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Universidad Tecnológica NacionalFacultad Regional Santa Fe Cátedra: INSTRUMENTO Y MEDICIONES

ELECTRICAS

Universidad Tecnológica NacionalFacultad Regional Santa Fe

Instrumento y Mediciones Eléctricas

TRABAJO PRÁCTICO DE LABORATORIO Nº 7:

“ESTUDIO DE UNA TOMA DE TIERRA”

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Alumno: ____________________________________________________Año:_______

Fecha de realización:_________Fecha de entrega:_________Fecha de visado_______

ESTUDIO DE UNA TOMA DE TIERRA

1. OBJETIVOS: Hacer que el alumno tome contacto con los distintos instrumentos y métodos de medidas de resistencias de toma a tierra, realice una confrontación entre los resultados de expresiones teóricas de dicha resistencia y los valores medidos, y que en base a esto obtenga un eficaz complemento de las clases teóricas

2. DEFENICIONES:

2.1) Toma A Tierra:Son conexiones metálicas directas entre determinados elementos de una instalación y electrodos enterrados en el suelo, generalmente de forma de jabalinas, únicas o agrupadas en paralelo, o de malla reticular, destinadas a derivar a tierra corrientes de falla o descargas, evitando la parición de tensiones peligrosas entre cualquier parte de la instalación y tierra, así como entre dos puntos del terreno.

2.2) Resistencia De Una Toma De Tierra:Es la suma de la resistencia del electrodo metálico, generalmente despreciable, la resistencia de transito entre el electrodo y la tierra, y la resistencia de la tierra propiamente dicha, donde los dos últimos sumandos dependen de la forma geométrica del electrodo y de la resistividad del terreno.

Figura 1: Distribución del potencial eléctrico.

(a)

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?U(V)

(b)U(v)=∆U(v)

(c)

Supongamos que dos electrodos, X y A, se conectan a una fuente de corriente alterna, como se muestra en la figura 1ª. En las figura 1b y 1c se ha representado la distribución del potencial entre X y A. Si la distancia entre ambos electrodos es de suficiente longitud se creará una zona equipotencial cerca del centro entre X y A, de forma que Ux (caída de tensión a través de Rx) se podrá distinguir fácilmente de Ua (caída de tensión a través de Ra). En consecuencia, se entierra otros electrodos P cerca del punto central entre X y A, la caída de tensión Ux será:

Ux = I . Rx (1)

De donde

Rx = __Ux__ (2) I

La fórmula (2) define la resistencia de la toma de tierra X y su medida. Los electrodos A y P se conocen como “auxiliar” y el “de potencial” respectivamente. Si no hay suficiente separación entre X y A (l2), no se creará la zona equipotencial, como puede verse en la

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figura 1.c. Entonces será imposible discernir entre Ux y Ua. En general la separación entre X y A debe ser mayor de 10 metros.

De haberse empleado una fuente de tensión continúa para suministrar la tensión U, figura 1.a, es posible que se creará una polarización entre los electrodos y tierra, que perturbaría la medida.

2.3 EXPRESION TEORICA DE LA RESISTENCIA R DE UNA TOAM DE TIERRA CONSTITUIDA POR UNA JABALINA CILINDRICA.

Sea “r” el radio de la jabalina, en metros y L su longitud, también en metros entonces:

De donde ρ, en Ωm, evidentemente, es la resistividad de un terreno homogéneo que rodea al electrodo.

3. DESARROLLO DE LA PRÁCTICA.

Durante la práctica se utilizará como electrodo de toma de tierra una jabalina de diámetro, d = 31mm, enterrada una longitud, L = 1,5m

3.1medición De Rx Mediante El Método Voltiamperimetrico.

Figura 2: Medición de Rx por el método voltiamperométrico.

(a)

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f

Potencial f = potencialφ

En la figura 2.a puede observarse el circuito a emplear, en la figura 1.b de la misma, la curva de distribución del potencialφ, de donde se obtendrá la magnitud Ux a emplear en la fórmula (2) para determinar el valor de Rx.

Tabla 1: Valores medidos.

I = …………(A)X(m) U(V)

NOTAS: La resistencia del voltímetro debe superar los 10 KΩ, de lo contrario se debe

emplear un método potenciométrico para medir U (L). Verificar que el voltímetro no indique tensión antes de hacer circular la corriente de

prueba, lo que implicaría la existencia en el terreno de otras corrientes de dispersión, independientes del circuito de prueba.

Es importante no obviar el transformador de aislamiento, a fin de no poner a tierra una fase de la red de alimentación.

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Finalizando el ensayo si no se ha logrado una zona plana, como la observada en la figura 2.c, de potencial más o menos constante, repetir las mediciones alejando aún más el electrodo auxiliar.

3.2) Medición Precisa De Rx Mediante Telurohmetro.

No siempre es posible disponer de una fuente de corriente alterna en las cercanías de la toma de tierra a ensayar (por ejemplo, tomas de tierra de torres soportes de líneas A.T. en campo traviesa). En estas circunstancias el telurómetro es el dispositivo indicado para estos casos.

Figura 3: esquema de conexión de los dos telurómetros disponibles en la facultad (a) marca MERA-ZSM, (b) marca FOTOVOLT.

(a)

(b)

En la figura 3.a puede verse la disposición a emplear en el caso de utilizar el telurómetro marca MERA- ZSM tipo IUM a manivela, perteneciente al laboratorio de la facultad. En la figura 3b se puede observar el conexionado a emplear en el caso de utilizar el telurómetro marca FOTOLOVOLT, también perteneciente al laboratorio de la facultad.

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Tabla 2: Valores medidos.L(m) R(Ω)

Al efectuar las mediciones se aprovechará el conocimiento adquirido en el paso anterior, de la curva de distribución de potencial para decidir el lugar de indicado de la sonda. De no ser así deberá ser hallado clavado la sonda de potencial en diferentes partes entre el electrodo ensayado y el auxiliar (aunque el telurómetro mida resistencias, la resistencia medida es una medida de la tensión, y por lo tanto la forma de la curva de la resistencia entre los electrodos ensayados y auxiliar indica las variaciones de la curva de tensión), y de no lograrse una zona de la misma, de potencial más o meno constante (ver figura 2.b) habría que alejar el electrodo auxiliar y repetir el procedimiento de medida.

Grafica 1: curva de distribución del valor de la resistencia en función de la separación entre sondas.

3.3) Medición Aproximada De Rx De La Toma De Tierra Del A Facultad Mediante Telurohmetro.

Proceda Como Sigue:

a) Introduzca el electrodo auxiliar a una gran distancia (más de metros) del electrodo de ensayo.

b) La sonda de potencial se introduce primero en la mitad de la distancia que une la toma ensayada y la auxiliar (punto 1 de la figura4).

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f

Potencial f = potenciaφ

c) Luego en un punto más próximo a la toma ensayada, unos 3 a 5 metros del lugar anterior (punto2 de la figura4).d) Finalmente a unos 3 o 5 metros del lugar original hacia la toma auxiliar (punto 3 de la figura4).e) La resistencia Rx de la toma ensayada se mide en cada punto en el que se introduce la sonda. Si las tres mediciones conducen a un valor aproximadamente constante de Rx, este método aproximado, pero rápido, habrá servido para encontrar la distancia adecuada para la toma auxiliar. Si las tres mediciones difieren, aléjese de la toma auxiliar y repita el procedimiento.

3.4 Variación De Rx Con La Variacion De La Profundidad De La Jabalina.

Se procederá a desenterrar la jabalina bajo ensayo y simultáneamente se efectuara mediciones de Rx utilizando el circuito de la figura 3.a. tabule las mediciones efectuada.

4. IMFORME A PRESENTAR:

Este constará de los circuitos de prueba empleados y de los valores obtenidos durante la experiencia, más los gráficos φ(L) y Rx(L).

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Deberá efectuarse la comparación de los valores de Rx obtenidos según los ítems 3.1 y 3.2, y los calculados según (3).

Además, emita juicio sobre los resultados obtenidos y los esperados.

Finalmente resuelva el siguiente cuestionario:a) ¿Porqué usar ca en las mediciones? Y por qué frecuencia distinta de 50Hz?b) ¿Por qué la curva φ(L) de distribución de potencial?c) ¿Por qué se debe incluir el trasformador de aislamiento en el circuito de la figura

2.a?d) ¿Por qué la nota del ítem 3.1?e) ¿El valor obtenido de Rx de la toma de la facultad es buena o no? Justifique su

respuesta.f) De no disponerse de espacio suficiente para enterrar en línea el electrodo ensayado,

la sonda, y la toma auxiliar. ¿Qué disposición adopta?

NOTA: Según la Asociación Electrotécnica Argentina Rx debe ser menor de 10Ω para tomas de tierra.

BIOGRAFIA: (1) RE Vitorio: “instalaciones de puesta a tierra” Ed. Marcombo. (2) TEPER Mario: “Puesta a tierra en líneas de transmisión”Revista

Electrotécnica, volumen Julio/Agosto 1986. (3) Manual del telurómetro MLTRATERR tipo JI/B.

MEDICION DE LA RESISTIVIDAD DE TERRENOS POR EL METODO DE WENNER.

1. OBJETIVOS.

Hacer conocer al alumno la forma de llevar a cabo la medición de ρ por el mas popular de los métodos al efecto, a la vez de resaltar las dificultades que se presentarán al tener que decidir que valores de ρ medido introducir en las fórmulas de diseño de sistema de puesta a tierra.

2. INTRODUCCIÓN:

Al proyectar construir un sistema de puesta a tierra, el primer paso es conocer el valor de la resistividad ρ del terreno donde se erigirá el mismo. Este paso es ineludible, práctico.

A continuación se detallan las expresiones teóricas de la resistencia de propagación R de algunos de tales sistemas, tomada de la página 309 de (1).

Semiesfera de radio a:

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R = ___ρ___ 2 . π . a

Varilla única e tierra, longitud L y radio a:

FORMULA Dos varillas S>L:

S FORMULA

Dos varillas S<L: S

FORMULA

Se observa en estas que su validez se restringe a terrenos, irreales en la práctica, de construcción homogénea (existencia de un solo ρ), salvo que se trate de un ρ aparente que caracterice al conjunto de los estratos que conforman el terreno en cuestión.

Ahora, como se verá de los resultados de la práctica, existirán tantos valores de ρ como separación entre los electrodos de ensayos adoptemos. Entonces: qué valor de ρ elegir para nuestro cálculos, tal que caracterice al terreno?

Lamentablemente, ver (2), aún hoy no existen una respuesta contundente para tal cuestión.

Sin embargo, trataremos, que entre este trabajo práctico y el del estudio de una toma de tierra, llegar a una conclusión que sea de utilidad para no caer en el escepticismo.

3. METODO WENNER.

Si bien existen otros métodos para la medición de la resistividad de suelo, ver página 320 (1), como por ejemplo el método de la varilla, es de mas fácil realización práctica el método Wenner.

Figura 1: esquema de conexionado utilizado en el método Wenner.Página 10 de 14


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El método Wenner de las cuatros varillas conductoras se hacen cuatros contactos con el suelos introduciendo en el mismo picas de metal, llamadas electrodos (C1, P1, P2 y C2) en la figura1, ubicadas sobre una línea recta a intervalos de a metros. Entre los electrodos de corriente C1 y C2 se hacen pasar una corriente eléctrica de I (A), y se mide la caída de tensión entre los electrodos de potencial P1 y P2. Si la tierra tiene una resistividad uniforme ρ, esta se obtiene con la siguiente expresión:

ρ = 2 . π . a __U__ = 2 . π . a . R (Ω.m) (5) I

Donde R = U / I (Ω) es la resistencia medida entre los electrodos potencial. La expresión anterior, llamada fórmula de Wenner, ha demostrado ser muy práctica cuando la profundidad de los electrodos conductores está dentro de 1/20 de la separación a entre los mismos. Por lo tanto la resistividad de la tierra puede calcularse a partir del valor de R medido.

Cuando la tierra tiene una estructura uniforme, la resistividad que se obtiene con la fórmula de Wenner, es constante e independiente de la separación de los electrodos a.

Pero como la tierra se compone, generalmente, de varios estratos que involucran rocas de distintas resistividad, la resistividad calculada, no se refiere a ninguna roca o estrato específico, sino que es un valor medio de las resistividades del mismo. Dicho valor medio se llama resistividad aparente, y varía con la separación a de los electrodos y con la posición de los mismos. Determinada la relación entre a y ρ para una tierra determinada, puede hacerse conjeturas aproximadas sobre la estructura geológica, formación de los estratos y localización de napas de aguas subterráneas.

4. DESARROLLO DE LA PRACTICA: Se utilizará, para efectuar la medición de R, y de aquí calcular ρ empleando la expresión (5), un telurómetro. En la figura2, puede verse la disposición práctica del circuito de prueba.

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Figura 2: conexiones del telurómetro, (a) marca MERA-ZSM, (b) marca FOTOVOLT, para la medición de la resistividad mediante el método Wenner.

Se realizarán diversas mediciones variando la separación a entre los electrodos (y de aquí variará también s), efectuándose las tabulaciones correspondientes.

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Tabla 1: Valores utilizados y obtenidos en la medición S (cm) a (m) R(Ω) ρ = 2 .π .a.R (Ωm)

5. IMFORME A PRESENTAR.

Constará del circuito de ensayo empleando, más los valores obtenidos, de donde se constituirá la gráfica ρ = f (a).

Grafica 1: Relación funcional de la resistividad y la separación entre picas.

Deberá incluirse, además, una discusión acerca del valor de ρ medido más convenientemente a emplear en el cálculo de sistemas de puesta a tierra. Para ello se recomienda la complementación de este trabajo práctico con el de “Estudio de una toma de tierra” .Esfuércese en este punto y si es necesario consulte a la cátedra.

Finalmente responda el siguiente cuestionario:a) ¿Por qué varía ρ al variar a?b) ¿Qué interés encuentra el Ingeniero Electricista en evaluar el valor de ρ? ¿Y el

geólogo?c) ¿Cuáles son las limitaciones de las expresiones teóricas de la resistencia R de los

sistemas de puesta a tierra?d) Averigüe si existen otros métodos de medición y evaluación de ρ.6.) BIOGRAFIA: (1) EATON J. Robert .Sistemas de Transmición de energía eléctrica Ed.

Prentice Hall Internacional ,1973

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Gráfico de la resistividad en función de la separación entre picas

a(m)

res

isti

vid

ad

(o

hm

s.m

)


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(2)TEPER Mario R. Puesta a tierra en líneas de Transmición Artículo aparecido en el volumen Julio/Agosto de 1986 de la revista Electrotécnia.

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