METROLOGÍA ELÉCTRICA CODIGO: EE3090
LABORATORIO N° 09 “SISTEMA DE PUESTA A
TIERRA"
J uan Yupanqui Y upanqui Q uis ui s pe Will Wi llyy G onzalo onzalo Ar ocutipa Medina Medina A lumno (os ):
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A
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III
27 06
Nota: 2017
17Hora:
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I.- Objetivos: Interpretar las normas electrotécnicas en las mediciones de puestas a tierra. Reconocer y conectar equipos necesarios para obtener el valor de la resistencia del pozo a tierra en forma directa. Reconocer y conectar equipos necesarios para obtener el valor de la resistividad del terreno en forma indirecta.
-
II.- Equipo y material a utilizar : -
04 electrodos de prueba. 01 multímetro digital. 01 telurómetro Digital MTD 20KWe. 04 conductores de conexión (verde, rojo, celeste, negro). 01 alicate universal. 01 llave francesa.
III.- Fundamento Teórico 1.1.
MÉTODOS DE MEDIDA DE LA RESISTENCIA
Es necesario aclarar que también se puede medir resistencia de puesta a tierra utilizando una fuente de tensión alterna, por lo tanto, los métodos de medición se pueden clasificar en:
Por el tipo de fuente: -
Método Volt – amperímetro. Uso de instrumento llamado telurómetro.
-
Método de tres electrodos. Método de dos electrodos.
Por el número de electrodos utilizados:
Método Volt – amperímetro. Debe tenerse presente tanto la utilización del método volt- amperimétrico y el uso de un instrumento especifico se puede utilizar para desarrollar los métodos de tres electrodos y dos electrodos, aclarando siempre que se obtendrán buenos resultados con el uso de un instrumento especifico .
Transformador de aislamiento
A V E
P
C
Pozo de Tierra
Figura 1. Método de volt –amperimétrico usando tres electrodos.
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MÉTODO DE LOS TRES ELECTRODOS Cuando se utilicen instrumentos específicos como el telurómetro, se debe efectuar la conexión respectiva como se muestra en la figura 3, en este caso se procederá a la medición de la siguiente forma: a)
Se desconecta el circuito de tierra, de la toma de tierra en el punto de puesta a tierra.
b)
Se conecta el borne E del aparato al electrodo de puesta a tierra y los electrodos de corriente y potencial como se muestra en la figura 2.
c)
Se verifica el estado de la batería.
d)
Se verifica la tensión de inyección que suministra el equipo al circuito.
e)
Se pone el selector en medición de resistencia y se presiona el pulsador para luego estabilizar a la tensión de inyección con ayuda del dial de resistencias y de esta manera se obtiene directamente el valor de R en ohmios.
f)
A fin de obtener la curva característica se efectúa varias mediciones para diferentes ubicaciones del electrodo de potencial a partir de 5 m hasta conseguir la ubicación del punto C.
g)
Del gráfico resistencia y distancia figura 4 se puede obtener el valor de la resistencia del pozo de puesta a tierra.
E
B
P
C
V DIAL DE MEDICIÓN
E
C
P L
L L
5 a 10 m
Pozo de Tierra
Figura 2 Medición de resistencia del terreno.
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s oi m h o n e ia
R
c n et is s e R
E
P
C Distancia en m
Figura 4 Reparto de potencial en el terreno.
El reparto de potencial se refiera a que el electrodo E del pozo a tierra y el de la sonda C pueden influenciar en la medición de la puesta a tierra. Para la medición de la resistencia del pozo a tierra suele ubicarse el electrodo P a una distancia aproximada del 62% de la distancia total. Se toma una primera medición. Luego se toman dos mediciones moviendo el electrodo P, dos metros antes y dos metros después. Si estas dos nuevas mediciones son próximas con la primera, entonces se puede considerar que hemos evitado la influencia del reparto de potencial y la medición de la puesta a tierra es correcta. El suelo es de naturaleza heterogénea; varía por su c omposición y según las condiciones del medio. Aunque se pueden clasificar de diversas formas los suelos, por ejemplo en arcilloso, arenoso y rocoso, no se puede atribuir una resistividad específica a un tipo de suelo, y si se realizan mediciones se pueden encontrar diversos valores de resistividad. Se puede definir la resistividad del suelo ρ como la resistencia eléctrica entre las caras opuestas de un cubo de dimensiones unitarias (aristas = 1 m) l lenado con este suelo. Sus unidades serán Ωm.
Varios factores influencian la resistividad del suelo. Entre ellos podemos destacar: Tipo de suelo. Mezcla de diversos tipos de suelos. Suelos con capas estratificadas a profundidades y materiales diferentes. Contenido de humedad. Temperatura. Compactación y presión. Composición y concentración de sales disueltas.
La combinación de los anteriores factores da como resultado suelos con características diferentes y consecuentemente, con valores de resistividad distinta. La conductividad del suelo es esencialmente electrolítica. Por esta razón la resistividad de la mayoría de los suelos aumenta abruptamente cuando el contenido de humedad es menor al 15%. El contenido de humedad, adicionalmente, depende del tamaño del grano y compactación. MÉTODO PARA LA MEDICIÓN DE LA RESISTIVIDAD DEL SUELO
Estimaciones basadas en la clasificación del suelo conducen sólo a valores gruesamente aproximados de la resistividad. Por tanto, es necesario tomar mediciones directamente en el sitio donde quedará ubicada la puesta a tierra.
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Las técnicas para medir la resistividad del suelo son esencialmente las mismas cualquiera sea el propósito de la medida. Sin embargo la interpretación de los datos recolectados puede variar considerablemente y especialmente donde se encuentren suelos con resistividades no uniformes. Típicamente, los suelos poseen varias capas horizontales superpuestas, cada una teniendo diferente resistividad. A menudo se presentan también cambios laterales de resistividad pero más graduales a menos que se configuren fallas geológicas. Por tanto, las mediciones de resistividad deben ser realizadas para determinar si hay alguna variación importante de la resistividad con la profundidad. Las diferentes técnicas de medida son descritas en detalle en la IEEE Std 811983 “IEEE Guide for measuring earth resistivity, ground impedance, and earth surface potencial of a ground system”. Para efectos de esta norma, se asume como adecuado el método de Wenner o método de los cuatro puntos. En caso de ser muy difícil su aplicación, podrá apelarse a otro método referenciado por la IEEE Std 811983. Método de Wenner
El método de los cuatro puntos de Wenner es el método más preciso y popular. Son razones para esto que: el método obtiene la resistividad del suelo para capas profundas sin enterrar los electrodos a dichas profundidades; no es necesario un equipo pesado para realizar las medidas; los resultados no son afectados por la resistencia de los electrodos auxiliares o los huecos creados para hincarlos en el terreno. El método consiste en enterrar pequeños electrodos tipo varilla, en cuatro huecos en el suelo, a una profundidad “b” y espaciados (en línea recta) una distancia “a” como se ilustra en la figur a.
Una corriente “I” se inyecta entre los dos electrodos externos y el potencial “V” entre los dos electrodos internos es medido por el instrumento. El instrumento mide la resistencia R (=V/I) del volumen de suelo cilíndrico de radio “a” encerrado entre los electrodos internos. La resistividad aparente del suelo ρ, a la profundidad “b” es aprox imada por la ecuación anterior. Dado que en la práctica la distancia “a” es mucho mayor que la profundidad de enterramiento “b”, la ecuación se simplifica de la siguiente manera:
= 2 Para determinar el cambio de la resistividad del suelo con la profundidad, el espaciamiento entre electrodos se varía desde unos pocos metros hasta un espaciamiento igual o mayor que la máxima dimensión esperada del sistema de puesta a tierra (por ejemplo, la mayor distancia posible entre 2 puntos de una malla, o la profundidad de las varillas). El espaciamiento “a” del electrodo se interpreta como la profundidad aproximada a la cual se lee la resistividad del suelo. Para caracterizar la variación de la resistividad del suelo dentro de un área específica, se deben realizar varios grupos de medidas (perfiles) en diferentes direcciones.
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Diferentes lecturas tomadas con varios espaciamientos alineados dan un grupo de resistividades (perfil), que cuando son graficadas contra el espaciamiento, indican si hay capas diferentes de suelo y dan una idea de su respectiva profundidad y resistividad.
ADVERTENCIA:
¡En este experimento de laboratorio se manejan altos voltajes! ¡No haga ninguna conexión cuando la fuente este conectada! ¡Antes de realizar el ensayo llame al profesor! IV.- Procedimiento: A,1) Medida de la Resistencia y Resistividad del terreno.
El telurómetro digital MTD-20KWe permite medir resistencias de puesta a tierra (PAT), resistividad del terreno por el método de Wenner y las tensiones espurias provocadas por las corrientes parásitas en el suelo. El campo de aplicación de este equipo incluye la verificación de la PAT de edificios, instalaciones industriales, hospitalarias y domiciliarias, pararrayos, antenas, subestaciones, etc. Midiendo la resistividad puede evaluarse la estratificación del terreno para optimizar el diseño de los sistemas de PAT más complejos.
MODO DE OPERACIÓN DEL TELURÓMETRO MTD-20KWe PRUEBA DE LAS PILAS El estado de carga de las pilas se verifica oprimiendo la tecla indicación es menor que 1000, las pilas están agotadas.
PILAS y
el pulsador
ENCENDIDO.
Si la
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MEDICIÓN DE RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA Se describe la disposición de electrodos, el conexionado requerido, y la técnica de medición para el método de tensión-corriente. La disposición de los electrodos es la siguiente:
En esta medición intervienen 3 electrodos hincados en el terreno. Espere las indicaciones del profesor.
Distancia Distancia entre Electrodo-Sonda Electrodo-Sonda E1 – E2 E1 – E3 9m 15m 9m 15m
R TIERRA 52.5Ω 62.2Ω
Oprima el pulsador de ENCENDIDO. Si suena la alarma acústica significa que existe alguna anormalidad en el cableado de las jabalinas, que impide circular la corriente de medición Si no sonó la alarma, el valor que aparece en el indicador digital es la resistencia de puesta a tierra expresada en Ω. Si el valor medido es inferior a 2000 Ω, elija el rango de medición más conveniente oprimiendo las teclas respectivas. En cualquiera de esas escalas el valor medido estará expresado en ohms. La medición se realiza mientras está oprimido el pulsador de ENCENDIDO.
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MEDICIÓN DE RESISTIVIDAD DE SUELOS Se describe la disposición de electrodos, el conexionado requerido, y la técnica de medición para el método de Wenner. La disposición de los electrodos es la siguiente:
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CONSIDERACIONES ACERCA DEL MÉTODO DE WENNER Aplicando el procedimiento descrito, se obtiene la resistividad promedio de la zona estudiada, hasta una profundidad igual a la distancia entre jabalinas (D). Si se desea concentrar el análisis en la zona más superficial deberá reducirse la distancia entre jabalinas. Téngase en cuenta que para aplicar válidamente la fórmula de Wenner es necesario que las jabalinas externas (Ec y Exc) se entierren hasta una profundidad no mayor que D/20.
Tabla Nº7. Medici ón de res is tividad del terreno
Posición de los electrodos 1 2 3 4
D (m)
b(profundidad)
R (Ω)
2m 4m 6m 8m
10cm 20cm 30cm 40cm
19.2Ω 6.4Ω 10Ω 11.3Ω
Calculamos la resistividad usando la siguiente formula:
=
=
=
=
=
4 2 1+ − √ + 4 ∗ √ +
4 ∗ 2 ∗ 19.2 = 242.3Ω. 2∗2 2 1+ − √ 2 + 4 ∗ 0.1 √ 2 + 0.1 4 ∗ 4 ∗ 6.4 = 161.5. 2∗4 4 1+ − √ 4 + 4 ∗ 0.2 √ 4 + 0.2 4 ∗ 6 ∗ 10 = 378.6 Ω. 2∗6 6 1+ − √ 6 + 4 ∗ 0.3 √ 6 + 0.3 4 ∗ 8 ∗ 11.3 = 570.4Ω. 2∗8 8 1+ − √ 8 + 4 ∗ 0.4 √ 8 + 0.4
ρ(Ω-m)
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Comparación del valor experimental de la resistividad del terreno con el mostrado en la tabla. ¿Son cercanos ambos valores? Explique. TECSUP es un lugar que posee un terreno de "tierra aluvional" por lo que según la tabla significa que tiene una resistividad de 200-500 Ω , y según con nuestros cálculos el terreno tenía una resistividad promedio de 300Ω por lo que se cumpliría los valores obtenidos. Terrenos vegetales
10 – 50
Arcillas, limas
20 – 80
Tierras de cultivo
50 – 100
Arenas arcillosas
80 – 200
Fangos y turvas
150 – 300
Tierra aluvional
200 – 500
Arenas y eriales
250 – 800
Pedregales y dunas
300 – 3000
Rocas compactas
2500 – 10 000
Feldespatos secos
3000 – 30 000
Concreto de cimentación
Tabla de la resistividad de terrenos en Ω.m
10 000 – 50 000
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III.- Observaciones y conclusiones: (Dar como mínimo cinco de cada una)
OBSERVACIONES: Para la medición de la resistencia del pozo a tierra suele ubicarse el electrodo a una distancia aproximada del 62% de la distancia total. El suelo es de naturaleza heterogénea, varía por su composición y según las condiciones del medio. Cada línea de los electrodos debe estar conectada correctamente al telurometro. Verificar la tensión de inyección que suministra el equipo al circuito. Se pone el selector en medición de resistencia y se presiona el pulsador para luego estabilizar a la tensión de inyección con ayuda del dial de resistencias y de esta manera se obtiene directamente el valor de R en ohmios. Es completamente necesario que los electrodos este en línea recta para medir correctamente la resistencia. El material de los electrodos es maleable , por lo que se tiene que tener especial cuidado al introducirlas a la tierra.
CONCLUSIONES: Se observó que mientras el terreno más húmedo se encuentre la resistividad será baja. Se puede definir la resistividad del suelo como la resistencia eléctrica entre las caras opuestas de un cubo de dimensiones unitarias llenado con este suelo. La conductividad del suelo es esencialmente electrolítica. Por esta razón la resistividad de la mayoría de los suelos aumenta abruptamente. Las técnicas para medir la resistividad del suelo son esencialmente las mismas cualquiera sea el propósito de la medida. Debe tenerse presente tanto la utilización del método volt- amperimétrico y el uso de un instrumento especifico se puede utilizar para desarrollar los métodos de tres electrodos y dos electrodos, aclarando siempre que se obtendrán buenos resultados con el uso de un instrumento especifico. Se concluye que ninguno de los métodos utilizados es 100% efectivo , por lo que hay que medir más de una vez para que el error sea el menor posible.