Manual 2000/2001
Ofcinas regionales Norte
Sistemas de Puesta a Tierra en Baja Tensión
Galleguillos Lorca 1383 Fono (55) 22.54.74 Fax (55) 22.33.84 ANTOFAGASTA Fray Jorge 728, La Colina Fono (52) 24.94.54 Fax (52) 24.95.71 COPIAPO
Sur Orompello 620 Fono (41) 23.71.69 Fax (41) 25.35.39 CONCEPCION
R
Casa Matríz Avda. Vicuña Mackenna 1292 Fono (2)550.52.00 Fax (2)556.74.42/ (2)550.53.10 Departamento Capacitación Fono (2)550.52.37 Fax (2)550.53.10 Santiago - Chile
9 9 9 1 o r e r b e F d n a r g e L
n ó i c a t i c a p a C . o t p e D
R
R
Introducción 1.
e c i
2
Objet Obj etiivo vos sd de eun unS Sis iste tema mad dee Puesta a Tierra en Baja Tensión
3
2.
Factor Fact orees squ que ede dete term rmin inan anl la a resistividad de los suelos
3
2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5.
Tipos de Suelos La Humedad La Temperatura Concentración de Sales Disueltas La Compactación del Suelo
4 4 5 5 5
3.
Estudio geoeléctrico de los suelos
5
3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6. 3.7.
Método de los Cuatro Electrodos 6 Recomendaciones Generales 9 Resistividad Aparente 9 Procedimiento para la Medición de Terreno errenoss 10 Comprobación Durante las Mediciones 10 Conección de la Gráca de Terreno 10 Interpretación de las Mediciones de T 11
R
Introducción 1.
e c i d n I
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Objet Obj etiivo vos sd de eun unS Sis iste tema mad dee Puesta a Tierra en Baja Tensión
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2.
Factor Fact orees squ que ede dete term rmin inan anl la a resistividad de los suelos
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2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5.
Tipos de Suelos La Humedad La Temperatura Concentración de Sales Disueltas La Compactación del Suelo
4 4 5 5 5
3.
Estudio geoeléctrico de los suelos
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3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6. 3.7.
Método de los Cuatro Electrodos 6 Recomendaciones Generales 9 Resistividad Aparente 9 Procedimiento para la Medición de Terreno errenoss 10 Comprobación Durante las Mediciones 10 Conección de la Gráca de Terreno 10 Interpretación de las Mediciones de Terreno 11
4.
Resistividad equivalente
19
4.1.
Procedimiento Matemático para el Cálculo de la Resistividad Equivalente
20
5.
Sistemas de Puesta a Tierra
22
5.1. 5.2. 5.3.
Un Electrodo Vertical Un Enmallado Un Enmallado con Electrodos Verticales
22 23 23
6.
Diseño op prelimina narr de Sistemas de Puesta a Tierra
24
6.1. 6.2. 6.3. 6.4. 6.5.
Supercie de la Malla de Puesta a Tierra Conexiones a la Malla Material de los Conductores de la Malla Unión entre Conductores de la Malla Camarillas de Registro
24 24 24 25 27
7.
Medic Med iciión ónd de ela lar res esis iste tenc nciia de una Puesta a Tierra
27
7.1.
Procedimiento para la Medición
27
8.
Mejoramiento de terrenos
28
8.1.
Modicación de la Resistencia de Contacto en el Caso de Barras Modicación de la Resistencia de Contacto en el Caso de Mallas Modicación de la Resistividad del Terreno
8.2. 8.3.
Bibliograía
28 29 29
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Introducción 1.
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Objet Obj etiivo vos sd de eun unS Sis iste tema mad dee Puesta a Tierra en Baja Tensión
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Factor Fact orees squ que ede dete term rmin inan anl la a resistividad de los suelos
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2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5.
Tipos de Suelos La Humedad La Temperatura Concentración de Sales Disueltas La Compactación del Suelo
4 4 5 5 5
3.
Estudio geoeléctrico de los suelos
5
3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6. 3.7.
Método de los Cuatro Electrodos 6 Recomendaciones Generales 9 Resistividad Aparente 9 Procedimiento para la Medición de Terreno errenoss 10 Comprobación Durante las Mediciones 10 Conección de la Gráca de Terreno 10 Interpretación de las Mediciones de Terreno 11
4.
Resistividad equivalente
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4.1.
Procedimiento Matemático para el Cálculo de la Resistividad Equivalente
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5.
Sistemas de Puesta a Tierra
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5.1. 5.2. 5.3.
Un Electrodo Vertical Un Enmallado Un Enmallado con Electrodos Verticales
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6.
Diseño op prelimina narr de Sistemas de Puesta a Tierra
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6.1. 6.2. 6.3. 6.4. 6.5.
Supercie de la Malla de Puesta a Tierra Conexiones a la Malla Material de los Conductores de la Malla Unión entre Conductores de la Malla Camarillas de Registro
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7.
Medic Med iciión ónd de ela lar res esis iste tenc nciia de una Puesta a Tierra
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7.1.
Procedimiento para la Medición
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8.
Mejoramiento de terrenos
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8.1.
Modicación de la Resistencia de Contacto en el Caso de Barras Modicación de la Resistencia de Contacto en el Caso de Mallas Modicación de la Resistividad del Terreno
8.2. 8.3.
Bibliograía
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R
Introducción Desde la ase inicial de la generación de la energía eléctrica hasta su última etapa de consumo, las instalaciones de tierra contribuyen permitiendo una mejor operación, aumentando la seguridad de las personas e instalaciones. Hoy en día el concepto de las puestas a tierra a tomado una gran importancia, debido principalmente a la nueva tecnología que está presente dentro de cualquier sistema eléctrico. También es necesario hacer notar, que los sistemas de puesta a tierra ayudan en la operación de las protecciones dierenciales, que como sabemos, su objetivo principal es evitar la ocurrencia de los denominados contactos indirectos. Otro aspecto que es importante mencionar, es el hecho de que dentro de los sistemas de baja tensión, las puestas a tierra aparte de ayudar en la operación dierencial, también deben asegurar un correcto uncionamiento de cargas tan críticas como los computadores.
Según lo anterior, anterior, hoy en día podemos pod emos clasicar los sistemas de puesta a tierra de baja tensió n en dos tipos, dependiendo de su objetivo de uso: - Sistema de puesta a tierra para baja recuencia, baja tensión y altas corrientes (Puesta a tierra de Baja Tensión). - Sistema de puesta a tierra para alta recuencia, baja tensión y bajas corrientes (Puesta a tierra para Computación y Telecomunicaciones). Entonces, se hace necesario realizar un correcto dimensionamiento del sistema de puesta a tierra, teniendo como base que su eectividad dependerá principalmente del terreno en donde esté instalada. Nuestro objetivo será entonces, establecer
R
1.ObjetivosdeunSistemadePuestaaTierraenbajatensión Los objetivos principales a cumplir por un Sistema de Puesta a Tierra (SPT), en baja tensión son:
medio de establecer la corriente de alla, para la operación de las protecciones dierenciales y desconexión de la uente.
a) Limitar el voltaje de contacto entre equipos, y equipos con tierra, para evitar riesgos de shock eléctrico.
c) Conducir a tierra las corrientes provenientes de descargas atmoséricas, limitando los voltajes producidos en instalaciones eléctricas (líneas de transmisión de potencia, comunicaciones, etc.), y evitando la producción de eectos secundarios, tales como arcos que conduzcan a la desconexión de circuitos. En este sentido, la puesta a tierra es un
b) Proveer de un camino adecuado de retorno al sistema de suministro eléctrico, de baja impedancia para la operación de los equipos, así como un
2.Factoresquedeterminanlaresistividaddelossuelos La resistividad de la tierra o de las rocas depende sobre todo del tamaño de las partículas que las componen, de la proporción de materias solubles y de su grado de humedad. El suelo se compone principalmente de óxido de silicio y óxido de aluminio, los que presentan grandes características aislantes. La presencia de sales en estos dos óxidos mejora la conductividad del suelo. El mecanismo de la conductividad es en gran medida un proceso electrolítico, debido al contenido de sal y agua en el suelo; pero si el suelo
es seco, el actor predominante será el tamaño de las partículas y el volumen de aire aprisionado en ellas. Existe una correlación entre la naturaleza del suelo y su resistividad, aunque la primera varíe considerablemente en una misma región. Los suelos arenosos absorben más agua que los arcillosos, pero retienen menos; así que en general, se deberán preerir los suelos que retengan mejor el agua (arcillosos), por sobre los que absorban mayor cantidad de agua (arenosos).
2.1. Tipos de Suelos R
2.1.Tiposdesuelos No existe una clasicación denida para los tipos de suelos, por lo tanto, hay que limitarse a denirlos en orma muy general. En todo caso, un sistema de puesta a tierra
TIPO DE SUELO O AGUA LIMITES NORMALES
que es completamente adecuado para un tipo de suelo, puede no ser adecuado para otro tipo de terreno. A continuación, se indican valores típicos
R E S I S T I V I D A D (Ω − m)
Agua de mar Arcilla Agua subterránea Agua en suelos de rocas ígneas Mezclas de arcilla y arena Pizarra, esquisto y gres. Turba, limo y lodo Agua de lago y torrente Arena Grava de morena Grava marítima Granito
2 40 50 90 100 120 150 250 2000 3000 15000 25000
T I P I C A (Ω − m)
1810 30 410 5100 200 40 3000 10000 -
10 70 150 150 300 1000 250 400 3000 10000 30000 50000
2.2.Lahumedad La tierra undamentalmente puede encontrarse en tres condiciones características invariables: seca, húmeda y congelada. Los casos más desavorables son: totalmente seca o totalmente congelada. La tierra seca es un aislador excelente; al aire y al sol, las capas de arena seca de la supercie se acercan mucho a esta condición. En general, el grosor de tales capas secas no es muy grande, alcanzan solo entre 10 y 20 centímetros. La escarcha tiene una penetración más
prounda, entre 50 y 100 centímetros o más según el estrato, por lo cual, las tomas a tierra deben ser a mayor proundidad dado que el grado de humedad es un actor esencial en la conductividad del suelo. La resistividad de una muestra dada de suelo depende, no solamente de la composición química de éste, sino también del contenido de humedad.
R
2.3.Latemperatura La resistividad del suelo también depende de las variaciones de temperatura. Una determinada cantidad o porcentaje de humedad aectará en orma dierente, por ejemplo, a una arcilla o a una arena.
La siguiente tabla, muestra la variación de la resistividad de un suelo compuesto de una mezcla de arcilla y arena con un 15% de contenido de agua.
TEMPERATURA °C
RESISTIVIDAD
20 10 0 Agua 0 hielo
72 99 138 300
(Ω -
m)
2.4ConcentracióndeSalesDisueltas Como es sabido, la cantidad de agua presente en el suelo es un actor determinante en la resistividad del suelo; y la del agua, está determinada por la cantidad de sales disueltas en ella.
en el suelo, este mejora su conductividad. En orma general entonces, se podría establecer que a mayor contenido de sal en el terreno, mejor conductor éste es.
Al existir una mayor concentración de sal
2.5LaCompactacióndelSuelo
Una mayor compactación del suelo disminu ye la distancia entre las partículas que lo conorman, logrando así, una mejor conducción a través del líquido contenido en éste.
Al retener la humedad por períodos largos de tiempo, los suelos por lo general, presentan una resistividad casi uniorme, independiente de las temporadas de lluvia y sequía.
Los suelos al estar compuestos de partículas más pequeñas (menor granulometría), son más compactos, densos y osmóticos, en la mayoría de los casos.
A medida que aumenta el contenido de humedad se alcanza una especie de saturación, ya que el agua envuelve la mayoría de las partículas que componen el terreno.
3.Estudiogeoeléctricodelossuelos La resistividad del suelo debe medirse para determinar en una zona dada, el lugar más apropiado para la toma a tierra, y determinar el sistema de electrodos de tierra más avorable para el emplazamiento elegido.
Para medir la resistividad especíca es preciso establecer conexiones entre el instrumento de medida y el suelo.
R
R
3.1.Métododeloscuatroelectrodos El método normalmente utilizado para medir la resistividad del terreno es el de los cuatro electrodos en sus dos conguraciones: WENNER y SCHLUMBERGER. En general, este método consiste en in-
r1
yectar una corriente al terreno mediante un par de electrodos, y medir la dierencia de potencial que se produce en los otros dos.
r2 r3
Entre los electrodos A y B se inyecta una corriente (I), y entre los electrodos C y D se mide la dierencia de potencial (V) que se produce. A partir de los electrodos de corriente se denen las distancias r1, r2 , r3 y r4 a los electrodos de potencial. Si la proundidad de enterramiento de los electrodos es pequeña, comparada con la distancia entre electrodos, puede suponerse una distribución radial de la corriente. Para este caso, el potencial producido a una distancia "X" en un medio homogéneo vale:
r4 La corriente que sale del terreno por B, produce en C el potencial:
El potencial total de C vale:
En orma similar, el potencial en D vale:
La dierencia de potencial medido por el voltímetro es: Aplicando la expresión anterior al esquema de medición, se tiene que la corriente que entra en A al terreno, produce en C el potencial:
R
R
Finalmente despejando, se obtiene la ecuación undamental para la medición de la resistividad
r=2 x p x V
1 1r 1 r 1r 1r (
( )( 1
2
3
4
3.1.1ConfguracióndeWenner Hasta hace algún tiempo se usaba casi exclusivamente la conguración de Wenner. En esta conguración, los cuatro electrodos ubicados
sobre una línea recta, están separados a una misma distancia "A" entre ellos.
r =2 x p x V x A I AW
r =r = A r =r = 2A 1
4
2
3
r =2 x p x R x A AW
3.1.2ConfguracióndeSchlumberger Actualmente es el método de medición más utilizado, debido a las ventajas que orece en cuanto a menor trabajo en terreno, lo que es importante para grandes separaciones de electrodos. Los dos electrodos de potencial se disponen simétricamente con respecto al centro de medición elegido.
trodos de potencial debe ser como mínimo 1 ó 3 metros. Los electrodos de corriente se ubican también simétricamente con respecto al centro de medición y a una distancia de él, variable.
La distancia de separación entre los elec
R
0
R
Durante la serie de medidas, los electrodos de potencial permanecen jos, trasladándose sólo los de corriente.
Según la gura que representa la conguración de Schlumerger y considerando la imagen que representa el método de los cuatro electrodos, se tiene que:
Reemplazando las igualdades anteriores en la ecuación undamental para la medición de la resistividad, mediante el método de los cuatro electrodos, se resuelve que:
3.1.3Separacióndeloselectrodos Para la separación "A" de los electrodos en la conguración de Wenner o la distancia "L" entre el centro de medición y los electrodos de corriente en la conguración de Schlumberger, se utiliza normalmente la siguiente secuencia en metros: 0,6 - 0,8 - 1,0 - 1,6 - 2,0 - 2,5 - 3,0 - 4,0 - 5,0 - 6,0 - 8,0 - 10,0 - 16,0 - 20,0 - 25,0 - 30,0 40,0 - 50,0
Cabe mencionar que SEC en su resolución Nº 727 de 1979, recomienda una serie de separaciones que son similares a las anteriormente señaladas, no obstante el uso de éstas o las recomendadas por SEC, quedara a juicio del proesional que eectúe las mediciones de terreno (SEV). Para SEC: 1,0 - 1,5 - 2,0 - 3,0 - 4,0 - 5,0 - 7,0 - 10,0 - 15,0 - 20,0 - 30,0 - 40,0 - 50,0
R
3.2.Recomendacionesgenerales En lo posible, realizar las mediciones directamente en el sitio donde se construirá la puesta a tierra; preerentemente una vez que el terreno haya sido despejado y llevado a su condición denitiva después de las aenas de movimiento de tierra. Cuando no es posible realizar las mediciones en la zona donde se construirá la puesta a tierra, debe dejarse un sector aproximadamente plano, representativo del terreno de interés, asegurándose que
el sector en que se mide es similar, es útil observar cortes del terreno o pozos de sondeos hechos para otros propósitos. Si por razones de coordinación entre pro yecto y aenas, no es posible realizar las mediciones después de dejar el terreno en su condición denitiva, es conveniente obtener datos de la composición del terreno a eliminar o rellenar, para tenerlos presente en la conguración denitiva de la estratigraía del terreno.
3.3.Resistividadaparente Si la medida de resistividad (Wenner o Schlumberger), se eectúa en un terreno homogéneo, entonces el valor de resistividad obtenido corresponderá al valor único de resistividad presente en el terreno. Si el medio no es homogéneo, el valor de la resistividad tendrá un valor cticio, que no corresponderá en general, a ninguna de las resistividades presentes en el terreno, sino a una cierta combinación de ellas. Al valor cticio de resistividad señalado en el párrao anterior, se le llama Resistividad Aparente . La orma en que cambia esta resistividad aparente, al variar la separación entre electrodos, da la pauta para interpretar y determinar la constitución del terreno investigado. Los terrenos, en general, se componen de varios estratos horizontales o con cierta inclinación, compuestos de materiales de distinta constitución, por lo que su resistividad varía notoriamente con la proundidad. Teniendo presente las recomendaciones anteriores, conviene que el lugar de medición esté alejado de zonas con pendientes pronunciadas. De no existir otra alternativa de medición, es recomenda
ble realizar la medición en una línea perpendicular a la dirección de la pendiente, alejándose lo más posible de ésta. En el lugar de medición no deben existir objetos metálicos enterrados que abarquen una zona grande, por ejemplo, tuberías, mallas a tierra, etc. Si existen tuberías metálicas enterradas cuyo recorrido se conoce, la medición debe hacerse en una línea perpendicular a la de la tubería, y eligiendo el centro de medición sobre esta. Sin embargo,no debe excluirse la posibilidad de errores importantes en los resultados de las mediciones. En ciertas zonas y circunstancias particulares, es conveniente realizar mediciones de temperatura, humedad y pH del terreno. La medición de humedad puede ser particularmente importante en el caso de puestas a tierra de relativamente pequeñas dimensiones, cuya resistencia está uertemente aectada por la resistividad de las capas estacionales. Si la medición de resistividad se realiza en una época del año con alta humedad en el terreno, los valores de resistividad medidos o determinados para las capas superiores, no son válidos para otras estaciones del año. La medición del pH del terreno es conveniente eectuarla al utilizar materiales érreos en la puesta a tierra (hierro de construcción, feje de acero
R
3.4.Procedimientoparalamedicióndeterrenos a) Elegir un eje de medición sobre una línea recta, en una dirección tal, que no existan obstáculos importantes (rocas, árboles, edicios, matorrales, etc.). b) Establecer un centro de medición mediante un electrodo auxiliar o una estaca. c) Las mediciones de resistividad aparente en lo posible deben eectuarse hasta valores de A o L, de 100 metros, contados desde el centro o eje de la medición a un extremo (ala); sin embargo, los instrumentos disponibles en nuestro medio no permiten alas superiores a 50 metros con una precisión aceptable, y en muchos casos por razones de la dimensión del terreno a medir, no es posible alcanzar esta medida. No obstante, la tendencia de la resistividad aparente al aumentar
A o L, puede indicar la necesidad o no de continuar la medición para alas mayores a 20 metros. d) Los electrodos deben enterrarse a una proundidad suciente para que éstos se armen en el terreno sondeado. e) En terrenos muy secos es recomendable verter un poco de agua en el contorno mismo de los electrodos, especialmente en los de corriente. Debe evitarse hacer charcos grandes, pues esto modica la resistividad natural del terreno y alsea las mediciones. Además de verter agua, es conveniente apisonar un poco la tierra alrededor de los electrodos. f) Para la medición de las distancias entre electrodos, se recomienda utilizar huinchas no conduc-
3.5.Comprobacióndurantelasmediciones Es conveniente eectuar algunas comprobaciones durante las mediciones para asegurarse que los valores obtenidos no son erróneos. Además, pueden presentarse algunos inconvenientes durante la medición que son vericables y eventualmente subsanables directamente en terreno.
comprobar los valores de resistividad a lo menos en dos escalas dierentes de medición. Si los valores resultan muy dierentes, es posible un mal contacto de uno o varios de los electrodos de terreno, o bien, las baterías están agotadas.
Si se tienen dudas sobre el estado del instrumento puede probarse éste, midiendo resistencias de prueba. Durante las mediciones es conveniente
3.6.Coneccióndelagráfcadeterreno Para poder coneccionar la gráica de terreno se debe disponer de un papel logarítmico (también llamado log-log), de 62,5 mm. por década.
Resistividad Aparente (Ω - m)
Lo anterior es debido a que las curvas patrones que se utilizan para determinar las resistividades de las capas, o estratos presentes en el terreno sondeado, están diseñadas con este tipo de representación gráca. Para la representación de los datos obtenidos en terreno, se deberá asignar a los ejes de representación del papel logarítmico, los títulos
Distancia A ó L (mts)
R
3.7.Interpretacióndelasmedicionesdeterreno
Los métodos de interpretación de las mediciones de un terreno se han basado y se basan actualmente, en las técnicas desarrolladas por los geoísicos, métodos empíricos en Europa. Recién a partir de la para el conocimiento de los suelos a través de la década del 60, se comienzan a utilizar en U.S.A. variación de su resistividad. El proyectista de puestas a tierra utiliza estas técnicas de interpretación para Ciertos grácos de terreno presentan como concluir los parámetros del terreno que requiere en promedio una orma similar a un sistema de dos el proyecto de la puesta a tierra a calcular. capas, aunque corresponden a un sistema de tres o más capas. En los inicios de la prospección geoeléctrica, existía una gama variada de métodos empíricos Estos métodos cientícos son los recomende interpretación de las mediciones de resistividad dables para ser utilizados en la interpretación de aparente para deducir las características del terreno. las mediciones de resistividad aparente, para los Esta escuela perdura un largo tiempo en países cono propósitos del proyecto de una puesta a tierra. U.S.A., Canadá e Inglaterra. Gracias a los aportes de Steanesco, Maillet y Schlumberger (1932), se desarrollan los métodos cientícos, los cuales desplazan rápidamente a los
3.7.1ClasifcacióndelosTerrenos a)Sistemadedoscapas
b)Sistemadetrescapas
En un sistema de dos capas existen dos posibles combinaciones de valores relativos de resistividad: ρ1 < ρ2 y ρ1 > ρ2
En un sistema de tres capas existen seis posibles combinaciones relativas de resistividades, que se acostumbra agrupar en cuatro tipos, como los
TIPO H
R
TIPO K
TIPO A
c)Sistemadecuatrocapas
Tipo
Para un sistema de cuatro capas existen 24 posibles combinaciones relativas de resistividad, las que se acostumbra agrupar en los 8 tipos siguientes:
QQ : ρ1 > ρ2 > ρ3 > ρ4
Q
H
: ρ1
> ρ2 > ρ3 < ρ4
H
K
: ρ1
> ρ2 < ρ3 > ρ4
R
3.7.2Interpretacióndelosterrenosmediantecurvaspatrones Este método de interpretación de las medidas deo Eléctrico Vertical (SEV), es el más exacto y más recomendado. Consiste en realizar una comparación entre la gráca obtenida en terreno, versus un set de curvas patrones o standard construidas para diversas combinaciones de dierentes estratos. Existen curvas patrones adecuadas sólo para la conguración de Wenner, y otras, sólo para ser utilizadas cuando el SEV se realizo mediante la
de resistividad de un terreno o también llamado Sonconguración de Sclumberger. Si se obtiene un calce perecto entre la curva de terreno y una curva patrón, se supone que la estructura del terreno es idéntica a la teórica en cuanto a resistividad de los estratos y sus espesores.
3.7.3Determinacióndelaresistividaddelosestratos a)InterpretacióndeunSistemadeDosCapas 1.- Trazar las curvas de resistividad aparente con los datos obtenidos en terreno, mediante la conguración de Wenner o Schlumberger.
3.- Superponer la curva de terreno sobre el gráco patrón. 4.- Deslizar el gráco de terreno sobre el gráco patrón, para obtener un calce lo más perecto posible entre la curva de terreno y una de las curvas patrón. Durante este proceso deben mantenerse paralelos los ejes de ambos grácos.
2.- Identicar la razón de resistividad correspondiente para la gráca de terreno. 5.- Marcar en el gráco de terreno una cruz correspondiente al origen (1:1) del gráco patrón (cruz de campo).
R
6.- Leer en el eje vertical del gráco de terreno, la abscisa de la cruz de campo. Este valor corresponde a la resistividad (Ω-m), de la capa superior (ρ1).
8.- Leer el número que indica la curva patrón seleccionada. 9.- La resistividad de la segunda capa se determina por medio de la siguiente expresión: ρ2
= nº x ρ1
Si el número que indica la curva es un parámetro señalado como "k", el valor de la resistividad del segundo estrato se calcula como: ρ2
7.- Leer en el eje horizontal del gráco de terreno la ordenada de la cruz de campo. Este valor corresponde al espesor (mts), de la capa superior (E1).
= 1+K x ρ1 1- K
10.- El espesor del segundo estrato, se considera de un valor innito. Para eectos de cálculo E 2 = 1000 (mts).
R
b)Interpretación de un Sistema de Tres Capas 1.- Trazar las curvas de resistividad aparente con los datos obtenidos en terreno, mediante la conguración de Wenner o Schlumberger.
2.- Identicar la razón de resistividad correspondiente para la gráca de terreno, lo que indicará el tipo de curva presente (Sección 3.7.1 apartado "b").
3.- Superponer el gráco con la curva de terreno sobre el gráco patrón. 4.- Deslizar el gráco de terreno sobre el gráco
patrón, para obtener un calce lo más perecto posible entre la curva de terreno y una de las curvas patrón. Durante este proceso deben mantenerse paralelos los ejes de ambos grácos.
5.- Marcar en el gráco de terreno una cruz correspondiente al origen (1:1) del gráco patrón (cruz de campo).
R
6.- Leer en el eje vertical del gráco de terreno, la abscisa de la cruz de campo. Este valor corresponde a la resistividad (Ω-m), de la capa superior (ρ1).
8.- Para determinar la resistividad del segundo estrato, se utiliza la siguiente expresión: ρ2
= b x ρ1
9.- Para determinar la resistividad del tercer estrato, se utiliza la siguiente expresión: ρ3
= c x ρ1
10.- El espesor de la capa intermedia (segundo estrato), se determina multiplicando el número que indica la curva con el espesor del primer estrato, es decir: E2 = nº x E1 7.- Leer en el eje horizontal del gráco de terreno la ordenada de la cruz de campo. Este valor corresponde al espesor (mts), de la capa superior (E1).
11.- El espesor del tercer estrato, se considera de un valor innito. Para eectos de calculo E3 = 1000 (mts).
R
c) InterpretacióndeunSistemade CuatroCapas 1.- Trazar las curvas de resistividad aparente con los datos obtenidos en terreno, mediante la conguración de Wenner o Schlumberger.
2.- Identicar la razón de resistividad correspondiente para la gráca de terreno, lo que indicará el tipo de curva presente (Sección 3.7.1 apartado "c").
3.- Superponer el gráco con la curva de terreno sobre el gráco patrón.
0
4.- Deslizar el gráco de terreno sobre el gráco patrón, para obtener un calce lo más perecto posible entre la curva de terreno y una de las curvas patrón. Durante este proceso deben mantenerse paralelos los ejes de ambos grácos.
5.- Marcar en el gráco de terreno una cruz correspondiente al origen (1:1) del gráco patrón (cruz de campo).
R
6.- Leer en el eje vertical del gráco de terreno, la abscisa de la cruz de campo. Este valor corresponde a la resistividad (ρ-m), de la capa superior (ρ1).
8.- Para determinar la resistividad del segundo estrato, se utiliza la siguiente expresión: ρ2
= b x ρ1
9.- Para determinar la resistividad del tercer estrato, se utiliza la siguiente expresión: ρ3
= c x ρ1
10.Para determinar la resistividad del tercer estrato, se utiliza la siguiente expresión: ρ3
7.- Leer en el eje horizontal del gráco de terreno la ordenada de la cruz de campo. Este valor corresponde al espesor (mts), de la capa superior (E1).
= d x ρ1
11.- El espesor de la capa intermedia (segundo estrato), se determina multiplicando el primer número (nº1) que acompaña a la letra (x) que indica la curva, con el espesor del primer estrato, es decir: E2 = nº1 x E1 11.- El espesor de la tercera capa (tercer estrato), se determina multiplicando el segundo número (nº2) que acompaña a la letra (x) que indica la curva, con el espesor del primer estrato, es decir: E3 = nº2 x E1 12.- El espesor del cuarto estrato, se considera de un valor innito. Para eectos de calculo E4 = 1000 (mts).
R
4.Resitividadequivalente En los cálculos relacionados con el dimensionamiento de un sistema de puesta a tierra, necesitamos conocer un valor de resistividad del terreno equivalente a la acción conjunta de las distintas resistividades de los dierentes estratos presentes en el área a ocupar por dicho sistema. La resistividad equivalente será única cuando se trate de un terreno homogéneo, pues no sólo depende de las características eléctricas y del espesor de los estratos presentes en el terreno, si no que además, depende de la conguración geométrica de la puesta a tierra. La metodología que se presentará a continuación, sólo será aplicable para la determinación de la resistividad equivalente, cuando el sistema de puesta a tierra propuesta sea el denominado Malla a Tierra.
La resistividad equivalente de un terreno de 2."n" capas equivale a la de uno homogéneo. Para él se ha encontrado la siguiente expresión:
Donde : Rh : Resistencia de la malla para un terreno homogéneo. r : Radio equivalente en (m). he : Proundidad de enterramiento de la malla (m).
En la actualidad se determina esta resistividad equivalente, mediante el criterio de Burgsdor - Yakobs, el cual establece las siguientes consideraciones: El área encerrada por el perímetro de la 1.malla, corresponde a un círculo de radio r, y el valor que se calcula mediante la expresión:
Para el terreno multiestraticado la resis3.tividad de puesta a tierra se calcula mediante la siguiente expresión:
Donde : S : Area de la malla en (m2). r : Radio equivalente en (m). Area de la malla
Donde : Rme : Resistencia de la malla para un terreno multiestraticado. hi : Proundidad de la capa i ρ: : Resistividad equivalente del terreno.
R
Finalmente, igualando las expresiones an4.teriores, resulta la siguiente expresión:
Donde : ρi : Resistividad equivalente de la capa i.
4.1Procedimientomatemáticoparaelcálculodelaresistividadequivalente Tomando como base las expresiones anteriores, a continuación se entrega el procedimiento de calculo recomendado para determinar la resistividad equivalente de un terreno sondeado (asumiendo que ya se conocen las resistividades y espesores de los estratos). a)
d) Calcular las variables auxiliares "yi" de la malla. d1).-
Para un terreno de dos estratos:
E1 E2
: Espesor del primer estrato en (m). : Espesor del segundo estrato en (m).
d2).-
Para un terreno de tres estratos:
Calcular el radio medio de la malla.
Donde: S
: Area de la malla en (m2).
b) lla.
Calcular la variable auxiliar r0 de la ma-
Donde: r : Radio medio de la malla en (m). he : Proundidad de enterramiento de la malla en (m). c) lla.
Calcular la variable auxiliar "q" de la ma-
R
d3).-
Para un terreno de cuatro estratos:
) Calcular las variables auxiliares "Fi" de la malla. 1).Para un terreno de dos estratos:
Donde: E4 : Espesor del cuarto estrato en (m). e) Calcular las variables auxiliares "vi" de la malla. e1).Para un terreno de dos estratos:
e2).-
Para un terreno de tres estratos:
e3).-
Para un terreno de cuatro estratos:
2).-
Para un terreno de tres estratos:
R
g) g1).-
Calcular la resistividad equivalente. Para un terreno de dos estratos:
Donde:
g3).-
Para un terreno de cuatro estratos:
Donde:
ρ1 ρ2
: Resistividad del primer estrato en ( Ω-m). : Resistividad del segundo estrato en ( Ω-
g2).-
Para un terreno de tres estratos:
m).
Donde: ρ3
: Resistividad del tercer estrato en ( Ω-m).
5.SistemasdePuestaaTierra Los sistemas de puesta a tierra (SPT), presentan diversas conguraciones posibles, cada una de ellas es útil para un determinado tipo de instalación. Las conguraciones más utilizadas se presentan a continuación:
5.1.Unelectrodovertical Este tipo de conguración se utiliza preerentemente en el sistema de neutro denominado neutralización en BT, y es orientado (especialmente por su economía), preerentemente al ámbito domiciliario. La deciencia undamental de este tipo de sistema, es que presenta un valor de resistencia bas tante elevado (aproximadamente 50Ω para barras de 1,5 mts. por 3/4" ø), respecto a lo que el sistema eléctrico (instalación), requiere (promedio 0,4 a 1Ω). Bajo la condición anterior, al utilizar este sistema como protección a los usuarios, deberá complementarse con un dispositivo dierencial
L1 a ρe
: Largo del electrodo (m). : Radio del electrodo (m). : Resistividad equivalente ( Ω - m).
Donde :
R
5.2.Unenmallado
5.2.2MétododeSchwarz
Este tipo de conguración se utiliza preerentemente dentro del sector terciario e industrial y principalmente en el sistema de neutro denominado tierra de protección.
Este método de cálculo en comparación con el anterior, es mucho más exacto, debido a que considera tanto las características del terreno, como las concernientes a la malla.
Para el cálculo de la resistencia de un enmallado o también denominado malla a tierra, existen dos alternativas de cálculo, una debida a LAURENT y la otra debida a SCHWARZ.
5.2.1MétododeLaurent Este método de cálculo solamente considera como parámetros undamentales de la malla, los concernientes a la longitud del conductor que la conorma, y el radio equivalente de la misma.
Donde : S : Area de la malla (m2). d : Diámetro del conductor de la malla (m). he : Proundidad de enterramiento de la malla(m). A : Lado mayor de la malla (m). B : Lado menor de la malla (m).
Donde: r : Radio equivalente de la malla (m). Lm : Longitud total del conductor (m). : Resistividad equivalente ( Ω-m). ρe
5.2.3Unenmalladoconelectrodosverticales Si la resistencia de la malla (ya sea por Laurent o Schwarz), la denotamos como RM y la resistencia de los electrodos como RB, tenderemos que:
Donde w a n d L1 Lm lla. S
: : Variable auxiliar de cálculo : Radio de cada electrodo (m). : Número de electrodos. : Diámetro del conductor de la malla (m). : Longitud de electrodos. : Longitud de total del conductor de la ma: Area de la malla (m2).
R
6.DiseñopreliminardelSistemadePuestaaTierra En toda la discusión siguiente consideraremos un sistema de puesta a tierra basado undamentalmente en una malla ormada por conductores enterrados horizontalmente. Como hemos visto en las ecuaciones que denen el calculo de la resistividad equivalente, el antecedente primario, es la supercie y características de la malla de puesta a tierra, dato que el proyectista del sistema ya debe tener denido, sobre la base de los siguientes parámetros:
a) Supercie disponible para la instalación del sistema. b) Elementos que deberán conectarse a la malla. c) Material de los conductores que orman la malla. d) Unión entre conductores de la malla. e) Posibilidad de comprobar la resistencia de la malla de puesta a tierra instalada (camarillas de registro). ) Consideración del mejoramiento del terre-
6.1SuperfciedelamalladePuestaaTierra No existe una ecuación general que sirva para determinar la supercie del la malla de puesta a tierra, principalmente la denición de la supercie de la malla depende del área disponible, tipo de terreno y la experiencia del proyectista. A continuación se presentan algunas recomendaciones de supercie de mallas, en unción del tipo de terreno. -
(50 Ω-m): 16 m2. Para terrenos semi secos con una resistividad promedio de 100 Ω-m: 25 m2. Para terrenos secos con una resistividad promedio de 150 Ω-m: 100 m2.
Para terrenos húmedos con baja resistividad
6.2Conexionesalamalla Mediante cables continuos de cobre de secciones adecuadas y uniones que garanticen un 100% de conductividad, deberán conectarse a la malla a tierra los siguientes elementos: a) Todas las partes metálicas que normalmente no conducen corriente, pero que accidentalmente por allas de aislación, pueden quedar energizados.
b) Varillas, tuberías y toda clase de estructuras metálicas enterradas dentro del perímetro de la malla. c) Pararrayos, condensadores de acoplamiento y cuando corresponda, los neutros de los transormadores, máquinas rotatorias, circuitos secundarios
6.3Materialdelosconductoresdelamalla El cobre es el material más utilizado para la construcción de las mallas de puesta a tierra. Además de su alta conductividad, el cobre tiene la ventaja de ser inmune a la corrosión galvánica desde el terreno circundante, debido a que el cobre es catódico con respecto a otros metales que pueden estar enterrados en las vecindades.
El estañado del cobre reduce este eecto en un 50% respecto al acero y al zinc, y lo elimina con respecto al plomo. Esta corrosión puede además disminuirse aislando ambos metales, en sus cruces, mediante huincha plástica.
R
6.4.Unionesentreconductoresdelamalla Existen dos alternativas de unión entre los conductores de la malla de puesta a tierra, uno es el denominado prensas de unión y el otro es el sistema denominado termousión.
En la práctica, no se recomienda el uso de prensas para la unión de los conductores de puesta a tierra, debido a que no orece un grado de unión adecuado entre ellos, lo que aumenta la resistencia de contacto.
6.4.1Procesodetermousión Polvo de Ignición
Los procesos de termousión se basan en reacciones químicas de Oxido-reducción. En el caso de procesos de termousión aplicado a la unión de conductores de cobre, la reacción es la siguiente: OxidoCobre+Aluminio=Cobre+Oxido Aluminio+H La gran cantidad de energía generada (H), unde el cobre que cae en orma de colada de undición, en tanto que el Oxido de Aluminio arrastra impurezas, y por su menor densidad sube como escoria. El polvo de soldadura es una mezcla de Oxido de cobre y aluminio, cuya reacción exotérmica produce metal undido. El cobre undido fuye a través del canal sobre los conductores, undiéndolos y soldándolos. El equipo para realizar las conexiones es portátil y ácil de operar.
Polvo de soldadura
Disco de retención
Cable
Molde de grafto
La cantidad de colada de cobre obtenida en la reacción, debe ser suciente para producir la usión de los conductores, con una masa depositada que garantice una conductividad del 100% de la capacidad del conductor. Esta unión así obtenida es de gran estabilidad ísico - química en el tiempo, y altamente resistente a las solicitaciones térmicas y eléctricas a las cuales puede ser sometida.
6.4.2Procedimientoparasuaplicación El proceso de termousión es una verdadera miniundición. Todas las precauciones que se d eben tomar, deben estar orientadas desde ese punto de vista. Los principales obstáculos a vencer, para obtener una buena termousión son:
SUCIEDAD: Una limpieza con procedimientos mecánicos (escobilla de acero), elimina la suciedad.
El grato es un material higroscópico, por lo tanto absorbe humedad del medioambiente. Esta humedad debe ser eliminada mediante el proceso de precalentamiento del molde. El no secado del molde trae las siguientes consecuencias: - Salpicadura de las soldaduras por la explosión del agua. - Soldadura porosa (humedad atrapada en el cobre). - Menor duración del molde debido a las microgrietas producidas por la expansión volumétrica del agua presente en el grato.
HUMEDAD: Sin lugar a dudas, el mayor obstáculo de una unión por termousión es la humedad, ya que esta se encuentra presente en el molde de grato, el conductor y en el ambiente.
Si los conductores se encuentran húmedos o muy ríos, deben ser precalentados con un soplete a gas. La soldadura debe mantenerse en su envase, tapada y en un lugar seco.
GRASAS: Las grasas o aceites raramente presentes en los conductores se deben eliminar mediante solventes.
R
6.4.3Unionestípicasmediantetermousión Uniones tipo Cable a Cable Unión SS
Unión TA
Unión XA
Unión XB
Unión PT
Unión PC
Uniones tipo Cable a Barra y Toma a Tierra Unión GR
Unión GT
Unión GY
Uniones tipo Cable a Superfcie Plana Unión HA
Unión HC
Unión VS
Unión VV
Uniones tipo Cable Terminal Unión LA
Unión GL
R
6.5.Camarillasderegistro La resistencia de puesta a tierra de un electrodo, un conjunto de electrodos o una malla, deberá poder medirse sin dicultades. Para cumplir lo anterior, se debe dejar por lo menos un punto de la puesta a tierra accesible, adaptándose una disposición como la mostrada en
7.MedicióndelaResistenciadeunaPuestaaTierra Para eectuar la medición de la puesta a tierra, se utiliza el mismo instrumento empleado para medir la resistividad del terreno.
a) da.
La instalación eléctrica debe estar desenergiza-
Se deben retirar todas las conexiones a la b) puesta a tierra.
Las precauciones a tener presente en la medición de la resistencia de la puesta a tierra son:
7.1ProcedimientoparalaMedición Uno de los electrodos de corriente del insa) trumento (borne del extremo izquierdo, asumiendo una vista rontal del equipo de medición), se debe conectar al sistema de puesta a tierra a través de la camarilla de registro. Nota: Se debe conectar el borne de potencial (más próximo), al borne de corriente indicado anteriormente.
0
El otro electrodo de corriente del instrumenb) to se conecta al terreno a través de un electrodo auxiliar,a una distancia (d), no inerior a los 20 metros en el caso de una malla de puesta a tierra, y a una distancia (d), no inerior a 10 veces la longitud en el caso de tener un electrodo vertical (barra).
R
c) El tercer electrodo del instrumento (potencial), se conecta a través de un segundo electrodo auxiliar al terreno, y se desplaza sucesivamente entre los electrodos de corriente a una distancia (L), teniendo como punto de partida la puesta a tierra. Las distancias (L) recomendadas son: 2 - 3 - 4 - 5 - 6 - 7 - 10 - 15 - 20 - 30 - 40 - 50 (mts).
d) Finalmente con la distancia de separación del electrodo de potencial (tercer electrodo del instrumento), y los valores de resistencia indicados por éste, se procede a coneccionar una gráca de resultados. En donde la curva representativa de la medición adquiera un valor horizontal sostenido, se entenderá que éste es el valor de la resistencia de la puesta a tierra en estudio. Resistencia (Ω)
RPT
L (mts)
8.MejoramientodeTerrenos El concepto del mejoramiento de terrenos, consiste en "simplemente" poder disminuir la resistencia de la puesta a tierra congurada. Los parámetros de mayor infuencia en la resistencia de una puesta a tierra son: La resistencia propia del sistema de puesta a tierra o resistencia de contacto, dada por las características ísicas de la puesta a tierra. -
La resistividad del suelo, dada por las ca-
racterísticas conductivas de éste. La resistencia de un sistema de puesta a tierra, entonces, podrá mejorarse atacando las situaciones anteriormente descritas, mediante las siguientes posibilidades: ma.
Modicando la resistencia propia del siste-
-
Modicando la resistividad del terreno.
8.1ModifcacióndelaResistenciadeContactoenelCasodeBarras En el caso de que un solo electrodo no sea suciente para cumplir con un valor adecuado de resistencia de puesta a tierra, una práctica útil es la de utilizar varias barras verticales con el n de proveer trayectorias paralelas de corriente a tierra.
Lo anterior expresado en órmula, adopta la siguiente estructura:
Donde : En este caso, el sistema de puesta a tierra tenderá a asemejarse a un circuito resistivo paralelo, con lo que la resistencia total de la puesta a tierra, disminuiría en unción de la cantidad de barras verticales interconectadas.
RT K RB NB
: Resistencia total (Ω). : Constante de combinación. : Resistencia de una barra (Ω). : Número de barras en paralelo
R
ConstantedeCombinación
Nº de Barras 2 3 4 5 6 7 8 9 10
k 1.1523 1.3053 1.4139 1.4982 1.5670 1.6252 1.6756 1.7201 1.7599
La distancia de separación entre barras paralelas debe ser igual al doble de la longitud del electrodo
8.2ModifcacióndelaResistenciadeContactoenelCasodeMallas Como la resistencia de la puesta a tierra es Para lograr lo anterior, sólo es necesario una resistencia de contacto, para bajarla bastará aumentar el diámetro de los conductores de la sólo con aumentar la supercie de contacto entre malla y el área cubierta por la misma. Es claro que el esta solución es antieconómica, por lo tanto poco suelo y los conductores que orman la malla de puesta a tierra. 8.3ModifcacióndelaResistividaddelTerreno Como sabemos, la conducción en el suelo es iónica y no electrónica como es en el caso de los conductores metálicos, por lo tanto, para bajar la retener el agua durante largos períodos de tiempo resistividad de un terreno, bastará con adicionar también son utilizados en el tratamiento de suelos, sin iónes al terreno. embargo hay que tener cuidado con la contracción y expansión de estas arcillas en los períodos de lluvia Existen varias ormas de realizar el acondi- y sequía. cionamiento de un terreno, una de ellas es utilizando Otro de los métodos de modicación de diversas sales químicas como lo son el sulato de cobre, sulato de sodio, sulato de magnesio, carbo- la resistividad de los terrenos es el uso de barras nato de sodio, cloruro de sodio, etc.; sin embargo, químicas, la que es ideal en el caso de suelos que este tipo de mejoramiento pierde eecto al cabo de presentan una elevada resistividad, y tienen dimenvarios meses debido a que las lluvias y la siones ísicas reducidas como para utilizar una malla porosidad del suelo hacen que estos compuestos de una supercie importante. se disuelvan y migren totalmente. Las barras químicas consisten en un electrodo tubular abricado con cobre electrolítico, con el n de que el óxido ormado en su supercie sea buen Otros materiales utilizados en la reducción conductor. Este tubo esta relleno con sales minerales, de la resistividad del terreno son los derivados del las cuales se saturan con el aire y se disuelven lentacarbono, los cuales cuando son llevados a diámetros mente, saliendo al terreno por oricios diseminados de una granulometría muy pequeña proporcionan elementos estabilizadores de muy baja resistividad. a lo largo del tubo; minando con estas sales la hemiseria de infuencia, proveyendo así el electrolito Las arcillas osmóticas por su propiedad de necesario para una buena conductividad.
R
R
Bibliograía - Norma NCH 4 Elec. 84 Electricidad. Instalaciones Interiores en baja Tensión.
Ministerio de Economía Fomento y Reconstrucción.
- Norma NSEC 20 EN 78 Electricidad. Subestaciones Transormadoras interiores
Ministerio de Economía Fomento y Reconstrucción.
- Mallas a Tierra
Memoria Inacap Colón.
- Diseño de Sistemas de Puesta a Tierra.
Seminario de Electricidad Inacap Colón.
- Estudio Geoeléctrico de los Suelos.
Claudio González, Inacap Colón.
- Comportamiento de los Sistemas de Puesta a Tierra en Baja Frecuencia.
Claudio González, Inacap Colón.
- Diseño y Cálculo de Puestas a Tierra.
Jorge Valenzuela Alvarado.
- Sistemas de Puesta a Tierra.
María Morelli, Universidad de Carbono.
- Catálogo Materiales para Puestas a Tierra.
Alco.
El presente manual ha sido elaborado por ELECTRO ANDINA LTDA., en conjunto con el Ingeniero Sr. Claudio González Cruz, docente del Area Electricida d y Electrónica de INACAP sede Colón y revisado por el Ingeniero Sr. Jorge Valenzuela Alvarado, ex - catedrático de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Santiago y autor de los Libros "Introducción al proyecto eléctrico", "El por qué de los dierenciales" y "Diseño y cálculo de puestas a tierra".