FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA Carrera de Ingeniería Eléctrica LABORATORIO DE ALTO VOLTAJE PRÁCTICA N°7 1. TEMA RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA 2. OBJETIVOS 2.1. Conocer la importancia de la resistividad eléctrica del suelo como parámetro fundamental que caracteriza la respuesta eléctrica de un terreno. 2.2. Conocer y aplicar los métodos más comunes de medición de resistividad del suelo en campo. 2.3. Conocer los aspectos básicos de los diferentes accesorios que componen el equipo de medida de resistividad del terreno. 2.4. Interpretar los resultados de las mediciones de resistividad del terreno para la modelación del suelo. 2.5. Conocer sobre el método de medición de resistencia de puesta a tierra de un electrodo. 2.6. Realizar la medición de la resistencia de puesta a tierra de diferentes electrodos. 3. MARCO TEÓRICO 3.1. ¿QUÉ ES LA RESISTIVIDAD DEL SUELO? La resistividad ρ es un parámetro característico de los medios conductores, su unidad en el sistema MKS es el Ω.m. Es el parámetro inverso a la conductividad σ. En un medio conductor homogéneo, isotrópico, el valor de la resistividad es igual en cualquier punto y dirección del medio. En el caso de un terreno es muy difícil, si no imposible, considerarlo homogéneo. Por su propia naturaleza y por los efectos climáticos, hacen que a pesar de tener un terreno de un solo material existan variaciones de su resistividad respecto a lo profundidad, principalmente por la variación del nivel freático y del grado de compactación del material. Se puede definir la resistividad del suelo ρ como la resistencia eléctrica entre las caras opuestas de un cubo de dimensiones unitarias (aristas = 1m) llenado con este suelo. Entre algunos factores que afectan la resistividad del suelo tenemos: Tipo de suelo (arenoso, arcilloso, rocoso…) Mezcla de diversos tipos de suelo Suelos con capas estratificadas a profundidades y materiales diferentes. Contenido de humedad. Temperatura Compactación y presión Composición química y concentración de sales disueltas en el suelo. De estos factores, el tipo de suelo, composición química, la estratificación y compactación del material son propiedades inherentes de la formación geológica del suelo en un sitio determinado de las cuales básicamente no podemos tener control. Por otro lado el porcentaje de humedad, la temperatura, la concentración de sales disueltas en el suelo son factores variables a la hora de diseñar un sistema de puesta a tierra. Adicionalmente la resistividad varía con la frecuencia, un aspecto que adquiere gran relevancia en presencia de fenómenos eléctricos muy rápidos como los rayos. DEE 2020 A FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA Carrera de Ingeniería Eléctrica Figura 1. Variación de la resistividad del terreno en función de la humedad y la frecuencia. Figura 2. Variación de la resistividad del terreno por varios factores. IEEE Se tienen rangos de valores de resistividades dependiendo del tipo de suelo como se ve en la siguiente tabla: DEE 2020 A FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA Carrera de Ingeniería Eléctrica 3.2. MÉTODOS DE MEDICIÓN DE LA RESISTIVIDAD DEL SUELO Las técnicas para medir la resistividad del suelo son esencialmente las mismas, cualquiera que 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. Las diferentes técnicas de medida son descritas en detalle en la IEEE Std 81∙ 1983 “IEEE Guide for measuring earth resistivity, ground impedance, and earth surface potencial of a ground system”. A pesar de existir varios métodos de medición, los métodos más populares son aquellos que usan 4 puntos de medición. 3.2.1. MÉTODO DE WENNER El método de 4 puntos de Wenner es el método más preciso y popular, debido a que este 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 enterrarlos en el terreno. El método consiste en enterrar pequeños electrodos tipo varilla en 4 huecos en el suelo, a una profundidad b y espaciados una distancia a alineados como se ve en la figura 3: Figura 3. Esquema de conexión de electrodos para el método Wenner DEE 2020 A FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA Carrera de Ingeniería Eléctrica Figura 4. (a) Telurómetro. (b) Esquema básico de conexión a 4 puntos Una corriente I se inyecta entre los dos electrodos externos o electrodos de corriente y el potencial V entre los dos electrodos internos o electrodos de voltaje es medido por el instrumento. El instrumento mide la resistencia R=V/I del volumen del suelo cilíndrico de radio “a” encerrado entre los electrodos internos. La resistividad aparente del suelo ρa a la profundidad “a” se aproxima con la siguiente ecuación: (1) En la práctica se aconseja que la distancia “a” sea al menos diez veces mayor que la profundidad de enterramiento de los electrodos “b”, en ese caso la ecuación se simplifica a: ρ= 2𝛑aR (2) Con esto sólo necesitamos la distancia entre electrodos a y la resistencia que mide el equipo R. Para saber la variación 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 las profundidades de la varilla). El espaciamiento “a” 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 o “perfiles” en diferentes direcciones. Las diferentes lecturas tomadas con varios espaciamientos alineados dan un grupo de resistividades o “perfil” que cuando son graficadas en contra del espaciamiento indican si hay capas diferentes de suelo y dan una idea de su respectiva profundidad y resistividad. Como se ve en la figura 5: DEE 2020 A FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA Carrera de Ingeniería Eléctrica Figura 5. Perfiles de resistividad típicos 3.2.2. Método de Schlumberger-Palmer Este es otro método de 4 puntos, donde los electrodos de corriente y voltaje están alineados como se ve en la figura 6. La variante de este arreglo implica que la separación entre electrodos es simétrica, donde la separación entre los electrodos de voltaje MN permanece fija e idealmente debería ser lo más pequeña posible dentro de los límites prácticos y con la tendencia a que MN<<AB y que los electrodos enterrados a su vez sea muy pequeña comparada con las distancias entre electrodos. Figura 6. Disposición de electrodos para el método Schlumberger-Palmer El procedimiento consiste en separar progresivamente los electrodos, alrededor de un punto central permanente, denominado punto de máxima exploración O. La resistividad del suelo se puede calcular con: 𝜌= 𝜋𝑐(𝑐 + 𝑑)𝑅 𝑑 (3) Para la realización de los perfiles de resistividad se grafica la resistividad en función de AB/2. 3.2.3. FORMAS DE REALIZAR LAS MEDICIONES 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 explorando la misma porción de terreno. Supongamos que queremos explorar una extensión de terreno delimitada por el rectángulo de la figura 7. DEE 2020 A FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA Carrera de Ingeniería Eléctrica Figura 7. Direcciones para la medición de la resistividad Las diferentes ubicaciones de los electrodos para diferentes distancias interelectródicas podrían hacerse en las direcciones indicadas. Por ejemplo por el método Wenner podríamos tomar varias mediciones con diferentes valores de a en la dirección 1-1’. De igual manera lo podríamos hacer en las otras direcciones pero cuidando que las medidas para los electrodos sean hechas tomando como referencia el centro O. Cada medición debe ser simétrica respecto a O. De esta manera podemos enumerar los pasos para un sondeo eléctrico vertical para obtener la curva de resistividad aparente de un suelo determinado. a) Delimitar la zona de estudio b) Marcar el punto O que será el punto de simetría para la ubicación de los electrodos de medición A, M, N, B. c) Establezca las direcciones de medición, trate de cubrir totalmente la zona de estudio. d) Seleccione distancias interelectródicas. Para el método Wenner a. Para el método Schlumberger se selecciona la distancia MN y se deja fija, la distancia AB se incrementa por pasos. e) Calcule la resistividad aparente con las ecuaciones (2) y (3) dependiendo del método y levante la curva respectiva. f) Si existen puntos dudosos repita la medición respectiva. 3.2.4. ASPECTOS PRÁCTICOS EN LA MEDICIÓN EN CAMPO Considerar la topografía del terreno. Algunas veces la correcta alineación y ubicación de los electrodos se ve impedida por la topografía. Si este es el caso puede hacerse una medición con la respectiva nota que indique la alternativa tomada para hacer la medición, con el fin de evaluar la validez de la medición una vez que se compare con el resto de las mediciones hechas. El rango de medición de los aparatos puede ser determinante en el número de mediciones a llevar a cabo. Si los estratos profundos del suelo tienen baja resistividad, la resistencia medida R disminuye en la medida que se incrementa la distancia a o AB/2. Es posible que este valor disminuya y quede fuera del rango del aparato. En terrenos de elevada resistividad puede ocurrir algo similar debido a que la resistencia medida puede alcanzar valores que estén fuera del rango del aparato. La medición se ve afectada por un pobre contacto de los electrodos con el terreno. Es común utilizar como electrodos barras verticales que se entierran aproximadamente 10 cm dentro del terreno. Para los electrodos de corriente se sugiere una longitud de enterramiento menor a 1/10 de la distancia que los separa. Cuando se tienen terrenos de resistividad elevada, la resistencia a tierra equivalente en el circuito de circulación de la corriente puede ser muy alta, limitando la intensidad DEE 2020 A FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA Carrera de Ingeniería Eléctrica de la corriente inyectada al terreno. En estos casos es posible que el aparato no indique valor alguno debido a que la corriente inyectada y por ende el voltaje medido esté por debajo del umbral de sensibilidad del aparato. Cuando este sea el caso se debe mejorar el contacto en los electrodos de corriente agregando agua en las inmediaciones de los electrodos. También se debe verificar que el punto de contacto de los electrodos de voltaje, ya que es posible que se encuentren encima de alguna pequeña piedra lo que anula prácticamente el contacto eléctrico. El equipo mínimo de apoyo aparte del aparato o aparatos de medición debe incluir: cinta métrica de material eléctricamente aislante de 100 m, juego de 4 electrodos, martillo de 2 Kg, agua, conductores aislados flexibles para la conexión de los electrodos al aparato de medición. La longitud mínima de estos conductores debe ser al menos igual a la máxima distancia prevista para los electrodos de corriente. Se deben tomar las medidas mínimas para la protección del personal especialmente en lo referente a la exposición al sol. 3.2.5. OBTENCIÓN DE LA CURVA DE RESISTIVIDAD APARENTE La obtención de la curva de resistividad aparente en función de la distancia efectiva “a” o “AB/2” es el objetivo principal de las mediciones de campo. A partir de esta curva es posible proponer modelos estratificados horizontalmente, que desde el punto de vista teórico dan como resultado una curva de resistividad aparente similar a la obtenida con las mediciones de campo. Es obvia la importancia de obtener una curva de campo lo más confiable posible, ya que esta es la referencia para medir la validez de los modelos propuestos. En general las curvas de campo mostrarán una variación de la resistividad con las diferentes ubicaciones de los electrodos de medición. Estas variaciones indican la heterogeneidad del terreno en estudio. Si dado el caso tuviésemos una curva con variaciones muy pequeñas (curva 1, figura 8) podemos presumir que el terreno tiene una estructura homogénea, pero esto suele ser muy excepcional. Figura 8. Curvas de resistividad aparente No existe una regla general que permita tener una interpretación directa de los resultados para obtener un modelo del terreno en estudio. Lo único que se puede concluir con certeza es la heterogeneidad del terreno, la existencia de estratos profundos con mayor o menos resistividad que los superficiales, y en algunos casos el número de capas iniciales del modelo propuesto, por ejemplo en las curvas 2 y 3 podemos proponer un modelo de dos estratos. El procedimiento se realiza de la siguiente manera: DEE 2020 A FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA Carrera de Ingeniería Eléctrica 1. 2. 3. Cada uno de los perfiles o direcciones medidos se tabula en función del espaciamiento a o AB/2. Para cada espaciamiento se debe calcular el promedio aritmético de los valores de resistividad aparente obtenidos para cada perfil. Proceder al cálculo de la desviación en porcentaje de cada medida obtenida a un espaciamiento determinado en relación con su valor promedio. Se deben descartar los valores de resistividad que tengan una desviación mayor al 50% en relación con su promedio. En este último caso, el promedio correspondiente para cada espaciamiento deberá recalcularse nuevamente. Con los valores de resistividad promedio para cada espaciamiento, se tienen entonces los valores definitivos y representativos para trazar una curva de resistividad en función de la profundidad (espaciamiento). 3.3. MODELAMIENTO DEL SUELO Los modelos mayormente utilizados son los de suelo homogéneo y el de dos capas. El de dos capas es una buena aproximación si el terreno posee varias capas de resistividad. Modelos de multicapas se utilizan en suelos más complejos. Un modelo de suelo homogéneo suele usarse sólo cuando hay una moderada variación en la resistividad aparente. Si hay una gran variación en la resistividad es poco probable que le modelo homogéneo produzca resultados precisos. El modelo de dos capas nos da una aproximación más real de las condiciones del suelo. Consiste en un modelo con una capa superior de profundidad finita y con diferente resistividad que la capa inferior de profundidad infinita. Existen varias técnicas para determinar un modelo de dos capas, a veces puede obtenerse por inspección visual de la gráfica de resistividad Parente versus profundidad. 3.3.1. MODELO HOMOGÉNEO Por norma, se considerará suelo homogéneo cuando los valores definitivos y representativos de resistividad aparente obtenidos para cada espaciamiento no se apartan en más de un 30% del valor máximo de los mismos. Para efectos de modelación, se asume el valor promedio como la resistividad del terreno. Se puede aplicar el método estadístico Box-Cox [1] que busca un valor con probabilidad del 70% de ser el real, este valor se utilizará luego en el diseño de la puesta a tierra. Método Box Cox. a. b. c. En una columna se tabulan los datos de resistividad aparente medida ρi En otra columna se colocan los logaritmos naturales de cada una de las medidas Xi=Ln(ρi) Se halla el valor promedio de x como: d. e. En otra columna se coloca el resultado de (Xi-x)2 Se calcula la desviación estándar S como: f. De la distribución normal se toma Z para 70% que es 0.524411 DEE 2020 A FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA Carrera de Ingeniería Eléctrica g. Se halla la resistividad (con probabilidad del 70% de no ser superada) como 𝜌=𝐴𝑛𝑡𝑖 𝐿𝑛(𝑆∗𝑍+𝑥) Ejemplo: Se tienen mediciones de resistividad aparente en dos rutas diferentes a 1, 3, 5 y 7 m de separación entre electrodos: Aplicando Box-Cox para cada medida se tiene: Tenemos un valor promedio x=4.10 y una es una desviación estándar de S=0.35. Podemos hallar ρ con: 𝜌=𝐴𝑛𝑡𝑖 𝐿𝑛 (𝑆∗𝑍+𝑥) 𝜌=𝐴𝑛𝑡𝑖 𝐿𝑛 (0.35∗0.524411+4.1) 𝜌=72.24 (Ω𝑚) Luego se puede modelar el suelo homogéneo con una resistividad de aproximadamente 73 Ωm. Este método sólo se debe aplicar cuando no sea posible modelar un terreno a dos capas. 3.3.2. MODELO DE DOS CAPAS Para efectos e caracterizar el suelo en un modelo de dos capas, se recomienda empelar una de las siguientes alternativas: Emplear el método gráfico descrito en la IEEE Std 80-2000, página 58 sección 13.4.2.2 Implementar el método matemático descrito en el Anexo B de la IEEE Std 81-1983. Utilizar un software de ingeniería, adecuado para modelamiento del suelo. 3.4. DEE 2020 A MEDICIÓN DE LA RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA Carrera de Ingeniería Eléctrica Para la medición de la resistencia de puesta a tierra existen varios métodos que dependen de la forma de tener acceso al sistema de puesta a tierra. Asé existen métodos para medición en sistemas energizados mediante pinzas. O el caso más común es la medición en el sitio de la construcción del sistema de puesta a tierra SPT donde la medición tiene por objetivo comprobar que la impedancia de puesta a tierra tiene el valor que nos hemos propuesto en el diseño. Para ello debemos tener un punto de todo el SPT (que puede ser una varilla, o un cable conductor) donde haremos nuestra medición. El sistema más fácil de utilizar es el de tres puntos o Método de la caída de voltaje utilizando el mismo telurómetro que se usa para medir la resistividad del terreno como se ve en la figura 9. Figura 9. Método de la caída de potencial para medición de Resistencia de puesta a tierra El método consiste en inyectar corriente al punto de prueba del SPT y medir el voltaje que se obtiene en un electrodo Y debido a la influencia de esta corriente. Este método determina la impedancia como la relación V/I. Pero la inyección de corriente a través de los electrodos X y Z genera gradientes de potencial en el suelo que se pueden solapar si el electrodo en estudio X y el electrodo de corriente Z están muy cerca, haciendo que las mediciones de resistencia entre estas zonas aumenten con la distancia de separación del electrodo de potencial Y, como se ve en la figura 10: Figura 10. Solapamiento de gradientes de potencial de los electrodos de corriente Para evitar este efecto se separa mucho el electrodo en estudio y el del corriente con ello se logra que al mover el electrodo de potencial no haya solapamiento de gradientes y entonces la resistencia medida tiende a un valor fijo a razón de que se mueve el electrodo de potencial. DEE 2020 A FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA Carrera de Ingeniería Eléctrica Figura 11. Medición de R del electrodo X en función de la distancia. Al tener una gran separación entre los electrodos de corriente podemos mover el electrodo de potencial desde el punto X. Y observaremos que la resistencia medida cambia en función de la distancia XY. Hay una zona donde la resistencia medida tiende a un valor estable, el valor de resistencia que medimos en esta zona será el valor de resistencia del sistema de puesta a tierra. 3.4.1. ¿CUÁL DEBE SER LA SEPARACIÓN ENTRE ELECTRODOS? No existe un método exacto para determinar la distancia que debe haber entre el electrodo de tierra y el de corriente, debido a la condición resistiva tan variante de cada tipo de suelo. En suelos muy conductivos la resistencia alrededor de los electrodos es relativamente baja y se puede realizar mediciones aceptables con tan sólo una separación de 8 metros. A medida que las condiciones del suelo empeoran o las características de resistencia del electrodo son bajas la distancia entre electrodos aumenta. En base a pruebas y experiencias se puede tener ciertos criterios de estas distancias: La distancia entre el electrodo en estudio y el electrodo de corriente suele ser 4 o 5 veces la mayor longitud del electrodo bajo prueba. Algunos autores recomiendan incluso 10 veces. Por ejemplo, con un electrodo simple el electrodo de corriente sería ubicado a una distancia igual a cinco veces (o cualquier otro múltiplo escogido) el largo del electrodo simple; Con un plato o base enterrada, cinco veces la diagonal; con un disco en terrado, cinco veces el diámetro; etc. Estas son distancias aproximad as para realizar un primer intento. De no lograrse mediciones coherentes se debe repetir el proceso, variando la distancia, hasta lograrlo. En el caso de un área pequeña o de un electrodo simple, se puede colocar el electrodo de corriente a unos 30 metros del electrodo bajo estudio (si el espacio permite llevar el electrodo de corriente a esa distancia) ya que a esta distancia se presume despreciable la influencia de uno respecto al otro. El electrodo de potencial se coloca a media distancia y se inicia el proceso de medición. Medición: Se suele colocar el electrodo de potencial a la mitad de la distancia entre electrodo de tierra y de corriente, de ahí se va aumentando la distancia del electrodo de potencial al de tierra y se toman las medidas. El punto en el que se suele hallar el valor estable de resistencia suele estar al 62% de la distancia entre el electrodo de tierra y el de corriente, por lo que el método de caída de potenciaL también se conoce como método del 62 %. NORMAS DE REFERENCIA. Principal: IEEE Std 81• 1983 “Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground Impedance, and Earth Su rface Potentials of a Ground System”. DEE 2020 A FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA Carrera de Ingeniería Eléctrica Normas de Apoyo: 4. IEEE Std 80• 2000“Guide for Safety In AC Substation Grounding.” IEEE Std 81• 1983 “Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground Impedance, and E earth Surface Potentials of a Ground System”. ASTM G57• 95a“Standard Test Method for Field measurement of Soil Resistivity Using the Wenner Four• Electrode Method”. ASTM D 3633• 98 “Standard Test Method For Electrical Resistivity Of Membrane• Pavement Systems”. ASTM G 71• 81“Guide for Conducting and Evaluating Galvanic Corrosion Tests in Electro lytes.” ASTM G 162 • 99“Standard Practice for Conducting and Evaluating Laboratory Corrosions Tests in Soils”. TRABAJO PREPARATORIO 4.1. Consulte sobre los métodos de medición de resistividad de tierra descritos en la norma ANSI/IEEE Std 81-1983 4.2. Consulte sobre los tipos de electrodos de puesta a tierra más utilizados y sus aplicaciones 5. EQUIPO Y MATERIALES 6. Telurómetro Estacas de cobre Cable de cobre flexible Flexómetro Martillo PROCEDIMIENTO 6.1. Con ayuda del tutor de laboratorio realizar la medición de la resistividad de un terreno por los métodos de Wenner y Schlumberger. 6.2. Realizar la medición de la resistencia de puesta a tierra de una varilla y de una tubería de agua por el método de caída de potencial. 7. INFORME 7.1. Presentar los datos obtenidos tabulados en tablas y las curvas de resistividad aparente. 7.2. Determinar si el suelo en estudio es homogéneo o heterogéneo. 7.3. Realizar la modelación del suelo a una capa (homogéneo). 7.4. En base a los resultados comentar sobre qué tipo de suelo se halló en el estudio, es decir con sus valores de resistividad indicar si el suelo es “bueno o malo” para una instalación de puesta a tierra. 7.5. Consultar sobre los métodos de tratamiento del suelo con el fin de mejorar su resistividad eléctrica. Indicar ventajas y desventajas de cada uno y cuál usarían prioritariamente en su ejercicio profesional. 7.6. Consultar sobre otros métodos de medición de resistividad que no usen 4 puntos o electrodos. 7.7. Presentar el valor de resistencia medida de puesta a tierra de la varilla y de la tubería de agua. Comentar acerca de cómo la longitud de la varilla se refleja en la resistencia y en el caso de la tubería cómo afecta la cantidad de metal enterrado a la resistencia. DEE 2020 A FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA Carrera de Ingeniería Eléctrica 7.8. Conclusiones y Recomendaciones Personales. 7.9. Bibliografía. 8. REFERENCIAS [1]. “Fundamentos e ingeniería de las puestas a tierra. Respuestas ante fallas eléctricas y rayos” Germán Moreno, Jaime Valencia, Carlos Cárdenas, Walter Villa. 2007 Elaborado por: Ing. Juan Ramírez / Ing. Daniel Orbe Revisado por: Dr.- Ing. Paúl Vásquez / Jefe de Laboratorio HOJA DE DATOS PRÁCTICA 7: Nombres: Fecha: Perfiles de resistividad Resistencia de puesta a tierra DEE 2020 A FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA Carrera de Ingeniería Eléctrica DEE 2020 A
