sistema puesta a tierra
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Sistema Puesta a Tierra
Monografía
INDICE GENERAL
PORTADA
INDICE DE CUADROS
INDICE DE FIGURAS
RESUMEN
INTRODUCCIÓN
DESARROLLO DEL TEMA
CAPITULO
I GENERALIDADES
CAPITULO
II RESISTIVIDAD DEL SUELO
Métodos de Medición
Perfil de Resistividad del Suelo
CAPITULO
III RESISTENCIA DEL SUELO
Métodos de Medición
CAPITULO
III RESISTENCIA DE LOS ELECTRODOS
CONCLUSIONES
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
REFERENCIAS ELECTRONÍCAS
Pp.
1
iii
iv
v
2
4
6
10
19
20
23
32
40
42
43
ii
INDICE DE CUADROS
Cuadro
1. Valores de resistividad de algunos materiales
2. Resistividad v.s % de humedad en un suelo arenoso
3. Naturaleza del Terreno y sus Resistividad
4. Tipo de electrodos y su Resistencia a Tierra
5. Como obtener la resistencia de un electrodo
6. Tipos de Electrodo
7. Métodos de Medición
Pp.
6
10
32
33
33
34
37
iii
INDICE DE FIGURAS
Figura
1. Suelo y Aire como medios semi-infinitos
2. Ubicación de Cuatro Electrodos para Medir Resistividad
3. Direcciones para la Medición de Resistividad
4. Electrodo Hemisférico de Radio a
5. Método de la Caída Potencial
6. Telurómetro
Pp.
12
13
17
21
24
30
iv
RESUMEN
Los Sistemas Puesta a tierra se han convertido desde sus inicios en parte esencial de
cualquier instalación eléctrica, llegando a constituirse como parte indispensable de la
misma, y para ello se hace uso de una variedad de componentes, que configuraran el
Sistema Puesta a Tierra según las necesidades y determinaciones que arrojen los
estudios aplicados al Suelo y a los materiales a utilizar en la zona donde se vaya a
instalar. Estos estudios se realizan a través de métodos especializados de medición que
hacen que los Sistemas de Puesta a Tierra sea un sistema capaz de drenar de la forma
eficiente las corrientes perjudiciales o no deseadas, corrientes electromagnéticas y
electrostáticas a la tierra, actuando esta como el más grande neutralizador de estas
cargas.
La implementación de los sistemas de puesta a tierra, en sus comienzos requiere
someter a estudios previos los elementos que lo conformaran, y para ellos se aplican una
serie de métodos especializados de medición que nos permiten determinar los grados de
corrientes, como lo son: la resistividad del suelo, la resistencia del terreno así como la
resistencia de electrodos. La resistencia del electrodo, resulta ser un factor característico
donde la forma y dimensiones del electrodo que se escoja implantar, determinan la
resistencia de tierra que esté presente, elemento que varia también según la resistividad
natural del terreno en el que se establecerá, tomando en cuenta que la resistividad de
dicho suelo varía de acuerdo a las características del terreno. Igualmente la medición de
la resistencia de tierra ofrece determinar la resistencia del terreno con respecto a la
corriente, en un sistema de puesta a tierra.
v
INTRODUCCION
Actualmente se trata establecer como conocimiento general, que la mayoría de los
sistemas eléctricos necesitan ser aterrizado, práctica que posiblemente se inició con los
primeros experimentos eléctricos. Donde la estática se descargaba mediante una
conexión a una placa que estaba en contacto con la masa general de la tierra. La práctica
ha continuado y se ha desarrollado progresivamente, de modo que tales conexiones a
tierra se encuentran en casi todos los puntos en el sistema eléctrico.
No obstante, aún cuando la puesta a tierra constituye una parte exclusiva del sistema
eléctrico, permanece en general como un tema escasamente comprendido por muchas
personas e incluso ingenieros o profesionales calificados. Se puede decir que en los
últimos años han existido grandes desarrollos en el modelamiento de sistemas de puesta
a tierra, tanto a frecuencia de potencia así como superiores, esto principalmente
facilitado por los nuevos recursos y procedimientos de los avances en tecnologías
computacionales. Esto ha aumentado el entendimiento del tema, de igual manera el
manejo de los conceptos de un sistema puesta a tierra y una necesidad que esto se
traspase a los diseñadores como a los instaladores, de modo que pueda lograrse un
mayor conocimiento de la temática. Se debe precisar que un sistema de puesta a tierra
oficialmente se entiende por una conexión eléctrica a la masa general de la tierra, siendo
esta última un volumen del terreno, entre sus otras características o materiales.
Ahora bien, existen factores que intervienen para el funcionamiento e instalación
correcta de un sistema puesta a tierra donde, es importante reconocer que las
características del terreno afecta el comportamiento del sistema de puesta a tierra. Se
puede decir que una característica importante del suelo es su resistividad, el cual se mide
2
en ohm-metro. El cálculo de la resistividad del suelo cumple con una gran función, de
igual manera ocurre con las resistencia de los electrodos de tierra que no son más que
parte importante de los componentes que contiene un sistema de puesta a tierra, estos
están en contacto directo con el terreno y así proporciona un medio para encapsular o
recibir cualquier tipo de corrientes de fuga. Cabe resaltar que generalmente el concepto
de resistencia es asociado al de un elemento con dos terminales claramente definidos,
que permiten su conexión eléctrica dentro de un circuito o una red, claro está en el caso
de un SPAT solo se dispone de un terminal el punto de conexión al terreno mediante el
la puesta a tierra.
Al respecto la investigación que se presenta tiene como objetivo, el estudio general de
los siguientes factores que influyen en un sistema puesta a tierra como los son: la
resistividad del suelo, la resistencia del suelo y por último la resistencia de los
electrodos, esperando conseguir por medio de esta investigación documental, las
herramientas necesarias para lograr comprender el tema en su totalidad.
3
GENERALIDADES
En este capítulo se darán las definiciones de los conceptos más esenciales que se
deben conocer para poder entender el lenguaje que será manejado durante la
investigación documental.
Anillos de enlace con tierra. El anillo de enlace con tierra está formado por un
conjunto de conductores que unen entre sí los electrodos, así como con los puntos de
puesta a tierra. Suelen ser de cobre de al menos 35 mm2 de sección.
Conductor de Puesta a Tierra. Es aquel conductor de un circuito que se conecta a
tierra intencionalmente. Este conductor garantiza la conexión física entre las partes
metálicas expuestas a alguna falla y la tierra. Por medio de este conductor circula la
corriente no deseada hacia la tierra.
Electrodo de Puesta a Tierra. Es un cuerpo metálico conductor desnudo que va
enterrado y su función es establecer el contacto con la tierra física.
Factores que afectan la resistividad del terreno. En la resistividad del terreno
influyen varios factores que pueden variarla, entre los más importantes se encuentran:
naturaleza del terreno, humedad, temperatura, salinidad, estratigrafía, compactación y
las variaciones estaciónales
Mediciones. Es comparar una magnitud con otra de la misma especie de manera
arbitraria o de manera convencional se toma como base, unidad o patrón de medida
4
Puente de Unión. Este puente es un conductor que nos sirve para proporcionar la
conductividad eléctrica entre partes de metal que requieren ser conectadas
eléctricamente.
Punto de puesta a tierra. Un punto de puesta a tierra es un punto, generalmente
situado dentro de una cámara, que sirve de unión entre el anillo de enlace y las líneas
principales de tierra.
Red de Tierra. Es la porción metálica subterránea de un sistema aterrizado que
dispara hacia la tierra todo flujo de corriente no deseado. Esta red se puede componer de
varias mallas interconectadas.
Resistencia del electrodo de tierra. La resistencia de tierra de un electrodo depende
de sus dimensiones, de su forma y de la resistividad del terreno en el que se establece.
Esta resistividad varía frecuentemente de un punto a otro del terreno, y varía también
con la profundidad.
Resistencia de Tierra. Es la resistencia que nos ofrece el terreno hacia la corriente en
un sistema de puesta a tierra, esta resistencia depende de la resistividad del terreno y
área de los conductores
Resistividad del Suelo. Es la propiedad del terreno que se opone al paso de la
corriente eléctrica, la resistividad varía de acuerdo a las características del terreno.
Sistema de Tierra. Son varios conductores desnudos que se interconectan con una o
varias mallas o electrodos enterrados.
5
RESISTIVIDAD DEL SUELO
Ha sido definida como la propiedad que tiene el suelo, para conducir electricidad,
también es conocida como la potencia específica del terreno. En su cálculo, se nivelan
los efectos de las diferentes capas que constituyen el terreno que está siendo analizado,
ya que es habitual que no sean uniformes en cuanto a su composición, obteniéndose así
la denominación de la Resistividad del Suelo.
Es importante destacar que la resistividad es un parámetro característico de los
medios conductores su unidad en el sistema MKS es el .m. El parámetro inverso la
conductividad se expresa en Siemens/m. En un entorno conductor homogéneo,
isotrópico, el valor de la resistividad es igual en cualquier punto y dirección del medio.
En el caso real de un terreno en cualquier parte del mundo es muy difícil, si no
imposible, considerar éste homogéneo. Se debe tener en cuenta que la naturaleza propia
en su constitución y por estar sometido a los efectos climáticos hacen, que existan
variaciones de su resistividad respecto a la profundidad, principalmente por la variación
del nivel freático y del grado de compactación del material que integre el terreno.
Existes diferente tipos de valores dependiendo de la naturaleza del suelo como se
muestra en la tabla 1.
Cuadro 1.
Valores de resistividad de algunos materiales
NATURALEZA DEL SUELO RESISTIVIDAD EN OHM*M
Terrenos pantanosos de algunas unidades a 30
Limo 20 a 100
6
Humus 10 a 150
Turba húmeda 5 a 100
Arcilla plástica 50
Margas y arcillas compactas 100 a 200
Margas del jurásico 30 a 40
Arena arcillosa 50 a 500
Arena silícea 200 a 3.000
Suelo pedregoso cubierto de césped 300 a 500
Suelo pedregoso desnudo 1500 a 3.000
Calizas blandas 100 a 300
Calizas compactas 1000 a 5000
Calizas agrietadas 500 a 1000
Pizarras. 50 a 300
Rocas de mica y cuarzo 800
Granitos y gres procedente de alteración 1.500 a 10.000
Granitos y gres muy alterados 100 a 600
Nota. Tomado de World Wide Web (2009)
Desde lo explicado antes se debe destacar que la resistividad del suelo depende de los
siguientes factores:
Sales Solubles. Es determinada principalmente por su cantidad de electrolitos;
esto se da, por la cantidad de humedad, minerales y sales disueltas. Como
ejemplo, para valores de 1% (por peso) de sal (NaCl) o mayores, la resistividad
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es prácticamente la misma, pero, para valores menores de esa cantidad, la
resistividad es muy alta.
Composición del Terreno. Este factor depende de la naturaleza del terreno.
Por ejemplo, el suelo de arcilla normal tiene una resistividad de 40-500 ohm-m
por lo que una varilla electrodo enterrada 3 m tendrá una resistencia a tierra de
15 a 200 ohms respectivamente. En cambio, la resistividad de un terreno rocoso
es de 5000 ohm-m o más alta, y tratar de conseguir una resistencia a tierra de
unos 100 ohm o menos con una sola varilla electrodo lo que quiere decir que es
virtualmente imposible.
Estratigrafía. Como se ha dicho el terreno obviamente no es uniforme en sus
capas. En los 3 m de longitud de una varilla electrodo típica, al menos se
encuentran dos capas diferentes de suelos.
Granulometría. Influye bastante sobre la porosidad y el poder retenedor de
humedad y sobre la calidad del contacto con los electrodos aumentando la
resistividad con el mayor tamaño de los granos de la tierra. Por esta razón la
resistividad de una piedra es superior a la de la arena y de que ésta sea mayor
que la de la arcilla.
Estado Higrométrico. El contenido de agua y la humedad influyen en forma
apreciable. Su valor varía con el clima o dependiendo de las épocas del año,
profundidad y el nivel freático. Como ejemplo, la resistividad del suelo se eleva
considerablemente cuando el contenido de humedad se reduce a menos del 15%
del peso de éste. Pero, un mayor contenido de humedad del 15% mencionado,
causa que la resistividad sea prácticamente constante. Y, puede tenerse el caso
de que en tiempo de secas, un terreno puede tener tal resistividad que no pueda
ser empleado en el sistema de tierras. Por ello, el sistema debe ser diseñado
tomando en cuenta la resistividad en el peor de los casos.
Temperatura. Se debe tener en cuenta que a medida que desciende la
temperatura aumenta la resistividad del terreno y ese aumento se nota aún más al
llegar a 0° C, hasta el punto que, a medida que es mayor la cantidad de agua en
8
estado de congelación, se va reduciendo el movimiento de los electrolitos los
cuales influyen en la resistividad de la tierra.
Anisotropía: Se refiere a que esta puede variar dependiendo de la dirección en
que se mida. Esta propiedad depende: Los materiales del subsuelo y de la
estratigrafía de terreno.
Compactación. La resistividad del terreno disminuye al aumentar la
compactación del mismo. Por ello, se procurará siempre colocar los electrodos en
los terrenos más compactos posibles.
Variaciones estaciónales. Las estaciones también intervienen en el valor de la
resistividad de un terreno ya que en una estación calurosa como lo es primavera
el terreno estará más seco que si se tuviera una estación con muchas lluvias y
por esto los valores cambiarían según la estación del año en que nos encontremos
es por esto que se recomienda hacer varias mediciones en diferentes estaciones
del año para determinar la resistividad promedio.
Otros Factores como: objetos enterrados, compactación, grandes potenciales y
grandes Corrientes.
Desde lo abordado anteriormente se puede deducir que el tipo de suelo, composición
química, estratificación y compactación del material son propiedades inherentes de la
formación geológica del suelo en un sitio determinado; aunque no permanecen
constantes su variación depende de cambios a largo plazo, por lo tanto pueden asumirse
como constantes a la hora de diseñar un Sistema Puesta a Tierra.
Por el contrario el porcentaje de humedad, la temperatura, la composición química de
las sales disueltas y su concentración son factores variables a la hora de considerar el
diseño de un SPAT. En la medida que el porcentaje de humedad por peso se incrementa,
la resistividad del suelo disminuye hasta un cierto punto a partir del cual se hace casi
independiente del grado de humedad. A continuación se reproduce información tomada
de la referencia [1], sobre la variación de un suelo arenoso en función del porcentaje de
humedad. Ver cuadro 2.
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Cuadro 2.
Resistividad v.s % de humedad en un suelo arenoso [1]
humedad
0,0 2,5 5,0 10,0 15,0 20,0 30,0
ρ(Ω.m) 10000000 1500,0 430,0 185,0 105,0 63,0 42,0
Nota. Tomado de Kindermann, G., Campagnolo, J.M (1992)
Referente a temperaturas por debajo del punto de congelación del agua la resistividad
se incrementa debido a que el hielo es un medio de baja conductividad. A temperaturas
elevadas el agua comienza a evaporarse, lo que obviamente incrementa la resistividad.
La composición química de las sales disueltas y su concentración pueden variar
naturalmente por efecto de las lluvias, y de las variaciones químicas en el material
superficial del suelo. El agua al penetrar en el suelo arrastra nuevos elementos químicos
y diluye la concentración de los existentes.
También puede hacerse una variación artificial de estos factores mediante la
colocación de componentes adicionales, por ejemplo sal, en forma concentrada en
puntos estratégicos o mediante una solución diluida que se riega sobre el terreno a tratar.
Para fines de diseño de un SPAT se debe tomar la información del terreno obtenida bajo
las condiciones más desfavorables. Es evidente que esta información debe ser recopilada
en la temporada de sequía.
Métodos de Medición de la Resistividad del Suelo
Con respecto a la medición de la resistividad del suelo, se calcula fundamentalmente
para encontrar la profundidad y grueso de la roca en estudios, así como para encontrar
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los puntos óptimos para localizar la red de tierras de una subestación, sistema
electrónico, planta generadora o transmisora de radiofrecuencia. Asimismo puede ser
empleada para indicar el grado de corrosión de tuberías subterráneas. En general, los
lugares con resistividad baja tienden a incrementar la corrosión. En este punto es
necesario aclarar que la medición de la resistividad del terreno, no es requisito para
hacer un electrodo de puesta a tierra. Aunque para diseñar un sistema de tierras de gran
tamaño, es aconsejable encontrar el área de más baja resistividad para lograr una
instalación un poco más económica.
Desde esa perspectiva, el perfil de la resistividad del suelo determinará el valor de la
resistencia a tierra y la profundidad de nuestro sistema de puesta a tierra. Para medir la
resistividad del suelo se requiere de un telurómetro o Megger de tierras de cuatro
terminales. Los aparatos de mayor uso, de acuerdo a su principio de operación, pueden
ser de 2 tipos: del tipo de compensación de equilibrio en cero y el de lectura directa. Los
terrómetros son analógicos o digitales y deben contener 4 carretes de cable calibre 14
AWG normalmente.
Para enrrollamiento rápido se recomienda construir un sistema devanador que permita
reducir el tiempo de la medición. También traen 4 electrodos de material con la dureza
suficiente para ser hincados en la tierra con marro. Son de una longitud aproximada de
60 cm y un diámetro de 16 mm. Además de lo anterior se hace necesario contar con una
cinta no metálica de 50 m aproximadamente. Los terrómetros tienen cuatro terminales 2
de corriente (C1, C2) y 2 de potencial (P1, P2) y están numerados en el aparato C1 P1
P2 C2. Los terrómetros deben estar certificados y probados en el campo con una
resistencia antes de realizar las mediciones.
Estos aparatos deben inyectar una corriente de frecuencia que no sea de 60 Hz para
evitar que se midan voltajes y corrientes que no se deban específicamente al dispositivo
sino a ruidos eléctricos. Un ejemplo puede ser, si se está cerca de una subestación o de
una línea en servicio, y se va a realizar mediciones de resistividad y resistencia de tierra,
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con un aparato de 60 Hz, dichos sistemas van a inducir corrientes por el suelo debido a
los campos electromagnéticos de 60 Hz y darán una lectura errónea. De igual manera
sucede cuando los electrodos de prueba están mal conectados o tienen falsos contactos,
darán señales falsas de corriente y voltaje. Si hay corrientes distintas a las que envió el
aparato, éste leerá otras señales de voltaje y corriente que no son las adecuadas. También
estos aparatos de repente tienen oscilaciones en sus lecturas y no es posible leerlas.
Un aparato inteligente, lleva conductores blindados, coaxiales, tiene sistemas de
filtraje, de análisis y mide lo que halla, pero esa información la analiza, la filtra y luego
la deduce. Por ejemplo, para hacer una medición manda una señal de 100 Hz y mide;
luego manda otra señal de 150 Hz y vuelve a medir y puede seguir enviando otras altas
frecuencias hasta que los valores van siendo similares, forma una estadística y obtiene
un promedio, lo que quiere decir que para utilizar un terrómetros se deben mantener los
cálculos de corriente adecuados para bajar el margen de errores. De sebe tener presente
que para el cálculo de la resistividad del suelo en un sitio determinado, se asumirá que el
suelo es un medio conductor semi-infinito que limita con el aire, al cual consideraremos
como un medio semi-infinito perfectamente aislante. En primer lugar se estudiará el caso
de un terreno homogéneo. Si inyectamos una corriente al terreno mediante un electrodo
muy pequeño, con un electrodo de retorno de la corriente situado a una distancia muy
lejana, la distribución de la corriente en el terreno tiene simetría axial respecto a un eje z
que pase por el punto de inyección de corriente. (Ver figura 1).
Figura 1.
Suelo y Aire como medios semi-infinitos [1].
Nota. Tomado de Kindermann, G., Campagnolo, J.M (1992)
12
Entonces, a una distancia r la densidad de corriente es igual a J=I/(2π r2) A/m2. El
potencial respecto a una referencia muy lejana en un punto sobre el terreno a la misma
distancia r es igual a:
(1) V = . I2r
A partir de la ecuación (1) se puede despejar el valor de la resistividad:
(2) = 2. r . .V
I
Ahora bien, si el terreno es homogéneo la relación V/I para cada distancia r debe
variar en forma tal, que el valor de resistividad obtenido mediante la ecuación (2) se
mantenga constante. Como se puede observar, para determinar la resistividad de un
terreno homogéneo se requiere medir la corriente inyectada y el potencial en un punto
cualquiera medido respecto a una referencia muy lejana, idealmente en el infinito.
Indiscutiblemente para hacer estos cálculos se requieren por lo menos de cuatro
electrodos conectados al terreno o suelo en estudio. Para hacer circular la corriente
necesitamos dos electrodos y para medir la diferencia de potencial de otros dos. Como
en la práctica las distancias de ubicación de estos electrodos son finitas, para obtener una
buena aproximación con las ecuaciones (1) y (2) se requiere que el electrodo de retorno
de la corriente se ubique a la mayor distancia posible respecto al electrodo de inyección
de la corriente. De igual forma se requiere que el electrodo auxiliar para medir la
diferencia de potencial se ubique a la mayor distancia posible del punto donde se está
midiendo el potencial. (Ver figura 2.)
Figura 2.
Ubicación de Cuatro Electrodos para Medir Resistividad [1].
Nota. Tomado de Kindermann, G., Campagnolo, J.M (1992)Se debe entender que la utilización de cuatro electrodos para medir la resistividad ha
dado origen a diferentes dispositivos para hacer las mediciones correspondientes
referencias bibliográficas [3,4]. Dos dispositivos ampliamente usados en la prospección
geoeléctrica son los conocidos por los nombres de sus autores: dispositivo Schlumberger
y el dispositivo Wenner. El primero es de origen europeo y el segundo de origen
americano. La diferencia fundamental entre ambos es la distancia de ubicación de los
electrodos de medición de potencial. Ambos dispositivos tienen como premisa la
ubicación alineada de los electrodos de corriente y potencial.
Como resultado, el método Wenner dice: que si la distancia enterrada (B) es pequeña
comparada con la distancia de separación entre electrodos (A), la siguiente formula se
puede aplicar:
= 2 . . A . R
Donde
p : Resistividad promedio a la profundidad (A) en ohm-m
PI : 3.1415926
A : Distancia entre electrodos en metros.
R : Lectura del terrómetro en ohms.
Por lo tanto el método de Schlumberger se puede explicar de manera concisa que el
método de Schlumberger es una modificación del método de Wenner, ya que también
emplea 4 electrodos, pero en este caso la separación entre los electrodos centrales o de
potencial (a) se mantiene constante, y las mediciones se realizan variando la distancia de
los electrodos exteriores a partir de los electrodos interiores, a distancia múltiplos (na)
de la separación base de los electrodos internos (a). La configuración, así como la
expresión de la resistividad correspondiente a este método de medición se muestra en la
figura.
= 2 . .R(n + 1). na
14
13
Se debe señalar que en el dispositivo Schlumberger MN permanece fija e idealmente
debería ser los mas pequeña posible dentro de los límites prácticos, de acuerdo a la
figura 2: MN<<AB. En el dispositivo Wenner la distancia entre los electrodos es igual,
independientemente que estos sean de potencial o corriente. De acuerdo a la figura 2:
AM=MN=NB ó MN=AB/3.
Como puede observarse en la figura 2, la situación es diferente a la de la figura 1 ya
que las distancias son finitas. Obsérvese que se está midiendo la diferencia de potencial
entre M y N. Si se asume que la distancia AB es lo suficientemente grande para que la
corriente se distribuya con simetría axial respecto a los electrodos de corriente, podemos
calcular la diferencia de potencial que se mediría entre los puntos M y N mediante un
voltímetro de alta impedancia. En efecto mediante (2) tomando en cuenta el efecto de la
corriente que entra por A y sale por B, por superposición se obtiene:
(3) VMN = ρ . I
2 π . r { 1AM
− 1MB
− 1AN
+ 1NB }
Para el dispositivo Wenner AM=MN=NB=a, (3) se reduce a:
(4) VMN = . I
2. a
La relación VMN/I tiene unidades de resistencia, si la denominamos R, podemos
escribirlas expresiones (3) y (4) en función de R. En algunos instrumentos diseñados
para la medición de resistividad la lectura que se obtiene es esta relación de resistencia
R. De (3) podemos despejar la resistividad en función de R y un factor dependiente de la
geometría del dispositivo Kg:
(5) ρ=2π Kg.R
Para el dispositivo Wenner Kg=a
Para el dispositivo Schlumberger Kg= { 1AM
− 1MB
− 1AN
+ 1NB }
Si hacemos 2L=AB y 2b=MN, Kg=(L2-b2)/4b.
El dispositivo Schlumberger merece un comentario adicional: la condición MN<<AB
tiene como fundamento medir el campo eléctrico. En la superficie del suelo E=-ΔV=-
(∂V/∂r)r=L, desde el punto de vista práctico esto sería equivalente a que b→0, con lo
cual Kg→L/2b e idealmente la resistividad medida sería(4):
(6) ρ = −2πL2
I (Vr )
De lo expuesto anteriormente se puede establecer una metodología para medir la
resistividad en un terreno homogéneo. Es de notar que el valor de R medido para una
primera ubicación de electrodos dada, debe variar en una forma tal que (5) arroje el
mismo resultado para una segunda ubicación de electrodos. Por ejemplo si hacemos una
medición con el dispositivo Wenner para a=5 m, y calculamos el valor de resistividad
correspondiente, si el suelo es homogéneo, se debe obtener el mismo valor para otro
valor de a diferente de 5 m, digamos 10 o 20 m.
Del mismo modo, si se conoce de antemano que el terreno es homogéneo, basta hacer
una o dos mediciones y corroborar que se obtienen los mismos resultados de
resistividad. Si no conocemos la naturaleza del suelo en estudio entonces podemos llevar
a cabo mediciones con diferentes ubicaciones de electrodos. Si los resultados obtenidos
coinciden en forma aproximada podemos concluir que el terreno es homogéneo. Una
forma más práctica de analizar los resultados es levantar una curva de campo de
resistividad en función de alguna distancia. Para el dispositivo Schlumberger se gráfica
resistividad en función de AB/2. Para el dispositivo Wenner, resistividad en función de
la distancia interelectródica a. Si la resistividad calculada mediante (5) no varía o se
mantiene casi constante podemos concluir que el terreno es homogéneo.
r = L
15
Por ello, 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 (Ver figura 3).
Figura 3.
Direcciones para la Medición de Resistividad [1].
Nota. Tomado de Kindermann, G., Campagnolo, J.M (1992)
Puesto que, las diferentes ubicaciones de los electrodos para diferentes distancias
interelectródicas podrían hacerse en las direcciones indicadas. Por ejemplo utilizando el
dispositivo Wenner podríamos llevar a cabo varias mediciones con diferentes valores de
a en la dirección 1-1'. De igual forma lo podríamos hacer en las otras direcciones, pero
cuidando que las distancias medidas para los electrodos sean hechas tomando como
referencia el centro O. Cada medición debe ser simétrica respecto a O.
Como se comentó anteriormente en general los suelos son heterogéneos, en estos
casos la resistividad calculada mediante (5) para cada ubicación de electrodos va a ser
diferente. Los valores calculados mediante (5) para un terreno heterogéneo se le conocen
en la literatura con el nombre de resistividad aparente ρa. La resistividad aparente
dibujada en función de la distancia L(Schlumberger) o a (Wenner), es la base
fundamental para la interpretación de resultados y la elaboración de un modelo
estratificado para el suelo en estudio.
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Resumiendo se puede enumerar para una mejor apreciación los pasos para llevar a
cabo las mediciones de de resistividad aparente de un suelo determinado:
Delimite la zona en estudio
Marque un punto O que será el punto de simetría para la ubicación de los
electrodos de medición: A, M, N, B, ver figura 2.
Establezca las direcciones de medición, trate de cubrir totalmente la zona en
estudio. Por ejemplo ver figura 3.
Seleccione las distancias interelectródicas. Para el dispositivo Wenner a. En el
caso del dispositivo Schlumberger se selecciona la distancia MN y se deja fija, la
distancia AB se incrementa por pasos.
Calcule la resistividad aparente de acuerdo a (5) y levante la curva respectiva.
Si existen puntos dudosos repita la medición respectiva.
Método de Medición de la Resistividad de los Cuatro Puntos
Generalmente la resistividad del terreno se mide por el método universal de cuatro
puntos desarrollado por F. Wenner en 1915. El mismo resulta el mas seguro en la
práctica para medir la resistividad promedio de volúmenes extensos de suelos naturales.
En este método se clavan en el suelo 4 electrodos pequeños dispuestos en línea recta con
la misma distancia "a" entre ellos y a una profundidad "b" que no supere 1/10 de "a"
(preferentemente 1/20 de "a"). Entonces se inyecta una corriente de medición (I) que
pasa por el terreno a través de los dos electrodos extremos y simultáneamente se mide la
caída de tensión "U" entre los dos electrodos interiores, utilizando un potenciómetro o
un voltímetro de alta impedancia interna. La teoría indica que la resistividad promedio
del suelo "" a una profundidad igual a la distancia "a" vale aproximadamente:
= 2 a U / I
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Si se efectúan una serie de mediciones realizadas a diferentes distancias "a" se puede
construir un diagrama de resistividades del suelo en función de la profundidad, que
permite detectar la existencia de distintas capas geológicas en el terreno. Cabe acotar
que en los emplazamientos donde el terreno presenta diferentes valores de resistividad
en función de la profundidad, la experiencia indica que el valor más adecuado para el
diseño del dispersor a tierra es el que se obtiene a una profundidad mayor.
Método de Medición de la Resistividad Utilizando Muestras de Suelo
La estimación de la resistividad del terreno a partir de la medición de la resistividad
de una muestra extraída del mismo, se puede realizar empleando el método de los cuatro
puntos en una caja prismática pequeña de sección transversal cuadrada, en la que se
introduce el material extraído de la probeta respectiva. Como es de esperar, el valor de
resistividad que se obtiene de esta manera resulta menos exacto que el que se obtendría
en el terreno real, pero en algunas ocasiones es el único camino posible.
Perfil de Resistividad del Suelo
Para obtener el perfil de resistividad en un punto dado, se utiliza el Método de
Wenner con espaciamientos entre electrodos de prueba cada vez mayores. Por lo
general, para cada espaciamiento se toman dos lecturas de resistividad en direcciones
perpendiculares entre sí. La gráfica resultante de trazar el promedio de las mediciones
de resistividad (R) contra distancia entre electrodos (a) se denomina perfil de
resistividad aparente del terreno.
18
RESISTENCIA A TIERRA
La resistencia a tierra se puede definir como la resistencia que ofrece un sistema de
tierra al paso de la corriente eléctrica. Este valor de resistencia depende de la resistividad
del terreno, las características físicas del electrodo a tierra (diámetro, área, longitud,
etc.), también de la longitud y el área de los conductores.
El valor de resistencia a tierra es la resistencia ohmica entre un conductor puesto a
tierra y un punto a potencial cero. Generalmente el concepto de resistencia se asocia al
de un elemento con dos terminales claramente definidos, que permiten su conexión
eléctrica dentro de un circuito o red. En el caso de un SCT solo se dispone de un
terminal: el punto de conexión al terreno mediante el SCT. Si se considera el terreno
donde está el SCT como un plano infinito, el otro terminal de la resistencia queda
indeterminado. En la práctica este no es el caso, ya que para poder medir la resistencia
se debe inyectar corriente al SCT formando un circuito cerrado para el retorno de la
corriente.
Por otra parte aunque la estructura física de un SCT consta generalmente de barras
verticales y conductores horizontales, el concepto de resistencia a tierra se comprende
mejor considerando la forma de electrodo de conexión más sencilla de estudiar
teóricamente: un electrodo hemisférico enterrado a ras del suelo, ver figura 4.
Para fines de cálculo se asumirá al terreno como un medio conductor semi-infinito
homogéneo con resistividad ρ. La resistividad del material del electrodo se considera
mucho menor que la del terreno. Debido a la simetría del electrodo la corriente se
distribuye uniformemente sobre la superficie del mismo. (Ver Figura 4).
20
Figura 4.
Electrodo Hemisférico de Radio a [2].
Nota. Tomado de Eaton R. (1973).
En consecuencia, si se inyecta una corriente I por el centro del electrodo, el módulo
de la densidad de corriente a una distancia r será:
(1) J = I
2 π . r2
Debido a la simetría del problema el vector densidad de corriente J en coordenadas
esféricas tiene dirección radial perpendicular a la superficie del electrodo. Aplicando la
ley de Ohm en su forma puntual el módulo del vector campo eléctrico será:
(2) E = . I
2 π . r2
También el vector campo eléctrico E tendrá dirección radial. La diferencia de
potencial entre dos puntos 1 y 2 sobre la superficie del terreno ubicado a distancias r1 y
r2 del centro del electrodo, se puede calcular integrando al vector campo eléctrico a lo
largo de un camino que una los puntos 1 y 2, es decir:
(3) V12 = ∫1
2
E . dr
Escogiendo un camino radial sobre la superficie del terreno desde 1 hasta 2, los
vectores E y dr son paralelos a lo largo de este camino. En consecuencia el producto
escalar dentro de la integral se reduce al producto de los módulos de los vectores
mencionados.
(4) V12 = ∫1
2I
2π . r2 dr= ρ. I2 π { 1
r1
+ 1r2}
Las superficies equipotenciales dentro del terreno son superficies hemisféricas con
centro coincidente con el del electrodo hemisférico. Si en la expresión (4) se hace que
r2→∞ solamente queda el potencial del punto 1 respecto a una referencia ubicada en el
infinito, es decir V1 = ρ. I /(2πr1). En consecuencia todos los puntos ubicados a una
distancia r1 tendrán el mismo potencial respecto a ese punto remoto. Para r = a se
obtiene el potencial del electrodo respecto a un punto ubicado a una distancia muy
grande, teóricamente en el infinito, es decir:
(5) Va = . I
2 π .a
Obviamente de (5) se puede obtener un valor de resistencia definido como la relación:
(6) R = 2 π .a
La corriente I inyectada en el electrodo de conexión a tierra, se puede considerar
como si fuera inyectada por una fuente de voltaje conectada entre el electrodo y un
punto de referencia de potencial cero. La utilización de un punto remoto ubicado a una
21
distancia infinita permite la definición (6) y ubicar el retorno de la corriente inyectada I.
Estas consideraciones no son válidas en los casos reales donde no se puede conseguir
distancia infinita. Sin embargo desde el punto de vista práctico sí es posible obviar esta
limitación como se verá más adelante.
Medición de la Resistencia a Tierra
Una vez que se construye un sistema de conexión a tierra, debe medirse la resistencia
del mismo con la finalidad de comprobar que cumple con los valores exigidos. Por otro
lado al verificar la integridad de un sistema de conexión a tierra, la resistencia a tierra es
un indicador de cuan efectivo está el sistema para el retorno de las corrientes de falla. La
prueba de medición de la resistencia a tierra no da información alguna sobre la seguridad
que pueda ofrecer un SCT bajo una condición de falla, especialmente con referencia a
los voltajes peligrosos que puedan aparecer en la superficie del terreno.
Aún cuando el valor de la resistencia a tierra esté por debajo de los valores
requeridos, puede darse el caso de que no cumpla con los límites de voltajes permitidos
para la seguridad del personal y los equipos [5]. En resumen: “Un bajo valor de
resistencia a tierra no garantiza la seguridad del personal en el terreno sobre el sistema
de conexión a tierra o en sus inmediaciones”
Finalmente debido a los cambios que puedan ocurrir en el terreno y con fines de
mantenimiento preventivo, se hace necesario medir periódicamente la resistencia a tierra
para garantizar la adecuada conexión al terreno.
Método de la caída de potencial
El método más utilizado para la medición de la resistencia a tierra es el denominado:
“Método de la Caída de Potencial”. Este método requiere dos electrodos auxiliares, una
fuente de voltaje, voltímetro y amperímetro.
• Disposición y conexión de los equipos (Ver figura 5)
Figura 5.
Método de la Caída Potencial [2].
Nota. Tomado de Eaton R. (1973).
Donde:
ST: Sistema de conexión a tierra al cual se le va a medir la resistencia
Ev: Electrodo auxiliar de voltaje
Ei: Electrodo auxiliar de corriente
V: voltímetro
A: Amperímetro
Vf: Fuente de alimentación
Se pude decir que la resistencia a tierra del sistema ST está representada por la
relación entre el voltaje medido en un punto remoto, teóricamente a una distancia
infinita de ST, y la corriente inyectada I. En la realidad ubicar un punto a una distancia
infinita de ST es imposible. Sin embargo para fines prácticos, y dentro del rango de
exactitud de los instrumentos, es posible aproximarse al valor de voltaje V∞ del sistema
ST, que representa el voltaje de ST respecto a una referencia remota.
23
Análisis del método
Para analizar el método de medición se recurre nuevamente a los electrodos
hemisféricos enterrados en un terreno homogéneo, y asumiendo que la distancia entre
ellos es mucho mayor que sus radios. La impedancia interna del voltímetro se considera
de un valor elevado de tal forma que Iv<<I. Por lo tanto el efecto de Iv sobre la
medición se puede considerar despreciable. El sistema de conexión a tierra ST es un
electrodo hemisférico de radio a, y los electrodos auxiliares Ev, Ei tienen radio b. Se
asume que a>>b. Bajo estas condiciones el voltaje medido por el voltímetro V será la
diferencia de potencial entre ST y Ev. El voltaje respecto a una referencia remota de
cada uno de estos electrodos es:
(7) VST = . I
2 π .a -
. I2 π . D
(8) VEV = . I
2 π . x -
. I2 π . y
El voltaje medido por el voltímetro es:
(9) V = VST - VEV = . I2 π {1
a− 1
D−1
x+ 1
y }La resistencia medida será:
(10) Rm = 2 πa
− ρ2π { 1
D+ 1
x−1
y }
Se conoce que el valor verdadero de la resistencia del sistema ST está determinada
por:
24
(11) RV = π
2 π .a
El factor que se sustrae del valor verdadero en la resistencia medida Rm en la
ecuación (9), es el error cometido en la medición. De esta forma el valor medido se
puede expresar como la suma algebraica de dos factores: el valor verdadero Rv, y el
error cometido en la medición Re debido a la influencia del electrodo auxiliar de
corriente Ei.
(12) Rm = Rv − Re
Si por algún medio se consigue anular Re, el valor medido será igual al valor
verdadero. Un primer análisis de la expresión (9) permite concluir que en la medida que
las distancias D, x, y se incrementan, el valor medido se aproxima mas al valor
verdadero.
Regla del 61,8 %
El valor verdadero de la resistencia a tierra también puede obtenerse a partir de la
resistencia medida si se encuentran las relaciones entre los valores x, y, D que anulen el
error cometido, es decir:
(13) R2 = ρ
2 π { 1D+ 1
x−1
y }=0
De la ecuación (12) se obtiene que para anular Re deba cumplirse:
(14) x.y + D.y −D.x = 0
Si los electrodos Ev y Ei están alineados se cumple que:
25
(15) D = x+ y
Despejando y de (14) y sustituyendo en (13) se obtiene la siguiente ecuación:
(16) x 2 + D.x −D2 = 0
Ecuación que tiene como solución x = 0,618.D y x = -1,618.D. Esto significa que
ubicando el electrodo auxiliar Ev a una distancia del 61,8 % de la distancia D, la
resistencia medida es igual al valor verdadero de la resistencia del sistema ST. La
solución negativa de x no tiene interpretación dentro del contexto de ubicación de los
electrodos: D = x+y.
Método de los Tres Puntos
El método de medición con el puente de Nippold requiere el emplazamiento de dos
tomas de tierras auxiliares, cuyas resistencias de dispersión a tierra designaremos como
R2 y R3, mientras que la resistencia de la toma bajo ensayo se denominará R1. En estas
condiciones, se miden las resistencias R1-2, R2-3 y R1-3 comprendidas entre cada par
de tomas, utilizando preferentemente un puente de corriente alterna. Como R1-2 = R1 +
R2, R2-3 = R2 + R3 y R1-3 = R1 + R3; resulta:
(1) R1 = ( R 1−2+R 1−3−R 2−32 )
Las resistencias de cada uno de los electrodos auxiliares deben ser del mismo orden
que la resistencia que se espera medir. Si las dos tomas auxiliares son de mayor
resistencia que la toma de tierra bajo ensayo, los errores en las mediciones individuales
serán significativamente magnificados en el resultado final obtenido con la ecuación
anterior.
26
Para tal caso se recomienda colocar los electrodos a una gran distancia entre sí. Para
la toma de tierra de áreas extensas, las que presumiblemente tienen bajos valores de
resistencia, se recomienda que las distancias entre electrodos sean del orden de la mayor
diagonal del área a medir. Este método resulta dificultoso para instalaciones de puesta a
tierra de grandes subestaciones y centrales generadoras, donde resulta preferible el
método de la caída de tensión.
Método de los Dos Puntos
Este método resulta de una simplificación del expuesto precedentemente. En este
caso, se mide la resistencia total de la toma de tierra bajo ensayo y de otra toma auxiliar,
cuya resistencia de tierra se presupone despreciable frente a la primera. Como es de
esperar, el valor de resistencia que se obtiene de esta manera está sujeto a grandes
errores cuando se usa para medir resistencias pequeñas, pero en algunas ocasiones es
muy práctico para los ensayos "por sí o por no".
Método de la caída de tensión
El método consiste en inyectar una corriente de medición (I) que pasa por el terreno a
través de la toma o dispersor de puesta a tierra a medir y por un electrodo auxiliar de
corriente ubicado en un punto suficientemente alejado para ser considerado como
integrante de la masa general del planeta (tierra verdadera). En estas condiciones se inca
un segundo electrodo auxiliar de tensión ubicado a mitad de camino entre la toma bajo
ensayo y el electrodo auxiliar de corriente, midiéndose la caída de tensión "U" que
aparece entre la toma de tierra a medir y el electrodo auxiliar de tensión.
27
Para medir la tensión se puede utilizar un potenciómetro o un voltímetro de alta
impedancia interna, mientras que para medir la corriente se utiliza un amperímetro
conectado directamente o a través de un TI tipo pinza, que facilita el trabajo al controlar
instalaciones existentes.
Por aplicación de la ley de Ohm, la resistencia R1 del dispersor resulta:
(1) R1 = U / I
Las resistencias de cada uno de los electrodos auxiliares no presentan requisitos tan
estrictos como en los métodos anteriores, si bien se recomienda que el electrodo de
corriente tenga una resistencia lo suficientemente baja como para permitir un adecuado
paso de la corriente.
Si bien en teoría la influencia del dispersor se extiende hasta el infinito, debe
considerarse que tal influencia varía inversamente con la distancia siguiendo una ley
exponencial, pues la sección ofrecida a las trayectorias de corriente aumenta al alejarse
del dicho dispersor. Por lo anterior, a los efectos prácticos dicha influencia se concentra
en las cercanías del dispersor y se torna despreciable a distancias superiores a los 50 m
en el caso de tomas de áreas reducidas o de simples electrodos. El método de la caída de
tensión resulta adecuado para casi todos los tipos de mediciones de resistencia de puesta
a tierra.
En una toma de tierra de área extensa, el electrodo de potencial se debe ir alejando de
la toma bajo ensayo en forma escalonada, registrando el valor medido en cada escalón.
Al graficar los valores obtenidos en función de la distancia entre la toma y el electrodo
de tensión se obtiene una curva que tiende a nivelarse en un determinado valor, que
representa el valor mas probable de la resistencia de la toma de tierra.
28
En estos casos, también debe prestarse atención a la posibilidad de la existencia de
resistencias parásitas de conexión. Cuando se aplica este método se debe tener en cuenta
que pueden existir tensiones espurias provocadas por corrientes vagabundas en el
terreno, capaces de alterar la medida. Por ello, interrumpiendo la corriente debe
verificarse que la lectura del voltímetro sea nula o despreciable. Si no lo es, el método
no es aplicable.
Medición de la Resistencia a Tierra con El telurómetro
Este aparato se basa en el método de compensación y funciona con un generador
magneto de c.a., que lleva un transformador en serie de relación exacta 1:1, es decir, que
la intensidad por el primario es siempre igual a la del secundario.
Ver figura 6
Telurómetro
Nota. Tomado de World Wide Web (2009)
Funcionamiento del telurómetro
29
Dando vueltas a la manivela de la magneto y ajustando al mismo tiempo el
potenciómetro de manera que por el galvanómetro no pase intensidad, tendremos que
esto sucederá cuando las tensiones E = r I2 y E = Rt I1 sean iguales, pero como por otra
parte, las intensidades también serán iguales I1 = I2 tendremos:
r I2 = RtI1 ; r I2 = RtI2
Por tanto:
r = Rt
Es decir, la resistencia que marque el potenciómetro será igual a la resistencia de la
toma de tierra. La particularidad de este método consiste en que la medición, se hace
independientemente de las tomas de tierra auxiliares que se realizan R1 y R2, aunque es
aconsejable que R2 no sea muy grande, pues de ella depende la intensidad I1, y esta no
conviene que sea muy pequeña. Estas tres tomas de tierra deberán estar separadas unas
de otros unos 10 m. para evitar la influencia entre ellas.
También es importante resaltar la conveniencia de hacer estas mediciones a
frecuencias distintas a la industrial, para evitar las posibles interferencias con otras
corrientes que no pertenezcan al aparato. Por lo general las frecuencias que utilizan los
telurómetros son relativamente altas, del orden de 500 a 1.200 Hz. El telurómetro
descrito corresponde a un modelo clásico de hace años; en la actualidad, basados en este
principio, se construyen modelos que sustituyen la magneto por generador a pilas y la
lectura de las mediciones se realiza, en algunos modelos, sobre una pantalla de cristal
liquido.
30
RESISTENCIA DEL ELECTRODO DE TIERRA
La resistencia de tierra de un electrodo depende de sus dimensiones, de su forma y de
la resistividad del terreno en el que se establece. Esta resistividad varía frecuentemente
de un punto a otro del terreno, y varía también con la profundidad.
Con el fin de obtener una primera aproximación de la resistencia de tierra, los cálculos
pueden efectuarse utilizando los valores medios indicados en la Tabla 1 ubicada en el
Capítulo I de esta investigación.
En todos los casos, la sección del electrodo debe ser tal que ofrezca menor resistencia
que la el conductor de las líneas principales de tierra. Puesto que la resistencia del
electrodo depende de su forma, de sus dimensiones y de la resistividad del terreno,
podemos usar como una primera aproximación los valores de la tabla 5:
Cuadro 3.
Naturaleza del Terreno y sus Resistividad
Naturaleza del terreno Resistividad media,
a
( x m)
Terrenos cultivables fértiles y terraplenes húmedos 50
Terrenos cultivables poco fértiles y terraplenes 500
Suelos pedregosos desnudos y arenas secas 3000
Nota. Tomado de World Wide Web (2009)
32
Cuadro 4.
Tipo de electrodos y su Resistencia a Tierra
Tipo de electrodo Resistencia de Tierra ( )
Placa vertical R = 0.8 x a /P
Pica vertical R= 2 x a /L
Conductor enterrado horizontalmente R=2 x a / L
a = resistividad media del terreno ( x m)
P = perímetro de la placa
L = longitud de la pica o cable (m)
Nota. Tomado de World Wide Web (2009)
Bien entendido que los cálculos efectuados a partir de estos valores no dan más que
un valor muy aproximado de la resistencia de tierra del electrodo. La medida de
resistencia de tierra de este electrodo puede permitir, aplicando las fórmulas dadas en la
Tabla 4, estimar el valor medio local de la resistividad del terreno; el conocimiento de
este valor puede ser útil para trabajos posteriores efectuados en unas condiciones
análogas.
Cuadro 5.
Como obtener la resistencia de un electrodo
Electrodo Resistencia de la tierra en ohm
Placa enterrada R = 0 ,8ρP
Pica vertical R = ρL
Conductor enterrado horizontalmente R = 2 ρL
Nota. Tomado de World Wide Web (2009)Cuadro 6
Tipos de Electrodos Utilizados en un Sistema Puesta a Tierra
Tipos Tipología Utilidad
Placa
Son placas de cobre o hierro, de
4 mm de grosor, y una superficie
útil nunca inferior a 0.5 m2. Las
placas de acero deberán tener
por lo menos 1/4 de pulgada de
espesor. Si son de material no
ferroso deberán tener por lo
menos 1.52 mm de espesor. Los
electrodos de placa no deberán
tener menos de 2 pies cuadrados
de superficie en contacto con el
suelo.
Debido a que este electrodo
tiene una gran área de contacto
es recomendado en terrenos que
tengan alta resistividad. Son
enterradas en posición vertical,
de modo que su arista superior
quede, como mínimo, a 50 cm
debajo la superficie del terreno.
Se debe saber que se necesitan
varias placas, se colocarán
separadas una distancia de 3 m.
Malla
Son formadas por electrodos
simples del mismo tipo unidos
entre sí y situados bajo tierra.
Compuesta por cables colocados
paralela y perpendicularmente
con un espaciamiento adecuado
a la resistividad del terreno y
preferentemente formando
retículas cuadradas.
Este tipo de electrodos se hace
armando una red de conductores
de cobre desnudos. Esta malla es
muy utilizada en las
subestaciones eléctricas ya que
requiere de una red de
conductores enterrados a una
profundidad que usualmente
varía de 0.30 a 1.0 m. para
reducir el riesgo de descargas.
Anillo
Consiste en un conductor de
cobre desnudo, de sección
transversal no menor al calibre 2
Este electrodo consiste en una
espira de cable de cobre
desnudo, con un diámetro
33
Cuadro 6 (cont.).
AWG y de longitud no menor a
6 m enterrado a una profundidad
de 80 cm y, que rodee al
inmueble o estructura que
requiera la protección.
mínimo de 33.6mm² y una
longitud mínima de 6m en
contacto con la tierra, debe tener
una profundidad de por lo menos
80cm, así como también dice
que se le pueden conectar
electrodos.
Químicos
Los electrodos químicos son
aquellos electrodos a los que se
les adiciona algún compuesto
químico para aumentar la
conductividad y de esta forma
disminuir el valor de resistencia.
El relleno ideal debe
compactarse fácilmente, ser no
corrosivo y a la vez buen
conductor eléctrico, como por
ejemplo la bentonita.
Los electrodos químicos para
conexión a tierra deben tener
longitudes de 10 y 20 pies. Los
electrodos químicos garantizan
óptimos resultados bajo
cualquier condición ambiental y
son amigables con el entorno y
el Medio Ambiente.
Barras
Verticales
Este tipo de electrodo no es más
que una barra unida a un
conductor de cobre desnudo de
gran longitud. Se usarán cables
de cobre de al menos 35 mm2,
o cables de acero galvanizado
de un mínimo de 2.5 mm de
diámetro. Estos electrodos
Este electrodo es utilizado en
terrenos donde haya mucha roca,
se hace una perforación vertical
profunda hasta encontrar las
capas húmedas de la tierra, ya
que la humedad aumenta la
conductividad.
34
35
deberán enterrarse
Cuadro 6 (cont.).
Barras
Verticales
horizontalmente a una
profundidad no inferior a los 50
cm.
Barras
Horizontales
Consiste en instalar un
conductor con característica de
barra realizado en cobre
desnudo enterrado
horizontalmente a una
profundidad que va de 50 cm a
100 cm en diferentes
configuraciones.
El electrodo horizontal es un
conductor de cobre desnudo
enterrado de forma horizontal en
una zanja de 50cm mínimo de
profundidad, se pueden hacer
varias configuraciones, pero la
más utilizada es la línea recta.
Este tipo de electrodo se ha
encontrado más efectivo por
tener conectados los cables en
un punto que tener múltiples
anillos rodeando el sitio.
Nota. Autores (2009)
Cuadro 7
Métodos Anteriores de Medición
Tipo de Métodos Características Desventajas Función
Método de
Wenner
Se Insertan 4 electrodos en el
suelo, colados en línea recta y
a una misma profundidad de
penetración, las mediciones de
resistividad dependerán de la
distancia entre electrodos y de
la resistividad del terreno. El
principio básico de este método
es la inyección de una corriente
directa o de baja frecuencia a
través de la tierra entre dos
electrodos C1 y C2 mientras
que el potencial que aparece se
mide entre dos electrodos P1 y
P2
Se recomienda que se
tomen lecturas en
diferentes lugares y a
90 grados unas de
otras para que no sean
afectadas por
estructuras metálicas
subterráneas. Y, que
con ellas se obtenga el
promedio.
Su función
consiste en la
medición de la
resistividad del
suelo.
Método de
Schlumberger
Es una modificación del
método de Wenner, también
emplea 4 electrodos, pero en
este caso la separación entre
los electrodos centrales o de
potencial (a) se mantiene
constante, y las mediciones se
realizan variando la distancia
de los electrodos exteriores a
partir de los electrodos
Muy util cuando se
requieren conocer las
resistividades de capas
más profundas, sin
necesidad de realizar
muchas mediciones
como con el método
Wenner. Se utiliza
también cuando los
aparatos de medición
Su función
radica en la
medición de la
resistividad del
suelo.
36
37
interiores, a distancia múltiplos son poco inteligentes.
Cuadro 7 (cont.).
(na) de la separación base de
los electrodos internos (a).
Método de la
tierra conocida
Consiste en encontrar la
resistencia combinada entre el
electrodo a probar y uno de
resistencia despreciable.
Haciendo circular una corriente
entre las dos tomas de tierra,
esta corriente se distribuye en
forma similar a las líneas de
fuerza entre polos magnéticos.
Encontrar los
electrodos de
resistencia conocida y
los de resistencia
despreciable
Su función se
halla en la
medición de la
resistencia del
suelo
Método de los
tres puntos.
Consiste en enterrar tres
electrodos (A, B, X), los cuales
se disponen en forma de
triángulo, y se mide la
resistencia combinada de cada
par: X+A, X+B, A+B, siendo
X la resistencia de puesta a
tierra buscada y A y B las
resistencias de los otros dos
electrodos conocidas.
El principal problema
de este método es que
A y B pueden ser
demasiado grandes
comparadas con X (A
y B no pueden superar
a 5X), resultando poco
confiable el cálculo.
No es conveniente
para medidas de
resistencia bajas.
Su función se
encuentra en la
medición de la
resistencia del
terreno
Método de la
caída de
potencial.
los electrodos son colocados en
forma lineal; se coloca un
electrodo de tierra (e) con
La resistencia de los
electrodos auxiliares
se desprecia, porque la
Cuadro 7 (cont.).
Método de la caída de
potencial.
resistencia desconocida; mas
dos electrodos auxiliares
colocados a una distancia
adecuada (p y c) a la cual s ele
induce una corriente (I)
conocida se hace circular a
través de la tierra, entrando por
el electrodo E y saliendo por el
electrodo C. La medida de
potencial entre los electrodos E
y P se toma como el voltaje V
para hallar la resistencia
desconocida por medio de la
relación V/I .
resistencia del
electrodo C no tiene
determinación de la
caída de potencial V.
La corriente I una vez
determinada se
comporta como
contante. La
resistencia del
electrodo P, hace parte
de un circuito de alta
impedancia y su
efecto se puede
despreciar.
Su función está
en la medición
de la
resistencia del
terreno
Método de la relación.
La resistencia a medir, es
comparada con una resistencia
conocida, usando la misma
configuración del electrodo
como en el método de la caída
de potencial.
Es un método de
comparación y las
resistencias son
independientes de la
magnitud de corriente
de prueba.
Su función
radica en la
medición de la
resistencia del
terreno.
Nota. Autores (2009)
38
CONCLUSION
La investigación documental fue realizada para conocer con exactitud qué tipos de
mediciones y cálculos se deben seguir para obtener una adecuada conexión a tierra,
garantizando un buen manejo de las perturbaciones eléctricas y/o electromagnéticas, no
deseadas, que perturben los equipos eléctricos o electrónicos, Para ello debe hacerse uso
de la variedad, según sea la necesidad, de equipamientos que tienen por objeto proteger,
desviando, repeliendo, atenuando, o encapsulando el impacto de estas fluctuaciones
eléctricas, de señales electrostáticas también electromagnéticas, permitiendo drenar estas
señales a tierra, garantizándose la integridad de las personas y equipos, sin afectar el
servicio, todo ellos se obtiene instalando así como manteniendo un Sistema Puesta a
Tierra que cuente con todos los componentes que se determinen, previo estudios de las
mediciones de resistividad de igual manera de resistencia del suelo así como la de
electrodos, para lograr así determinar los tipos de materiales a utilizar, así como la
disposición además de la forma en que los mismos serán instalados.
Los métodos para medir la resistividad del terreno se realiza en principio para ubicar
la profundidad de la roca con la finalidad de encontrar los puntos óptimos para localizar
la red de tierras de una subestación, planta generadora o transmisora en radiofrecuencia,
e indicar el grado de corrosión de tuberías subterráneas, ellos conlleva a obtener la
información que permite, con la implementación de la puesta a tierra, establecer los
grados de inductividad, capacidad y resistividad que afectan las cualidades de
conducción de las corrientes por el suelo bajo condiciones normales o de corto circuito,
sin exceder los limites operacional de los equipos o suspender la continuidad del
39
servicio, además de lograr obtener una protección efectiva contra los efectos de las
descargas atmosféricas, minimizando la interferencia de los circuitos eléctricos de
transmisión y distribución con los sistemas eléctricos, comunicación así como de
control.
La base de un buen sistema de puesta a tierra comienza con la selección del mejor
lugar de emplazamiento y el ensayo del suelo que rodeará a la toma, y esto se logra a
través de la aplicación de algún método de cálculo de resistividad como de la
resistencia, para determinar la localización del área que presente la más baja
resistividad. Sin olvidar que la resistencia total que presenta un sistema puesta a tierra
depende de la resistencia del conductor eléctrico que es el que conecta al electrodo con
el sistema, la cual representa la superficie de contacto entre electrodo, la tierra, y la
resistencia natural del suelo donde está enterrado dicha varilla, siendo allí donde se debe
determinar el método de medición que se ajuste mas a la realidad tanto del terreno como
de las capacidades de la empresa o institución que necesite la instalación de un SPAT,
pudiendo implementarse los métodos de: Wender, Schlumberger, de la tierra conocida,
de la caída de potencial, según el uso y disposición que se requiera.
Hay que hacer destacar, que el aporte significativo que presenta la investigación, se
encuentra por su naturaleza, en el desarrollo y resultado sobre los beneficios que origina
poseer los conocimientos exactos sobres los temas tratos, debido a la aplicación de sus
herramientas, así como sus recursos.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
Kindermann, G., Campagnolo, J.M. Aterramiento eléctrico 2da edición,
Sagra-DC Luzzatto, Porto Alegre, Brasil, 1992.
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Madrid, 1973.
41
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