TÉCNICAS MODERNAS PARA LA MEDICIÓN DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA EN ZONAS URBANAS (EXTRACTO)

Ing. Ignacio Agulleiro

Prof. Miguel Martínez Lozano, MSc

1. INTRODUCCIÓN El objetivo de este informe es resaltar la importancia de una buena puesta a tierra, el porqué de su monitoreo y mantenimiento, y en particular, algunos métodos (tradicionales y modernos) para llevar a cabo la medición de la resistencia de la misma en diferentes tipos de instalación; principalmente pequeñas y medianas. Para realizar el estudio se revisaron y analizaron diferentes estándares reconocidos como los de la IEEE (“Institute of Electrical and Electronics Engineers”), publicaciones, manuales de equipos de medición y páginas en Internet de algunos de los fabricantes de dichos equipos. Con la información recopilada se explicaron algunas definiciones básicas relativas a resistividad y resistencia, se realizó la descripción de los diferentes métodos de medición de puesta a tierra, los diferentes factores que pueden afectar su medición, así como la comparación entre ellos; que se resume en una tabla. También se dedica una sección a la descripción de varios ejemplos donde se ilustra cómo se ejecutan los métodos descritos en diferentes tipos de instalaciones.

2. CONSIDERACIONES GENERALES 2.1.

De la necesidad de la puesta a tierra [2]

Un buen sistema de puesta a tierra es necesario para mantener buenos niveles de seguridad del personal, operación de los equipos y desempeño de los mismos. En sistemas de potencia la puesta a tierra mantiene la referencia necesaria. La forma en que el sistema se conecta a tierra puede tener un gran efecto en la magnitud de los voltajes de línea a tierra que deben ser mantenidos en condiciones normales y bajo condiciones transitorias. En sistemas no puestos a tierra, algunas tensiones pueden provocar fallas en el aislamiento de los equipos y sistemas. La puesta a tierra del neutro del sistema permite la operación de sistemas de protección basados en la detección de corrientes que circulan por la misma, despejándose así el circuito bajo falla. La puesta a tierra de los equipos se refiere a la conexión intencional de las carcasas, bastidores o estructuras metálicas no portadores o transmisores de corriente de los mismos, para lograr los siguientes propósitos: •

Mantener una diferencia de voltaje baja entre las diferentes estructuras metálicas con lo que se busca resguardar al personal de cualquier choque eléctrico. En el momento de una falla de un elemento energizado a un bastidor, por ejemplo, el voltaje de dicho bastidor tiende a igualarse al del conductor energizado, si el primero no está debidamente conectado a tierra; constituyendo un serio peligro para el personal del área. Por supuesto, esto debe combinarse con buenos relés de protección de falla a tierra.

•

Contribuir a un mejor desempeño de los sistemas de protección

•

Evitar incendios provocados por materiales volátiles o la combustión de gases al proveer un camino efectivo y seguro para las circulación de corrientes de falla y descargas atmosféricas y estáticas y así eliminar los arcos y elevadas temperaturas en los equipos eléctricos, que pueden provocar tales incendios.

•

Buen desempeño de equipos. En los sistemas o redes de computación una buena puesta a tierra no sólo mantiene la seguridad del personal y provee de un camino de baja impedancia para las corrientes de falla, sino que también mantiene el mismo nivel de potencial de tierra en todas las unidades del sistema, si estas están conectadas entre sí a tierra al mismo tiempo. Si se tienen varios sistemas de alimentación en AC, cada uno con su tierra separada se puede producir ruido en el sistema de tierra conectado a las computadoras. En este caso se utiliza una malla de

referencia de señales para igualar el voltaje en un mayor rango de frecuencia. Las carcazas de las computadoras se conectarán a esta malla y a la barra de tierra del sistema. La malla se conectará también a la barra de tierra principal. Estas son, entre otras, las razones de la necesidad de un buen sistema de puesta a tierra, así como de su mantenimiento. 2.2. Sobre resistividad y resistencia de puesta a tierra, así como de la necesidad de su monitoreo [1] Existen dos parámetros importantes a la hora de diseñar o realizar mantenimiento de un sistema de puesta a tierra: Resistividad del suelo y resistencia del sistema de puesta a tierra (electrodo, malla, etc) La medición de resistividad es útil para los siguientes propósitos: • • • •

Estimación de la resistencia de Puesta a Tierra de una estructura o un sistema Estimación de gradientes de potencial incluyendo voltajes de toque y paso Cálculo del acoplamiento inductivo entre circuitos de potencia y comunicación cercanos Diseño de sistemas de protección catódica

La medición de la resistencia o impedancia de puesta a tierra así como los gradientes de potencial en la superficie de la tierra debido a corrientes de tierra es necesaria por diferentes razones, entre ellas: • • • • •

Determinar la resistencia actual de las conexiones a tierra Verificar la necesidad de un nuevo sistema de Puesta a Tierra Determinar cambios en el sistema de Puesta a Tierra actual. Se verifica si es posible o no incorporar nuevos equipos o utilizar el mismo sistema de puesta a tierra para protección contra descargas atmosféricas y otros Determinar los valores de voltajes de paso y toque y su posible aumento que resulta de una corriente de falla en el sistema Diseñar protecciones para el personal y los circuitos de potencia y comunicación.

2.2.1. Resistividad vs. Resistencia Aun cuando pudiesen confundirse estos dos términos, tienen significados diferentes. La eficiencia de un sistema de un electrodo enterrado (barra, jabalina, malla, plato, etc) es evaluado en términos de resistencia. Es una medida de cuán bien el electrodo puede dispersar corriente en el suelo circundante. La propiedades eléctricas del suelo son descritas en términos de resistividad. Al

hacer una medición de resistencia, se está probando un sistema particular de tierra. Al hacer una medición de resistividad se está haciendo una prueba al propio suelo. La resistencia es medida en Ohms. La resistividad es dada comúnmente en Ohm-cms. La resistividad de un suelo determinado combinado con la configuración del electrodo conforma la resistencia que dicho electrodo en particular experimenta. En la práctica, la medición de resistividad es realizada primero, para identificar un buen sitio para la puesta a tierra y hacer el cálculo teórico para su diseño óptimo. Después se realiza la medición de resistencia para verificar que se ha logrado el valor deseado según los requerimientos. Por lo indicado anteriormente es de gran importancia que se investigue la resistividad del suelo cada vez que se tenga como objetivo la instalación de un sistema de puesta a tierra. La resistividad del suelo varía por muchas razones. Entre ellas la profundidad desde la superficie, el tipo y la concentración de químicos en el suelo, el contenido de humedad y la temperatura. En otras palabras, la resistividad del suelo es aquella que posee el electrolito contenido en el mismo. La presencia de agua en la superficie, por ejemplo, no indica necesariamente una resistividad baja. En el Anexo 1 se presentan los valores característicos de resistividad de diferentes tipos de suelo, así como los efectos de la humedad y temperatura en los mismos (tablas 10, 11 y 12 del IEEE Std 142-1991, cap. 4) Debido a que la resistividad del suelo varia notablemente por el tipo de suelo, así como por las condiciones climáticas, el sistema de puesta a tierra debe ser diseñado para el peor caso posible. Las características del suelo y el contenido de agua son más estables en estratos más profundos, de allí que se recomiende que los electrodos sean instalados lo más profundo posible en la tierra, alcanzando los estratos más húmedos. Asimismo, deben ser instalados donde la temperatura es más estable. Se debe tener en cuenta que el suelo con baja resistividad es normalmente más corrosivo debido a la presencia de sales y agua. Por ello puede destruir los electrodos y sus conexiones. De allí que se recomiende realizar una inspección anual al sistema de puesta a tierra y medir su resistencia. Aunque ésta variará dependiendo de la época o estación del año, un aumento >20% de la resistencia de tierra debe ser investigado y tomar las medidas correctivas para bajar el valor de la misma. 2.3.

Resistencia de un electrodo y algunos arreglos de Puesta a Tierra

La resistencia de tierra de un electrodo esta compuesta de tres factores: • La resistencia del propio electrodo (metal)

• •

La resistencia de contacto del electrodo con la tierra La resistencia del suelo, desde la superficie del electrodo hacia afuera, en el espacio por donde circula la corriente, tierra circundante, desde el electrodo hacia el infinito.

En Figura 1 se muestra un electrodo simple con su esfera de influencia

Figura 1: Esfera de influencia de un electrodo simple [8]

La resistencia del electrodo y su conexión es muy baja ya que los electrodos son hechos de un material bastante conductivo y bajo en resistencia, como el cobre. La resistencia de contacto del electrodo con la tierra es también bastante baja si el electrodo está libre de pintura, grasa, etc, y el electrodo esta firmemente enterrado. En cuanto a la resistencia con la tierra circundante se tiene que ésta es la que tiene mayor valor de las tres. El electrodo es rodeado por conos concéntricos de un mismo espesor (como se observa en las figuras 1 y 2). Los conos más cercanos al electrodo tienen menor área y por tanto mayor resistencia. Cada cono subsecuente posee mayor área y contribuyen con menor resistencia. Finalmente hay un punto donde la suma de los conos más lejanos no implica un aumento apreciable en la resistencia total del electrodo de tierra. Si consideramos un electrodo puntual en la superficie de un terreno homogéneo de resistividad ρ (Figura 2), el potencial V1 a una distancia r1 del mismo (debido a una corriente inyectada, I) será:

Figura 2: Electrodo simple y radios de influencia

V1 = (ρ.I) / 2π ∗ 1 / r1 Y a otra distancia r2 > r1, el potencial será: V2 = (ρ.I) / 2π ∗ 1 / r2 La resistencia entre ambas capas será: R = (V1-V2) / Z = ρ ∗ (r1 –r2) / 2π ∗ r1 ∗ r2 Al diferir r1 y r2 una cantidad muy pequeña, dr, se tiene: R = ρ ∗ dr / 2π ∗ r∧2 De aquí se observa que la corriente I va atravesando sucesivamente capas o conos cuyas resistencias decrecen con el cuadrado de la distancia. Por ello las capas de mayor radio contribuyen poco en la resistencia total, que dependerá esencialmente de las capas más próximas al electrodo. En el Anexo 2 se tiene un ejemplo de un electrodo (jabalina) y la variación de la resistencia a medida que nos alejamos del mismo (tabla 9 del IEEE Std 1421991, cap 4). Se observa que la contribución de resistencia en conos muy alejados del electrodo es despreciable. Factores como la resistividad, la longitud del electrodo y profundidad a la que es enterrado y el diámetro del mismo, afectan la resistividad total del mismo. Otro factor a tomar en cuenta cuando se trabaja con electrodos tipo jabalina es la proximidad de unos con otros. Al trabajar en un arreglo de varios electrodos en paralelo la resistencia total no se ve muy disminuida si estos están muy próximos entre sí. Esto se debe a la resistencia mutua que provoca que la corriente que circula por cada electrodo eleve el voltaje en los próximos a éste. Como el voltaje es incrementado por el mismo valor de corriente, la resistencia total es incrementada por la resistencia mutua entre electrodos. Este fenómeno

se debe tener en cuenta no sólo al diseñar el arreglo de los electrodos sino también en el momento de colocar los electrodos de prueba a la hora de realizar mediciones de resistencia de un sistema de puesta a tierra, como se verá más adelante. 2.3.1. Arreglos o tipos de sistema de puesta a tierra Existen dos tipos de sistemas de puesta a tierra; simples y complejos. Los simples consisten en un electrodo aislado enterrado. Este sistema es el más utilizado y se puede encontrar en sitios residenciales. Los sistemas complejos consisten en un conjunto de electrodos interconectados, mallas, platos de tierra y lazos o anillos de tierra. Estos últimos son instalados normalmente en subestaciones, oficinas centrales y centros de telecomunicaciones. En la Figura 3 se pueden ver algunos ejemplos de estos sistemas de puesta a tierra.

Figura 3: Electrodos de Puesta a tierra [8]. A) Barra o jabalina; b) Arreglo de electrodos en paralelo; c) Malla; d) Plato

2.4.

Valores de Resistencia recomendados

Los valores recomendados por el Std IEEE 142-1991 [6] son los siguientes: •

Para grandes subestaciones, líneas de transmisión y estaciones de generación: 1 Ohm

• •

Para Subestaciones de plantas industriales, edificios y grandes instalaciones comerciales: 1-5 Ohm Para un electrodo simple: 25 Ohm

3. MÉTODOS TRADICIONALES PARA LA MEDICIÓN DE RESISTIVIDAD DE TIERRA Se describirá un método para la medición de la resistividad de un terreno, considerando que es homogéneo. 3.1.

Método de los cuatro electrodos o método de Wenner

Este método fue desarrollado por Frank Wenner del US Bureau Of Standards en 1915 (F. Wenner, A Method of Measuring Earth Resistivity; Bull, National Bureau of Standards, Bull 12(4) 258, s 478-496; 1915/16).

(a)

(b)

Figura 4: (a) Megger e instalación de Electrodos [8] ; (b) Funcionamiento del Método Wenner.

En las Figuras 4 (a) y (b) se describe gráficamente el método de Wenner. Estos electrodos deben ser colocados en línea recta a una misma distancia entre ellos, a, y a una misma profundidad, b. Las mediciones dependerán de la distancia entre electrodos y del contacto de estos con la tierra. La distancia b no debe exceder un décimo de la distancia a. El método consiste en inyectar una corriente conocida por los electrodos de prueba C1 y C2. Entre los electrodos de prueba P1 y P2 se mide la diferencia de potencial resultante de la inyección de corriente anterior. Con estos datos se puede calcular la resistencia y el valor de la resistividad del terreno, a una profundidad, b, será: ρ= 2π * A * R si b