.8 25.4 20.6 4.51 4.58 4.48
Resistividad 451.802982 431.563674 489.026074 524.020267 227.39107 259.619492 282.038551
4. PERFIL DE RESISTIVIDAD EN FUNCIÓN DE LA PROFUNDIDAD Para calcular la profundidad, lo hicimos a partir de la distancia A, de la relación:
Tabla Resistividad vs Profundidad Profundidad Resistividad 0,75 451.8029825 1,5 431.5636737 2,25 489.0260744 3 524.0202674 6 227.3910702 6,75 259.6194924 7,5 282.0385511
Resistividad vs Profundidad 600 500 400 300 200 100 0 0
2
4
6
8
A partir de la tabla anterior, se obtuvo la gráfica que describe la variación de la resistividad en función de la profundidad, de la que observamos: 1. Debido al comportamiento de la resistividad en la gráfica, concluimos la presencia de 2 capas de tierra, ya que se observan 2 tendencias de comportamiento, una creciente y otra decreciente. 2. Realizando un promedio: Entre los datos crecientes (primera capa), encontramos un valor de: 474.1032 Ω/m, según la tabla de resistividad del libro “La Puesta a Tierra de instalaciones eléctricas” García Marquez, Rogelio (ANEXA), estos valores pertenecen a un material de margas o arcillas compactas. Entre los datos crecientes (segunda capa), encontramos un valor de: 256.3497 Ω/m, según la tabla anteriormente citada, esta resistividad es de un material “suelo pedregoso cubierto de césped”
3. Teniendo en cuenta los datos de la tabla anterior, se deduce que las profundidades de las capas son: Primera capa, entre 0.667
5. RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN En base a los resultados obtenidos respecto al número de capas y al valor de resistividad de estas mismas, realizamos la simulación en comsol en 3D, en el cual introducimos un conductor de cobre de 40 cm de longitud y 5 mm de radio. A este conductor le asignamos una densidad de corriente, con la cual queremos garantizar que se aplicará una corriente de prueba de 10 mA.
(-az) Y le asignamos las siguientes propiedades a cada capa respectivamente: 1 Capa Conductividad Eléctrica Permitividad Eléctrica Permeabilidad Magnética Resistividad Eléctrica
0.0021 5 1 474,1032
2 Capa Conductividad Eléctrica Permitividad Eléctrica Permeabilidad Magnética Resistividad Eléctrica
0.0039 5 1 2.563.497
Para obtener los valores de voltaje respectivos, sacamos una gráfica de voltaje vs distancia, la cual se muestra a continuación:
De la anterior gráfica sacamos la siguiente tabla: Distancia (m) 1 1.61 3.22 4.83 6.45 8.06
Voltaje -0,000000058 -5,85E-08 -0,000000059 -0,000000059 -0,000000059 -0,000000059
A continuación aplicamos la ley de ohm, para obtener la resistencia para cada distancia. R(Ω) Distancia (m) 1 0,0000058 1.61 0,00000585 3.22 0,0000059 4.83 0,0000059 6.45 0,0000059 8.06 0,0000059
6. CÁLCULOS RESISTENCIA, VOLTAJE Y DENSIDAD DE CORRIENTE POR CAPA Para hacer el cálculo de resistencia a partir del valor de resistividad que se obtuvo, se empleó la siguiente fórmula:
Para la primera capa, se evaluó en el “ a” máximo encontrado para la primera capa que fue de 2.6mt,
es decir:
√ √
Tomando este valor de resistencia, hallamos el voltaje por la ley de ohm:
V Para calcular la densidad de corriente, lo hicimos con la fórmula:
∫
Para la segunda capa, se evaluó en el “a” m áximo encontrado para la segunda capa que fue de
6.66mt, es decir:
√ √
Tomando este valor de resistencia, hallamos el voltaje por la ley de ohm:
Para calcular la densidad de corriente, lo hicimos con la fórmula:
∫
7. ANÁLISIS DE RESULTADO PUESTA A TIERRA A partir de la medición de la puesta a tierra, podemos evidenciar que después de varias muestras, el valor de la resistencia tiende ser creciente entre los valores de 0.62 a 2 metros, y se estabiliza en el valor de 431Ω, de los 3 metros en adelante, dicho comportamiento nos permite ver el comportamiento de la resistividad del terreno y a partir de este generar un buen diseño de puesta a tierra.
Resistencia vs distancia 442 440 438 Series1
436 434 432 430 0
8.
2
4
6
CONCLUSIONES
A partir de la relación de profundidad y distancia, se logró realizar la gráfica de resistividad del terreno, arrojando como resultado la existencia de 3 capas, aunque en el análisis solo se profundizó en dos, en la gráfica se logró distinguir que desde el punto 6, cambiaba de tendencia, de decreciente a creciente, describiendo una nueva clase de terreno.
En la gráfica de resistividad vs profundidad, se observa una repentina alteración de la resistividad; esto puede ser debido a que a cierta profundidad debe estar ubicada una roca o algún elemento que ocasione esta alteración. Teniendo en cuenta la resistividad encontrada en el suelo, se parte a diseñar el sistema de puesta a tierra, donde si el dato es demasiado alto, se debe inyectar en el terreno algún tipo de material que altere la resistencia, normalmente bentonita, que lo disminuya, garantizando así, que el despeje de corriente de falla, va a tomar la menor cantidad de tiempo posible. Un buen diseño de puesta a tierra es de vital importancia al implementar instalaciones eléctricas y diseñar sistemas de seguridad en campos abierto, ya que nos permiten disminuir en un alto porcentaje la producción de voltajes de paso y de contacto. El método de Wenner, es utilizado para medir la resistividad del terreno, no solo por su facilidad de aplicación, sino por su precisión en las medidas, además que es un método de un bajo costo comparado con otros. 9. BIBLIOGRAFÍA:
Método de Wenner, disponible online en: http://www.lyncolelatam.com/Documentos/Metodos%20de%20Prueba%20de%20Resistencia%20del%20Suelo.pdf 20/05/2013. Métodos de Medición del Suelo, disponible online en: http://www.cnfl.go.cr/pdf/INNOVACI%D3N_Y_EFICIENCIA_ENERGETICA/EFICIENCIA_INDUSTRIA/BO LETINES_TECNICOS/B5_METODOS_%20MEDICION_I_PARTE_WEB.pdf 15/05/2013. Técnicas modernas para la medición de sistemas de puesta a tierra en zonas urbanas: http://www.lu3hba.com.ar/ARTICULOS%2010/Medicion%20de%20Sistema%20de%20Puesta%20a% 20Tierra.pdf 15/05/2013. Tablas de Resistividad, García Marquez, Rogelio, La Puesta a Tierra de instalaciones eléctricas Analysis of earth resistance of electrodes and soil resistivity at different environments - Lee Weng Choun ; Electr. & Electron. Eng. Dept., Univ. Putra Malaysia, Serdang, Malaysia
ANEXOS: Tabla Resistividad “La Puesta a Tierra de Instalaciones Eléctricas” Rogelio García Marquez
