Sistema Puesta a Tierra
Monografía
INDICE
GENERAL
Pp.
PORTADA
1
INDICE DE CUADROS
iii
INDICE DE FIGURAS
iv
RESUMEN
v
INTRODUCCIÓN
2
DESARROLLO DEL TEMA CAPITULO I
GENERALIDADES
4
CAPITULO II
RESISTIVIDAD DEL SUELO
6
Métodos de Medición
10
Perfil de Resistividad del Suelo
19
CAPITULO III
RESISTENCIA DEL SUELO
20
Métodos de Medición
23
CAPITULO III
RESISTENCIA DE LOS ELECTRODOS
32
CONCLUSIONES
40
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
42
REFERENCIAS ELECTRONÍCAS
43
ii
INDICE
GENERAL
Pp.
PORTADA
1
INDICE DE CUADROS
iii
INDICE DE FIGURAS
iv
RESUMEN
v
INTRODUCCIÓN
2
DESARROLLO DEL TEMA CAPITULO I
GENERALIDADES
4
CAPITULO II
RESISTIVIDAD DEL SUELO
6
Métodos de Medición
10
Perfil de Resistividad del Suelo
19
CAPITULO III
RESISTENCIA DEL SUELO
20
Métodos de Medición
23
CAPITULO III
RESISTENCIA DE LOS ELECTRODOS
32
CONCLUSIONES
40
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
42
REFERENCIAS ELECTRONÍCAS
43
ii
INDICE DE CUADROS
Cuadro
Pp.
1. Valores de resistividad de algunos materiales materiales
6
2. Resistividad v.s % de humedad en un suelo arenoso
10
3. Naturaleza del Terreno y sus Resistividad
32
4. Tipo de electrodos electrodos y su Resistencia Resistencia a Tierra
33
5. Como obtener la la resistencia de un electrodo
33
6. Tipos de Electrodo
34
7. Métodos de Medición
37
iii
INDICE DE
FIGURAS
Figura
Pp.
1. Suelo y Aire como medios medios semi-infinitos
12
2. Ubicación de Cuatro Electrodos para Medir Medir Resistividad Resistividad
13
3. Direcciones para la la Medición de Resistividad
17
4. Electrodo Hemisférico de Radio a
21
5. Método de la Caída Potencial
24
6. Telurómetro
30
iv
RESUMEN
Los Sistemas Puesta a tierra se han convertido desde sus inicios en parte esencial de cualquier instalación eléctrica, llegando a constituirse como parte indispensable de la misma, y para ello se hace uso de una variedad de componentes, que configuraran el Sistema Puesta a Tierra según las necesidades y determinaciones que arrojen los estudios aplicados al Suelo y a los materiales a utilizar en la zona donde se vaya a instalar. Estos estudios se realizan a través de métodos especializados de medición que hacen que los Sistemas de Puesta a Tierra sea un sistema capaz de drenar de la forma eficiente las corrientes perjudiciales o no deseadas, corrientes electromagnéticas y electrostáticas a la tierra, actuando esta como el más grande neutralizador de estas cargas. La implementación de los sistemas de puesta a tierra, en sus comienzos requiere someter a estudios previos los elementos que lo conformaran, y para ellos se aplican una serie de métodos especializados de medición que nos permiten determinar los grados de corrientes, como lo son: la resistividad del suelo, la resistencia del terreno así como la resistencia de electrodos. La resistencia del electrodo, resulta ser un factor característico donde la forma y dimensiones del electrodo que se escoja implantar, determinan la resistencia de tierra que esté presente, elemento que varia también según la resistividad natural del terreno en el que se establecerá, tomando en cuenta que la resistividad de dicho suelo varía de acuerdo a las características del terreno. Igualmente la medición de la resistencia de tierra ofrece determinar la resistencia del terreno con respecto a la corriente, en un sistema de puesta a tierra.
v
INTRODUCCION
Actualmente se trata establecer como conocimiento general, que la mayoría de los sistemas eléctricos necesitan ser aterrizado, práctica que posiblemente se inició con los primeros experimentos eléctricos. Donde la estática se descargaba mediante una conexión a una placa que estaba en contacto con la masa general de la tierra. La práctica ha continuado y se ha desarrollado progresivamente, de modo que tales conexiones a tierra se encuentran en casi todos los puntos en el sistema eléctrico. No obstante, aún cuando la puesta a tierra constituye una parte exclusiva del sistema eléctrico, permanece en general como un tema escasamente comprendido por muchas personas e incluso ingenieros o profesionales calificados. Se puede decir que en los últimos años han existido grandes desarrollos en el modelamiento de sistemas de puesta a tierra, tanto a frecuencia de potencia así como superiores, esto principalmente facilitado por los nuevos recursos y procedimientos de los avances en tecnologías computacionales. Esto ha aumentado el entendimiento del tema, de igual manera el manejo de los conceptos de un sistema puesta a tierra y una necesidad que esto se traspase a los diseñadores como a los instaladores, de modo que pueda lograrse un mayor conocimiento de la temática. Se debe precisar que un sistema de puesta a tierra oficialmente se entiende por una conexión eléctrica a la masa general de la tierra, siendo esta última un volumen del terreno, entre sus otras características o materiales. Ahora bien, existen factores que intervienen para el funcionamiento e instalación correcta de un sistema puesta a tierra donde, es importante reconocer que las características del terreno afecta el comportamiento del sistema de puesta a tierra. Se puede decir que una característica importante del suelo es su resistividad, el cual se mide
2
en ohm-metro. El cálculo de la resistividad del suelo cumple con una gran función, de igual manera ocurre con las resistencia de los electrodos de tierra que no son más que parte importante de los componentes que contiene un sistema de puesta a tierra, estos están en contacto directo con el terreno y así proporciona un medio para encapsular o recibir cualquier tipo de corrientes de fuga. Cabe resaltar que generalmente el concepto de resistencia es asociado al de un elemento con dos terminales claramente definidos, que permiten su conexión eléctrica dentro de un circuito o una red, claro está en el caso de un SPAT solo se dispone de un terminal el punto de conexión al terreno mediante el la puesta a tierra. Al respecto la investigación que se presenta tiene como objetivo, el estudio general de los siguientes factores que influyen en un sistema puesta a tierra como los son: la resistividad del suelo, la resistencia del suelo y por último la resistencia de los electrodos, esperando conseguir por medio de esta investigación documental, las herramientas necesarias para lograr comprender el tema en su totalidad.
3
GENERALIDADES
En este capítulo se darán las definiciones de los conceptos más esenciales que se deben conocer para poder entender el lenguaje que será manejado durante la investigación documental. Anillos
de enlace con tierra.
El anillo de enlace con tierra está formado por un
conjunto de conductores que unen entre sí los electrodos, así como con los puntos de puesta a tierra. Suelen ser de cobre de al menos 35 mm2 de sección. Conductor
de Puesta a Tierra.
Es aquel conductor de un circuito que se conecta a
tierra intencionalmente. Este conductor garantiza la conexión física entre las partes metálicas expuestas a alguna falla y la tierra. Por medio de este conductor circula la corriente no deseada hacia la tierra. Electrodo
de Puesta a Tierra.
Es un cuerpo metálico conductor desnudo que va
enterrado y su función es establecer el contacto con la tierra física. Factores que afectan la resistividad del terreno.
En la resistividad del terreno
influyen varios factores que pueden variarla, entre los más importantes se encuentran: naturaleza del terreno, humedad, temperatura, salinidad, estratigrafía, compactación y las variaciones estaciónales Mediciones.
Es comparar una magnitud con otra de la misma especie de manera
arbitraria o de manera convencional se toma como base, unidad o patrón de medida
4
Puente de
Unión.
Este puente es un conductor que nos sirve para proporcionar la
conductividad eléctrica entre partes de metal que requieren ser conectadas eléctricamente. Punto de puesta a tierra.
Un punto de puesta a tierra es un punto, generalmente
situado dentro de una cámara, que sirve de unión entre el anillo de enlace y las líneas principales de tierra. R ed
de Tierra.
Es la porción metálica subterránea de un sistema aterrizado que
dispara hacia la tierra todo flujo de corriente no deseado. Esta red se puede componer de varias mallas interconectadas. R esistencia
del electrodo de tierra.
La resistencia de tierra de un electrodo depende
de sus dimensiones, de su forma y de la resistividad del terreno en el que se establece. Esta resistividad varía frecuentemente de un punto a otro del terreno, y varía también con la profundidad. R esistencia
de Tierra. Es la resistencia que nos ofrece el terreno hacia la corriente en
un sistema de puesta a tierra, esta resistencia depende de la resistividad del terreno y área de los conductores R esistividad
del Suelo.
Es la propiedad del terreno que se opone al paso de la
corriente eléctrica, la resistividad varía de acuerdo a las características del terreno. Sistema de Tierra.
Son varios conductores desnudos que se interconectan con una o
varias mallas o electrodos enterrados.
5
RESISTIVIDAD DEL
SUELO
Ha sido definida como la propiedad que tiene el suelo, para conducir electricidad, también es conocida como la potencia específica del terreno. En su cálculo, se nivelan los efectos de las diferentes capas que constituyen el terreno que está siendo analizado, ya que es habitual que no sean uniformes en cuanto a su composición, obteniéndose así la denominación de la Resistividad del Suelo. Es importante destacar que la resistividad V es un parámetro característico de los medios conductores su unidad en el sistema MKS es el ; .m. El parámetro inverso la conductividad se expresa en Siemens/m. En un entorno conductor homogéneo, isotrópico, el valor de la resistividad es igual en cualquier punto y dirección del medio. En el caso real de un terreno en cualquier parte del mundo es muy difícil, si no imposible, considerar éste homogéneo. Se debe tener en cuenta que la naturaleza propia en su constitución y por estar sometido a los efectos climáticos hacen, que existan variaciones de su resistividad respecto a la profundidad, principalmente por la variación del nivel freático y del grado de compactación del material que integre el terreno. Existes diferente tipos de valores dependiendo de la naturaleza del suelo como se muestra en la tabla 1. Cuadro
1.
Valores de resistividad de algunos materiales NATURALEZA DEL
SUELO
RESISTIVIDAD EN OHM*M
Terrenos pantanosos
de algunas unidades a 30
Limo
20 a 100
6
Humus
10 a 150
Turba húmeda
5 a 100
Arcilla plástica
50
Margas y arcillas compactas
100 a 200
Margas del jurásico
30 a 40
Arena arcillosa
50 a 500
Arena silícea
200 a 3.000
Suelo pedregoso cubierto de césped
300 a 500
Suelo pedregoso desnudo
1500 a 3.000
Calizas blandas
100 a 300
Calizas compactas
1000 a 5000
Calizas agrietadas
500 a 1000
Pizarras.
50 a 300
Rocas de mica y cuarzo
800
Granitos y gres procedente de alteración
1.500 a 10.000
Granitos y gres muy alterados
100 a 600
Nota. Tomado de World Wide Web (2009)
Desde lo explicado antes se debe destacar que la resistividad del suelo depende de los siguientes factores:
Sales Solubles.
Es determinada principalmente por su cantidad de electrolitos;
esto se da, por la cantidad de humedad, minerales y sales disueltas. Como ejemplo, para valores de 1% (por peso) de sal (NaCl) o mayores, la resistividad
7
es prácticamente la misma, pero, para valores menores de esa cantidad, la resistividad es muy alta.
Composición
del Terreno.
Este factor depende de la naturaleza del terreno.
Por ejemplo, el suelo de arcilla normal tiene una resistividad de 40-500 ohm-m por lo que una varilla electrodo enterrada 3 m tendrá una resistencia a tierra de 15 a 200 ohms respectivamente. En cambio, la resistividad de un terreno rocoso es de 5000 ohm-m o más alta, y tratar de conseguir una resistencia a tierra de unos 100 ohm o menos con una sola varilla electrodo lo que quiere decir que es virtualmente imposible.
Estratigrafía.
Como se ha dicho el terreno obviamente no es uniforme en sus
capas. En los 3 m de longitud de una varilla electrodo típica, al menos se encuentran dos capas diferentes de suelos.
Granulometría.
Influye bastante sobre la porosidad y el poder retenedor de
humedad y sobre la calidad del contacto con los electrodos aumentando la resistividad con el mayor tamaño de los granos de la tierra. Por esta razón la resistividad de una piedra es superior a la de la arena y de que ésta sea mayor que la de la arcilla.
Estado Higrométrico.
El contenido de agua y la humedad influyen en forma
apreciable. Su valor varía con el clima o dependiendo de las épocas del año, profundidad y el nivel freático. Como ejemplo, la resistividad del suelo se eleva considerablemente cuando el contenido de humedad se reduce a menos del 15% del peso de éste. Pero, un mayor contenido de humedad del 15% mencionado, causa que la resistividad sea prácticamente constante. Y, puede tenerse el caso de que en tiempo de secas, un terreno puede tener tal resistividad que no pueda ser empleado en el sistema de tierras. Por ello, el sistema debe ser diseñado tomando en cuenta la resistividad en el peor de los casos.
Temperatura.
Se debe tener en cuenta que a medida que desciende la
temperatura aumenta la resistividad del terreno y ese aumento se nota aún más al llegar a 0° C, hasta el punto que, a medida que es mayor la cantidad de agua en
8
estado de congelación, se va reduciendo el movimiento de los electrolitos los cuales influyen en la resistividad de la tierra. y
Anisotropía:
Se refiere a que esta puede variar dependiendo de la dirección en
que se mida. Esta propiedad depende: Los materiales del subsuelo y de la estratigrafía de terreno.
Compactación.
La resistividad del terreno disminuye al aumentar la
compactación del mismo. Por ello, se procurará siempre colocar los electrodos en los terrenos más compactos posibles.
Variaciones
estaciónales.
Las estaciones también intervienen en el valor de la
resistividad de un terreno ya que en una estación calurosa como lo es primavera el terreno estará más seco que si se tuviera una estación con muchas lluvias y por esto los valores cambiarían según la estación del año en que nos encontremos es por esto que se recomienda hacer varias mediciones en diferentes estaciones del año para determinar la resistividad promedio.
Otros
Factores como:
objetos enterrados, compactación, grandes potenciales y
grandes Corrientes. Desde lo abordado anteriormente se puede deducir que el tipo de suelo, composición química, estratificación y compactación del material son propiedades inherentes de la formación geológica del suelo en un sitio determinado; aunque no permanecen constantes su variación depende de cambios a largo plazo, por lo tanto pueden asumirse como constantes a la hora de diseñar un Sistema Puesta a Tierra. Por el contrario el porcentaje de humedad, la temperatura, la composición química de las sales disueltas y su concentración son factores variables a la hora de considerar el diseño de un SPAT. En la medida que el porcentaje de humedad por peso se incrementa, la resistividad del suelo disminuye hasta un cierto punto a partir del cual se hace casi independiente del grado de humedad. A continuación se reproduce información tomada de la referencia [1], sobre la variación de un suelo arenoso en función del porcentaje de humedad. Ver cuadro 2. 9
Cuadro
2.
Resistividad v.s % de humedad en un suelo arenoso [1]
0,0
2,5
5,0
10,0
15,0
20,0 30,0
10000000
1500,0
430,0
185,0
105,0 63,0 42,0
humedad (.m)
Nota. Tomado de Kindermann, G., Campagnolo, J.M (1992)
Referente a temperaturas por debajo del punto de congelación del agua la resistividad se incrementa debido a que el hielo es un medio de baja conductividad. A temperaturas elevadas el agua comienza a evaporarse, lo que obviamente incrementa la resistividad. La composición química de las sales disueltas y su concentración pueden variar naturalmente por efecto de las lluvias, y de las variaciones químicas en el material superficial del suelo. El agua al penetrar en el suelo arrastra nuevos elementos químicos y diluye la concentración de los existentes. También puede hacerse una variación artificial de estos factores mediante la colocación de componentes adicionales, por ejemplo sal, en forma concentrada en puntos estratégicos o mediante una solución diluida que se riega sobre el terreno a tratar. Para fines de diseño de un SPAT se debe tomar la información del terreno obtenida bajo las condiciones más desfavorables. Es evidente que esta información debe ser recopilada en la temporada de sequía.
Métodos de Medición de la R esistividad del Suelo
Con respecto a la medición de la resistividad del suelo, se calcula fundamentalmente para encontrar la profundidad y grueso de la roca en estudios, así como para encontrar
10
los puntos óptimos para localizar la red de tierras de una subestación, sistema electrónico, planta generadora o transmisora de radiofrecuencia. Asimismo puede ser empleada para indicar el grado de corrosión de tuberías subterráneas. En general, los lugares con resistividad baja tienden a incrementar la corrosión. En este punto es necesario aclarar que la medición de la resistividad del terreno, no es requisito para hacer un electrodo de puesta a tierra. Aunque para diseñar un sistema de tierras de gran tamaño, es aconsejable encontrar el área de más baja resistividad para lograr una instalación un poco más económica. Desde esa perspectiva, el perfil de la resistividad del suelo determinará el valor de la resistencia a tierra y la profundidad de nuestro sistema de puesta a tierra. Para medir la resistividad del suelo se requiere de un telurómetro o Megger de tierras de cuatro terminales. Los aparatos de mayor uso, de acuerdo a su principio de operación, pueden ser de 2 tipos: del tipo de compensación de equilibrio en cero y el de lectura directa. Los terrómetros son analógicos o digitales y deben contener 4 carretes de cable calibre 14 AWG normalmente. Para enrrollamiento rápido se recomienda construir un sistema devanador que permita reducir el tiempo de la medición. También traen 4 electrodos de material con la dureza suficiente para ser hincados en la tierra con marro. Son de una longitud aproximada de 60 cm y un diámetro de 16 mm. Además de lo anterior se hace necesario contar con una cinta no metálica de 50 m aproximadamente. Los terrómetros tienen cuatro terminales 2 de corriente (C1, C2) y 2 de potencial (P1, P2) y están numerados en el aparato C1 P1 P2 C2. Los terrómetros deben estar certificados y probados en el campo con una resistencia antes de realizar las mediciones. Estos aparatos deben inyectar una corriente de frecuencia que no sea de 60 Hz para evitar que se midan voltajes y corrientes que no se deban específicamente al dispositivo sino a ruidos eléctricos. Un ejemplo puede ser, si se está cerca de una subestación o de una línea en servicio, y se va a realizar mediciones de resistividad y resistencia de tierra, 11
con un aparato de 60 Hz, dichos sistemas van a inducir corrientes por el suelo debido a los campos electromagnéticos de 60 Hz y darán una lectura errónea. De igual manera sucede cuando los electrodos de prueba están mal conectados o tienen falsos contactos, darán señales falsas de corriente y voltaje. Si hay corrientes distintas a las que envió el aparato, éste leerá otras señales de voltaje y corriente que no son las adecuadas. También estos aparatos de repente tienen oscilaciones en sus lecturas y no es posible leerlas. Un aparato inteligente, lleva conductores blindados, coaxiales, tiene sistemas de filtraje, de análisis y mide lo que halla, pero esa información la analiza, la filtra y luego la deduce. Por ejemplo, para hacer una medición manda una señal de 100 Hz y mide; luego manda otra señal de 150 Hz y vuelve a medir y puede seguir enviando otras altas frecuencias hasta que los valores van siendo similares, forma una estadística y obtiene un promedio, lo que quiere decir que para utilizar un terrómetros se deben mantener los cálculos de corriente adecuados para bajar el margen de errores. De sebe tener presente que para el cálculo de la resistividad del suelo en un sitio determinado, se asumirá que el suelo es un medio conductor semi-infinito que limita con el aire, al cual consideraremos como un medio semi-infinito perfectamente aislante. En primer lugar se estudiará el caso de un terreno homogéneo. Si inyectamos una corriente al terreno mediante un electrodo muy pequeño, con un electrodo de retorno de la corriente situado a una distancia muy lejana, la distribución de la corriente en el terreno tiene simetría axial respecto a un eje z que pase por el punto de inyección de corriente. (Ver figura 1). Figura 1.
Suelo y Aire como medios semi-infinitos [1].
Nota. Tomado de Kindermann, G., Campagnolo, J.M (1992)
12
Entonces, a una distancia r la densidad de corriente es igual a J=I/(2 r2) A/m2. El potencial respecto a una referencia muy lejana en un punto V sobre el terreno a la misma distancia r es igual a: (1)
V
V V = T
A partir de la ecuación (1) se puede despejar el valor de la resistividad: (2)
V =
T V V
Ahora bien, si el terreno es homogéneo la relación V V/I para cada distancia r debe variar en forma tal, que el valor de resistividad obtenido mediante la ecuación (2) se mantenga constante. Como se puede observar, para determinar la resistividad de un terreno homogéneo se requiere medir la corriente inyectada y el potencial en un punto cualquiera medido respecto a una referencia muy lejana, idealmente en el infinito. Indiscutiblemente para hacer estos cálculos se requieren por lo menos de cuatro electrodos conectados al terreno o suelo en estudio. Para hacer circular la corriente necesitamos dos electrodos y para medir la diferencia de potencial de otros dos.
Como
en la práctica las distancias de ubicación de estos electrodos son finitas, para obtener una buena aproximación con las ecuaciones (1) y (2) se requiere que el electrodo de retorno de la corriente se ubique a la mayor distancia posible respecto al electrodo de inyección de la corriente. De igual forma se requiere que el electrodo auxiliar para medir la diferencia de potencial se ubique a la mayor distancia posible del punto donde se está midiendo el potencial. (Ver figura 2.) Figura 2.
Ubicación de Cuatro Electrodos para Medir Resistividad [1].
Nota. Tomado de Kindermann, G., Campagnolo, J.M (1992)
13
Se debe entender que la utilización de cuatro electrodos para medir la resistividad ha dado origen a diferentes dispositivos para hacer las mediciones correspondientes referencias bibliográficas [3,4]. Dos dispositivos ampliamente usados en la prospección geoeléctrica son los conocidos por los nombres de sus autores: dispositivo Schlumberger y el dispositivo Wenner. El primero es de origen europeo y el segundo de origen americano. La diferencia fundamental entre ambos es la distancia de ubicación de los electrodos de medición de potencial. Ambos dispositivos tienen como premisa la ubicación alineada de los electrodos de corriente y potencial. Como resultado, el método Wenner dice: que si la distancia enterrada (B) es pequeña comparada con la distancia de separación entre electrodos (A), la siguiente formula se puede aplicar: V = 2 . T . A . R
Donde p : Resistividad promedio a la profundidad (A) en ohm-m PI : 3.1415926 A : Distancia entre electrodos en metros. R : Lectura del terrómetro en ohms. Por lo tanto el método de Schlumberger se puede explicar de manera concisa que el método de Schlumberger es una modificación del método de Wenner, ya que también emplea 4 electrodos, pero en este caso la separación entre los electrodos centrales o de potencial (a) se mantiene constante, y las mediciones se realizan variando la distancia de los electrodos exteriores a partir de los electrodos interiores, a distancia múltiplos (na) de la separación base de los electrodos internos (a). La configuración, así como la expresión de la resistividad correspondiente a este método de medición se muestra en la figura. V = 2 . T .R(n + 1). na
14
Se debe señalar que en el dispositivo Schlumberger MN permanece fija e idealmente debería ser los mas pequeña posible dentro de los límites prácticos, de acuerdo a la figura 2: MN<
VMN =
Para el dispositivo Wenner AM=MN=NB=a, (3) se reduce a: (4)
VMN = T V
La relación VMN/I tiene unidades de resistencia, si la denominamos R, podemos escribirlas expresiones (3) y (4) en función de R. En algunos instrumentos diseñados para la medición de resistividad la lectura que se obtiene es esta relación de resistencia R. De (3) podemos despejar la resistividad en función de R y un factor dependiente de la geometría del dispositivo Kg: (5)
=2 Kg.R
Para el dispositivo Wenner Kg=a
Para el dispositivo Schlumberger Kg=
Si hacemos 2L=AB y 2b=MN, Kg=(L2-b2)/4b. El dispositivo Schlumberger merece un comentario adicional: la condición MN<
x x r=L
=
De lo expuesto anteriormente se puede establecer una metodología para medir la resistividad en un terreno homogéneo. Es de notar que el valor de R medido para una primera ubicación de electrodos dada, debe variar en una forma tal que (5) arroje el mismo resultado para una segunda ubicación de electrodos. Por ejemplo si hacemos una medición con el dispositivo Wenner para a=5 m, y calculamos el valor de resistividad correspondiente, si el suelo es homogéneo, se debe obtener el mismo valor para otro valor de a diferente de 5 m, digamos 10 o 20 m. Del mismo modo, si se conoce de antemano que el terreno es homogéneo, basta hacer una o dos mediciones y corroborar que se obtienen los mismos resultados de resistividad. Si no conocemos la naturaleza del suelo en estudio entonces podemos llevar a cabo mediciones con diferentes ubicaciones de electrodos. Si los resultados obtenidos coinciden en forma aproximada podemos concluir que el terreno es homogéneo. Una forma más práctica de analizar los resultados es levantar una curva de campo de resistividad en función de alguna distancia. Para el dispositivo Schlumberger se gráfica resistividad en función de AB/2. Para el dispositivo Wenner, resistividad en función de la distancia interelectródica a. Si la resistividad calculada mediante (5) no varía o se mantiene casi constante podemos concluir que el terreno es homogéneo. Por ello, es importante tener en cuenta que las diferentes ubicaciones de electrodos deben ser hechas guardando como centro el punto O original. Esto garantiza que se está
16
explorando la misma porción de terreno. Supongamos que queremos explorar una extensión de terreno delimitada por el rectángulo (Ver figura 3). Figura 3.
Direcciones para la Medición de Resistividad [1].
Nota. Tomado de Kindermann, G., Campagnolo, J.M (1992)
Puesto que, las diferentes ubicaciones de los electrodos para diferentes distancias interelectródicas podrían hacerse en las direcciones indicadas. Por ejemplo utilizando el dispositivo Wenner podríamos llevar a cabo varias mediciones con diferentes valores de a
en la dirección 1-1'. De igual forma lo podríamos hacer en las otras direcciones, pero
cuidando que las distancias medidas para los electrodos sean hechas tomando como referencia el centro O. Cada medición debe ser simétrica respecto a O. Como se comentó anteriormente en general los suelos son heterogéneos, en estos casos la resistividad calculada mediante (5) para cada ubicación de electrodos va a ser diferente. Los valores calculados mediante (5) para un terreno heterogéneo se le conocen en la literatura con el nombre de resistividad aparente a. La resistividad aparente dibujada en función de la distancia L(Schlumberger) o a (Wenner), es la base fundamental para la interpretación de resultados y la elaboración de un modelo estratificado para el suelo en estudio. Resumiendo se puede enumerar para una mejor apreciación los pasos para llevar a cabo las mediciones de de resistividad aparente de un suelo determinado:
Delimite la zona en estudio
Marque un punto
O
que será el punto de simetría para la ubicación de los
electrodos de medición: A, M, N, B, ver figura 2.
Establezca las direcciones de medición, trate de cubrir totalmente la zona en
estudio. Por ejemplo ver figura 3. 17 Seleccione las distancias interelectródicas. Para el dispositivo Wenner a. En el caso del dispositivo Schlumberger se selecciona la distancia MN y se deja fija, la distancia AB se incrementa por pasos.
Calcule la resistividad aparente de acuerdo a (5) y levante la curva respectiva.
Si existen puntos dudosos repita la medición respectiva.
Método de Medición de la R esistividad de los Cuatro Puntos
Generalmente la resistividad del terreno se mide por el método universal de cuatro puntos desarrollado por F. Wenner en 1915. El mismo resulta el mas seguro en la práctica para medir la resistividad promedio de volúmenes extensos de suelos naturales. En este método se clavan en el suelo 4 electrodos pequeños dispuestos en línea recta con la misma distancia "a" entre ellos y a una profundidad "b" que no supere 1/10 de "a" (preferentemente 1/20 de "a"). Entonces se inyecta una corriente de medición (I) que pasa por el terreno a través de los dos electrodos extremos y simultáneamente se mide la caída de tensión "U" entre los dos electrodos interiores, utilizando un potenciómetro o un voltímetro de alta impedancia interna. La teoría indica que la resistividad promedio del suelo " V" a una profundidad igual a la distancia "a" vale aproximadamente: V = 2 T ; a U / I
Si se efectúan una serie de mediciones realizadas a diferentes distancias "a" se puede construir un diagrama de resistividades del suelo en función de la profundidad, que permite detectar la existencia de distintas capas geológicas en el terreno. Cabe acotar que en los emplazamientos donde el terreno presenta diferentes valores de resistividad
18
en función de la profundidad, la experiencia indica que el valor más adecuado para el diseño del dispersor a tierra es el que se obtiene a una profundidad mayor. Método de Medición de la R esistividad Utilizando Muestras de Suelo
La estimación de la resistividad del terreno a partir de la medición de la resistividad de una muestra extraída del mismo, se puede realizar empleando el método de los cuatro puntos en una caja prismática pequeña de sección transversal cuadrada, en la que se introduce el material extraído de la probeta respectiva. Como es de esperar, el valor de resistividad que se obtiene de esta manera resulta menos exacto que el que se obtendría en el terreno real, pero en algunas ocasiones es el único camino posible.
Perfil de R esistividad del Suelo
Para obtener el perfil de resistividad en un punto dado, se utiliza el Método de Wenner con espaciamientos entre electrodos de prueba cada vez mayores. Por lo general, para cada espaciamiento se toman dos lecturas de resistividad en direcciones perpendiculares entre sí. La gráfica resultante de trazar el promedio de las mediciones de resistividad (R) contra distancia entre electrodos (a) se denomina perfil de resistividad aparente del terreno.
19
RESISTENCIA A
TIERRA
La resistencia a tierra se puede definir como la resistencia que ofrece un sistema de tierra al paso de la corriente eléctrica. Este valor de resistencia depende de la resistividad del terreno, las características físicas del electrodo a tierra (diámetro, área, longitud, etc.), también de la longitud y el área de los conductores. El valor de resistencia a tierra es la resistencia ohmica entre un conductor puesto a tierra y un punto a potencial cero. Generalmente el concepto de resistencia se asocia al de un elemento con dos terminales claramente definidos, que permiten su conexión eléctrica dentro de un circuito o red. En el caso de un SCT solo se dispone de un terminal: el punto de conexión al terreno mediante el SCT. Si se considera el terreno donde está el SCT como un plano infinito, el otro terminal de la resistencia queda indeterminado. En la práctica este no es el caso, ya que para poder medir la resistencia se debe inyectar corriente al SCT formando un circuito cerrado para el retorno de la corriente. Por otra parte aunque la estructura física de un SCT consta generalmente de barras verticales y conductores horizontales, el concepto de resistencia a tierra se comprende mejor considerando la forma de electrodo de conexión más sencilla de estudiar teóricamente: un electrodo hemisférico enterrado a ras del suelo, ver figura 4. Para fines de cálculo se asumirá al terreno como un medio conductor semi-infinito homogéneo con resistividad . La resistividad del material del electrodo se considera mucho menor que la del terreno. Debido a la simetría del electrodo la corriente se distribuye uniformemente sobre la superficie del mismo. (Ver Figura 4).
20
Figura 4.
Electrodo Hemisférico de Radio a [2].
Nota. Tomado de Eaton R. (1973).
En consecuencia, si se inyecta una corriente I por el centro del electrodo, el módulo de la densidad de corriente a una distancia r será: (1)
J =
Debido a la simetría del problema el vector densidad de corriente J en coordenadas esféricas tiene dirección radial perpendicular a la superficie del electrodo. Aplicando la ley de Ohm en su forma puntual el módulo del vector campo eléctrico será: (2)
V
E =
También el vector campo eléctrico
E
tendrá dirección radial. La diferencia de
potencial entre dos puntos 1 y 2 sobre la superficie del terreno ubicado a distancias r 1 y r 2 del centro del electrodo, se puede calcular integrando al vector campo eléctrico a lo largo de un camino que una los puntos 1 y 2, es decir: (3)
V12 =
21
Escogiendo un camino radial sobre la superficie del terreno desde 1 hasta 2, los vectores
E
y dr son paralelos a lo largo de este camino. En consecuencia el producto
escalar dentro de la integral se reduce al producto de los módulos de los vectores mencionados. (4)
V12 = V
Las superficies equipotenciales dentro del terreno son superficies hemisféricas con centro coincidente con el del electrodo hemisférico. Si en la expresión (4) se hace que r2 solamente queda el potencial del punto 1 respecto a una referencia ubicada en el infinito, es decir V1 = . I /(2r1). En consecuencia todos los puntos ubicados a una distancia r1 tendrán el mismo potencial respecto a ese punto remoto. Para r = a se obtiene el potencial del electrodo respecto a un punto ubicado a una distancia muy grande, teóricamente en el infinito, es decir: (5)
V
Va =
Obviamente de (5) se puede obtener un valor de resistencia definido como la relación: (6)
V
R =
La corriente I inyectada en el electrodo de conexión a tierra, se puede considerar como si fuera inyectada por una fuente de voltaje conectada entre el electrodo y un punto de referencia de potencial cero. La utilización de un punto remoto ubicado a una distancia infinita permite la definición (6) y ubicar el retorno de la corriente inyectada I. Estas consideraciones no son válidas en los casos reales donde no se puede conseguir distancia infinita. Sin embargo desde el punto de vista práctico sí es posible obviar esta limitación como se verá más adelante. 22
Medición de la R esistencia a Tierra
Una vez que se construye un sistema de conexión a tierra, debe medirse la resistencia del mismo con la finalidad de comprobar que cumple con los valores exigidos. Por otro lado al verificar la integridad de un sistema de conexión a tierra, la resistencia a tierra es un indicador de cuan efectivo está el sistema para el retorno de las corrientes de falla. La prueba de medición de la resistencia a tierra no da información alguna sobre la seguridad que pueda ofrecer un SCT bajo una condición de falla, especialmente con referencia a los voltajes peligrosos que puedan aparecer en la superficie del terreno. Aún cuando el valor de la resistencia a tierra esté por debajo de los valores requeridos, puede darse el caso de que no cumpla con los límites de voltajes permitidos para la seguridad del personal y los equipos [5]. En resumen: ³Un bajo valor de resistencia a tierra no garantiza la seguridad del personal en el terreno sobre el sistema de conexión a tierra o en sus inmediaciones´ Finalmente debido a los cambios que puedan ocurrir en el terreno y con fines de mantenimiento preventivo, se hace necesario medir periódicamente la resistencia a tierra para garantizar la adecuada conexión al terreno.
Método de la caída de potencial
El método más utilizado para la medición de la resistencia a tierra es el denominado: ³Método de la Caída de Potencial´. Este método requiere dos electrodos auxiliares, una fuente de voltaje, voltímetro y amperímetro. Disposición
y conexión de los equipos
23
(Ver figura 5)
Figura 5.
Método de la Caída Potencial [2].
Nota. Tomado de Eaton R. (1973).
Donde: ST: Sistema de conexión a tierra al cual se le va a medir la resistencia Ev: Electrodo auxiliar de voltaje Ei: Electrodo auxiliar de corriente V: voltímetro A: Amperímetro Vf: Fuente de alimentación Se pude decir que la resistencia a tierra del sistema ST está representada por la relación entre el voltaje medido en un punto remoto, teóricamente a una distancia infinita de ST, y la corriente inyectada I. En la realidad ubicar un punto a una distancia infinita de ST es imposible. Sin embargo para fines prácticos, y dentro del rango de exactitud de los instrumentos, es posible aproximarse al valor de voltaje V del sistema ST, que representa el voltaje de ST respecto a una referencia remota.
Análisis
del método
Para analizar el método de medición se recurre nuevamente a los electrodos hemisféricos enterrados en un terreno homogéneo, y asumiendo que la distancia entre 24
ellos es mucho mayor que sus radios. La impedancia interna del voltímetro se considera de un valor elevado de tal forma que Iv<>b. Bajo estas condiciones el voltaje medido por el voltímetro V será la diferencia de potencial entre ST y Ev. El voltaje respecto a una referencia remota de cada uno de estos electrodos es:
V
V
V
(7)
VST = -
(8)
VEV = -
V
El voltaje medido por el voltímetro es:
V = VST - VEV = La resistencia medida será: V
(9)
(10) R m = V
Se conoce que el valor verdadero de la resistencia del sistema ST está determinada por:
(11) R V = El factor que se sustrae del valor verdadero en la resistencia medida Rm en la ecuación (9), es el error cometido en la medición. De esta forma el valor medido se puede expresar como la suma algebraica de dos factores: el valor verdadero Rv, y el error cometido en la medición Re debido a la influencia del electrodo auxiliar de corriente Ei.
25
(12) Rm = Rv Re Si por algún medio se consigue anular Re, el valor medido será igual al valor verdadero. Un primer análisis de la expresión (9) permite concluir que en la medida que las distancias D, x, y se incrementan, el valor medido se aproxima mas al valor verdadero.
R egla
del 61,8 %
El valor verdadero de la resistencia a tierra también puede obtenerse a partir de la resistencia medida si se encuentran las relaciones entre los valores x, y, D que anulen el error cometido, es decir:
(13) R 2 = De la ecuación (12) se obtiene que para anular Re deba cumplirse: (14) x.y + D.y D.x = 0 Si los electrodos Ev y Ei están alineados se cumple que: (15) D = x+ y Despejando y de (14) y sustituyendo en (13) se obtiene la siguiente ecuación: (16) x 2 + D.x D2 = 0 Ecuación que tiene como solución x = 0,618.D y x = -1,618.D. Esto significa que ubicando el electrodo auxiliar Ev a una distancia del 61,8 % de la distancia D, la
26
resistencia medida es igual al valor verdadero de la resistencia del sistema ST. La solución negativa de x no tiene interpretación dentro del contexto de ubicación de los electrodos: D = x+y.
Método de los Tres Puntos
El método de medición con el puente de Nippold requiere el emplazamiento de dos tomas de tierras auxiliares, cuyas resistencias de dispersión a tierra designaremos como R2 y R3, mientras que la resistencia de la toma bajo ensayo se denominará R1. En estas condiciones, se miden las resistencias R1-2, R2-3 y R1-3 comprendidas entre cada par de tomas, utilizando preferentemente un puente de corriente alterna. Como R1-2 = R1 + R2, R2-3 = R2 + R3 y R1-3 = R1 + R3; resulta: (1) R1 =
Las resistencias de cada uno de los electrodos auxiliares deben ser del mismo orden que la resistencia que se espera medir. Si las dos tomas auxiliares son de mayor resistencia que la toma de tierra bajo ensayo, los errores en las mediciones individuales serán significativamente magnificados en el resultado final obtenido con la ecuación anterior. Para tal caso se recomienda colocar los electrodos a una gran distancia entre sí. Para la toma de tierra de áreas extensas, las que presumiblemente tienen bajos valores de resistencia, se recomienda que las distancias entre electrodos sean del orden de la mayor diagonal del área a medir. Este método resulta dificultoso para instalaciones de puesta a tierra de grandes subestaciones y centrales generadoras, donde resulta preferible el método de la caída de tensión.
27
Método de los Dos Puntos
Este método resulta de una simplificación del expuesto precedentemente. En este caso, se mide la resistencia total de la toma de tierra bajo ensayo y de otra toma auxiliar, cuya resistencia de tierra se presupone despreciable frente a la primera. Como es de esperar, el valor de resistencia que se obtiene de esta manera está sujeto a grandes errores cuando se usa para medir resistencias pequeñas, pero en algunas ocasiones es muy práctico para los ensayos "por sí o por no".
Método de la caída de tensión
El método consiste en inyectar una corriente de medición (I) que pasa por el terreno a través de la toma o dispersor de puesta a tierra a medir y por un electrodo auxiliar de corriente ubicado en un punto suficientemente alejado para ser considerado como integrante de la masa general del planeta (tierra verdadera). En estas condiciones se inca un segundo electrodo auxiliar de tensión ubicado a mitad de camino entre la toma bajo ensayo y el electrodo auxiliar de corriente, midiéndose la caída de tensión "U" que aparece entre la toma de tierra a medir y el electrodo auxiliar de tensión. Para medir la tensión se puede utilizar un potenciómetro o un voltímetro de alta impedancia interna, mientras que para medir la corriente se utiliza un amperímetro conectado directamente o a través de un TI tipo pinza, que facilita el trabajo al controlar instalaciones existentes. Por aplicación de la ley de Ohm, la resistencia R1 del dispersor resulta: (1)
R1 = U / I 28
Las resistencias de cada uno de los electrodos auxiliares no presentan requisitos tan estrictos como en los métodos anteriores, si bien se recomienda que el electrodo de corriente tenga una resistencia lo suficientemente baja como para permitir un adecuado paso de la corriente. Si bien en teoría la influencia del dispersor se extiende hasta el infinito, debe considerarse que tal influencia varía inversamente con la distancia siguiendo una ley exponencial, pues la sección ofrecida a las trayectorias de corriente aumenta al alejarse del dicho dispersor. Por lo anterior, a los efectos prácticos dicha influencia se concentra en las cercanías del dispersor y se torna despreciable a distancias superiores a los 50 m en el caso de tomas de áreas reducidas o de simples electrodos. El método de la caída de tensión resulta adecuado para casi todos los tipos de mediciones de resistencia de puesta a tierra. En una toma de tierra de área extensa, el electrodo de potencial se debe ir alejando de la toma bajo ensayo en forma escalonada, registrando el valor medido en cada escalón. Al graficar los valores obtenidos en función de la distancia entre la toma y el electrodo de tensión se obtiene una curva que tiende a nivelarse en un determinado valor, que representa el valor mas probable de la resistencia de la toma de tierra. En estos casos, también debe prestarse atención a la posibilidad de la existencia de resistencias parásitas de conexión. Cuando se aplica este método se debe tener en cuenta que pueden existir tensiones espurias provocadas por corrientes vagabundas en el terreno, capaces de alterar la medida. Por ello, interrumpiendo la corriente debe verificarse que la lectura del voltímetro sea nula o despreciable. Si no lo es, el método no es aplicable.
29
Medición de la R esistencia a Tierra con El telurómetro
Este aparato se basa en el método de compensación y funciona con un generador magneto de c.a., que lleva un transformador en serie de relación exacta 1:1, es decir, que la intensidad por el primario es siempre igual a la del secundario. Ver
figura 6
Telurómetro
Nota. Tomado de World Wide Web (2009)
Funcionamiento del telurómetro
Dando vueltas a la manivela de la magneto y ajustando al mismo tiempo el potenciómetro de manera que por el galvanómetro no pase intensidad, tendremos que esto sucederá cuando las tensiones E = r I2 y E = R t I1 sean iguales, pero como por otra parte, las intensidades también serán iguales I1 = I2 tendremos: r I2 = R tI1 ; r I2 = R tI2 Por tanto: r = R t Es decir, la resistencia que marque el potenciómetro será igual a la resistencia de la toma de tierra. La particularidad de este método consiste en que la medición, se hace
30
independientemente de las tomas de tierra auxiliares que se realizan R 1 y R 2, aunque es aconsejable que R 2 no sea muy grande, pues de ella depende la intensidad I1, y esta no conviene que sea muy pequeña. Estas tres tomas de tierra deberán estar separadas unas de otros unos 10 m. para evitar la influencia entre ellas. También es importante resaltar la conveniencia de hacer estas mediciones a frecuencias distintas a la industrial, para evitar las posibles interferencias con otras corrientes que no pertenezcan al aparato. Por lo general las frecuencias que utilizan los telurómetros son relativamente altas, del orden de 500 a 1.200 Hz. El telurómetro descrito corresponde a un modelo clásico de hace años; en la actualidad, basados en este principio, se construyen modelos que sustituyen la magneto por generador a pilas y la lectura de las mediciones se realiza, en algunos modelos, sobre una pantalla de cristal liquido.
31
RESISTENCIA DEL ELECTRODO DE
TIERRA
La resistencia de tierra de un electrodo depende de sus dimensiones, de su forma y de la resistividad del terreno en el que se establece. Esta resistividad varía frecuentemente de un punto a otro del terreno, y varía también con la profundidad. Con el fin de obtener una primera aproximación de la resistencia de tierra, los cálculos pueden efectuarse utilizando los valores medios indicados en la Tabla 1 ubicada en el Capítulo I de esta investigación. En todos los casos, la sección del electrodo debe ser tal que ofrezca menor resistencia que la el conductor de las líneas principales de tierra. Puesto que la resistencia del electrodo depende de su forma, de sus dimensiones y de la resistividad del terreno, podemos usar como una primera aproximación los valores de la tabla 5: Cuadro
3.
Natur al eza d el T erreno y sus Re sistividad
Naturaleza
del terreno
R esistividad
media,
Va (; x m)
Terrenos cultivables fértiles y terraplenes húmedos
50
Terrenos cultivables poco fértiles y terraplenes
500
Suelos pedregosos desnudos y arenas secas
3000
Nota. Tomado de World Wide Web (2009)
32
Cuadro
4.
dos y su Re sist encia a Tierr a Tipo d e el ect ro Tipo de electrodo
R esistencia
de Tierra (; )
Placa vertical
R = 0.8 x V a /P
Pica vertical
R= 2 x V a /L
Conductor enterrado horizontalmente
R=2 xV a / L
V a = resistividad media del terreno (;x m)
P = perímetro de la placa L = longitud de la pica o cable (m) Nota. Tomado de World Wide Web (2009)
Bien entendido que los cálculos efectuados a partir de estos valores no dan más que un valor muy aproximado de la resistencia de tierra del electrodo. La medida de resistencia de tierra de este electrodo puede permitir, aplicando las fórmulas dadas en la Tabla 4, estimar el valor medio local de la resistividad del terreno; el conocimiento de este valor puede ser útil para trabajos posteriores efectuados en unas condiciones análogas. Cuadro C omo
5.
do obt ener la re sist encia d e un el ect ro
Electrodo
R esistencia
de la tierra en ohm
R =
Placa enterrada
Pica vertical
R=
Conductor enterrado horizontalmente
R=
Nota. Tomado de World Wide Web (2009)
33
Cuadro
6
dos Utili zados en un Sist ema Pue sta a Tierr a Tipos d e El ect ro
Tipos
Tipología
Utilidad
Son placas de cobre o hierro, de Debido a que este electrodo 4 mm de grosor, y una superficie tiene una gran área de contacto Placa
útil nunca inferior a 0.5 m2. Las es recomendado en terrenos que placas de acero deberán tener tengan alta resistividad. Son por lo menos 1/4 de pulgada de enterradas en posición vertical, espesor. Si son de material no de modo que su arista superior ferroso deberán tener por lo quede, como mínimo, a 50 cm menos 1.52 mm de espesor. Los debajo la superficie del terreno. electrodos de placa no deberán Se debe saber que se necesitan tener menos de 2 pies cuadrados varias
placas,
se
colocarán
de superficie en contacto con el separadas una distancia de 3 m. suelo. Son formadas por electrodos Este tipo de electrodos se hace simples del mismo tipo unidos armando una red de conductores entre sí y situados bajo tierra. de cobre desnudos. Esta malla es Malla
Compuesta por cables colocados muy
utilizada
en
las
paralela y perpendicularmente subestaciones eléctricas ya que con un espaciamiento adecuado requiere
de
una
red
de
a la resistividad del terreno y conductores enterrados a una
preferentemente
retículas cuadradas.
formando profundidad
que
usualmente
varía de 0.30 a 1.0 m. para reducir el riesgo de descargas.
Consiste en un conductor de Este electrodo consiste en una Anillo
cobre
desnudo,
de
sección espira
de
cable
de
transversal no menor al calibre 2 desnudo, con un diámetro
34
cobre
Cuadro
6 (cont.).
AWG y de longitud no menor a mínimo de 33.6mm² y una 6 m enterrado a una profundidad longitud mínima de 6m en de 80 cm y, que rodee al contacto con la tierra, debe tener inmueble
o
estructura
que una profundidad de por lo menos
requiera la protección.
80cm, así como también dice que se le pueden conectar electrodos.
Los electrodos químicos son Los electrodos químicos para aquellos electrodos a los que se conexión a tierra deben tener les adiciona algún compuesto longitudes de 10 y 20 pies. Los químico Químicos
para
aumentar
la electrodos químicos garantizan
conductividad y de esta forma óptimos
resultados
bajo
disminuir el valor de resistencia. cualquier condición ambiental y El
relleno
ideal
debe son amigables con el entorno y
compactarse fácilmente, ser no el Medio Ambiente. corrosivo y a la vez buen conductor eléctrico, como por ejemplo la bentonita. Este tipo de electrodo no es más
Este electrodo es utilizado en
que una barra unida a un
terrenos donde haya mucha roca,
Barras
conductor de cobre desnudo de
se hace una perforación vertical
Verticales
gran longitud. Se usarán cables
profunda hasta encontrar las
de cobre de al menos 35 mm2,
capas húmedas de la tierra, ya
o cables de acero galvanizado
que la humedad aumenta la
de un mínimo de 2.5 mm de
conductividad.
diámetro. Estos electrodos deberán enterrarse
35
Cuadro
6 (cont.).
Barras Verticales
horizontalmente a una profundidad no inferior a los 50 cm. Consiste
un
El electrodo horizontal es un
conductor con característica de
conductor de cobre desnudo
Barras Horizontales
barra
en
instalar
realizado
desnudo
en
cobre enterrado de forma horizontal en
enterrado
horizontalmente
a
una zanja de 50cm mínimo de
una profundidad, se pueden hacer
profundidad que va de 50 cm a varias configuraciones, pero la 100
cm
en
diferentes
configuraciones.
más utilizada es la línea recta. Este tipo de electrodo se ha encontrado más efectivo por tener conectados los cables en un punto que tener múltiples anillos rodeando el sitio.
Nota. Autores (2009)
36
Cuadro
7
Métodos Ant er iore s d e Medición Características
Tipo de Métodos
Desventajas
Función
Se Insertan 4 electrodos en el Se recomienda que se Su suelo, colados en línea recta y tomen
lecturas
función
en consiste en la
a una misma profundidad de diferentes lugares y a medición de la Método de Wenner
penetración, las mediciones de 90 grados unas de resistividad del resistividad dependerán de la otras para que no sean suelo. distancia entre electrodos y de afectadas
por
la resistividad del terreno. El estructuras metálicas principio básico de este método subterráneas. Y, que es la inyección de una corriente con ellas se obtenga el directa o de baja frecuencia a promedio. través de la tierra entre dos electrodos C1 y C2 mientras que el potencial que aparece se mide entre dos electrodos P1 y P2 Es
una
modificación
del Muy util cuando se Su
función
método de Wenner, también requieren conocer las radica en la emplea 4 electrodos, pero en resistividades de capas medición de la Método de Schlumberger
este caso la separación entre más profundas, sin resistividad del los electrodos centrales o de necesidad de realizar suelo. potencial
(a)
se
mantienemuchas
mediciones
constante, y las mediciones se como con el método realizan variando la distancia Wenner.
Se
utiliza
de los electrodos exteriores a también cuando los
partir
de
los
electrodosaparatos de medición
interiores, a distancia múltiplos son poco inteligentes.
37
Cuadro
7 (cont.).
(na) de la separación base de los electrodos internos (a).
Consiste Método de la tierra conocida
en
encontrar
la Encontrar
los Su función se
resistencia combinada entre el electrodos
de halla
en
la
electrodo a probar y uno de resistencia conocida y medición de la resistencia
despreciable. los
de
resistencia resistencia del
Haciendo circular una corriente despreciable
suelo
entre las dos tomas de tierra, esta corriente se distribuye en forma similar a las líneas de fuerza entre polos magnéticos. Consiste
en
enterrar
tres El principal problema Su función se
electrodos (A, B, X), los cuales de este método es que encuentra en la Método de los tres puntos.
se disponen en forma de A y B pueden ser medición de la triángulo,
y
se
mide
la demasiado
grandes resistencia del
resistencia combinada de cada comparadas con X (A terreno par: X+A, X+B, A+B, siendo y B no pueden superar X la resistencia de puesta a a 5X), resultando poco tierra buscada y A y B las confiable el cálculo. resistencias de los otros dos No electrodos conocidas.
es
para
conveniente medidas
resistencia bajas. Método de la caída de potencial.
los electrodos son colocados en La resistencia de los forma lineal; se coloca un electrodos electrodo de tierra (e) con
38
auxiliares
se desprecia, porque la
de
Cuadro
7 (cont.).
resistencia desconocida; mas resistencia dos
electrodos
del Su función está
auxiliares electrodo C no tiene en la medición
colocados a una distancia determinación de la de
la
adecuada (p y c) a la cual s ele caída de potencial V. resistencia del induce
una
corriente
(I) La corriente I una vez terreno
conocida se hace circular a determinada Método de la caída de potencial.
se
través de la tierra, entrando por comporta
como
el electrodo E y saliendo por el contante.
La
electrodo C. La medida de resistencia
del
potencial entre los electrodos E electrodo P, hace parte y P se toma como el voltaje V de un circuito de alta para
hallar
la
resistenciaimpedancia
desconocida por medio de la efecto relación V/I .
y
se
su puede
despreciar.
La resistencia a medir, es Es un método de Su Método de la relación.
función
comparada con una resistencia comparación y
las radica en la
conocida, usando la misma resistencias
son medición de la
configuración
del
electrodo independientes de la resistencia del
como en el método de la caída magnitud de corriente terreno. de potencial.
de prueba.
Nota. Autores (2009)
39
CONCLUSION
La investigación documental fue realizada para conocer con exactitud qué tipos de mediciones y cálculos se deben seguir para obtener una adecuada conexión a tierra, garantizando un buen manejo de las perturbaciones eléctricas y/o electromagnéticas, no deseadas, que perturben los equipos eléctricos o electrónicos, Para ello debe hacerse uso de la variedad, según sea la necesidad, de equipamientos que tienen por objeto proteger, desviando, repeliendo, atenuando, o encapsulando el impacto de estas fluctuaciones eléctricas, de señales electrostáticas también electromagnéticas, permitiendo drenar estas señales a tierra, garantizándose la integridad de las personas y equipos, sin afectar el servicio, todo ellos se obtiene instalando así como manteniendo un Sistema Puesta a Tierra que cuente con todos los componentes que se determinen, previo estudios de las mediciones de resistividad de igual manera de resistencia del suelo así como la de electrodos, para lograr así determinar los tipos de materiales a utilizar, así como la disposición además de la forma en que los mismos serán instalados. Los métodos para medir la resistividad del terreno se realiza en principio para ubicar la profundidad de la roca con la finalidad de encontrar los puntos óptimos para localizar la red de tierras de una subestación, planta generadora o transmisora en radiofrecuencia, e indicar el grado de corrosión de tuberías subterráneas, ellos conlleva a obtener la información que permite, con la implementación de la puesta a tierra, establecer los grados de inductividad, capacidad y resistividad que afectan las cualidades de conducción de las corrientes por el suelo bajo condiciones normales o de corto circuito, sin exceder los limites operacional de los equipos o suspender la continuidad del servicio, además de lograr obtener una protección efectiva contra los efectos de las descargas atmosféricas, minimizando la interferencia de los circuitos eléctricos de transmisión y distribución con los sistemas eléctricos, comunicación así como de control. 40
La base de un buen sistema de puesta a tierra comienza con la selección del mejor lugar de emplazamiento y el ensayo del suelo que rodeará a la toma, y esto se logra a través de la aplicación de algún método resistencia, para determinar
de cálculo de resistividad como de la
la localización del área que presente la más baja
resistividad. Sin olvidar que la resistencia total que presenta un sistema puesta a tierra depende de la resistencia del conductor eléctrico que es el que conecta al electrodo con el sistema, la cual representa la superficie de contacto entre electrodo, la tierra, y la resistencia natural del suelo donde está enterrado dicha varilla, siendo allí donde se debe determinar el método de medición que se ajuste mas a la realidad tanto del terreno como de las capacidades de la empresa o institución que necesite la instalación de un SPAT, pudiendo implementarse los métodos de: Wender, Schlumberger, de la tierra conocida, de la caída de potencial, según el uso y disposición que se requiera. Hay que hacer destacar, que el aporte significativo que presenta la investigación, se encuentra por su naturaleza, en el desarrollo y resultado sobre los beneficios que origina poseer los conocimientos exactos sobres los temas tratos, debido a la aplicación de sus herramientas, así como sus recursos.
41 REFERENCIAS
BIBLIOGRAFICAS
Kindermann, G., Campagnolo, J.M. At err amiento el éct ri co 2da edición, Sagra-DC Luzzatto, Porto Alegre, Brasil, 1992. Eaton R. Sist emas d e t ra n smisión d e energí a el éct ri ca, Ediciones del Castillo, Madrid, 1973.
REFERENCIA ELECTRONICA
42 Las Normas APA, Tesis y Monografías. (S.P). Recuperado 6 de julio de 2009 desde http://www.mistareas.com.ve/Tesis/Apa_Edicion5.pdf Medición de la resistencia de puesta a tierra. (S.F). Recuperado 4 de julio de 2009 desde http://jaimevp.tripod.com/Electricidad/medicion_puesta_tierra.htm Métodos Para Medir Impedancia de puesta a tierra de la tierra. (2004) Recuperado 4 de julio de 2009 desde http://www.electronicafacil.net/tutoriales/tutorial101B.html Prof. M. Ballester B. Nor mas APA ± UPEL (2006) Recuperado 6 de julio de 2009, desde http://www.unamerida.com/archivospdf/Apa-Upel.pdf Prosmet, Ingenieria Electrica. (2007). Extraído el 4 de Julio de 2009
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