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3ER CONGRESO IBEROAMERICANO DE ESTUDIANTES DE INGENIERÍA ELÉCTRICA (III CIBELEC 2008)

1

Resumen—Los sistemas de puesta tierra adquieren una gran relevancia en el campo de las instalaciones eléctricas y demás campos, puesto que son los que permiten asegurar la protección de las personas y los equipos utilizados. Disponer de un valor bajo de resistencia de puesta a tierra mejora el desempeño de los mismos elevando el nivel de seguridad y confiabilidad; por tal motivo, es necesario explorar las prácticas que tienen como fin lograr disminuir el valor de resistencia de puesta a tierra. Entre dichas prácticas empleadas para el cumplimiento del objetivo antes señalado se consideró para el desarrollo de esta investigación el estudio de diferentes aditivos y mezclas de concreto conductivo. Adicionalmente se evalúa el desempeño de los mismos mediante simulaciones empleando el método de los elementos finitos.

Palabras claves— Sistemas de puesta a tierra, Resistencia, Aditivos.

I. INTRODUCCIÓN

Los sistemas de puesta tierra, son parte fundamental de los sistemas de potencia y de cualquier instalación eléctrica pues mantiene buenos niveles de seguridad al personal, permite la circulación segura y rápida de corrientes de falla, ayuda a la operación de las protecciones y es parte importante en la correcta operación y desempeño de los equipos. Uno de los aspectos que se busca dentro de los sistemas de puesta a tierra es una baja resistencia de puesta a tierra y en forma general esto puede obtenerse utilizando un arreglo de cualquiera de los electrodos de puesta a tierra conocidos (jabalinas, contrapesos, mallas, placas, anillos, entre otros). Sin embargo, en muchos casos obtener un valor de resistencia de puesta a tierra bajo plantea gran costo, o incluso en ciertos casos, existen limitaciones en cuanto al espacio o a las condiciones del terreno que obligan a explorar otras opciones. Dentro de estas opciones se encuentran los electrodos embutidos en concreto que gracias a las características higroscópicas del concreto y a su composición alcalina

Manuscrito recibido el 29 de Febrero de 2008. M. Martínez, J. C. Rodríguez, J. Ramírez y E. Da Silva están con la

Universidad Simón Bolívar, Sartenejas, Baruta, Edo. Miranda - Apartado 89000 Cable Unibolivar. Caracas Venezuela. Tlf. +58-212-9064133, E-mail: [email protected], [email protected], [email protected] y [email protected]

P. Morales, J. Ren y A. Ferraz están con R & D, Enertelcom , Calle San Gerónimo, Edificio Tovar, Sabana Grande, Caracas, Venezuela, Tlf. +58-212-7614019, E-mail: [email protected], [email protected] y [email protected]

numerosos autores han explorado las ventajas de su uso. Entre estos podemos destacar los estudios de Fagan y Lee [1] en donde concluyen según pruebas realizadas en diferentes locaciones y bajo diferentes condiciones de resistividad de suelo, que los electrodos de este tipo igualan y en muchos casos mejoran a los electrodos de puesta a tierra utilizados tradicionalmente. Adicionalmente se encuentran autores como Wiener [1] que menciona que los efectos corrosivos que se presentan sobre las jabalinas embutidas en concreto son mucho menores si se les compara con las jabalinas colocadas de forma directa en el terreno. Existen otras sustancias que pueden ser utilizadas como agentes reductores de la resistencia de puesta a tierra; sin embargo, en muchos casos estos agentes reductores migran al terreno y pierden efectividad a lo largo del tiempo o es necesario mantener humectado el terreno en donde se encuentran e incluso pueden ser agentes que inicien la corrosión sobre el electrodo. Es por ello que como objetivo de este estudio se plantea el uso de concreto y diferentes mezclas de concreto conductivo que permitan reducir efectivamente la resistencia de puesta a tierra, que sean estables frente a las variaciones climáticas, que ofrezcan una baja resistencia de contacto y que mantengan su efecto durante largo tiempo.

II. DESARROLLO EXPERIMENTAL

Para lograr dicha labor, se realizaron tres tipos de pruebas en el Laboratorio de Alta Tensión de la Universidad Simón Bolívar. La primera de las pruebas determina la resistividad de los materiales en estudio en su estado original (polvo), luego de acuerdo a los resultados obtenidos por esta prueba se elaboraran mezclas de estos materiales utilizando como elemento en común el cemento y la arena, premitiendo formar diferentes mezclas de concreto conductivo; la resisistividad de las mezclas endurecidas de concreto conductivo se mide bajo una condición seca y después de estar bajo agua por veinticuatro horas. Como última etapa del desarrollo experimental se estudia la resistividad de una mezcla de concreto convencional 250 kg/cm3 , por ser el material común disponible en una construcción convencional.

A. Medición de resistividad utilizando una Caja de Miller

Para llevar a cabo esta experiencia se sigue el procedimiento y lineamientos dados por la normativa ASTM G-57[2]. El objetivo de dicha prueba es obtener los valores de

Estudio Preliminar de Aditivos de Bajo Costo para Mejorar el Desempeño de los Sistemas

de Puesta a Tierra

P. Morales, J. Ren, M. Martínez, A. Ferraz, J. C. Rodríguez, J. Ramírez, E. Da Silva


2

resistividad de diversos materiales en su estado original (polvo) que normalmente son utilizados o que podrían ser considerados aditivos reductores de la resistencia de puesta a tierra. Los materiales que fueron estudiados utilizando la caja de Miller se presentan a continuación:

Caolin Bentonita PRODUCTO COMERCIAL # 1 PRODUCTO COMERCIAL # 2 PRODUCTO COMERCIAL # 3 Lodo residual secado y hecho polvo Arena Volcánica Cemento 50% cemento + 50% arena

El esquemático de dicho montaje se presenta en la FIG 1, tal como lo establece la norma ASTM G57-06 [2]. Adicionalmente se presenta en la FIG 2, la foto del montaje realizado.

FIG 1: Esquema del montaje de la caja de Miller

FIG 2: Montaje para mediciones de caja de Miller

Como se puede observar en la FIG. 1, se establece un potencial en los electrodos de los extremos de la caja, esto fuerza la circulación de corriente a través del material en estudio y como consecuencia se genera una caída de tensión que es medida por los electrodos interiores de la caja. Finalmente los valores de resistividad del material se obtienen al incorporar las dimensiones de la caja, utilizando la ecuación 1[2]:

cmI

Vmedida .36.0 (1)

B. Mezclas de concreto con aditivos

Como segunda etapa en el estudio de los materiales se realizaron diferentes mezclas de concreto conductivo, en todas

estas se utiliza como elemento en común el cemento, la arena y el agua hasta obtener una mezcla de aspecto homogéneo y lo suficientemente maleable como para rellenar cilindros de PVC de 7 cm de diámetro y 20 cm de altura, para luego esperar a que las mismas endurecieran; a continuación se presentan las proporciones y componentes de dichas mezclas:

Solo Cemento 1/3 Cemento + 2/3 Arena 1/3 Cemento + 1/3 Arena +1/3 Bentonita 1/3 Cemento + 1/3 Arena +1/3 Carbón Molido 1/3 Cemento + 1/3 Arena +1/3 PRODUCTO

COMERCIAL # 3 1/3 Cemento + 1/3 Arena +1/3 Caolin 1/3 Cemento + 1/3 Bentonita +1/3 Carbón Molido

Una vez que se obtienen estos cilindros de “concreto conductivo”, 3 cilindros por cada una de las mezclas anteriores, se procede a realizar una prueba Volt-amperimétrica sobre los mismos siguiendo el esquema eléctrico representado en la FIG 3.

FIG 3: Esquema eléctrico de las pruebas realizadas sobre las

mezclas de concreto conductivo Finalmente se obtiene la resistividad del material en estudio mediante la ecuación 2

mLI

AV.

.

. (2)

Donde: V= Voltaje medido entre los terminales del cilindro (V) I= corriente que circula por el cilindro (A)

A= área trasversal ( 2m ) L=longitud (m)

El montaje se puede observar en la FIG 4.

FIG 4: Montaje para mediciones sobre cilindros de concreto

conductivo.


3

C. Adición de humedad a las mezclas elaboradas

Adicionalmente a la caracterización de las diferentes

mezclas realizadas de concretos conductivos se puede destacar que una vez que el proceso de secado ha terminado, obtener los valores de resistividad cuando los mismos se encuentran húmedos. Es importante resaltar que se trata de materiales porosos que absorben con suma facilidad el agua, de esta forma al realizar estas mediciones, se pueden determinar la variación de la resistividad de acuerdo al contenido de humedad y esto puede dar información sobre el comportamiento aproximado y desempeño de estas mezclas en campo durante la estación lluviosa o seca. Para llevar a cabo esta actividad se colocaron en un balde con agua destilada dos cilindros de cada una de las siguientes mezclas:

Solo Cemento 1/3 Cemento + 2/3 Arena 1/3 Cemento + 1/3 Arena +1/3 PRODUCTO

COMERCIAL # 3

Estos cilindros son retirados del balde después de 24 horas, y se procedió a secar un poco la superficie de los mismos con el fin de eliminar la componente de conducción del agua en la superficie. A continuación se sigue el procedimiento de prueba volt-amperimetrica dado en el punto anterior.

D. Concreto sin humedad

Dado que el concreto es un material que se encuentra

disponible de forma muy sencilla y a muy bajo costo durante la fase de construcción de una edificación, este material se puede aprovechar para embutir electrodos de puesta a tierra y podrían obtenerse los valores de resistividad deseados y se reduciría en gran medida el costo. Es por ello que se procedió a medir la resistividad de 6 cilindros de concreto suministrados por la empresa Concremix; dichos cilindros cumplen con las especificaciones y dimensiones dadas por la norma Covenin[3] y normas ASTM C192 [4] para pruebas de compresión de concreto, a saber 15 cm de diámetro y 30 cm de altura. El esquema eléctrico es el mismo que está

representado en la FIG 3 y adicionalmente se presenta en la FIG 5 una fotografía del montaje realizado.

FIG 5: Montaje para mediciones sobre cilindros de concreto

E. Concreto húmedo

Al igual que en el estudio realizado sobre los cilindros de

concreto conductivo es necesario estudiar la resistividad del concreto bajo condiciones de humedad, este estudio resulta aún mas importante no solo por el hecho de establecer, al igual que en el caso de los distintos concretos conductivos, un margen en donde puede variar la resistividad del concreto de acuerdo al contenido de humedad, sino que además el concreto posee una capacidad de almacenar agua durante grandes periodos de tiempo a tal punto que la norma IEEE 1100 [5] sugiere que el mismo prácticamente nunca se seca. Es por ello, que se procedió a sumergir los cilindros 1,3 y 4 en agua durante 24 horas, luego se secó la superficie de los mismos para garantizar que la conducción fuera a través del material y no por su superficie y se siguió el procedimiento experimental dado en el punto anterior y representado la FIG 3. Adicionalmente se dejaron secar en un horno a 50 ºC los cilindros, primero por 30 minutos momento en el cual se repitieron las medidas y luego por otra hora adicional en el mismo horno a la misma temperatura, momento en el cual se volvió a repetir las mediciones de resistividad.

III. RESULTADOS

A. Caja de Miller

A continuación se presentan en la Tabla I los resultados de resistividades que se desprenden de la prueba realizada empleando la caja de Miller:

Tabla I: RESISTIVIDADES PROMEDIO OBTENIDAS EMPLEANDO CAJA DE MILLER

Como se puede observar en la tabla anterior, el material con

PROMEDIO DE

ρ(Ω*cm) PROMEDIO DE

ρ(Ω*m)

Producto Comercial # 3 7.347E+01 0.735



BENTONITA 3.925E+04 392.534

LODO RESIDUAL 4.011E+05 4010.603

ARENA VOLCÁNICA 1.919E+06 19185.769

CAOLIN 2.183E+06 21830.549 50% CEMENTO + 50% ARENA 4.227E+06 42270.263

CEMENTO 6.547E+06 65473.406


4

menor resistividad fue el producto comercial # 3, seguido por otras dos marcas comerciales como son el producto comercial # 2 y el producto comercial # 1; la bentonita ocupa el cuarto lugar como material con la menor resistividad; sin embargo, se observó durante las pruebas realizadas que el material mostró ciertos problemas como aditivo de puesta a tierra en su estado original, presentando gran calentamiento hasta el punto que se logra evaporar el agua presente en el material y luego de este proceso la resistividad del mismo aumenta de manera notable, hasta llegar al orden de 1E+06 Ωm. Esta característica tiene grandes desventajas cuando se piensa en utilizarlo como aditivo de puesta a tierra para sistemas de potencia o sistemas de protección de descargas atmosféricas pues frente a valores elevados de corrientes, el material incrementa rápidamente el valor de su resistividad. De esta forma dicho material podría ser utilizado como aditivo de puesta a tierra siempre y cuando se garantice que el mismo se mantenga húmedo y/o que no se presenten altos valores de corriente; por ejemplo en sistemas de puesta a tierra para equipos electrónicos sensibles.

B. Mezclas de concreto con aditivos

En la Tabla II se muestran las resistividades promedio obtenidas para los tres cilindros de las 7 mezclas de concreto conductivo estudiados.

Tabla II: RESISTIVIDADES PROMEDIO DE CILINDROS CONDUCTIVOS SECOS

ρ (Ω*m) Cemento + Arena + Producto comercial # 3 1907.76

Cemento 2267.89

Cemento + Bentonita + Carbón 3531.08

Cemento + Arena + Bentonita 4300.29

Cemento + Arena + Caolín 4639.21

Cemento + Arena 7029.89

Cemento + Arena + Carbón 10737.05

Como se puede observar la mezcla de concreto conductivo

que contiene producto comercial # 3 es la que presenta una menor resistividad, seguido por la mezcla de cemento y agua. Si comparamos la resistividad del cemento en polvo obtenida mediante la prueba del punto A de este artículo con la obtenida mediante este experimento, observamos que al formarse una mezcla de cemento y agua la resistividad disminuye en gran medida.

C. Adición de humedad a las mezclas elaboradas

En la Tabla III, se muestra una comparativa respecto a las resistividades obtenidas cuando los cilindros se encontraban sin humedad y con humedad.

Tabla III: COMPARATIVA ENTRE RESISTIVIDADES DE

CILINDROS SECOS Y HÚMEDOS

ρ (Ω*m) húmedo ρ (Ω*m) seco Cemento + Arena + Producto comercial # 3 18.9312 1907.76

Cemento 20.2018 2267.89

Cemento + Arena 39.705 7029.89

Como se puede observar, cuando los cilindros se

encuentran húmedos, su resistividad disminuye drásticamente hasta convertirse en un material cuya resistividad es menor al 1% del valor cuando está seco; esta característica, indica que ciertamente estos concretos conductivos presentan un amplio margen de variación de la resistividad respecto al contenido de agua absorbida.

D. Concreto sin humedad

A continuación se presentan en la Tabla IV las resistividades promedio obtenidas para los seis cilindros de concreto estudiados Tabla IV: RESISTIVIDADES PROMEDIO PARA CILINDROS DE

CONCRETO SECOS

Muestra ρ Promedio (Ωm)

1 2034.38

2 7261.02

3 2307.22

4 2367.32

5 22061.05

6 3224.39

La diferencia entre los valores de resistividad obtenidos

para los cilindros 2, 5 y 6 y los cilindros 1, 3 y 4, indica la naturaleza del material, recordemos que el concreto es una mezcla de principalmente cemento, arena, piedras y agua; sin embargo, se suelen agregar distintos aditivos al mismo con el propósito de lograr un tiempo de curado y/o de asentamiento deseado y adicionalmente el contenido de piedras y tamaño de las mismas podría variar entre las distintas muestras e incluso podría tratarse de cilindros de concreto con resistencia mecánica distinta. Por estas razones, se decide descartar los cilindros 2, 5 y 6 por su similitud, obteniéndose una nueva resistividad (ρ) promedio de 2236.31 Ωm.

E. Concreto húmedo

A continuación se presenta en la Tabla V las resistividades promedio obtenidas para los cilindros de concreto estudiados cuando a los mismos se le incorporó agua.

Tabla V: RESISTIVIDADES PROMEDIO OBTENIDAS PARA CILINDROS DE CONCRETO HÚMEDOS

Cilindro ρ Promedio (Ωm)

1 115.797455

3 116.585343


5

4 112.789544

Los resultados arrojados de esta experiencia coinciden con

los rangos de resistividad dados por la norma IEEE 1100 [5] y por autores como Favio Casas [6] y que establecen el rango de resistividad del concreto, entre los 100 y 300 Ωm. Siendo importante señalar que estos valores son con contenido de humedad. Incluso otros autores reportan el rango de resistividad del concreto entre 30 y 90 Ωm. Es necesario acotar que dentro del desarrollo experimental se aplica humedad empleando agua destilada, lo cual puede influir sobre el hecho de que la resistividad medida sea un poco mayor a la que se hubiera obtenido utilizando agua con mayor contenido de sales y minerales.

Ahora resulta interesante comparar la resistividad obtenida bajo las distintas condiciones de humedad con la resistividad de los cilindros cuando están secos, para ello recordemos que el valor de resistividad promedio obtenido para los cilindros de concreto secos fue de 2236.31 Ωm. Dicha comparación se presenta en la Tabla VI

Tabla VI: COMPARATIVA ENTRE RESISTIVIDADES DE

CILINDROS SECOS Y A DIFERENTES GRADOS DE HUMEDAD

ρ(Ω*m) Reducción (%)

Completamente Húmedo 115.0575 94.855%

Después de 30min secado 127.348 94.305%

Después de 1 hora adicional de secado 178.464 92.020%

Como se puede observar claramente, si bien la resistividad

del material fue aumentando con la disminución del contenido de agua, la variación es de solo 2.835 % y aún bajo la mayor pérdida de humedad estudiada, la resistividad disminuye en más de un 92 % si es comparada con la resistividad del material completamente seco. Esto demuestra la gran estabilidad del material respecto al contenido de humedad a lo largo del tiempo.

IV. SIMULACIONES EMPLEANDO ELEMENTOS

FINITOS

El objetivo de estas simulaciones es evaluar el

comportamiento de electrodos de puesta a tierra embutidos en concreto y en mezclas de concreto conductivo, como elementos reductores de la resistencia de puesta a tierra. Adicionalmente estas simulaciones permiten determinar el radio y longitud del cilindro en donde se embute la jabalina, obteniendo como resultado la resistencia de puesta a tierra deseada por diseño. La idea es aprovechar la simulación digital como una herramienta útil en la fase de diseño de un sistema de puesta a tierra.

El programa comercial en donde se realizan las simulaciones, utiliza el método de los elementos finitos para resolver problemas definidos dentro de un dominio continuo por ecuaciones diferenciales parciales. La idea es reemplazar la continuidad infinita por un número finito de subdominios (o

elementos) cuyo comportamiento particular es modelado por un número limitado de grados de libertad. El programa resuelve ecuaciones diferenciales parciales electromagnéticas mediante funciones aproximadas que son válidas en ciertos rangos de aplicación [7].

A. Comprobación de resultados de la simulación

Para comprobar en primer lugar la efectividad y exactitud del método de simulación empleado, se decidió realizar la comparación de los valores de resistencia de puesta a tierra de una jabalina en suelos con diferentes resistividades obtenidos mediante el programa y una aproximación teórica; de esta forma, la experiencia pretende determinar el margen de error que podría existir en próximas simulaciones.

Para poder llevar a cabo esta labor se construyeron dos modelos de la jabalina, uno en el modulo “AC/DC Electroestático Generalizado” y un modelo empleando la geometría axial del modulo “Quasi-static electromagnetic Meridional electrical and induction currents”. Ambos modelos se hicieron tomando una jabalina de 2.54 cm de diámetro (1’’) y 3 metros de longitud (dimensiones comerciales de Conexweld [8]) inmersa en un suelo de un solo estrato, la resistividad del suelo se varió desde los 10 Ω*m hasta los 10000 Ω*m; el modelo construido aprovechando la geometria axial en el programa, se muestra en FIG 6.

FIG 6: Elementos finitos (malla de simulación)

En esta simulación se establece que la conductividad de la

barra de cobre es de 5.988E7 S/m y se sigue el siguiente procedimiento en el caso de la simulación utilizando el módulo electroestático generalizado: Se establece un potencial de 10 V sobre la barra de cobre, del mismo modo se establecen las demás condiciones de borde y de conductividades y se procede a realizar la simulación. Finalmente se calcula la corriente total que circula por el terreno y se establece la relación V/I para obtener la resistencia de puesta a tierra Rsim(Ω).

En el caso de la simulación en el módulo “Quasi-static electromagnetic Meridional electrical and induction currents” se establece el lado superior de la jabalina como “puerto”, de esta forma se fija una corriente en dicho puerto; se procede luego a simular la geometría y el resultado estima directamente el valor de la impedancia vista desde ese nodo.

Para calcular la resistencia de puesta a tierra de forma teórica en suelos uniformes se utiliza la ecuación 3 que se trata de una expresión aproximada [9]:


6

(3)

Donde: L= longitud de la jabalina(m) d= diámetro de la jabalina (m) ρ= resitividad del terreno en (Ω*m) En la tabla VII, se presenta la comparación entre los valores de resistencia de puesta a tierra obtenidos utilizando la formula teórica y las simulaciones realizadas en Comsol para los distintos valores de resistividad del terreno Tabla VII: COMPARATIVA ENTRE RESISTENCIA DE PUESTA

A TIERRA DE JABALINA OBTENIDAS UTILIZANDO COMSOL Y POR FORMULACIONES TEÓRICAS

ρ (Ω.m) del suelo 10 100 1000 10000

Rteo( Ω) 2.8991 28.9915 289.9148 2899.1482

Rsim (3-d) 2.9712 29.7124 297.1238 2971.2384

Dif. sim (3-D) 2.5%

Rsim (axial) (Ω) 3.0614 30.6143 306.1604 3077.5818

Dif. sim (axial) 5.3 %

Como se puede observar, los resultados arrojados por las simulaciones difieren de los resultados teóricos en un máximo de 2.5% o 5.3 %, por lo que se ha logrado comprobar la efectividad y exactitud de las simulaciones, otorgándole validez a la los resultados arrojados por el software. Adicionalmente a la comparación de la resistencia de puesta a tierra obtenida mediante la simulación y la resistencia de puesta a tierra teórica para suelos uniformes, se obtienen los valores del potencial a 0.1 m de profundidad en suelo (z=0.1) utilizando el programa y la ecuación (4 )[9]

(4)

A continuación se presenta en la FIG 7 la gráfica comparativa entre el potencial obtenido por la simulación y el obtenido empleando la ecuación 4

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Distancia (m)

V(p

.u.) simulado

teorico

FIG 7: comparativa del potencial obtenido por la simulación y

el potencial teórico

B. Simulaciones sobre electrodos embutidos

Una vez que logra determinarse la resistividad tanto en condición seca, como húmeda del concreto y de las mezclas que conforman los distintos concretos conductivos, además de los resultados arrojados por las pruebas hechas con la caja de Miller, se procede a realizar simulaciones que permiten emular el comportamiento de electrodos verticales embutidos en los materiales de la Tabla VIII utilizando el modulo “Quasi-static electromagnetic Meridional electrical and induction currents”, por ser la simulación que resulta más sencilla y rápida.

Tabla VIII: RESISTIVIDADES Y CONDUCTIVIDADES UTILIZADAS PARA LAS SIMULACIONES

(Ω*m) σ (s/m) PRODUCTO COMERCIAL # 3

(polvo) Seco 0.735 1.3605

Cemento

Seco 2267.89 4.41E-04

Húmedo 20.2018 4.95E-02

Concreto

Seco 2236.31 4.47E-04

Húmedo 115.0575 8.69E-03

Cemento + Arena

Seco 7029.89 1.42E-04

Húmedo 39.705 2.52E-02

Cemento + Arena + PRODUCTO COMERCIAL # 3

Seco 1907.76 5.24E-04

Húmedo 18.9312 5.28E-02

Como comprobación adicional se realizó una comparativa de la resistencia de puesta a tierra de un electrodo embutido en concreto, obtenido a través del software y de la formulación aproximada planteada por la normativa GTE [9] (ecuación 5). A continuación se presenta en la Tabla IX los resultados; en dicha tabla la resistividad del concreto que se tomo fue la de 115. 0575 Ωm y una resistividad del suelo de 100 Ωm.

1

8lnln

2

1

D

L

d

D

LR sc

(5)

Tabla IX: COMPARACIÓN DE VALORES DE RESITENCIA

OBTENIDOS CON SUELO DE 100 ΩM

ρ(100 Ωm)

error (%)

R (eq. 4.10) 29.3295754 6.00700105

R sim 31.204

Estas formulaciones, solamente pueden ser aplicadas en los casos en donde el terreno tiene una resistividad similar a la del concreto en el caso contrario no son válidos. Para realizar el resto de las simulaciones se aprovechó la geometría axial de un electrodo vertical embutido en cualquier material, tal y como se observa en la FIG 8. Donde L es la profundidad del material acondicionador a aplicar y R es el ancho. En todas las simulaciones la longitud de la barra es de tres metros y se asume que el suelo circundante es de resistividad uniforme.

d

L

LR

2ln

2

vzrz

zLrzL

zrz

zLrzL

L

IVp

22

22

22

22 )()(ln

)()(ln

4


7

FIG 8: Electrodo embutido en concreto o cualquier otro

material Gracias al eje de simetría que se muestra en la FIG 8, solo fue necesaria la construcción de solo una mitad del modelo; una vez construido el modelo, se procede a realizar las simulaciones tomando dos situaciones distintas, estas son:

1. R constante (0.15m) y variaciones en L (ver FIG 8) 2. L constante (1.5m) y variaciones en R (ver FIG 8)

El resultado típico obtenido para la simulación en cuanto al potencial eléctrico se muestra en la Fig. 9

FIG 9: potencial eléctrico en simulación

Este procedimiento se repitió para cada material presente en la tabla VIII y para 10, 100, 1000 y 10000 Ω.m de resistividad del suelo; los resultados de dichas simulaciones para el caso en que la resistividad del suelo es de 10000 Ωm se presentan en las FIG10, FIG11 y FIG12. Los valores son normalizados utilizando el valor de una Rbase que representa el caso en el que no hay acondicionamiento, a fin de hacer más sencilla la visualización del efecto de añadir un material especifico.

0.00%

10.00%

20.00%

30.00%

40.00%

50.00%

60.00%

70.00%

80.00%

90.00%

100.00%

Cemen

to +

Are

na +

Pro

ducto

Com

ercia

l # 3

Húm

edo

Cemen

to +

Are

na +

Pro

ducto

Com

ercia

l # 3

Sec

o

Cemen

to +

Are

na H

ùmed

o

Cemen

to +

Are

na S

eco

Cemen

to H

úmed

o

Cemen

to S

eco

Concr

eto

Húmed

o

Concr

eto

Seco

Produ

cto C

omer

cial #

3 e

n po

lvo

Rsi

m/R

bas

e (%

)

FIG10: Comparativa de resistencia entre los distintos

materiales cuando L=3m y R=15 cm

0.00%

10.00%

20.00%

30.00%

40.00%

50.00%

60.00%

70.00%

80.00%

90.00%

100.00%

Cemen

to +

Are

na +

Pro

ducto

Com

ercia

l # 3

Húm

edo

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to +

Are

na +

Pro

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Com

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l # 3

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na H

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o

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to H

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Concr

eto

Húmed

o

Concr

eto

Seco

Produ

cto C

omer

cial #

3 e

n po

lvo

Rsi

m/R

bas

e (%

)


materiales cuando L=1.5 y R=15cm

0.00%

10.00%

20.00%

30.00%

40.00%

50.00%

60.00%

70.00%

80.00%

90.00%

100.00%

Cemen

to +

Are

na +

Pro

ducto

Com

ercia

l # 3

Húm

edo

Cemen

to +

Are

na +

Pro

ducto

Com

ercia

l # 3

Sec

o

Cemen

to +

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na H

ùmed

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Cemen

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Are

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Cemen

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o

Cemen

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eto

Húmed

o

Concr

eto

Seco

Produ

cto C

omer

cial #

3 e

n po

lvo

Rsi

m/R

bas

e (%

)


materiales cuando L=1.5m y R=50 cm. Análisis de los resultados: 1. Se ha comprobado en primer lugar la exactitud y validez

de las simulaciones, pues al comparar las mismas con las formulaciones teóricas se presenta un margen de error alrededor del 5 %.

2. Se pudo observar como para todas las simulaciones la resistencia de puesta a tierra disminuye a medida que el radio (R) o la Longitud (L) aumenta.


8

3. Se pudo observar como todos los materiales estudiados disminuyen la resistencia de puesta a tierra cuando el suelo circundante tiene una resistividad de 10000 Ω.m. Este comportamiento se observa para todos los valores de Radio y Longitud simulados

V. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

A. Conclusiones

En este trabajo se realizó un estudio comparativo técnico de distintos materiales que pueden ser planteados como aditivos. Los resultados obtenidos muestran que existen opciones muy interesantes que permiten concluir que: 1. Los tres tipos de concreto conductivo estudiados bajo

condiciones de humedad ofrecen una disminución de la resistencia de puesta a tierra cuando la resistividad del suelo es igual o mayor a los 100 Ω.m.

2. El concreto húmedo logra disminuir la resistencia de puesta a tierra cuando la resistividad del terreno circundante está en el orden de los 1000 Ω.m. Sin embargo para suelos con resistividades cercanas a los 100 Ω.m el concreto no brinda una disminución de la resistencia de puesta tierra apreciable, pero en estos casos el concreto brinda protección contra los agentes corrosivos del terreno, aumentando la confiabilidad y vida útil de la jabalina. Por lo que aun en esos casos sigue siendo una alternativa interesante de aplicación.

3. Se puede observar cómo la resistencia de puesta a tierra que se presenta al evaluar el producto comercial # 3 en polvo y la mezcla de concreto conductivo que contiene el mismo material, son muy similares; sin embargo, el uso de la mezcla de concreto conductivo representa una opción mucho más económica pues se utiliza solo 1/3 del producto y se obtienen los resultados esperados.

B. Recomendaciones

De acuerdo a los resultados obtenidos se recomienda el uso

de concreto con los aditivos estudiados, además del concreto en si; el uso de este tipo de materiales como mejoradores de la resistencia de puesta a tierra plantea una solución económica y viable.

Si bien los resultados que se desprenden de este estudio aprueban el uso de estos materiales como agentes reductores de la resistencia de puesta a tierra, se recomienda realizar pruebas en campo en donde se evalúe el desempeño de estos aditivos bajo condiciones reales.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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[3] Norma Covenin 1896 “METODOS DE ENSAYO PARA DETERMINAR LA RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN DE CONCRETO”1982

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[5] IEEE 1100 “IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Electronic Equipment”, 2005

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[7] Booton, Richard “Computacional methods for electromagnetics and microwaves” Wiley series 1992

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[9] Norma GTE 887-600-070, “Engineering Fundamentals of Electrode Ground Design”, 1989

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