RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA

OBJETIVOS:

- Conocer la importancia de la resistividad eléctrica del suelo como parámetro fundamentalque caracteriza la respuesta eléctrica de un terreno.

- Conocer y aplicar los métodos más comunes de medición de resistividad del suelo encampo.

- Conocer los aspectos básicos de los diferentes accesorios que componen el equipo demedida de resistividad del terreno.

- Interpretar los resultados de las mediciones de resistividad del terreno para la modelacióndel suelo.

- Conocer sobre el método de medición de resistencia de puesta a tierra de un electrodo.- Realizar la medición de la resistencia de puesta a tierra de diferentes electrodos.

MATERIALES:

- Telurómetro- Estacas de cobre- Cable de cobre flexible- Cinta de medir- Martillo

NORMAS DE REFERENCIA.

Principal:

IEEE Std 81­ 1983 “Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground Impedance, and Earth Surface Potentials of a Ground System”.

Normas de Apoyo:

IEEE Std 80­ 2000“Guide for Safety In AC Substation Grounding.” IEEE Std 81­ 1983 “Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground Impedance, and E

arth Surface Potentials of a Ground System”. ASTM G57­ 95a“Standard Test Method for Field measurement of Soil Resistivity Using th

e 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”.

MARCO TEÓRICO

1. ¿Qué es la resistividad del suelo?

La resistividad 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.

En un medio conductor homogéneo, isotrópico, el valor de la resistividad es igual en cualquierpunto y dirección del medio. En el caso de un terreno es muy difícil, si no imposible, considerarlohomogéneo. Por su propia naturaleza y por los efectos climáticos, hacen que a pesar de tener unterreno 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 como la resistencia eléctrica entre las caras opuestas deun 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 delmaterial son propiedades inherentes de la formación geológica del suelo en un sitio determinado delas cuales básicamente no podemos tener control. Por otro lado el porcentaje de humedad, latemperatura, la concentración de sales disueltas en el suelo son factores variables a la hora dediseñar un sistema de puesta a tierra.

Adicionalmente la resistividad varía con la frecuencia, un aspecto que adquiere gran relevancia enpresencia de fenómenos eléctricos muy rápidos como los rayos.

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 lasiguiente tabla:

2. Métodos de medición de la resistividad del suelo

Las técnicas para medir la resistividad del suelo son esencialmente las mismas cualquiera que sea elpropósito de la medida. Sin embargo la interpretación de los datos recolectados puede variarconsiderablemente 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 formeasuring 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 4puntos de medición.

2.1. Método de Wenner

El método de 4 puntos de Wenner es el método más preciso y popular, debido a que este métodoobtiene la resistividad del suelo para capas profundas sin enterrar los electrodos a dichasprofundidades; no es necesario un equipo pesado para realizar las medidas, los resultados no sonafectados por la resistencia de los electrodos auxiliares o los huecos creados para enterrarlos en elterreno.

El método consiste en enterrar pequeños electrodos tipo varilla en 4 huecos en el suelo, a unaprofundidad 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

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 potencialV entre los dos electrodos internos o electrodos de voltaje es medido por el instrumento. Elinstrumento mide la resistencia R=V/I del volumen del suelo cilíndrico de radio “a” encerrado entrelos electrodos internos. La resistividad aparente del suelo a a la profundidad “a” se aproxima con lasiguiente ecuación:

(1)

En la práctica se aconseja que la distancia “a” sea al menos diez veces mayor que la profundidad deenterramiento de los electrodos “b”, en ese caso la ecuación se simplifica a:= 2 (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 entreelectrodos se varía desde unos pocos metros hasta un espaciamiento igual o mayor que la máximadimensión esperada del sistema de puesta a tierra (por ejemplo, la mayor distancia posible entre 2puntos de una malla, o las profundidades de la varilla). El espaciamiento “a” se interpreta como laprofundidad aproximada a la cual se lee la resistividad del suelo. Para caracterizar la variación de laresistividad 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 resistividadeso “perfil” que cuando son graficadas en contra del espaciamiento indican si hay capas diferentes desuelo y dan una idea de su respectiva profundidad y resistividad. Como se ve en la figura 5:

Figura 5. Perfiles de resistividad típicos

2.2. Método de Schlumberger-Palmer

Este es otro método de 4 puntos, donde los electrodos de corriente y voltaje están alineados como seve 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 lomás pequeña posible dentro de los límites prácticos y con la tendencia a que MN<<AB y que loselectrodos 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 centralpermanente, denominado punto de máxima exploración O.

La resistividad del suelo se puede calcular con:= ( )(3)

Para la realización de los perfiles de resistividad se grafica la resistividad en función de AB/2.

2.3. Formas de realizar las mediciones

Es importante tener en cuenta que las diferentes ubicaciones de electrodos deben ser hechasguardando como centro el punto O original. Esto garantiza que se está explorando la misma porciónde terreno. Supongamos que queremos explorar una extensión de terreno delimitada por elrectángulo de la figura 7.

Figura 7. Direcciones para la medición de la resistividad

Las diferentes ubicaciones de los electrodos para diferentes distancias interelectródicas podríanhacerse en las direcciones indicadas. Por ejemplo por el método Wenner podríamos tomar variasmediciones con diferentes valores de a en la dirección 1-1’. De igual manera lo podríamos hacer enlas otras direcciones pero cuidando que las medidas para los electrodos sean hechas tomando comoreferencia 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 curvade resistividad aparente de un suelo determinado.

a) Delimitar la zona de estudiob) 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 métodoSchlumberger se selecciona la distancia MN y se deja fija, la distancia AB se incrementapor pasos.

e) Calcule la resistividad aparente con las ecuaciones (2) y (3) dependiendo del método ylevante la curva respectiva.

f) Si existen puntos dudosos repita la medición respectiva.

2.4. Aspectos prácticos en la medición en campo

Considerar la topografía del terreno. Algunas veces la correcta alineación y ubicación de loselectrodos se ve impedida por la topografía. Si este es el caso puede hacerse una medicióncon la respectiva nota que indique la alternativa tomada para hacer la medición, con el finde evaluar la validez de la medición una vez que se compare con el resto de medicioneshechas.

El rango de medición de los aparatos puede ser determinante en el número de mediciones allevar a cabo. Si los estratos profundos del suelo tienen baja resistividad, la resistenciamedida R disminuye en la medida que se incrementa la distancia a o AB/2. Es posible queeste valor disminuya y quede fuera del rango del aparato. En terrenos de elevadaresistividad puede ocurrir algo similar debido a que la resistencia medida puede alcanzarvalores que estén fuera del rango del aparato.

La medición se ve afectada por un pobre contacto de los electrodos con el terreno. Escomún utilizar como electrodos barras verticales que se entierran aproximadamente unos10 cm dentro del terreno. Para los electrodos de corriente se sugiere una longitud deenterramiento menor a 1/10 de la distancia que los separa. Cuando se tienen terrenos deresistividad elevada, la resistencia a tierra equivalente en el circuito de circulación de lacorriente puede ser muy alta, limitando la intensidad de la corriente inyectada al terreno.En estos casos es posible que el aparato no indique valor alguno debido a que la corrienteinyectada y por ende el voltaje medido esté por debajo del umbral de sensibilidad delaparato. Cuando este sea el caso se debe mejorar el contacto en los electrodos de corrienteagregando agua en las inmediaciones de los electrodos. También se debe verificar que elpunto de contacto de los electrodos de voltaje, ya que es posible que se encuentren encimade alguna pequeña piedra lo que anula prácticamente el contacto eléctrico.

El equipo mínimo de apoyo aparte del aparato o aparatos de medición debe incluir: cintamétrica de material eléctricamente aislante de 100 m, juego de 4 electrodos, martillo de 2Kg, agua, conductores aislados flexibles para la conexión de los electrodos al aparato demedición. La longitud mínima de estos conductores debe ser al menos igual a la máximadistancia prevista para los electrodos de corriente.

Se deben tomar las medidas mínimas para la protección del personal especialmente en loreferente a la exposición al sol.

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 proponermodelos estratificados horizontalmente, que desde el punto de vista teórico dan como resultado unacurva de resistividad aparente similar a la obtenida con las mediciones de campo. Es obvia laimportancia de obtener una curva de campo lo más confiable posible, ya que esta es la referenciapara medir la validez de los modelos propuestos.

En general las curvas de campo mostrarán una variación de la resistividad con las diferentesubicaciones de los electrodos de medición. Estas variaciones indican la heterogeneidad del terrenoen 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 muyexcepcional.

Figura 8. Curvas de resistividad aparente

No existe una regla general que permita tener una interpretación directa de los resultados paraobtener un modelo del terreno en estudio. Lo único que se puede concluir con certeza es laheterogeneidad del terreno, la existencia de estratos profundos con mayor o menos resistividad quelos superficiales, y en algunos casos el número de capas iniciales del modelos propuesto, porejemplo en las curvas 2 y 3 podemos proponer un modelos de dos estratos.

El procedimiento se realiza de la siguiente manera:

1. Cada uno de los perfiles o direcciones medidos se tabula en función del espaciamiento a oAB/2. Para cada espaciamiento se debe calcular el promedio aritmético de los valores deresistividad aparente obtenidos para cada perfil.

2. Proceder al cálculo de la desviación en porcentaje de cada medida obtenida a unespaciamiento determinado en relación a su valor promedio. Se deben descartar los valoresde resistividad que tengan una desviación mayor al 50% en relación con su promedio. En

este último caso, el promedio correspondiente para cada espaciamiento deberá recalcularsenuevamente.

3. Con los valores de resistividad promedio para cada espaciamiento, se tienen entonces losvalores definitivos y representativos para trazar una curva de resistividad en función de laprofundidad (espaciamiento).

3. Modelamiento del Suelo

Los modelos mayormente utilizados son los de suelo homogéneo y el de dos capas. El de dos capases una buena aproximación si el terreno posee varias capas de resistividad. Modelos de multicapasse utilizan en suelos más complejos.

Un modelo de suelo homogéneo suele usarse sólo cuando hay una moderada variación en laresistividad aparente. Si hay una gran variación en la resistividad es poco probable que le modelohomogéneo produzca resultados precisos.

El modelo de dos capas nos da una aproximación más real delas condiciones del suelo. Consiste enun modelo con una capa superior de profundidad finita y con diferente resistividad que la capainferior de profundidad infinita. Existen varias técnicas para determinar un modelo de dos capas , aveces puede obtenerse por inspección visual de la gráfica de resistividad Parente versusprofundidad.

3.1. Modelo Homogéneo

Por norma, se considerará suelo homogéneo cuando los valores definitivos y representativos deresistividad aparente obtenidos para cada espaciamiento no se apartan en más de un 30% del valormáximo 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% deser el real, este valor se utilizará luego en el diseño de la puesta a tierra.

Método Box Cox.

a. En una columna se tabulan los datos de resistividad aparente medida i

b. En otra columna se colocan los logaritmos naturales de cada una de las medidas Xi=Ln(i)c. Se halla el valor promedio de x como:

= ∑d. En otra columna se coloca el resultado de (Xi-x)2

e. Se calcula la desviación estándar S como:

= 1 ( − )f. De la distribución normal se toma Z para 70% que es 0.524411g. Se halla la resistividad (con probabilidad del 70% de no ser superada) como:= ( ∗ + )

Ejemplo:

Se tienen mediciones de resistividad aparente en dos rutas diferentes a 1, 3, 5 y 7 m de separaciónentre electrodos:

Aplicando Box-Cox para cada medida se tiene:

Tenemos un valor promedio x=4.10 y una desviación estándar S=0.35. Podemos hallar con:= ( ∗ + )= (0.35 ∗ 0.524411 + 4.1)= 72.24 [Ω ]

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.

3.2. Modelo de dos capas

Para efectos e caracterizar el suelo en un modelo de dos capas, se recomienda empelar una de lassiguientes 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.

4. Medición de la resistencia de puesta a tierra

Para la medición de la resistencia de puesta a tierra existen varios métodos que dependen de laforma de tener acceso al sistema de puesta a tierra. Asé existen métodos para medición en sistemasenergizados mediante pinzas.

O el caso más común es la medición en el sitio de la construcción del sistema de puesta a tierra SPTdonde la medición tiene por objetivo comprobar que la impedancia de puesta a tierra tiene el valorque 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 elmismo 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 seobtiene 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 travésde los electrodos X y Z genera gradientes de potencial en el suelo que se pueden solapar si elelectrodo en estudio X y el electrodo de corriente Z están muy cerca, haciendo que las medicionesde resistencia entre estas zonas aumenten con la distancia de separación del electrodo de potencialY, 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 lograque al mover el electrodo de potencial no haya solapamiento de gradientes y entonces la resistenciamedida tiende a un valor fijo a razón de que se mueve el electrodo de potencial.

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 depotencial desde el punto X. Y observaremos que la resistencia medida cambia en función de ladistancia XY. Hay una zona donde la resistencia medida tiende a un valor estable, el valor deresistencia que medimos en esta zona será el valor de resistencia del sistema de puesta a tierra.

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 tierray el de corriente, debido a la condición resistiva tan variante de cada tipo de suelo. En suelos muyconductivos 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 delsuelo empeoran o las características de resistencia del electrodo son bajas la distancia entreelectrodos 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 lamayor 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 distanciaigual a cinco veces (o cualquier otro múltiplo escogido) el largo del electrodo simple; Conun plato o base enterrada, cinco veces la diagonal; con un disco en terrado, cinco veces eldiámetro; etc. Estas son distancias aproximad as para realizar un primer intento. De nolograrse mediciones coherentes se debe repetir el proceso, variando la distancia, hastalograrlo.

En el caso de un área pequeña o de un electrodo simple, se puede colocar el electrodo decorriente a unos 30 metros del electrodo bajo estudio (si el espacio permite llevar elelectrodo de corriente a esa distancia) ya que a esta distancia se presume despreciable lainfluencia de uno respecto al otro. El electrodo de potencial se coloca a media distancia y seinicia el proceso de medición.

Medición:

Se suele colocar el electrodo de potencial a la mitad de la distancia entre electrodo de tierra y decorriente, de ahí se va aumentando la distancia del electrodo de potencial al de tierra y se toman lasmedidas. El punto en el que se suele hallar el valor estable de resistencia suele estar al 62% de ladistancia entre el electrodo de tierra y el de corriente, por lo que el método de caída de potencialtambién se conoce como método del 62 %.

5. Desarrollo de la práctica

Con ayuda del tutor de laboratorio realizar la medición de la resistividad de un terreno porlos métodos de Wenner y Schlumberger.

Traer hojas de datos en las que se pueda tomar datos de resistividad del terreno a variasdistancias de separación de electrodos y para varios perfiles de medición, por ejemplo:

Realizar la medición de la resistencia de puesta a tierra de una varilla y de una tubería deagua por el método de caída de potencial.

Distancia alelectrodo de

corriente

Distancia alelectrodo de

potencial

R medida [Ω]

6. Informe:

1. Presentar los datos obtenidos tabulados en tablas y las curvas de resistividadaparente.

2. Determinar si el suelo en estudio es homogéneo o heterogéneo.3. Realizar la modelación del suelo a una capa (homogéneo).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 unainstalación de puesta a tierra.

5. Consultar sobre los métodos de tratamiento del suelo con el fin de mejorar suresistividad eléctrica. Indicar ventajas y desventajas de cada uno y cuál usaríanprioritariamente en su ejercicio profesional.

6. Consultar sobre otros métodos de medición de resistividad que no usen 4 puntos oelectrodos.

7. Presentar el valor de resistencia medida de puesta a tierra de la varilla y de la tuberíade agua. Comentar acerca de cómo la longitud de la varilla se refleja en la resistenciay en el caso de la tubería cómo afecta la cantidad de metal enterrado a la resistencia.

8. Conclusiones y recomendaciones

9. Referencias:

[1] “Fundamentos e ingeniería de las puestas a tierra. Respuestas ante fallas eléctricas yrayos” Germán Moreno, Jaime Valencia, Carlos Cárdenas, Walter Villa. 2007