Ing. ABEL C. CATAY BUITRONIng. ABEL C. CATAY BUITRON UNCP UNCP -- FIEEFIEE 11

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU

FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA

METROLOGIA E INSTRUMENTACION ELECTRICA

RESISTIVIDAD ELECTRICA DE SUELOSRESISTIVIDAD ELECTRICA DE SUELOS

Ing. ABEL C. CATAY BUITRON

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RESISTIVIDAD ELECTRICA DE LOS CUERPOSRESISTIVIDAD ELECTRICA DE LOS CUERPOS

La resistividad elctrica de un material describe la dificultad que encuentra la corriente a su paso por l.

La resistencia elctrica que presenta un conductor homogneo viene determinada por la resistividad del material que lo constituye y la geometra del conductor.

As, para un conductor rectilneo y homogneo de seccin ss y longitud ll, la resistencia elctrica es:

slR = Y la resistividad

lRs=

La unidad de resistividad en el SI es el Ohm por metro ( . m)

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En la realidad todo los cuerpos son elctricamente conductores, porque permiten en mayor o menor medida, el paso de portadores de cargas elctricas.

Estos portadores pueden ser electrones o iones (positivos o Estos portadores pueden ser electrones o iones (positivos o negativos). Entonces debemos distinguir dos tipos de negativos). Entonces debemos distinguir dos tipos de conductividad: electrnica e inica.conductividad: electrnica e inica.

Los metales y semiconductores son cuerpos con conductividad electrnica.

Los cuerpos con conductividad inica se conocen como Los cuerpos con conductividad inica se conocen como electrolitos, y se pueden presentar en forma gaseosa. (enlaces electrolitos, y se pueden presentar en forma gaseosa. (enlaces covalentes)covalentes)

Definicin de la Norma DGE: Definicin de la Norma DGE: TERMINOLOGIA EN ELECTRICIDADTERMINOLOGIA EN ELECTRICIDAD

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RESISTIVIDAD ELECTRICA DEL SUELORESISTIVIDAD ELECTRICA DEL SUELO

Por su propia naturaleza la tierra Por su propia naturaleza la tierra podra ser considerada como un podra ser considerada como un perfecto conductorperfecto conductor de la electricidad y su resistencia viene de la electricidad y su resistencia viene determinada por la resistividad de su capa superior, es decir, edeterminada por la resistividad de su capa superior, es decir, el l suelo.suelo.En la realidadEn la realidad, , el suelo en s mismo es un buen aislanteel suelo en s mismo es un buen aislante (gran (gran contenido de oxido de silicio y oxido de aluminio, altamente contenido de oxido de silicio y oxido de aluminio, altamente resistivos)resistivos), solamente llega a hacerse conductor (con pocas , solamente llega a hacerse conductor (con pocas excepciones) por el contenido de electrolitos, el cual consiste excepciones) por el contenido de electrolitos, el cual consiste de de minerales y sales disueltasminerales y sales disueltas en agua (suelo hmedo).agua (suelo hmedo).

El agua desmineralizada es un aislante y solamente es El agua desmineralizada es un aislante y solamente es conductora cuando contiene sales solubles en ella.conductora cuando contiene sales solubles en ella.

Si se explica el tema desde el punto de vista de la conductividaSi se explica el tema desde el punto de vista de la conductividad d (1/(1/), estamos ante un fenomeno basicamente electroquimico o ), estamos ante un fenomeno basicamente electroquimico o electrolitico, entonces va a depender de la cantidad de agua electrolitico, entonces va a depender de la cantidad de agua depositada, nivel de humedad, y la cantidad de sales.depositada, nivel de humedad, y la cantidad de sales.

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El efecto del agua en la resistividad del suelo depender de la El efecto del agua en la resistividad del suelo depender de la cantidad de sales disueltas. cantidad de sales disueltas. Y viceversa?Y viceversa?

Consiguientemente la resistividad del suelo depender de las condiciones climticas, de su habilidad para retener el agua, desu compactacin, etc.

La conducciLa conduccin del terreno es fundamentalmente electroqun del terreno es fundamentalmente electroqumica !mica !

Los terrenos no son uniformes y presentan capas diferentes. Por ello cuando se mide la resistividad se esta midiendo la resistividad aparente.

La mejor evaluacin ser medir la resistividad de cada capa sus profundidades y espesores.

A medida que aumenta el tamao de las partculas del terreno aumenta la resistividad. La grava tiene mayor resistividad que la arena, y sta mayor resistividad que la arcilla.

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La resistividad de los suelos () se expresa en -m, que corresponde a la resistencia de 1 ohm de un cubo de 1 m3 de suelo o aguas medidos entre sus paredes laterales.

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FACTORES QUE DETERMINAN LA RESISTIVIDAD DE LOS SUELOS

9 Naturaleza de los suelos.9 La humedad9 La temperatura del terreno9 La concentracin de sales disueltas.9 La compactacin del terreno.9 La estratificacin del terreno.

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NATURALEZA DE LOS SUELOSNATURALEZA DE LOS SUELOS

Los suelos pueden ser buenos, regulares o malos conductores de la corriente elctrica dependiendo de su naturaleza. Sin embargo, dado los volmenes que entran en juego, es posible conseguir unaconduccin aceptable. Suelos arcillosos, arenosos y rocosos algunas veces tienen una resistencia elevada, por lo que pueden considerarse como conductores pobres.

La GRANULOMETRIA se relaciona con el tamao del grano que compone predominantemente el suelo y sus caractersticas higroscpicas (absorcin) y retencin del agua.

El efecto de esta condicin es:

ResistividadResistividadVolumen granoVolumen grano

Grado de unin (Compactacin) Grado de unin (Compactacin) Forma de cristalesForma de cristales

Tamao de granoTamao de grano

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Para el diseo e instalacin de una sistema de puesta a tierra el primer paso debe ser el conocimiento del terreno.

La resistividad del terreno define la resistencia de puesta a La resistividad del terreno define la resistencia de puesta a tierra de un electrodo.tierra de un electrodo.

)( electrododelticaCaracterisfRPT =

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VALORES ORIENTATIVOS DE LA RESISTIVIDAD EN FUNCION DEL TERRENOVALORES ORIENTATIVOS DE LA RESISTIVIDAD EN FUNCION DEL TERRENO

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Fuente: MANUAL THOR-GEL

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Cdi

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VALORES MEDIOS APROXIMADOS DE LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO

FORMULAS SIMPLIFICADAS PARA ESTIMAR LA RPT EN FUNCION DE LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO Y LAS CARACTERISTICAS DEL ELECTRODO

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LA HUMEDADLA HUMEDAD

La resistividad de un terreno tiene relacin directa al porcentaje de humedad que ste presenta (estado hidromtrico).

Al aumentar la humedad disminuye la resistividad. Al disminuir la humedad aumenta la resistividad. Esta relacin no es lineal porque la resistividad presenta saturacion cuando el porcentaje de humedad aumenta.

Resistividad de un terreno arcilloso en funcin de la humedad del suelo h.

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Debido a que la conduccin de corriente es mayormente electroltica, la humedad facilita la disociacin de las sales en ionesla humedad facilita la disociacin de las sales en ionespositivos y negativos; al haber ms humedad hay mayor conductividad y por lo tanto menor resistividad.

Variacin de la resistividad en funcin de la humedad.

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Muchas veces, una manera de reducir la resistencia de puesta a tierra es humedeciendo el terreno a lo largo del tiempo, logrando as valores bajos de resistividad. Hay algunas instalaciones quetiene prevista una tubera de agua, la que utilizan para mantener una concentracin de humedad en todas las pocas y durante aos; manteniendo valores bajos de resistividad.

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TEMPERATURATEMPERATURA

Como caracterstica de una resistencia, la resistividad del terreno aumenta cuando se incrementa la temperatura, pero cuando se esta a 0 C y menos la resistividad aumenta bruscamente. El hielo se comporta como aislante.

Poca incidencia para temperaturas superiores al punto de congelamiento !

En lugares fros o glidos se deben instalar puestas a tierra a mayor profundidad para evitar temperaturas de congelamiento.

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La resistividad del suelo es aproximadamente independiente de latemperatura hasta que alcanza el punto de congelamiento; en ese momento la resistividad del suelo se incrementa muy rpidamente pareciendo que no hay virtualmente ningn contacto con la tierra, la razn de ello es debido a que no hay disociacin de sales.

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CONCENTRACION DE SALES DISUELTASCONCENTRACION DE SALES DISUELTAS

La mayor concentracin de sales disueltas, mejora notablemente la conductividad. La resistividad disminuye.

Las lluvias o riego excesivo lavan las sales contenidas en la pLas lluvias o riego excesivo lavan las sales contenidas en la poza!oza!

Tambin la concentracin de sales disueltas se satura como la humedad y en ste punto un mayor incremento contribuye mnimamente a disminuir la resistividad del terreno.

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Variacin de la resistividad en funcin al contenido de sales.

El contenido de sales produce una menor resistividad nter granular, lo cual permite circular corrientes con mayor facilidad y adems, la sal (NaCl) es un material que absorbe con facilidad la humedad (higroscopico) al igual que el cemento y el carbn vegetal, pero..

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COMPACTACION DEL TERRENOCOMPACTACION DEL TERRENO

Cuando el terreno est mas compactado disminuye la resistividad.Implica un mayor contacto entre el electrodo y el terreno.

El grado de compactacin altera el valor de la resistividad, debido a la unin de los granos.

Relacin directa al almacenamiento de agua, y

Relacin inversa a intersticios de aire.

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ESTRATIFICACION DEL TERRENOESTRATIFICACION DEL TERRENO

El suelo esta formado por estratos (capas) a diferentes profundidades y con diferentes resistividades. Debido a la formacin geolgica, generalmente son paralelas a la superficie.

La instalacin de una puesta a tierra en una capa de mayor resistividad conduce a una alta resistencia de puesta a tierra.

Para el conocimiento de las resistividades de las capas necesariamente debern realizarse mediciones para poder determinar el valor de la futura puesta a tierra.

Entonces la resistividad del terreno depende de las caractersticas de las capas.

Anisotropa o grado de desorden

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COMPORTAMIENTO DE LAS CAPAS DE UN TERRENOCOMPORTAMIENTO DE LAS CAPAS DE UN TERRENO

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Otros factores del suelo que tienen una repercusin directa en lo que respecta al diseo de SPAT:

Permitividad ()Tiene repercusin directa en el comportamiento transitorio.

Factor de ionizacin (particular de cada tipo de suelo)

Implica la ionizacin de suelo (Efecto corona) por la aplicacin de una alta intensidad de campo elctrico.

PH

Influye significativamente en la vida til del SPAT por corrosin.

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MEDICIN DE LA RESISTIVIDAD DEL TERRENOMEDICIN DE LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO

La medicin de la resistividad del terreno es la razn ms importante para los electricistas al disear sistemas de puesta a tierra.

La resistividad es un factor determinante en el valor de resistencia a tierra que pueda tener un electrodo enterrado, se podra determinar a que profundidad debe ser enterrado el mismo para obtener un valor de resistencia bajo.

La resistividad puede variar ampliamente en terrenos que tengan las mismas caractersticas, su valor cambia con las estaciones, el contenido de electrolitos: humedad, minerales y sales disueltas.Tambin es influenciada por la temperatura.

Un suelo seco tiene un alto valor de resistividad si no contiene sales solubles. (sales comerciales).

)(* electrododelticascaractersfRPT =

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CONSIDERACIONES PARA LA MEDICIONCONSIDERACIONES PARA LA MEDICION

Al margen de otras consideraciones, el instrumento de medida deber ser de corriente alterna por las siguientes razones:

A. La aplicacin de C.D. en el agua con sales disueltas podra dar lugar a fenmenos electrolticos que confundiran los resultados.

B. En el suelo a veces estn presentes corrientes parsitas o vagabundas (fugas a tierra) a frecuencia del sistema elctrico (60 50 Hz). Particularmente en las inmediaciones de instalaciones de potencia, stas podran falsear la medida.

Empleando corriente alterna en la medida a una frecuencia diferente a la industrial (60 Hz), puede sintonizarse la respuesta del equipo de modo que resulte improbable la influencia externa.

Para la medicin de la resistividad del terreno y la resistencia de tierra ser conveniente realizar las mediciones con el terreno seco, por lo menos a una semana despus de la ltima lluvia.

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El mtodo ms utilizado por los electricistas para realizar las El mtodo ms utilizado por los electricistas para realizar las mediciones es el de mediciones es el de WennerWenner. (Desarrollado por Frank Wenner en . (Desarrollado por Frank Wenner en 1915)1915)

Para la medicin se disponen 4 electrodos en lnea recta y equidistantes una distancia "a", simtricamente respecto al punto en el que se desea medir la resistividad del suelo, posteriormente, el equipo de medida es un telurmetro de cuatro terminales, los electrodos externos son los de inyeccin de la corriente y los centrales los encargados de medir la cada de potencial (en funcinde la resistencia y la corriente inyectada).

A number ofmeasuringtechniques are described in detail in IEEE Std 81-1983.

Wenner four-pinmethod

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11

12 rIV =

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Sinptico del medidor de tierras

Disposicin habitual del mtodo de Wenner

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El valor obtenido con la medicin es sustituido en la expresin obtenindose un valor promedio de resistividad aparente a una resistividad aparente a una profundidad equivalente a la distancia "a" entre los electrodosprofundidad equivalente a la distancia "a" entre los electrodos:

Donde:

a : Distancia entre electrodos en metrosb : Profundidad del electrodo en metrosR : Valor de resistencia obtenido en la medicin con el telurmetro (R = V/I)

Si a > 20b la expresin anterior se puede aproximar a:

(con a en m )(con a en pies)

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OTRAS DISPOSICIONES DE LOS ELECTRODOS EN OTRAS DISPOSICIONES DE LOS ELECTRODOS EN

EL METODO DE WENNER PARA OBTENER EL METODO DE WENNER PARA OBTENER

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Mtodo de Schlumberger para la medicin de Mtodo de Schlumberger para la medicin de resistividad de suelos.resistividad de suelos.

En este mtodo las picas, varillas o barras tambin se ubican en lnea recta. Respecto del centro de la medicin, las varillas de corriente y de tensin equidistan una longitud L y s respectivamente.

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La longitud L representa, en este mtodo, la evaluacin de la resistividad del suelo a la profundidad L.

Tambin este mtodo conduce a la determinacin de una resistividad aparente a que representara la de un terreno homogneo.

La siguiente expresin calcula a en funcion a los parametros: resistencia medida por el terrometro, y las separaciones entre picas de tensin y corriente.

)(25,0

2

metroOhmI

ssLV

=

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Con este mtodo la medicin de resistividad es mas gil y es usado en lugares donde no hay mayor espacio, ya que solo se varia la distancia entre las varillas de corriente.

Se necesita contar con instrumentos de mayor sensibilidad, porque a mayores profundidades de evaluacin el telurmetro medir pequeas resistencias (< 1 ohm).

Otra configuracin que se debe confrontar con la anterior es:

En este caso la resistividad resulta:

mabRb

+= 1

Generalmente la relacin b/a debe ser un numero entero.

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Criterios prcticos a tener en cuenta al Criterios prcticos a tener en cuenta al medir la resistividad del terreno:medir la resistividad del terreno:

9 La profundidad de los electrodos no debe sobrepasar 30 cm.

9 Es conveniente que se realicen mediciones en diferentes direcciones para un mismo sondeo, por ejemplo de Norte a Sur y de Este a Oeste, debido a las caractersticas de anisotropa de los suelos.

9 Al elegir la profundidad de exploracin no se recomiendan profundidades mayores a los 8 metros puesto que es muy difcil poder llegar con las tomas de tierra hasta esos niveles, esto implica separaciones interelectrdicas hasta 11 metros.

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9 No es conveniente que las mediciones se realicen donde existan tomas de tierra o tuberas. Se obtienen resultado errados.

9 Si se quiere conocer la resistividad existente en una puesta a tierra, es obligatorio realizar la medicin en una zona cercana a la misma, con caractersticas similares y con la misma conformacin geolgica.

9 Al realizar las mediciones en diferentes direcciones, (norte-sur, este-oeste, etc.) los valores de resistencia obtenidos para cada separacin entre electrodos apueden ser promediados, no pueden ser promediados valoresobtenidos con diferentes a.

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Con estos valores obtenidos se traza la curva de resistividad, por la cual se selecciona, a que profundidad deben ser enterrados los electrodos.

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Medidas realizadas en el terreno adyacente a las pozas de PT de Ing. Qumica

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Ing. ABEL C. CATAY BUITRONIng. ABEL C. CATAY BUITRON UNCP UNCP -- FIEEFIEE 4545

MODELAMIENTO DE SUELOSMODELAMIENTO DE SUELOS

Interpretacin de las medidas de resistividad del suelo realizadas en el campo es la parte mas difcil del proceso de determinacinde la resistividad. El objetivo fundamental es obtener un modelodel suelo que sea aproximadamente igual al suelo existente. Tngase en cuenta la anisotropa de los suelos.

Los modelos de suelo mas utilizados es el modelo de suelo uniforme y el modelo de suelo de dos capas. El modelo de dos capas es un aproximado de muchas estructuras de suelo, los modelos de mltiples capas son utilizados para suelos mas complejos.

Un modelo de suelo uniforme se utiliza solo cuando existe una variacin moderada en la resistividad aparente, que raramente existe.

Una representacin mas exacta de un suelo es el modelo de dos capas que consiste en una capa superior de profundidad finita y una capa inferior de profundidad infinita, ambas de diferente resistividad.

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SUPOSICION DE SUELO UNIFORMESUPOSICION DE SUELO UNIFORME

Un modelo de suelo uniforme se puede utilizar en ves de uno de dos capas cuando no se tenga las herramientas de calculo. Un aproximado de suelo uniforme se puede tener tomando el promedio aritmtico de las resistividades aparentes.

Modelo de suelo a dos capas.

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Ejemplo de modelo de suelos: se modelar el suelo con las resistividades aparentes medidas.

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Parametros iniciales- Resistividad 1ra capa: 600.00 Ohm-m- Resistividad 2da capa: 100.00 Ohm-m- Profundidad 1ra capa: 2.000 m

Convergencia alcanzada.

Parametros estimados- Resistividad 1ra capa: 273.59 Ohm-m- Resistividad 2da capa: 45.04 Ohm-m- Profundidad 1ra capa: 2.055 m

Valores estimados versus valores medidos Med. Separacion Ohm-m No. metros Medido Estimado Dif(%)++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++ 1 1.000 238.76 260.95 9.29 2 2.000 251.33 211.94 -15.67 3 3.000 150.80 156.19 3.58 4 5.000 254.47 87.19 -65.73 5 6.000 52.78 70.97 34.46 6 7.000 105.56 61.40 -41.83

Suelo homogneo?Suelo homogneo?

Ing. ABEL C. CATAY BUITRONIng. ABEL C. CATAY BUITRON UNCP UNCP -- FIEEFIEE 4949

32532588

41241266

36036077

45345333

43043055

40040044

47547522

52252211

Resistividad Resistividad (ohm(ohm--m)m)

Reparacin Reparacin (m)(m)

Parametros iniciales- Resistividad 1ra capa: 600.00 Ohm-m- Resistividad 2da capa: 100.00 Ohm-m- Profundidad 1ra capa: 2.000 m

Convergencia alcanzada.

Parametros estimados- Resistividad 1ra capa: 493.59 Ohm-m- Resistividad 2da capa: 232.52 Ohm-m- Profundidad 1ra capa: 4.194 m

Valores estimados versus valores medidos Med. Separacion Ohm-m No. metros Medido Estimado Dif(%)++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++ 1 1.000 522.00 492.01 -5.74 2 2.000 475.00 482.30 1.54 3 3.000 453.00 462.74 2.15 4 4.000 400.00 436.70 9.17 5 5.000 430.00 408.61 -4.97 6 6.000 412.00 381.68 -7.36 7 7.000 360.00 357.56 -0.68 8 8.000 325.00 336.86 3.65

Suelo homogneo?Suelo homogneo?