Facultad de Ingeniería Departamen Departamento to de Ing. Eléctrica
PRACTICA DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA ANÁLISIS DE RESITIVIDAD Y RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA Angulo Cepeda Brayan Stiven 20142007169 Ingeniería eléctrica. eléctrica. Universidad Distrital Distrital Francisco José de Caldas Caldas Bogotá-Colombia
RESUMEN:
2. INTRODUCCIÓN:
En el presente informe se pretende presentar los resultados obtenidos de las mediciones y simulaciones de la resistividad de un terreno y con dichas mediciones establecer la resistencia del terreno en cuestión, además con los datos tomados para la resistencia de un sistema de puestas a tierra realizar un análisis de la relación entre resistencia y profundidad
1. OBJETIVO GENERAL: Realizar una práctica que implique un estudio de los sistemas puestas a tierra y resistividad del terreno, así como determinar estos parámetros por medio de una herramienta de medición en un ambiente conocido como lo fue el parque nacional enrique Olaya herrera
1.1. OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
Conocer los diferentes métodos que componen el análisis de desarrollo de una instalación de puesta a tierra Implementar el método Wenner para calcular los valores de resistividad del terreno. Categorizar el instrumento de medida, realizando una previa investigación de su funcionamiento.
Como principal objetivo, el sistema de puesta a tierra de una estructura es la seguridad de las personas, la protección de las instalaciones y la compatibilidad electromagnética. Las principales funciones de un sistema de puesta a tierra son: garantizar la seguridad de los seres vivos, permitir a los equipos de protección despejar rápidamente las fallas, Servir de referencia común al sistema eléctrico, Conducir y disipar con suficiente capacidad las corrientes de falla, electrostática y de rayo, Realizar una conexión de baja resistencia con la tierra y con puntos de referencia de los equipos.
Se debe tener presente que el criterio fundamental para garantizar la seguridad de los seres humanos, es la máxima energía eléctrica que pueden soportar, debida a las tensiones de paso, de contacto o transferidas y no el valor de resistencia de puesta a tierra tomado aisladamente. Sin embargo, un bajo valor de la resistencia de puesta a tierra es siempre deseable para disminuir la máxima elevación de potencial.
3. MARCO TEÓRICO: 3.1
PUESTA A TIERRA: Grupo de elementos conductores equipotenciales, en contacto eléctrico con el suelo o una masa metálica de referencia común, que distribuye las corrientes eléctricas de falla en el suelo o en la masa. Comprende electrodos, conexiones y cables enterrados.
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3.2 ELECTRODO DE PUESTA A TIERRA: Es el conductor o conjunto de conductores enterrados que sirven para establecer una conexión con el suelo. 3.3 CONDUCTOR A TIERRA: También llamado conductor del electrodo de puesta a tierra, es aquel que conecta un sistema o circuito eléctrico intencionalmente a una puesta a tierra. 3.4 RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA: Es la relación entre el potencial del sistema de puesta a tierra a medir, respecto a una tierra remota y la corriente que fluye entre estos puntos. 3.5 TENSIÓN DE PASO: Diferencia de potencial que durante una falla se presenta entre dos puntos de la superficie del terreno, separados por una distancia de un paso (aproximadamente un metro). 3.6 TENSIÓN DE CONTACTO: Diferencia de potencial que durante una falla se presenta entre una estructura metálica puesta a tierra y un punto de la superficie del terreno a una distancia de un metro. Esta distancia horizontal es equivalente a la máxima que se puede alcanzar al extender un brazo.
5mA pico a dos de 4 electrodos enterrados sobre el terreno electrodos, y así posteriormente mediante un Voltímetro poder calcular la diferencia de potencia entre los otros dos electrodos y así poder calcular la resistividad aparente del terreno; es importante reconocer que además de medir la resistividad aparente del terreno, este instrumento también permite calcular la resistencia de puesta a tierra. 3.9 MEDICIONES PARA SISTEMAS DE PUESTA A TIERRRA. 3.9.1
Medición de Resistividad Aparente
Existen diversas técnicas para la medición de resistividad aparente en un terreno, entre las cuales se encuentra los métodos de Wenner y Schlumberger-Palmer entre otros. Para efectos del presente informe, y según RETIE, se puede aplicar el método tetraédrico de Wenner, que es el más utilizado para aplicaciones eléctricas. El método de Wenner o de las cuatro puntas consiste en enterrar 4 electrodos tipo varilla a una profundidad “b” y separación “a” como
se muestra en la ilustración 1, tomada de la figura 15.4 del RETIE (Esquema de medición de resistividad aparente).
3.7 TENSIÓN TRANSFERIDA: Es un caso especial de tensión de contacto, donde un potencial es conducido hasta un punto remoto respecto a la subestación o a una puesta a tierra. 3.8 ELEMENTO DE MEDIDATELUROMETRO: El elemento mediante el cual se realizaron las mediciones anexadas en el presente informe fueron llevadas a cabo con un Telurómetro de 4 puntas. El funcionamiento de este instrumento de medida consiste en inyectar una corriente de
Medición de la resistividad aparente según el método de Wenner En cuanto la ecuación exacta para el cálculo exacto, el RETIE la establece como:
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A demás, realizaremos la toma de las mediciones de las jabalinas, o electrodos de puesta a tierra, mediante la siguiente tabla. [1]
Para la realización de la segunda parte, se realizara la toma de mediciones de profundidad y resistividad mediante la siguiente tabla.
Cuando la profundidad de enterramiento “b” es significativamente menor que la distancia “a” esta ecuación se reduce a:
=2
[2]
Tabla 2. Dimensiones de los electrodos utilizados.
4. METODOLOGÍA: Materiales: Telurómetro de 4 puntas. 4 electrodos tipo pica de 23 cm. 3 varillas de cobre. Martillo. Metro. Conectores. Para la toma de datos, utilizaremos el instrumento de medición de Aislación de tierras, con el cual pretendemos realizar el valor de resistividad del terreno. A partir de los datos obtenidos por el telurómetro, anexarlos en la siguiente tabla.
Tabla 3. Valores obtenidos de resistencia de puesta a tierra.
La configuración general de la conexión realizada mediante el método de caída de potencial la resistencia de puesta a tierra es la siguiente.
Figura 2. Método de caída de potencial de resistencia de puesta a tierra.
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Se utilizó un sistema de puesta tierra de tres (3) varillas, en la cual la separación entre ellas a 0.5 m de manera lineal. Este valor fue obtenido de resistencia es debido a la siguiente ecuación:
Se presentan los datos obtenidos a partir de la práctica de medición de resistencia de puesta a tierra, mediante el segundo método utilizado.
Dimensiones de los electrodos Diámetro Longitud 0.60 m
0.07 m
Tabla 6. Dimensiones de los electrodos utilizados.
[3]
5. RESULTADOS EXPERIMENTALES:
A continuación, se presentan los resultados obtenidos debido a la prueba de medición de resistividad del terreno.
Dimensiones de los electrodos Profundidad [m] Resistencia [Ω] 0.10 321 0.20 235 0.30 195.1 0.40 163.4 0.50 153.12 0.60 142.3 Tabla 7. Valores obtenidos de resistencia de puesta a tierra.
Separación de electrodos (a) [m] 1 2 3 4 5
Resistividad Resistividad Resistividad ρ
[Ωm] ρ
Dirección (Norte-Sur) 188,2 192,5 193,8 210 216
[Ωm] ρ
Dirección (Este-Oeste 226 252 260 282 314
[Ωm]
Promedio
207,1 222.25 226.9 246 265
Tabla 4. Valores obtenidos de resistividad del terreno.
Separación de electrodos (a) [m] 1 2 3 4 5
Resistencia Resistencia Resistencia [Ω]
Dirección (Norte-Sur) 30 15,32 10,28 8,35 6,89
[Ω]
6. ANALISIS DE RESULTADOS:
[Ω]
Dirección Promedio (Este-Oeste) 35,9 32,95 20 17,66 13,8 12,04 11,20 9,775 10,01 8,45
Tabla 5. Valores obtenidos de resistencia del terreno.
La interpretación de las medidas de resistividad aparente, puede hacerse manualmente, o mediante técnicas de análisis por computador. Un modelo suele ser uniforme u homogéneo puede ser usado cuando hay una moderada variación de la resistividad aparente. En consecuencia, este informe se aplica el método estadístico de Box-Cox, que busca un valor con probabilidad del 70% de ser real, el cual, se realiza de la siguiente manera.
1. Tabulación de los datos de resistividad aparente. 2. En la siguiente columna se realiza los logaritmos naturales de cada una de las medidas.
3. Se halla la resistividad promedio x como:
4. En otra columna se coloca el resultado de (Xi - x)^2. 5. Se calcula la desviación estándar S como :
A continuación, se realiza el análisis de la segunda fase de la prueba, en donde se procederá a determinar por medio del método de caída de potencial la resistencia de puesta a tierra. Se realiza la tabulación y muestreo de los datos tomados en la segunda parte de la práctica, los cuales se evidencian en la figura 1.
6. De la distribución normal se toma z para el 70%, que de 0.524411. 7.
Se halla la resistividad de la siguiente manera: Figura1. Grafica resistencia Vs distancia método caída de potencial
(Xi - X) (Xi- X)^2 ResistividadXi 188,2 5.237 -0.201 0.0404 192,5 5.26 -0.178 0.0317 193,8 5.266 -0.172 0.0296 210 5.347 -0.0910 0.00823 216 5.375 -0.0630 0.00397 226 5.42 -0.018 0.000324 252 5.529 0.0091 0.00823 260 5.56 0.122 0.0149 282 5.642 0.204 0.0416 314 5.749 0.311 0.0967 2334.5 54.385 0.275 Suma 5.438 0.0275 Promedio 233.45 Desviación 0.166 Estándar 250.903 [Ωm] Resistividad con el 70%
La figura 31muestra una gráfica típica de resistencia contra distancia del electrodo de potencial (P). La curva muestra cómo la resistencia es cercana a cero cuando (P) se acerca al sistema de puesta a tierra, y se aproxima al infinito hacia la localización del electrodo de corriente (C). De igual forma se graficaron lo valores de resistividad Vs distancia tanto en dirección NorteSur como Este-Oeste los cuales se evidencia en las gráficas 2,3.
Tabla 8. Análisis estadístico método Box-Cox.
A partir de los pasos anteriores, procedemos a encontrar el valor de resistividad, el cual presenta un valor aproximado de ρ= 2 50.903 [Ωm]. Figura 2. Grafica resistividad Vs distancia en dirección Norte-Sur
Ahora se procede a añadir el material que corresponde a cada parte del esquema, como cobre a los electrodos, tierra al entorno en el que se encuentran inmersos los electrodos, y se coloca un potencial al electrodo que se encuentra más lejano de los 3 que se encuentran cerca y se coloca el enmallado, mostrado en la figura 5.
Figura 3. Grafica resistividad Vs distancia en dirección Este-Oeste
Como se puede observar en los gráficos 1 y 2 que muestran la resistividad medida del terreno en las dos configuraciones establecida el terreno analizado no presenta homogeneidad en los materiales que lo componen por lo que para obtener un valor real de resistencia promedio es necesario realizar un análisis de varias capas identificando el comportamiento de cada una de estas. Ahora se prosigue a realizar la simulación, para este caso se elige una vista superior de la configuración que permite calcular el valor de la puesta a tierra, esto se realiza con la finalidad de que se puedan ver los 3 conductores que se encuentran conectados a una distancia que para el caso de nuestra simulación, es de 3 m, con el fin de poder apreciar de manera efectiva el fenómeno que se presenta, y se escoge una distancia de separación entre electrodos de 30 cm, este esquema se puede observar en la Figura 4. Que muestra el espacio de trabajo creado a partir de la Herramienta computacional Comsol ®.
Figura 5. Malla generada en el esquema.
Luego de esto, se ejecuta la aplicación, teniendo así la simulación que se esperaba desde el inicio, el campo eléctrico interno en tierra, además se pueden ver las líneas equipotenciales generadas por el electrodo que se encuentra a un potencial mayor que la tierra, aunque para realizar la simulación, se coloca un potencial mayor en dicho electrodo para apreciar de mejor manera la simulación.
Figura 6. Simulación del efecto de un potencial en los electrodos de puesta a tierra. Figura 3. Esquema creado en Comsol.
obtener la resistencia promedio exacta del terreno, pero aun así se pueden hacer ciertas aproximaciones que muestran el comportamiento del terreno analizado.
En la figura 6. Se muestra la gráfica del potencial eléctrico en todas las partes de la superficie y se puede ver como decrece a medida que la distancia desde el punto hacia el electrodo aumenta. Ahora se muestran las líneas del campo, vemos que salen radial a la superficie que las genera, tal como en la figura 7.
Figura 7. Graficas del campo eléctrico en el espacio.
Además de las gráficas mostradas se muestra una adicional la cual muestra el potencial en una línea que se toma de la misma longitud del área de trabajo, que se encuentra en el eje x, se observa que a medida que se acerca al electrodo que se encuentra cargado, y después que pasa de ese lugar empieza a decaer de nuevo, comportamiento que se refleja en la figura 8.
Gracias a las resistividades obtenidas en la práctica variando la dirección en la que se posicionaban los electrodos podemos identificar el cambio en el material del terreno y cómo se comporta con respecto a la distancia ya que no presenta una configuración homogénea La resistencia para un sistema de puesta tierra es bastante grande en el terreno medido, pero se determinó que está constituido por varias capas de materiales por la diferencia de resistencias a mayor profundidad. La sensibilidad del telurometro utilizado era muy alta lo cual ayudo a dar medidas muy exactas, para la buena recopilación de datos, pero a pesar de esto puede que hala errores en la medición de distancias.
8. BIBLIOGRAFIA.
Figura 8. Comportamiento del potencial eléctrico en la región de trabajo.
7. CONCLUSIONES
Debido a que el método de apoyo box-cox utilizado en los cálculos solo permite un 70% de probabilidad de tener el valor real de la resistencia, además del error mencionado en la sección de análisis no es posible
https://www.epm.com.co/site/Portals/0/ centro_de_documentos/proveedores_y _contratistas/normas_y_especificacion es/normas_aereas/grupo_6_Normas_de _montajes_complementarios/RA6015MEDIDADERESISTENCIA_V3.p df http://www.internationaltrading.com.m x/images/Metodo%20Caida%20de%20 Potencial.pdf Fuke ®, Medición de resistividad del terreno, Ecuador, 2015 Metrel ®, MI 2088 Earth Insulation Tester, 2012, Eslovenia. Disponible en la web: http://www.metrel.si/products/electrica l-installations-safety/multifunctiontesters-eurotest-family/mi-2088-earthinsulation-tester.html
9. ANEXOS
