UNIDAD V

Sistema de Puesta a Tierra

1.0 GENERALIDADES Y CONEXIONES DE LA PUESTA A TIERRA

1.1. INTRODUCCIN Y OBJETIVOS DE LA PUESTA A TIERRA

Antes de definir los objetivos de una puesta a tierra, es importante conocer algunos trminos empleados, as como, los fenmenos que se presentan durante una fallas, el recorrido de esta falla por el cuerpo humano y las corrientes admisibles.

1.1.1. DEFINICIONES DE TRMINOS

Es conveniente definir algunos trminos que tienen relacin con el tema de puesta a tierra y los que utilizaremos durante el desarrollo del presente curso.

Cada de potencial o tensin: Es la diferencia entre las tensiones medidas en dos puntos diferentes de una lnea en un momento dado.

Conductor de proteccin: Conductor usado para conectar las partes conductivas de los equipos, canalizaciones y otras cubiertas, entre s y/o con el (los) electrodo (s) de puesta a tierra, o con el conductor neutro, en el tablero, el equipo de conexin o en la fuente de un sistema derivado separadamente.

Conductor de puesta a tierra: Conductor usado para conectar el electrodo de puesta a tierra al conductor de proteccin.

Contacto directo: Es el contacto accidental de personas con un

conductor activo (fase o neutros) o con una pieza conductora que habitualmente est con tensin.

Contacto indirecto: Es el contacto de una persona con masas metlicas accidentalmente puestas bajo tensin, siendo esto el resultado de un defecto de aislamiento.

Contacto a tierra: Conexin accidental de un conductor con la masa terrestre (tierra), directamente a travs de un elemento extrao.

Electrodo de puesta a tierra: Electrodo que se hinca en tierra para ser utilizado como terminal a tierra, tal como una barra de cobre.

Impedancia: Una cantidad compleja cuyo coeficiente es el mdulo de la impedancia, cuyo argumento es el ngulo de fase de la tensin menos el ngulo de fase de la corriente. Tambin, se define como la oposicin total o una corriente alterna. Se presenta por Z y se expresa en ohm. Puede consistir slo en resistencia, reactancia, reactancia inductiva, reactancia capacitiva o una combinacin de estos efectos.

Neutro (Tierra): Es una conexin a tierra de o de los puntos neutros de un circuito, transformador, maquinaria rotativa o sistema.

Puesta a tierra: Comprende a toda ligazn metlica directa sin fusible ni proteccin alguna de seccin suficiente entre determinados elementos o partes de una instalacin y un electrodo o grupos de electrodos enterrados en el suelo con objeto de conseguir que el conjunto de instalaciones, edificios y superficie prxima del terreno. No existen diferencias de potencial peligrosas y que, al mismo tiempo, permita el paso a tierra de las corrientes de falla o la descarga de origen atmosfrico.

Tensin de paso: Es la diferencia de potencial (tensin) mxima entre dos puntos sobre el terreno separados entre s a una distancia de un paso, la cual se supone de un metro, en la direccin de mxima gradiente de potencial.

Gradiente de potencial: Es la pendiente del grfico de perfil de potencial (tensin), cuya trayectoria intercepta en ngulo recto las lneas que se encuentran a igual potencial en un instante dado.

Tensin de toque: Es la diferencia de potencial mxima entre una estructura u objeto metlico puesto a tierra y un punto sobre la superficie del terreno a una distancia horizontal de un metro.

Aparato elctrico: Es todo dispositivo, equipo o artefacto que funciona con energa elctrica, ya sea en forma esttica o mediante movimiento.

Conexin a tierra: Unin mediante un conductor, desde el terminal de tierra o masa de un aparato elctrico, con una puesta a tierra.

Resistencia de dispersin: Resistencia que opone la puesta a tierra al paso de la corriente elctrica. Conviene que sea mnima para brindar mejor proteccin.

Terminal de conexin a tierra o borde de tierra: es un punto aislado de los conductores elctricos, pero no de la masa del aparato, al cual se une slidamente el conductor de conexin a tierra.

Masa o carcasa: Es la caja metlica exterior que contiene a un

aparato elctrico, presentando un punto, denominado terminal o borne en el cual se realiza la conexin a tierra.

Puesta a tierra o aterramiento (P.A.T.): Instalacin de seguridad elctrica en la que un electrodo de cobre es enterrado en el suelo con la finalidad de dispersar corrientes elctricas para evitar accidentes.

Poner a tierra o aterrar: Equivale a realizar la conexin de una masa o un punto neutro a una puesta a tierra.

Electrodo de puesta a tierra o electrodo de aterramiento: Es un conductor metlico rectilneo resistente al ataque corrosivo (cobre), embutido directamente en el suelo o en el relleno de una excavacin, puede tener diferentes formas.

Electrodos verticales o jabalinas: Son simples varillas metlicas cilndricas de pequeo dimetro que se instalan verticalmente en el suelo, ya sea por clavado directo o por embutimiento en el relleno de un pozo.

Electrodos horizontales o pletinas o contrapesos: Son simples pletinas o conductores cableados de mediano dimetro equivalente, que se instalan horizontalmente en el suelo, por embutimiento en el relleno de una zanja.

Electrodos mixtos: Son electrodos conformados por elementos verticales y horizontales slidamente unidos entre s, que se configuran segn los requerimientos de dispersin o control de la corriente evacuada a tierra.

Relleno de puesta a tierra: Mezcla de tierra fina propia de la excavacin y/o tierra fina de otra procedencia (no tierra de cultivo) con aglutinantes naturales y complemento localizado de sales inocuas, que permitan obtener bajas resistencias de dispersin.

1.1.2. JUSTIFICACIN DE LA PUESTA A TIERRA

Para que un sistema de energa elctrica opere correctamente con una apropiada continuidad de servicio, con un comportamiento seguro de los sistemas de proteccin y para garantizar los niveles de seguridad personal es necesario que el sistema elctrico en su conjunto posea un sistema de puesta a tierra como se muestra en la figura 1. Cuando se trata de instalaciones elctricas que darn servicio a una extensa gama de aparatos elctricos y electrnicos ya sean fijos o mviles; con carcazas metlicas y no metlicas, susceptibles al deterioro desde el punto de vista elctrico, es fundamental la

proteccin contra las fallas debido al deterioro del aislamiento que originan la aparicin de tensiones por contactos indirectos.

Fig. 1 Acometida de puesta a tierra de los diferentes artefactos domiciliarios.

1.1.3. EL TOQUE ELCTRICO

Es el contacto accidental con un conductor u objeto electrizado que ocasiona inicialmente estremecimiento y contracciones sbitas en una persona o en un animal; la severidad y consecuencias de estas y otras manifestaciones, dependern de la intensidad de la corriente elctrica y del tiempo que sta circule por el cuerpo.

1.1.3.1 EL CONTACTO DIRECTO

Ocurre cuando una parte desprotegida del cuerpo humano (Fig. 2) hace contacto limpio con una pieza desprovista de aislamiento o con una parte de un conductor activo (energizado), en tanto que otra parte del cuerpo est en contacto con otro punto de menor potencial (suelo); generalmente se trata de componentes defectuosos o averiados por el uso, tales como tomacorrientes o enchufes, o bien conductores pelados de artefactos elctricos domsticos.

Los toques directos son sumamente peligrosos para la vida. Los accidentes se pueden evitar, en principio, cuidando que los elementos elctricos que normalmente utilizamos como son; interruptores, timbres, tomacorrientes, enchufes, conductores aislados etc. no presenten averas ni daos.

Fig. 2 Contacto directo.

1.1.3.2 EL CONTACTO INDIRECTO

Constituye el contacto de una parte del cuerpo humano (Fig. 3) con la masa (caja metlica o cubierta) de una mquina, artefacto o instalacin elctrica que se ha electrizado debido a la falla interna del aislamiento, mientras que otra parte est en contacto con un punto de menor potencial. Puede ocurrir con la mxima conduccin de corriente Falla Franca o a travs de una resistencia espontnea que limita dicha corriente Falla Amortiguada Los toques indirectos a veces son menos peligrosos porque el contacto ocurre a travs de un medio que limita la corriente; sin embargo, son difciles de evitar al igual que las fallas elctricas. En todos los casos, al cumplir con la forma de uso, recomendada por el fabricante para cada aparato, se estar minimizando el riesgo.

Fig. 3 Contacto indirecto.

1.1.4. FALLA DE LOS APARATOS ELCTRICOS

Los aparatos elctricos en funcionamiento pueden fallar por deterioro natural o como consecuencia del uso recargado o errneo o por la incidencia de una sobretensin en el circuito elctrico; de ese modo involucran accidentalmente a las personas que los estn utilizando con una corriente que atraviesa el cuerpo.

1.1.4.1 RECORRIDO DE LAS CORRIENTES DE FALLA - IF

La corriente de falla en vez de regresar a la fuente por el conductor mellizo lo har necesariamente por el suelo (tierra), para lo cual pasa por la falla hacia la masa y contina por las partes ms conductoras que estn en contacto con ella, hasta que llega tierra. (Fig. 4) Cuando no hay conexin entre la masa y tierra una de esas partes ms conductoras puede ser la persona que est utilizando el aparato, tocndolo o agarrndolo, en cuyo caso, su salud o vida estaran en peligro. Para minimizar la corriente peligrosa que podra pasar a travs de la persona, la norma recomienda conectar la masa del artefacto con la tierra, con lo cual se reduce drsticamente la resistencia del trayecto para la circulacin de la corriente de falla.

Fig. 4 Corriente de falla retornando a la fuente.

1.1.4.2 CORRIENTES ADMISIBLES POR EL CUERPO HUMANO - IK

Las corrientes susceptibles de circular por el cuerpo humano comprometiendo el corazn y sin peligro para la salud, se denominan corrientes admisibles (Fig.5) y se han establecido (Dalziel) para intervalos de hasta 3,0 segundos segn el peso medio de la persona (70 kg asignado para los hombres y 50 kg. Para las mujeres.) Son relativamente pequeas y segn su intensidad, producen diferentes sensaciones.

IK (60 HZ) SENSACIN

Menor a 1,0 mA Lmites de Percepcin De 1,0 a 6,0 mA Fastidio, hormigueo De 6,0 a 25 mA Malestar, Calambres De 25 a 50 mA Asfixia, Descontrol

Las normas adoptan como lmite de corriente admisible, 50 mA, en intervalos de hasta 3,0 segundos, dado que por encima de dicha magnitud hasta los 100 mA, la corriente puede producir fibrilacin ventricular y mayores corrientes de electrocucin y muerte.

Fig. 5 Corrientes admisibles segn el tiempo de aplicacin.

1.1.5. PARMETROS ELCTRICOS EN EL CUERPO HUMANO

Los toques elctricos a partir de la diferencia de potencial aplicada conllevan a la circulacin de corriente a travs del trayecto comprometido del cuerpo humano. La evaluacin del fenmeno requiere conocer las magnitudes de resistencia y potencial.

1.1.5.1 RESISTENCIA ELCTRICA - RK

Entre dos partes diferentes del cuerpo humano que incluyen el corazn, se miden diferentes resistencias elctricas; las normas recomiendan adoptar un valor promedio de RK = 1000 Ohm. (Fig. 6)

Fig. 6 Recorridos de la corriente en el cuerpo humano.

1.1.5.2 POTENCIALES ADMISIBLES - VK

La diferencia de potencial, considerada admisible por el cuerpo humano se calcula a partir de IK = 0,05 A (Corriente admisible) y RK = 1000 Ohm (Resistencia media), segn la duracin (t) del contacto. En rgimen permanente (Fig. 7), hasta por (t = 3,0 s), el potencial no peligroso en seco est definido por (VK = RK x IK) VK = 1 000 x 0,050 VK = 50 V (Potencial no peligroso en seco) en rgimen transitorio (Fig. 8), el tiempo (t) de exposicin es controlado por la proteccin elctrica (fusibles, interruptores), y se define segn la relacin (Dalziel)

(Potencial soportable > 50 V)

Fig. 7 Potenciales en rgimen permanente.

t / 116 V

t / 0,116 x 000 1 V

K

K

Bajo contingencias de toque elctrico conviene disponer de un circuito alterno de baja resistencia (conexin masa tierra) y de accesorios que incrementan la resistencia elctrica de cuerpo humano (guantes, mangas, delantales, zapatos, etc.)

Fig. 8 Potenciales en rgimen transitorio.

1.1.6. OBJETIVOS DE LA PUESTA A TIERRA

Los objetivos de una conexin a tierra son: 2. Conducir a tierra todas las corrientes anormales que se originan

como consecuencia de carcazas de los equipos elctricas energizados.

3. Evitar que aparezcan tensiones peligrosas para la vida humana en

las carcazas metlicas de los equipos elctricos.

4. Permitir que la proteccin del circuito elctrico, despeje la falla inmediatamente ocurrida sta.

Para lograr que la puesta a tierra de proteccin, cumpla con los objetivos previstos, es necesario establecer un medio a travs del cual sea posible entrar en contacto con el terreno propiciando un camino de baja impedancia a menor costo, para la operacin correcta de los equipos de proteccin, manteniendo los potenciales referenciales en un nivel adecuado. Otra funcin que cumple la conexin a tierra es dispersar rpidamente las elevadas corrientes, evitando sobretensiones internas y externas. En conclusin, se puede decir que una buena conexin a tierra si cumple con las premisas antes indicadas

POR QU CONECTAR A TIERRA SISTEMAS Y CIRCUITOS? Para limitar tensiones debido a: Rayos.

Sobretensiones. Contactos indirectos frente a falla de aislamiento. Y para:

Estabilizar la tensin durante operaciones normales (maniobras). Facilitar la operacin de los interruptores de circuito (Ej.

Interruptor diferencial). La trayectoria de la puesta a tierra debe ser:

Intencionalmente realizada. Debe ser permanente. Debe ser continua. Debe tener amplia capacidad para conducir en forma segura

cualquier corriente de falla.

Debe ser una trayectoria de baja impedancia.

La impedancia debe ser mantenida a un valor bajo por tres razones:

Limitar la tensin a tierra. Facilitar la operacin de los dispositivos de proteccin. Conducir a tierra corrientes indeseables que causan ruidos lo

mismo que corrientes estticas y de fuga.

6.1. TIPOS DE PUESTA A TIERRA

4.3.1. CONEXIONES TPICAS DE ATERRAMIENTO DEL NEUTRO DE UN SISTEMA

El neutro de un transformador o maquinas rotativas puede adoptar diferentes formas de tratamiento.

1.2.1.1 SISTEMA ELCTRICO CON NEUTRO AISLADO

El neutro real o virtual flota con tensin propia sobre tierra. Las tensiones estn referidas a tierra a travs de las

capacitancas parsitas.

El retorno de corriente de fallas monofsicas a tierra es de pequea intensidad.

El sistema no presenta seguridad, pero es confiable.

Delta no puesta a Tierra

R s

T

Tensin

Neutro -Tierra

UNT=0

a) Conexin D b) Diagrama Fasorial

Estrella No Puesta a Tierra

c) Conexin Y d) Retorno de Corriente de Falla

Fig. 9 Sistemas con neutro aislado.

1.2.1.2 SISTEMA ELCTRICO CON NEUTRO A TIERRA

El neutro real o punto de referencia y la tierra son solidarios. Las tensiones estn referidas a tierra directamente a

travs del neutro puesto a tierra.

El retorno de corrientes de falla es de gran intensidad.

Sistema presenta seguridad, pero no confiabilidad.

Neutro Flotante

Retorno de

Corrientes

de Falla

Flotante

Real

Vn

/3 Vn

Falla

I f

Neutro a Tierra (U=0)

Retorno de

Corrientes

de Falla

Real

Real

Vn

/3

Vn Falla

I f

Conexin a

Tierra

Puesta

a Tierra

N

Delta Puesto a Tierra

a) Conexin D c) Diagrama fasorial

b) Conexin Y d) Retorno de la Corriente de Falla

Fig. 10 Sistemas con neutro a tierra.

1.2.1.3 SISTEMAS DE ALIMENTACIN EN 220 V

Cualquiera que sea el rgimen del neutro de los sistemas elctricos, estos siempre estarn referidos indirectamente a tierra; segn ello se puede estimar la porcin (IK) de las corrientes de falla mximas (IF) que pueden pasar a travs de una persona: Aquellas cuyo valor sea (IK > 50 mA) sern peligrosas.

Sistemas 220 V con Neutro Aislado.

Las tensiones de los alimentadores (Vn) estn indirectamente referidas al potencial de tierra (V = 0) a travs de las capacitancias parsitas (retorno de pequeas corrientes) (Fig. 11).

R s

T

Neutro FijoUN

Neutro Flotante

Retorno de

Corrientes

de Falla

Flotante

Real

Vn

/3 Vn

Falla

I f

Neutro a Tierra (U=0)

Retorno de Corrientes

de Falla

Real

Real

Vn

/3

Vn Falla

I f

Conexin a

Tierra

Puesta

a Tierra

N

Fig. 11 Sistemas sin neutro puesto a tierra.

Sin Puesta a Tierra del Usuario

La tensin entre los extremos de una falla a travs de una persona sin resistencia de contacto con el suelo produce corrientes (IK) peligrosas. (Fig. 12).

Existiendo una falla previa en uno de los conductores sanos, la tensin ser (Vn))

Fig. 12 Falla en el circuito del usuario si puesta a tierra.

simple) (FallamA 1271000

3/220

3/Vf

K

n

I

V

doble) (FallamA 220100

220KI

Con Puesta a Tierra del Usuario

Bajo idntica situacin desventajosa ( puntos de contacto R = 0 Ohm) para la falla de una fase a tierra (Fig. 13), se obtendrn corrientes (Ik) no peligrosas:

Con falla doble IK= 0,016 = 16,2 mA. Para derivar las corrientes de falla ser necesario un trayecto de baja resistencia entre masas de aparatos y el suelo (Tierra).

Fig. 13 Falla en circuito del usuario con puesta a tierra.

Sistemas 220 V con Neutro Puesto a Tierra.

Las tensiones de los alimentadores estn directamente referidas al potencial de tierra (V = 0) a travs del Aterramiento del Neutro (que posibilita retorno de grandes corrientes) (Fig. 14).

mA 9,3 A 0,00931000

9,36

R

VI

V 9,36 996 1 x 4,7R x I V

A 4,7026,99

127

R

3 /VI

99 26, 996 125 R

1002

2 x 100025

RR

R RRR

K

AB

K

efAB

n

f

mK

mK

1

Fig. 14 Sistemas con neutro puesto a tierra.

Sin puesta a Tierra del Usuario

La tensin entre los extremos de una falla a travs de una persona sin resistencia de contacto con el suelo Vr =

V / 3 produce corrientes (Ik) peligrosas (Fig. 15); la proteccin impide la falla doble.

Fig. 15 Falla en circuito del usuario sin puesta a tierra.

mA 127 A 127,01000

127I

V 127 6,13 x 20,71 R x V

A 71,20132,6

1273/I

132,6 1006,17

6,17 x 1000

RR

R x RR

6,17 6 0,17 R R R

K

AB

f

ak

ak

ts c a

k

AB

f

n

R

V

I

R

V

Con Puesta a Tierra del Usuario

Bajo idntica situacin desventajosa (puntos de contacto R=0 Ohm) para la falla Fase Tierra (Fig. 16) se tendrn corrientes (IK) no peligrosas: Ser necesario proveer para las corrientes de falla, un trayecto de baja resistencia entre las masas de los aparatos elctricos y el suelo (tierra).

Fig. 16 Falla en circuito del usuario con puesta a tierra.

4.3.2. PUESTA A TIERRA TPICAS DE INSTALACIONES

A fin tener mayores conceptos claros es necesario clasificar los tipos de puesta a tierra segn su aplicacin:

1.2.2.1 PUESTA A TIERRA DE LOS SISTEMAS ELCTRICOS

Como se indic, el propsito de aterrizar los sistemas elctricos es para limitar cualquier tensin elevada que pueda resultar de rayos, fenmenos de induccin o de contactos indirectos. Esto se logra uniendo parte del sistema elctrico a tierra fsica. En la Fig. 17 se muestra los diferentes tipos de puesta a tierra del sistema elctrico.

Z

Fig. 17 Diferentes tipos de aterramientos del neutro de una instalacin del sistema elctrico.

1.2.2.2 PUESTA A TIERRA DE LOS EQUIPOS ELCTRICOS

Su propsito es eliminar los potenciales de toque que pudieran poner en peligro la vida y las propiedades y para que operen las protecciones por sobrecorriente de los equipos. Se logra conectando al punto de conexin del sistema elctrico con tierra, todas las partes metlicas que pueden llegar a energizarse, mediante un conductor apropiado a la corriente de cortocircuito del propio sistema en el punto de la conexin. En la siguiente figura se observan las conexiones a tierra del sistema de las partes metlicas de los aparatos y equipos metlicos elctricos.

Fig. 18 Conexin a tierra del sistema de las carcazas(masas) de los equipos y aparatos elctricos.

1.2.2.3 PUESTA A TIERRA EN SEALES ELECTRNICAS

Para evitar la contaminacin con seales de frecuencias diferentes a la deseada. Se logra mediante blindajes de todo tipo conectados a una referencia cero, pero puede ser la tierra fsica.

1.2.2.4 PUESTA A TIERRA DE PROTECCIN ELECTRNICA

Para evitar la destruccin de los elementos semiconductores por sobretensin, se colocan dispositivos de proteccin conectados entre los conductores activos y la referencia cero, que puede ser la tierra fsica.

1.2.2.5 PUESTA A TIERRA DE LA PROTECCIN ATMOSFRICA

Sirve para canalizar la energa de los rayos a tierra sin mayores daos a personas y propiedades. Se logra con una malla metlica igualadora de potencial conectada a tierra que cubre los edificios o equipos a proteger.

1.2.2.6 PUESTA A TIERRA DE PROTECCIN

ELECTROESTTICA

Sirve para neutralizar las cargas electrostticas producidas en los materiales dielctricos. Se logra teniendo todas las partes metlicas y dieltricas, utilizando la tierra como referencia de potencial cero.

2.0 RESISTIVIDAD DEL TERRENO

2.1. LA RESISTIVIDAD DE LOS SUELOS

La resistividad de los suelos se expresar en m, cm mm, que corresponde a la resistencia que presenta un cubo de 1 metro cbico de suelo o aguas, entre sus paredes laterales (aristas) y se representa por la letra griega

.

Fig 19 Resistividad de un cubo de terreno de 1m de arista.

Donde: Dimensiones de :

m) R( , despejando

11)m(1

1(m) )R(

:lado de 1m de cuboun para

)(

2)S(m

l(m)

2

lS R.

2

m

mm

m

s

lR

Donde : R = Resistencia en ( )

= Resistividad en ( . m) l = Longitud en (m) S = Seccin en (m2)

11mm

mm

La resistividad del terreno depende de su naturaleza, estratificacin (capas de distinta composicin), contenido de humedad, salinidad y temperatura. La resistividad de un terreno tambin se ve afectado por las variaciones estacionales. Por otro lado, a medida que aumenta el tamao de las partculas aumenta el valor de la resistividad, por ello la grava tiene mayor resistividad que la arena, y esta mayor resistividad que la arcilla. Debido que las capas no son uniformes en un terreno, cuando se mide la resistividad se esta midiendo la resistividad aparente y por ello amerita determinar la resistividad de cada capa o estrato y sus espesores.

2.2. INFLUENCIAS EN EL COMPORTAMIENTO ELCTRICO DEL SUELO

La tierra representa generalmente un mal conductor (gran contenido de oxido de silicio y xido de aluminio que son altamente resistivos) pero gracias al amplio volumen disponible, se puede lograr a travs de ella los niveles conductivos necesarios para su utilizacin auxiliar. La conductividad representa un fenmeno esencialmente electroqumico o electroltico, y por lo tanto, depende de la cantidad de agua depositada o el nivel de humidificacin existente Los suelos estn compuestos principalmente, por xidos de silicio y xidos de aluminio que son muy buenos aislantes; sin embargo la presencia de sales y agua contenida en ellos, mejora notablemente la conductividad de los mismos.

2.3. FACTORES QUE DETERMINAN LA RESISTIVIDAD DE LOS SUELOS

En la resistividad del terreno influyen los siguientes factores y es necesario su evaluacin:

Naturaleza de los suelos. La humedad. La temperatura del terreno. La concentracin de sales disueltas. La compactacin del terreno. La estratificacin del terreno.

2.3.1. NATURALEZA DE LOS SUELOS

Los suelos son buenos, regulares o malos conductores de la electricidad en funcin de su naturaleza. El anlisis y conocimiento de esta naturaleza es el primer paso para la instalacin adecuada del sistema de puesta a tierra. En la tabla siguiente se muestra los valores caractersticos de la resistividad de los suelos, donde se puede apreciar que entre la

resistividad del agua de mar y el hielo existe una gran diferencia y se puede concluir que el agua de mar es el que presenta la mas baja resistividad y por lo tanto un buen conductor de la electricidad.

Tipo de suelo o agua Valor tpico de resistividad (ohm-m)

Agua de mar 2

Arcilla 40

Aguas subterrneas 50

Arena 2000

Granito 25000

Hielo 100000

Tabla 1 Resistividades tpicas segn el tipo de suelo o agua.

Los suelos pueden clasificarse segn su granulometra en: Arcilla (greda) Arena finsima Arena fina Arena gruesa Cascajo grava Piedra suelta Roca.

2.3.2. LA HUMEDAD

La resistividad que presenta un terreno esta en relacin directa a los porcentajes de humedad contenida en l; es decir, depende de su estado hidromtrico, al aumentar la humedad disminuye la resistividad y al disminuir la humedad aumenta la resistividad. En todo caso siempre que se aade agua a un terreno disminuye su resistividad respecto al que tendra en seco. Se dice que el terreno esta Saturado de agua cuando todos sus intersticios esta llenos de agua. Una vez pasada la causa de la saturacin el agua contenida en los espacios entre los diferentes agregados, debido a la gravedad se dirigir hacia abajo quedando estos nter espacios ocupados por aire en el interior de los agregados, al ser superior la fuerza de capilaridad que la gravedad. El agua contenida en ellos no se mueve y en estas circunstancias, se dice que el terreno esta saturado de humedad. En el siguiente grfico (figura 20) se puede observar la variacin de resistividad en funcin de la humedad, en una muestra de arcilla roja, con el porcentaje de humedad contenida.

Fig. 20 Variacin de la resistividad en funcin al porcentaje de humedad.

2.3.3. LA TEMPERATURA DEL TERRENO

La resistividad de los suelos, tambin depende de la temperatura, esta caracterstica trmica del terreno depende de su composicin, de su grado de compactacin y del grado de humedad. La resistividad del terreno aumenta al disminuir la temperatura, pero cuando el terreno se enfra por debajo de cero grados centgrados el agua que contiene se congela. El hielo es aislante desde el punto de vista elctrico, lo que implica que la movilidad de los iones del terreno a travs del agua se ve detenida al congelarse esta. Una forma de amortiguar este efecto en zonas con clima continental (inviernos fros y veranos calurosos) deber introducirse los electrodos a mayor profundidad. En el siguiente grfico, figura 2.3, se puede observar como aumenta la resistividad de un terreno en funcin del descenso de la temperatura.

% Humedad% Humedad

Rh

oR

ho

(Oh

m

(Oh

m --

m)

m)

15%15%

La HumedadLa Humedad

% Humedad% Humedad

Rh

oR

ho

(Oh

m

(Oh

m --

m)

m)

15%15%

La HumedadLa Humedad

Fig. 21 Variacin de la resistividad del terreno en funcin de la temperatura.

2.3.4. LA CONCENTRACIN DE SALES DISUELTAS

Al presentarse una mayor concentracin de sales disueltas en un terreno, mejora notablemente la conductividad y por lo tanto la resistividad. El agua hace que las sales penetren hacia la parte profunda del terreno, hacia la capa de depsito, y que un riesgo excesivo o una lluvias excesivas lavan el terreno y, por lo tanto, arrastran la sal que rodea los electrodos aumentando la resistividad. Tampoco es aconsejable ubicar el electrodo cercano al cause del ro por que son terrenos muy lavados y por lo tanto ms resistivos de lo normal. El siguiente grfico muestra la variacin de la resistividad de un terreno en funcin del porcentaje de sal presente:

Temp. ( C )Temp. ( C )

Rh

oR

ho

(Oh

m

(Oh

m --

m)

m)

0 C0 C

hielohielo

aguaagua

4 10 50 90 4 10 50 90 100100--20 20 --10 10

La TemperaturaLa Temperatura

Temp. ( C )Temp. ( C )

Rh

oR

ho

(Oh

m

(Oh

m --

m)

m)

0 C0 C

hielohielo

aguaagua

4 10 50 90 4 10 50 90 100100--20 20 --10 10

La TemperaturaLa Temperatura

Fig. 22 Variacin de la resistividad del terreno en funcin del % de sal.

2.3.5. LA COMPACTACIN DEL TERRENO

Cuando la compactacin del terreno es grande disminuye la resistividad, por lo tanto es recomendable que exista un buen contacto entre electrodo y el terreno y por lo tanto es necesario una compactacin En el siguiente grfico se muestra cualitativamente la influencia de la compactacin del suelo, en la variacin de la resistividad.

Fig. 23 Variacin de la resistividad del terreno en funcin de la compactacin del terreno.

% de Sal% de Sal

Rh

oR

ho

(Oh

m

(Oh

m --

m)

m)

2%2%

Concentracin De Sales

CompactacinCompactacin

Rh

oR

ho

(Oh

m

(Oh

m --

m)

m)

2%2%

% Humedad% Humedad

W1W1

W2W2

W3W3

Compactacin Del TerrenoCompactacin Del Terreno

CompactacinCompactacin

Rh

oR

ho

(Oh

m

(Oh

m --

m)

m)

2%2%

% Humedad% Humedad

W1W1

W2W2

W3W3

Compactacin Del TerrenoCompactacin Del Terreno

2.3.6. LA ESTRATIFICACIN DEL TERRENO

El suelo esta formado por capas(estratos) que tienen diferentes resistividades y profundidades debido a la formacin geolgica que son generalmente horizontales y paralelas a la superficie. Existen estratos que se presentan en forma inclinada o verticales debido a fallas geolgicas pero para los estudios se asumen horizontales El desconocimiento a priori de la resistividad de las capas inferiores obliga al estudio y medicin de las mismas si se requiere conocer el valor de la puesta a tierra a una determinada profundidad. Se puede afirmar que la resistividad a una profundidad de 5 m puede llegar a ser mayor que solamente a una profundidad de 1,5 m por tratarse de un terreno de una capa arcillosa. En la siguiente figura se observa que el comportamiento de la resistividad del terreno no es uniforme y depende de la caracterstica de los estratos y en un caso real se puede dar terrenos con diferentes capas con resistividades y espesores diversos que pueden ser mayor a lo requerido, por lo tanto no tendra xito la puesta a tierra en esta capa.

Fig. 24 Influencia de la estratificacin del terreno.

2.4. OTROS FACTORES

La resistividad del suelo es, en ausencia de efectos secundarios, prcticamente independiente de la intensidad de corriente que lo recorre.

I I

II

h

21

21

21

21

I I

II

h

21

21

21

21

Los factores que son susceptibles de modificar apreciablemente la resistividad del terreno pero que, por su naturaleza elctrica, solo pueden surgir posteriormente al establecimiento de la puesta a tierra, son: a) El efecto de gradiente de potencial elevados. B) El calentamiento del suelo a consecuencia de la circulacin de corrientes de

puesta a tierra elevadas o de forma prolongada.

2.4.1 GRADIENTES DE POTENCIAL ELEVADO

Cuando no hay un contacto perfecto entre un electrodo y el terreno, puede establecerse en condiciones de circulacin de corriente de falla y a partir de un cierto valor pequeas descargas que originaran perforaciones en la superficie del electrodo. La resistencia del sistema de puesta a tierra arrojara, en estas condiciones, valores inferiores a los que se hubieran obtenido cuando no se produca el fenmeno, esto es mas evidente en instalaciones de puestas a tierra domiciliarias. Para magnitudes de la corriente de falla muy elevados a travs del pozo de puesta , el gradiente de potencial puede llegar, en las proximidades inmediatas de los electrodos, a alcanzar valores que provocan la perforacin del terreno, dando lugar a la formacin de uno o varios arcos (algunos kV/ cm). En consecuencia debe de evitarse el establecimiento de tales descargas por que deterioran rpidamente los electrodos. Tampoco, desde el punto de vista de las descargas atmosfricas, es posible beneficiarse de lo anterior por que la velocidad de propagacin de los arcos en el suelo es muy lenta para ser tenida en cuenta durante la breve duracin del abrupto frente de la descarga del rayo.

3.4.2 CALENTAMIENTO DEL SUELO POR LA CIRCULACIN DE CORRIENTES ELEVADAS

El calentamiento del suelo tiende a incrementar su conductividad mientras no est acompaado de desecacin. La resistividad de una capa de terreno puede disminuir en una relacin de 2 a 1 para temperaturas entre algunos grados y 20 a 25 o C, y en una relacin del mismo orden entre 20 y 80 o C.

La cantidad de calor que se genera en un electrodo puede dividirse en dos partes: la acumulada en el volumen de terreno en contacto directo con el mismo y otra parte que la absorben las capas circundantes mas fras, circulando a travs del terreno (que tiene una conductividad calorfica, ,

del orden de 1,2 W .m o C) La temperatura es mxima en la proximidad inmediata del electrodo convirtindose las condiciones en criticas cuando se acerca a 100oC, al provocarse la evaporacin rpida del agua ocluida y dejar el electrodo con

una capa deshidratada muy resistente e, incluso, llegar a producir la calcinacin del terreno a su alrededor. La toma de tierra pierde entonces su poder de evacuacin y tiende a subir su potencial hasta la tensin de fase de la red, situacin evidentemente peligrosa. Puede evitarse que se produzcan la desecacin si las protecciones de la red eliminan la corriente inicial en un tiempo, t, tal que limite la corriente, i, evacuada por neutro, al valor aproximado de:

mApt

d

ptd

tpdi /10.156,4

10.10.75,1

.

. 426

Expresin en que d es el dimetro, en metros, del electrodo.

2.5. RESISTIVIDADES TPICAS

El cdigo nacional de electricidad Tomo I prescripciones generales, detalla las resistividades de los diferentes terrenos y en todo caso son valores referenciales durante el desarrollo de este curso:

NATURALEZA DEL TERRENO RESISTIVIDAD Ohmios-m

Terreno pantanoso Limo Humos Turba Hmeda Arcilla Plstica Margas y arcillas compactas Margas de jursico Arena arcillosa Arena silcea Suelo pedregoso cubierto de csped Suelo pedregoso desnudo Caliza blanda Caliza compacta Caliza agrietada Pizarra Rocas de mica y cuarzo Granito y gres procedentes de alteracin Granito y gres muy alterados

Hasta 30 20 A 100 10 A 150 5 A 100

50

100 A 200 30 A 40

50 A 500 200 A 3000 300 A 500

1500 A 3000

100 A 300 1000 A 5000 500 A 1000 50 A 300

800

1500 A 10000 100 A 600

Los valores medios de resistividad de terrenos se muestran en el siguiente

cuadro:

NATURALEZA DEL TERRENO

VALOR MEDIO DE LA RESISTIVIDAD

Ohm - m

Terrenos cultivables y frtiles, terraplenes compactos y hmedos Terreno cultivables poco frtiles, terraplenes en general Suelos pedregosos desnudos, arenas secas permeables

50

500

3000

3.0 MEDICIN DE LA RESISTIVIDAD

3.1. GENERALIDADES

Para conseguir un valor bajo de resistencia de puesta a tierra es necesario saber la resistividad del terreno y su espesor respectivo, para ello debe evaluarse el comportamiento del suelo como conductor elctrico a partir de medidas realizadas con un instrumento llamado Telurmetro. En gran parte de las ciudades del pas, a la profundidad que se entierran los electrodos de puesta a tierra (mximo 3,5 m) el suelo est compuesto mayormente de dos estratos: - Un estrato superficial. - Un estrato subyacente. En la Fig. 25 se observa el modelo de suelo de dos estratos donde se tiene que cada estrato posee una resistividad y su respectiva profundidad, asimismo, cada estrato tiene diferente composicin de terreno.

Un estrato superficial Generalmente de tierra limosa y/o tierra arenosa, con un espesor variable entre 0,3 y 1,2 m, normalmente seco en la costa y hmedo en la sierra y selva

Un estrato subyacente Constituido por conglomerados finos y pedregosos en la costa, as como rocosos y pedregosos en la sierra y selva alta.

Fig. 25 Modelo de suelo de dos estratos (capas)

SUPERFICIE DEL SUELO

TIERRA LIMOSA

O ARENOSA

ESTRATO

SUPERFICIAL h1

2CONGLOMERADO

TIERRA FINA

PIEDRA MENUDA

Y GRUESA

ESTRATO

SUBYACENTE

3.2. FINALIDAD DE LA MEDICIN DE LA RESISTIVIDAD

El objetivo de la medicin de la resistividad tiene las siguientes finalidades: - Obtener la resistividad de cada estrato o capa. - Encontrar la profundidad de los estratos o capa. - Ubicacin ptima de las instalaciones de puesta a tierra. En la Fig. 26 se puede observar el flujo de dispersin de la corriente en un terreno de dos estratos en la que se indica los espesores que tiene cada estrato y su respectiva resistividad.

Fig. 26 Flujo de dispersin de la corriente en un terreno de dos estratos.

En las capas cuya resistividad es muy baja la corriente fluye con gran facilidad y en terrenos cuya resistividad es alta la corriente de falla a tierra tendr oposicin y no se dispersa en toda la capa.

3.3. SELECCIN DE LOS EQUIPOS DE MEDICIN Antes de efectuar una medicin de resistividad es necesario seleccionar adecuadamente el equipo a utilizar y para ello se requiere saber cules son los componentes del instrumento, es decir, la fuente de potencia, sistema de medida, los requisitos mnimos que deben cumplir estos equipos y qu tipo de ensayo debe ser sometidos estos equipos. 3.3.1. COMPONENTES DEL INSTRUMENTO

Los componentes del instrumento son: - Fuente de potencia

I I

II

h

21

21

21

21

I I

II

h

21

21

21

21

I I

II

h

21

21

21

21

- Sistema de medida

Fuente de potencia: - Recomendable alterna o alterna pulsante, capaz de vencer la

resistencia propia del circuito y del terreno, tensin entre 50 y 500 V. a una frecuencia de 60 a 70 Hz.

- Debido a la probabilidad de electrlisis no es recomendable

fuente de tensin continua.

- En el caso de instrumentos a batera deber disponer de rectificador esttico DC/AC

Dispositivos para eliminar corrientes electrolticas y de induccin:

- Cuando la fuente es un generador manual, un rectificador

mecnico ser capaz de rectificar las corrientes electrolticas y de induccin, de manera que la corriente neta por el circuito de medida sea cero.

- Cuando la fuente de potencia es una batera operada por un

convertidor o transistor, el rectificador esttico rechazar las corrientes de frecuencia diferente al de la corriente de prueba.

Sistema de medida: Bsicamente se conocen tres sistemas de medida: 1. Sistema voltmetro: ampermetro o sistema ohmimtrico;

ventaja: la resistencia de los electrodos de corriente no afectan la lectura del instrumento.

2. Sistema comparador: de resistencias, ofrece relativa facilidad

en la lectura directa. 3. Sistema de balance nulo: debido al uso de electrodos de

resistencia baja no afecta la lectura del instrumento.

Existen sistemas combinados entre sistema ohmimtrico y el sistema de balance nulo, mejorndose la medicin de resistencias bajas.

3.3.2. REQUISITOS MNIMOS DE LOS INSTRUMENTOS

Existen tradicionalmente equipos analgicos y digitales, equipos que trabajan a manivela y a batera.

En la actualidad los equipos modernos deben cumplir con los siguientes requisitos: - Compactos y de fcil traslado y permitir almacenamiento de

informacin.

- Interfase para PC, accesorios, manual, medicin multipolo (2,3,4) controlados por microprocesador.

- Opcin para medicin con pinzas y sin estacas.

- Al usar transductores de medicin deben ser de similar clase de

precisin.

- Deben tener certificaciones de los siguientes ensayos tipos: ensayo de aislamiento, ensayo de compatibilidad electromagntica, ensayos climticos, ensayos mecnicos, ensayo de clase de precisin.

3.3.3. ENSAYOS TIPOS

Los equipos de medicin para su funcionamiento adecuado en cualquier condicin y para arrojar una lectura confiable, debe cumplir con ensayos tipos y deben tener certificaciones de los mismos, a continuacin se indican los diferentes ensayos tipos:

Certificaciones de los siguientes ensayos tipos

- Aislamiento: IEC 61000 4 2, IEC 61010 1 - Compatibilidad electromagntica: IEC 1000 4 2, IEC 61326

1 - Climticos: DIN 40040 - Mecnicos: IEC 529, DIN 40050

- Clase de precisin: (+/-2%)

- Medicin de RE: IEC 61557 5

- Fabricacin: DIN ISO 9001

3.4. CONSIDERACIONES PARA LA MEDICIN

Es necesario saber las precauciones que deben tenerse presente antes de efectuar una medicin y tambin, en que casos no es recomendable efectuar una medicin.

3.4.1. PRECAUCIONES PARA LA MEDICIN

Las mediciones deben efectuarse en pocas apropiadas en la sierra en estiaje y en la costa en verano. - Los electrodos de exploracin deben tener un buen contacto con

el terreno. - Si el terreno es deslizable remover el material suelto hasta

encontrar tierra firme.

- Si el suelo tiene capa gruesa de arena verter agua en el punto de clavado de los electrodos.

- Verificar el punto de contacto de la bornera de los instrumentos y

la toma de los electrodos.

- Verificar los conductores gastados para evitar puntos de degradacin del aislamiento.

- Verificar la presencia de corrientes inducidas.

- La resistencia de los electrodos auxiliares y conductores deben ser

tal que no influyan en las mediciones.

3.4.2. CASOS NO RECOMENDABLES PARA LA MEDICIONES Estas recomendaciones son producto de la experiencia prctica y sirven si se desea un resultado bueno. Las recomendaciones a tomar en cuenta son: - Despus de una lluvia.

- Durante alta humedad ambiental.

- Cuando hay conductores pelados y no se logran buen contacto en

el conexionado.

- Durante horas de tormenta.

- Durante horas de humedad, en la que se escucha chisporroteo en los aisladores.

- Durante la ejecucin de trabajos de mantenimiento sobre la

infraestructura en las proximidades.

3.5. MTODOS DE MEDIDA DE LA RESISTIVIDAD

Para un anlisis real del terreno es fundamental efectuar la medicin de la resistividad del terreno. Los mtodos de medicin se pueden clasificar en:

Por el tipo de fuente: - Mtodo Volt ampermetro. - Uso de instrumento especfico.

Por el nmero de electrodos utilizados: - Mtodo de tres electrodos. - Mtodo de cuatro electrodos. - Configuracin de Wenner. - Configuracin de Schulumberger.

3.5.1. MTODO DE LOS TRES ELECTRODOS

Bsicamente consiste en medir la resistencia de puesta a tierra de un electrodo de dimensiones conocidas, enterrado en un terreno cuya resistividad se desea conocer (Fig. 27). El clculo de la resistividad aparente a una profundidad dada, puede ser realizada utilizando cualquiera de las tres ecuaciones a, b, c; aunque se puede recomendar el uso de la ecuacin c a partir de la cual se obtiene.

Ecuaciones:

Donde: a : Resistividad aparente para una profundidad L ( - m)

L : Longitud del electrodo enterrado en contacto con el suelo (metros)

2r : Dimetro del Electrodo (metros) R : Valor medido de la resistencia (ohmios) Este mtodo tiene muchas limitaciones, no obstante, actualmente es utilizado por algunas compaas.

1r

4L1n

LR 2

a

I)a

4L (In

L 2 R c)(

a

L h sen Arc

L 2 R b)(

a

2L Ln

L 2R )(

a

Fig. 27 Mtodo de tres electrodos para la medicin de resistividad

3.5.2. MTODO DE LOS CUATRO ELECTRODOS El principio de este mtodo est basado en la medicin de la diferencia de potencial entre dos de los electrodos, luego de haber inyectado al terreno una corriente a travs de los otros dos. La corriente inyectada puede ser corriente continua conmutada o corriente alterna de baja frecuencia (menores de 200 Hz) por razones de acoplamiento entre los conductores. La ecuacin fundamental para la medicin de resistividad mediante cuatro electrodos, teniendo en cuenta la Fig. 28 es:

Donde: V : Diferencia de potencial entre dos electrodos I : Corriente inyectada r1, r2, r3, r4 : Distancia entre los electrodos de acuerdo a la figura 3.4.

4321 r

1

r

1

r

1

r

1

1

I

V2

V

I

2rL

Fig. 28 Medicin de la resistividad por el mtodo de los cuatro electrodos.

Si el terreno considerado es homogneo, el valor de la resistividad medida por este mtodo corresponder al valor nico de resistividad presente en el terreno; pero s no es homogneo, entonces el valor obtenido ser ficticio, llamndose resistividad aparente y se designa por a.

Existen varias configuraciones clsicas de este mtodo, dependiendo de la forma relativa en que se ubiquen los electrodos.

3.5.2.1 Configuracin de Wenner

Para esta configuracin, los cuatro electrodos se colocan en una lnea recta, con igual separacin y profundidad de penetracin en el terreno (Fig. 29). El mtodo de medicin est basado en la ecuacin que se muestra desarrollada por el Dr. Frank Wenner, donde los electrodos 1 y 4 (externos) se utilizan para inyectar la corriente y los electrodos 2 y 3 (centrales) sirven para medir la diferencia de potencial que al dividirse por la corriente inyectada da un valor de resistencia R. Luego:

O tambin:

V

I

r1 r2

r3 r4

2222 b44a

a2

b4a

2a1

aR 4

Donde:

: Resistividad del terreno (ohmio metro) R: Resistencia medida (ohmios) a: Distancia entre electrodos (metros) b: Profundidad de penetracin de los electrodos (metros) n: Factor aproximado que tiene un valor entre 1 y 2 (depende

de la relacin b/a)

La segunda ecuacin puede aproximarse a:

= 4 a R Si b > a

= 2 a R Si b a

(a)

n

aR 4

(b)

Fig. 29 Configuracin de Wenner

En la figura 29 (a), tambin se puede observar el mtodo de la configuracin de Wenner utilizando un instrumento especifico de cuatro terminales. En la configuracin de Wenner, los electrodos de corriente (C) y los electrodos de Potencial (P) pueden tener 3 arreglos alternativos, sin alterar el resultado de la resistividad que se va a medir, siempre y cuando se aplique la expresin adecuada. Estos arreglos son mostrados en la siguiente tabla, siendo el ms frecuente utilizado para las mediciones el arreglo C P P C.

TABLA 1

Arreglos alternativos en la configuracin WENNER

C P P C P C C P C C P P P P C C C P C P P C P - C

1 = 2 a R1

2 = 6 a R2

3 = 3 a R3

C1

V

I

a aa

P1

P2

C2

La configuracin de Wenner permite una visualizacin ms rpida de la curva, ya que la resistividad puede ser obtenida en forma ms directa a partir de los valores de resistencia R ledos en el instrumento. Por otro lado, se pueden utilizar instrumentos menos sensitivos que en la configuracin Schlumberger, ya que a medida que se alejan los electrodos tambin lo hacen los de potencial.

3.5.2.2 Configuracin de Schlumberger

Para esta configuracin los cuatro electrodos se colocan tambin en lnea recta, manteniendo la separacin entre electrodos centrales o de potencial (a) constante; mientras que los electrodos exteriores varan su separacin a partir de los electrodos interiores, a distancias mltiplos (na) de la separacin base de los electrodos centrales (a), Fig. 30. La ecuacin fundamental para este caso es:

asch = R.n(n+1) a

Algunas de las ventajas de esta configuracin son la rapidez con que se realizan las mediciones y la menor sensitividad a las variaciones laterales del terreno, debido principalmente a que slo se desplazan los electrodos de corriente, permaneciendo en su lugar los de potencial.

Fig. 30 Configuracin de Schlumberger.

C1

V

I

na naa

P1

P2

C2

3.5.3. RECOMENDACIN PRCTICA En la prctica se puede adoptar por los siguientes criterios: 3.5.3.1 Parmetros de diseo con medidas Wenner

Siendo restringido el espacio til disponible para las medidas de resistividad aparente y riguroso el procesamiento formal de las magnitudes obtenidas para este caso particular se opta por un procedimiento expeditivo que permite la estimacin gruesa de la resistividad de diseo.

Aplicando el mtodo Wenner, se harn dos sondeos de

medida (Fig. 31) para obtener (ia) cada uno con el despliegue de (04) electrodos clavados en suelo (C1, P1, P2, C2) firme a 0,1 m de profundidad y espaciados en lnea recta a una misma distancia (a) de 1,0 m y luego 2,0 m

Procedimiento y Ejemplo

Sea un suelo de alta resistividad, tpico en las ciudades de la costa (ejemplo).

- El espacio til para medidas deber tener por lo menos

un radio de 3,0 m (Fig.32)

- 1 sondeo: Se obtiene (1 = 326 -m) para una distancia (a=1,0 m)

- 2 sondeo: se obtiene (2 = 288 -m)para una distancia

(a=2,0 m)

- La resistividad de diseo a (1,5 m) de profundidad se estima en:

Fig. 31 Esquema de medidas de Wenner

m 3072

288326

2 11

aa

Fig. 32 Sondeos de medida Wenner en reducido espacio til

3.5.3.2 Parmetros de Diseo Medida Indirecta

Considerando idnticas restricciones de espacio til, se puede aplicar la medida de la resistencia de dispersin (R) de un electrodo (l = 1,2 m; d= 0,013 m)

Explorador de fierro clavado a 1,0 m de profundidad para evaluar la resistividad de diseo en valor equivalente. Esta alternativa muchas veces no se posibilita por la dificultad del clavado. (Fig. 33)

Aplicando el mtodo de cada de potencial (Fig. 34) se harn dos medidas (Ri) al electrodo explorador (C1) con dos despliegues de electrodos (P2, C2) clavados en suelo firme (a 0,15 m de profundidad) ambos en lnea recta radial con la que se calcula finalmente:

i = 1,10 Ri

Procedimiento y Ejemplo

Tomando el mismo caso anterior:

- El espacio til para medidas deber tener al menos (6,0 m) de largo. (Fig. 35)

- 1a. Medida: se calcula (a = 295 - m) para (d = 5,0 m,

p=3,0 m y Ra = 236 )

- 2da. Medida: se calcula (b = 305 - m) para (d= 6,0

m, p=3,7 m y Rb = 244 )

- La resistividad de diseo a (1,5 m) de profundidad resultar:

Para las medidas, el suelo tendr que presentar su sequedad usual; el grass o las hierbas menudas sern retirados en la base de los electrodos; en suelos totalmente secos, se vertir un poco de agua en el hueco de dichos electrodos

clavados, en caso de no poder medir, asumir: = 300 - m

Fig. 33 Clavado del electrodo explorador

Fig. 34 Esquema de medida indirecta

m - 3002

305 295

2a

b

MARTILLO

PESADO

ELECTRODO

EXPLORADOR

PENETRACIONMINIMA

1m

ESTRATO DUROPENETRACION DIFICIL

ESTRATO SUAVE

PENETRACION FACIL

Fig. 35 Despliegue de medidas indirectas

3.6. INTERPRETACIN DE RESULTADOS Para interpretar los resultados es necesario conocer la estructura equivalente del suelo, es decir, si es homogneo o tiene varias capas.

3.5.1. ESTRUCTURA EQUIVALENTE DEL SUELO

En la mayora de los casos, los terrenos presentan caractersticas de no homogeneidad, fenmeno que puede ser verificado a travs de la interpretacin de las mediciones de resistividad, las que permitirn determinar la representacin del suelo a travs de un modelo homogneo o un modelo estratificado.

Suelo homogneo

El valor de la resistividad aparente medida para cualquier separacin entre los electrodos se va a mantener constante y coincide con el valor de la resistividad del suelo.

Suelo estratificado de dos capas

En este modelo de suelo, existen dos tipos posibles de combinaciones (Figs. 36a y 36b), cuyas caractersticas principales son: - Tendencia asinttica al comienzo y fin de la curva. - Un solo punto de inflexin en la grfica de toda la curva.

(a) (b)

Fig. 36 Suelo estratificado de dos capas.

Suelo estratificado de tres capas

En el modelo de tres capas, existen cuatro tipos posibles de combinaciones (Figs. Desde 37a hasta 37d), donde se puede observar que las curvas correspondientes a este modelo poseen puntos de inflexin. En general, una curva de n capas puede tener 2(n-1) tipos de combinaciones y (n 1) puntos de inflexin.

3.5.2. INTERPRETACIN DE LAS MEDICIONES DE CAMPO Las mediciones de resistividad aparente pueden ser interpretadas por varios mtodos, los cuales en su mayora son de carcter emprico y se basan en la experiencia acumulada a lo largo de aos de mediciones. A continuacin se numerarn algunos de ellos y se har una descripcin del ms importante y el ms prctico: - Mtodo de los Quiebres. - Mtodo acumulativo de Moore. - Mtodo de Barnes. - Mtodo de interpretacin analtica mediante un programa numrico. - Mtodo de interpretacin mediante curvas patrn.

a

1

2

12

a

a

2

1

a

21

Fig. 37 Suelo estratificado de tres capas

3.6.2.1. INTERPRETACIN MEDIANTE CURVAS PATRN Este mtodo se basa en la comparacin de los grficos obtenidos en las mediciones de campo con curvas patrn, construidas para diferentes casos de combinaciones de capas. En la prctica, existen curvas patrn para las configuraciones de Wenner y Schlumberger, siendo ms utilizadas las primeras, cuya familia de curvas ha sido obtenida a partir de la ecuacin de Tagg que se indica. Las curvas patrn, as como las obtenidas experimentalmente se grafican en papel log log, para obtener independencia de las unidades y magnitudes de medicin. Cada modelo de estratos (2 capas, 3 capas, etc.) tiene sus propias curvas patrn, a partir de las cuales es posible obtener las resistividades y espesores de cada estrato, considerando que en un modelo de n capas, la capa n tiene espesor infinito. Cabe mencionar adems, que es posible interpretar un modelo de tres capas mediante curvas patrn de dos capas y grficos auxiliares.

a

1

321

a

a

1

a

321

a

1

321

a

a

a

321

(a) (b)

(c) (d)

Donde:

a : Resistividad aparente, determinada por el mtodo

de Wenner (ohmios metro) 1 : Resistividad de la primera capa (ohmios metro)

2 : Resistividad de la segunda capa (ohmios metro) h : Profundidad de la primera capa (metros) a : Espaciamiento entre electrodos usado en el mtodo

de Wenner (metros)

B : Factor que toma en cuenta la variacin

vertical de la resistividad del terreno.

3.6.2.2. INTERPRETACIN DE LA RESISTIVIDAD DEL SUELO PARA UN MODELO DE DOS CAPAS (CONFIGURACIN WENNER)

1. Teniendo como base los datos de campo, graficar las curvas de resistividad aparente en funcin del

alejamiento de los electrodos (VS a en papel log log idntico al de las curvas de patrn (4 x 3 dcadas) tratando en lo posible que sea transparente. Se recomienda un mnimo de cuatro puntos para la obtencin de cada curva.

2. Superponer el papel logartmico con la curva obtenida

experimentalmente sobre el papel con las curvas patrn (conviene utilizar una ventana o mesa luminosa).

3. Deslizar el papel con la curva experimental sobre el

papel con las curvas patrn, hasta obtener una

2

n

2

n00n

1n1

a

a

nh24

K

a

nh21

K 41

Tagg de Ecuacin

K : Factor de reflexin 12

12K

coincidencia la ms perfecta posible entre la curva experimental y una de las curvas patrn. Durante este proceso deben mantenerse paralelos los ejes de ambos grficos. Si es posible un calce en tan slo una parte de la curva experimental, es seal que el modelo de suelo analizado corresponder a ms de dos capas.

4. Marcar en el papel con la curva experimental una

cruz en el punto correspondiente al origen (1.1) del grfico patrn.

5. La ordenada de la cruz marcada en el grfico de la

curva experimental indicar el valor correspondiente

a la resistividad de la capa superior 1; mientras que la abscisa indicar el valor del espesor de la capa superior h1.

6. Leer el valor de 1/2 de la curva patrn que calza con la curva experimental, a partir del cual se calcula

2 conociendo 1 encontrado en el paso 5. 7. El espesor de la segunda capa h2 se supone que es

infinito.

Fig. 38 Curvas patrn resistividad Vs. distancia de separacin

3.6.2.3. INTERPRETACIN DE LA RESISTIVIDAD DEL

SUELO PARA UN MODELO DE TRES CAPAS MEDIANTE EL USO DE CURVAS PATRN DE DOS CAPAS Y UN GRFICO CON CURVAS AUXILIARES. (CONFIGURACIN DE WENNER)

En caso de no contar con curvas patrn para las diferentes combinaciones de un sistema de tres capas, puede recurrirse a una interpretacin por partes de la curva experimental, utilizando curvas patrn de dos capas y un grfico con curvas auxiliares. El procedimiento a seguir es el siguiente:

1. Hacer coincidir la parte izquierda de la curva

experimental con la curva del grfico patrn de dos capas que ms se aproxime.

2. Marcar en el grfico patrn de dos capas que ms se

aproxime. 3. Marcar el grfico experimental una primer cruz

correspondiente al origen (1.1) del grfico patrn, que en forma semejante al procedimiento para un sistema de dos capas permite determinar la resistividad y

espesor de la primer capa 1 y h1 y tambin una

estimacin de la resistividad de la segunda 2. Anotar

el valor de 1/2

4. Superponer el grfico experimental sobre el grfico con las curvas auxiliares hasta hacer coincidir la primera cruz sobre el origen de coordenadas del diagrama auxiliar, conservando paralelos los ejes de ambos grficos durante el proceso.

5. Calcar sobre el grfico experimental la curva del

grfico auxiliar que corresponde al valor 2 /1 anotado y que parte de la posicin de la primera cruz.

6. Superponer nuevamente el grfico experimental sobre

el grfico patrn de dos capas.

7. Conservando los ejes paralelos se desplaza el grfico experimental hasta que la parte derecha de la curva calce con una de las curvas patrn. Durante este proceso debe mantenerse el origen de coordenadas del grfico patrn continuamente, en coincidencia con la curva auxiliar trazada anteriormente.

8. Marcar sobre el grfico experimental una segunda

cruz correspondiente al origen (1.1) del grfico

patrn. Anotar el valor 2/1 que en este caso vendra

a ser 3/2.

9. Para la segunda cruz marcada en el grfico experimental, leer el valor de la ordenada que corresponder a una resistividad aparente 2

. Del

mismo modo leer el valor de la abscisa que corresponder al espesor de la segunda capa h2.

10. Calcular el valor de la resistividad de la tercera capa

multiplicado el valor de la resistividad aparente 2 por

el valor 3/2 anotado en al paso 6.

El espesor de la tercera capa se considera infinito ().

Fig. 39 Curvas auxiliares de resistividad vs. distancia de separacin de

electrodos.

4.0 CLCULO DE LA RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA 4.1. GENERALIDADES

El clculo de la resistencia de puesta a tierra involucra el clculo de la misma resistencia a tierra, ya sea de un electrodo elemental, una combinacin simple de electrodo, una combinacin relativamente de electrodos (malla de tierra) o de mallas de tierra interconectados. En general, los electrodos elementales que conforman la mayor parte de las puestas a tierra, son la barra que es el elemento enterrado verticalmente en el terreno y el conductor horizontal embebido en el terreno. Los electrodos tales como el anillo y la plancha metlica dispuesta sobre la superficie del terreno, se utilizan casi exclusivamente como complementos de una puesta a tierra para controlar gradientes de potencial sobre el terreno y desprecindose, la mayora de las veces su influencia sobre la resistividad total. La esfera y semiesfera, salvo algn caso particular, no se usan en absoluto y la plancha metlica embebida implican suposiciones y aproximaciones que deben ser aceptadas a falta de mtodos ms exactos. Las prcticas y comprobaciones en modelos dan como resultado que estas aproximaciones pueden considerarse aceptables.

En trminos generales, un error del 20% entre lo calculado y lo obtenido es satisfactorio. La resistencia de puesta a tierra total tiene tres componentes (Fig. 40):

La resistencia del conductor conectado al sistema de puesta a tierra, que es funcin de su resistividad, longitud y seccin.

La resistencia de contacto entre la superficie del electrodo y el suelo, este valor es usualmente pequeo si el electrodo est libre de pintura o grasa, esto se elimina efectuando un buen contacto entre el electrodo y tierra.

La resistencia de la tierra alrededor del electrodo que es la resistencia principal que influir en la resistencia total de la puesta a tierra.

Fig. 40 Componentes de la resistencia de puesta a tierra.

Donde:

: resistividad del terreno L : longitud del electrodo A : rea de la semiesfera equivalente Si una esfera de radio x, tiene el espesor dx, entonces la resistencia dR del elemento es:

Siendo la resistencia hasta una distancia x de:

la resistencia total ser s r1 =

A

Lp =R

12

r

r

11

2 x 2

dx R 1

rr

r 2R 00

L

rb

a c

2 x 2

dx R d

4.2. GEOMETRA DE ELECTRODOS

A continuacin de deducir la resistencia de puesta a tierra de las configuraciones ms tpicas y las ms utilizadas en los sistemas de puesta a tierra.

4.3.3. ELECTRODOS VERTICALES (Jabalina)

4.2.1.1 JABALINA ENTERRADA SOBRE LA SUPERFICIE

Considerando una jabalina de longitud L, dimetro 2a" junto son su imagen sobre la superficie de la tierra. (Fig. 41)

Fig. 41 Modelo de jabalina enterrado a la superficie y en imagen

El problema electroesttico consiste en calcular la capacitancia asumiendo carga uniforme sobre la superficie, esto significa calcular el potencial promedio sobre el electrodo.

Suponiendo que la carga asumida es en centmetros de longitud, entonces la carga en el segmento dy es qdy. El potencial en cualquier punto P debido a esta carga es:

22 y+a

yd q = Potencial

L

L

y

x

dx

2a

Superficie

Para obtener el potencial total, se integra entre y = 0 a y=1-x y tambin de y=0 a y= 1+x

La capacitancia de:

Tambin se puede utilizar otras expresiones como:

Donde:

: resistividad del terreno ( - m) L : longitud de la barra en (m) A : radio de la barra en (m) Ln: logaritmo natural

R : resistencia en () d : 2a

La diferencia entre una y otra para las longitudes y radios normales no es mayor del 6%

Aplicacin 1

Una barra de cobre de 2,4 m de longitud, 8 mm de radio, en un terreno de resistividad equivalente 100 ( - m) tiene una

resistencia de puesta a tierra de:

)1a

L 4Ln(

2q

V :ser promedio potencial

el 1, xa 0 x de integrando e L

dxpor ndomultiplicay

:ser analogapor aresistenci la y )1 -a

L 4 Ln(

1=

L q 2=

C

1

L

V

1

a

4L Ln

L 2R

a

2LLn

L 2R

d

2Lsenh arc

L 2

R

40,38110 x 8

2,4 x 4Ln

2,4 2

100R

3-

42,4210 , 8

2,4 x 2Ln

2,4 2

100R

3-

Como se puede observar la diferencia es 2,42 que representa 5% de error.

Aplicacin 2

Determinar la resistencia de puesta a tierra de una barra en las siguientes condiciones, Longitud = 2 m; = 100 - m el

radio de la barra 8 mm.

4.2.1.2 JABALINA ENTERRADA A PARTIR DE UNA

PROFUNDIDAD T.

En la mayora de los casos no se encuentran enterradas a partir de la superficie del terreno, sino a partir de una profundidad t, como se muestra en la Fig. 42.

Fig. 42 Electrodo vertical enterrado a una profundidad t

La resistencia ser:

Nota: El objetivo de enterrar una distancia t al electrodo debajo de la superficie es para disminuir los posibles gradientes de potencial sobre la superficie del terreno en los contornos de la barra.

47,01110 x 8

2 x 4Ln

2 2

100R

3-

4tL

4t L 3

a

LLn

L 2R

L

t

Superficie

2a

Aplicacin 3 Para la aplicacin 2, calcular la resistencia sabiendo que la jabalina est a 30 cm debajo de la superficie.

Como se puede observar se obtiene el mismo valor de resistencia, pero el gradiente de potencial en la superficie del terreno ser menor.

4.2.1.3 RESISTENCIA A TIERRA DE DOS O MS JABALINAS

EN PARALELO

Si bien, el objetivo es disminuir la resistencia equivalente, esto se logra teniendo un espaciamiento mnimo entre jabalinas al doble de su longitud con el fin de evitar zonas de interferencia como se observa en la Fig. 43

Fig. 43 Zonas de interferencia (traslape), cuando los electrodos no estn

espaciados suficientemente.

Resistencia de tierra de 2 jabalinas separadas a una distancia D, como se observa en la Fig. 44

Fig. 44 Dos electrodos de puesta a tierra

47,1 0,3 x 4 2

0,3 x 4 23

10 x 8

2 Ln

2 2

100R

3-

x

D

bL

2a

Traslape

Haciendo D = 2L

Se puede obtener un ndice de reduccin de resistencia igual a:

Considerando el mismo criterio se puede calcular la resistencia equivalente para varias jabalinas en paralelo de longitud y espaciamiento iguales as como el ndice de reduccin como se observa en la tabla 1.

Tabla 1: Resistencia de puesta a tierra de electrodos paralelos,

alineados e igualmente espaciados (L=2,4m, = 5/8 pulg. R1 =

0,425 y = 3/4 pulg. R2 = 0,413)

Tabla 1.a

electrodo R

electrodo R=K

1

2

m 2,4 =L 8

5=d

"

pa 425,0=R1

Separacin 2,5 mm 3 m 4 m 5 m

Nmero de

Jabalinas Req K Req K Req K Req K

2 0,241 pa 0,566 0,237 pa 0,557 0,231 pa 0,511 0,228 pa 0,536

3 0,173 pa 0,408 0,169 pa 0,397 0,163 pa 0,383 0,159 pa 0,374

4 0,137 pa 0,324 0,133 pa 0,313 0,127 pa 0,298 0,123 pa 0,289

5 0,115 pa 0,270 0,110 pa 0,260 0,105 pa 0,246 0,101 pa 0,237

6 0,099 pa 0,233 0,095 pa 0,223 0,089 pa 0,210 0,086 pa 0,202

7 0,087 pa 0,206 0,083 pa 0,196 0,078 pa 0,184 0,075 pa 0,176

8 0,078 pa 0,185 0,075 pa 0,176 0,070 pa 0,164 0,066 pa 0,156

9 0,071 pa 0,168 0,068 pa 0,159 0,063 pa 0,148 0,060 pa 0,141

10 0,065 pa 0,154 0,062 pa 0,140 0,057 pa 0,135 0,054 pa 0,128

11 0,060 pa 0,142 0,057 pa 0.134 0,053 pa 0,124 0,050 pa 0,118

12 0,056 pa 0.132 0,053 pa 0,125 0,049 pa 0,115 0,046 pa 0,109

13 0,053 pa 0,124 0,050 pa 0,117 0,046 pa 0,107 0,043 pa 0,101

14 0,049 pa 0,117 0,047 pa 0,110 0,043 pa 0,101 0,040 pa 0,095

15 0,047 pa 0,110 0,044 pa 0,103 0,040 pa 0,095 0,038 pa 0,089

L 1,53 - 2

2 - L 47,10Ln

L 4R 2

22

22

2L)(b - D

)(Ln

L 4R

DLb

Del cuadro se puede apreciar que el ndice de reduccin para 4 electrodos es de 32% y se obtiene una notable reduccin hasta 6 electrodos y a partir de ello se satura la disminucin de la resistencia equivalente con el aumento del nmero de electrodos en paralelo, como se puede apreciar en la siguiente grfica.

Fig. 45 Curva Resistencia equivalente en funcin del numero de

electrodos en paralelo.

En consecuencia: Para evitar la saturacin en la disminucin de la resistencia con el aumento de electrodos en paralelo, debe evaluarse si justifica econmicamente. Una

Tabla 1.b

m2,4=L4

3=d

"

pa413,0=R1

Separacin 2,5 mm 3 m 4 m 5 m

Nmero de Jabalinas

Req K Req K Req K Req K

2 0,235 pa 0,568 0,231 pa 0,559 0,225 pa 0,546 0,222 pa 0,537

3 0,169 pa 0,410 0,165 pa 0,399 0,159 pa 0,384 0,155 pa 0,375

4 0,134 pa 0,326 0,130 pa 0,315 0,124 pa 0,300 0,120 pa 0,290

5 0,112 pa 0,272 0,108 pa 0,262 0,102 pa 0,217 0,098 pa 0,238

6 0,097 pa 0,235 0,093 pa 0,225 0,087 pa 0,211 0,084 pa 0,203

7 0,086 pa 0,208 0,082 pa 0,198 0,076 pa 0,185 0,073 pa 0,177

8 0,077 pa 0,186 0,073 pa 0,177 0,068 pa 0,165 0,065 pa 0,157

9 0,070 pa 0,169 0,066 pa 0,160 0,061 pa 0,149 0,058 pa 0,142

10 0,064 pa 0,155 0,061 pa 0,147 0,056 pa 0,136 0,053 pa 0,129

11 0,059 pa 0,144 0,056 pa 0,136 0,052 pa 0,125 0,049 pa 0,119

12 0,055 pa 0,134 0,052 pa 0,126 0,048 pa 0,116 0,045 pa 0,110

13 0,052 pa 0,125 0,049 pa 0,118 0,045 pa 0,108 0,042 pa 0,102

14 0,049 pa 0,118 0,046 pa 0,111 0,042 pa 0,101 0,039 pa 0,096

15 0,046 pa 0,111 0,043 pa 0,104 0,039 pa 0,096 0,037 pa 0,090

Resistencia equivalente y numero de

electrodos en paralelo

0.44

0.244

0.1740.136 0.113 0.097 0.085

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

1 2 3 4 5 6 7

Numero de electrodos en paralelo

Re

sis

te

nc

ia

eq

uiv

ale

nte

recomendacin prctica es no poner mas de 6 electrodos en paralelo.

4.2.1.4 INFLUENCIA DE LA CONFIGURACIN Y EL ESPACIAMIENTO DE ELECTRODOS (JABALINAS)

- Dimetro del electrodo: la resistencia a tierra no

disminuye considerablemente con el aumento del dimetro de la jabalina un incremento el doble el dimetro, la resistencia disminuye slo al 11%

- Efecto de espaciamiento y de longitud: si dos electrodos

estn ubicados muy prximos uno de otro, hay interferencia de campos elctricos entre ellos y aumenta el valor de la resistencia, una separacin menor que el doble de su longitud no es aconsejable.

- El aumento de nmero de electrodos, como se observ

cuando se incrementa mucho el nmero de electrodos, debido al efecto mutuo, la resistencia a tierra aumenta, es decir, hay una cierta saturacin, lo mismo sucede con la separacin entre ellos. Habr siempre un valor bajo el cual la resistencia aumenta y encima del cual la influencia de disminucin es mnima.

4.3.4. ELECTRODOS HORIZONTALES La resistencia de aterramiento de un conductor o electrodo enterrado horizontalmente en el suelo a una profundidad h metros ser:

Donde:

R : resistencia en () L : longitud en (m) a : radio del electrodo en (m) n : profundidad de enterramiento en (m) Tambin se puede utilizar:

h

2

1

L

h

L

h 22

h a

L 2Ln

L 2R

422

L

en a

L 2Ln

2R

2

hL

Fig. 46 Electrodo horizontal enterrado a una profundidad h

Se puede enterrar electrodos con diferentes configuraciones como se observa en la Fig. 47

Fig. 47 Configuraciones horizontales de conductores

4.2.2.1 DOS CONDUCTORES EN NGULO RECTO (FIG. 47a)

4.2.2.2 CONFIGURACIN EN ESTRELLA CON TRES PUNTOS (FIG. 47b)

Aplicacin 4 Hallar la resistencia de puesta a tierra para configuraciones expuestas

si se dispone de 60 m de conductor de dimetro 6 mm, enterrado a 60

422

L

h 85,10

L

h656,1

L

h 8584,02373,0

h a 2

LLn

L 2R

422

L

h 824,13

L

h 3,808

L

h 836,0077,1

h 2

LLn

L 3R

a

cm debajo de la superficie en un suelo de resistividad aparente igual a 1000- m; aplicando la frmula se tiene:

Configuracin Resistencia ()

1 electrodo 35,00 2 electrodos en ngulo recto 64,77 Estrella 67,23

4.3.5. RESISTENCIA DE MALLA Otra forma de poner a tierra es mediante una red de malla formando por conductores de cobre, la unin de los puntos de la malla debe ser tal que no exista calentamiento en dicha unin con ello se puede lograr resistencias ms bajas que en las configuraciones anteriores. 4.2.3.1 CLCULO DE LA RESISTENCIA DE MALLA

Segn la frmula experimental de Laurent se tiene la siguiente frmula para el clculo de puesta a tierra de una malla.

Donde:

: resistividad ( - m) s : superficie que cubre la malla (m2) L : longitud total de conductor de la malla (m)

Fig. 48 Puesta a tierra tipo malla.

)( s4

R L

Aplicacin 5

En un terreno de 100 -m de resistividad equivalente, una malla de 10 x 10 m2, como se muestra en la Fig. 49

Fig. 49 Malla de puesta a tierra de 10 x 10 m2

4.2.3.2 TENSIONES PRESENTES EN MALLAS DE TIERRA

Consideramos una malla formada por n conductores dispuestos en cada direccin con separacin uniforme D entre ellos, enterrada a una profundidad fija h metros, siendo L la longitud total de conductor enterrado. En el momento en que la falla difunde una corriente de I Amperes al terreno, una persona puede quedar expuesta a los siguientes voltajes de riesgos (Fig. 50 a)

Tensin de paso (Vp).

Corresponde a la diferencia de potencial entre dos puntos ubicados sobre la superficie del suelo, separados a una distancia de un metro:

1,6

60

100

10 x 104

100R

VoltsL

IKKV eisp

10m

10m

Donde:

Tensin de contacto o toque.

La tensin de contacto mano pie corresponde a la diferencia existente entre el potencial de un punto sobre la superficie del terreno y el potencial que adquiere un conductor metlico unido a la malla. Para su estimacin, se utiliza la expresin correspondiente al mximo posible o tensin de contacto.

Donde:

Fig. 50 a Tensin de paso y contacto(toque)

Estas tensiones presentes en la superficie del terreno sobre una malla de tierra que difunde una corriente de falla, no deben superar en ningn caso las tensiones tolerables por el cuerpo humano. La mxima diferencia de potencial a que puede ser sometido el cuerpo humano, en base a los posibles puntos de contacto se calcula mediante las expresiones:

n 0,172 65,0K i

(volts) L

I K KV eimm

2-2n

3-n 2..........

4

5

4

3Ln

16Ln

2

1K

31

mhd

D

Vp

VC

hD1-n

1...

h3D

1

h D2

1

hD

1

2h

11K s

a. Mxima tensin de paso tolerable:

b. Mxima tensin de contacto tolerable:

En donde: -mt: resistividad de la capa superficial.

t seg : tiempo global de exposicin. c : factor de correccin debido a la

presencia de la capa superficial resistiva. En la prctica se estima c = 1

Los lmites de diseo se han establecido como tensiones y para llegar a los lmites apropiados, es necesario considerar la impedancia a travs del cuerpo humano, la resistencia de contacto de la mano, la resistencia del calzado y la resistividad del material superficial bajo el calzado. Suponiendo: 100 Ohm metro la resistividad del suelo. 1000 Ohm para la impedancia del ser humano. 4000 Ohm de impedancia para el calzado. 300 Ohm resistencia de contacto de la mano. Se tienen los lmites mostrados en la Fig. 50 (b)

Fig. 50 ( b ) Potenciales de contacto permitidos

(volts) t

c 696,0116Vp

s

(volts) t

c 174,0116Vc s

1

10

100

1000

10000

Tiempo de despeje de falla (s)

Te

nsi

n d

e c

on

tac

to p

erm

itid

o

(v) Con gravilla

Sin gravilla

4.3. ELECTRODOS DE PUESTA A TIERRA PTIMOS A partir de la disponibilidad de espacio y la resistividad de diseo, se establecen el tipo y la forma de instalacin del electrodo de puesta a tierra, que deber ser preferentemente de cobre macizo por su alta resistencia al ataque corrosivo del suelo que otros materiales an con proteccin de superficie no pueden asegurar en el tiempo. 4.3.1. ELECTRODOS VERTICALES

Existe en el mercado, varillas de cobre temple duro ya cortadas en longitudes estandarizadas de 2,0; 2,5, 3,0 y 3,5 m con dimetros a escoger de 0,013 y 0,019 m; se elige el tamao ms comercial que tiene 2,5 m de longitud (2,44 real) con 0,013 0,019 m de dimetro; el cual puede optimizarse con el relleno en el pozo segn el modelo

analtico (Fig. 51), con (ro R)

rO : radio del electrodo, (m) R : radio optimizado pozo, (m) L : longitud del electrodo, (m)

Fig. 51 Optimizacin del electrodo vertical con relleno en pozo.

O

r

R

r

rr

r

R

r

dr

LdS

d

O

Ln L 2

R

1 2 R d

rj

rrj

Rd r

ro

ELECTRODO

DE COBRE

RELLENO

CONDUCTOR

SUELO

NATURALd = 2 ro

4.3.2. ELECTRODOS HORIZONTALES

Las pletinas de cobre, existen en el mercado a partir de 3,0 m de longitud, con secciones diferentes; la ms adecuada ser (0,003 m x 0,04 m); deber hacerse con taladro un hueco de 0,013 m en uno de los extremos. En caso de escasez se podr utilizar un conductor de cobre desnudo de 100 mm2 temple semiduro o blando. El modelo tambin puede ser optimizado con el relleno en una zanja (Fig. 52) considerando (ro R)

Donde: ro : radio del electrodo, (m) R : radio optimizado zanja, (m) L : longitud del electrodo, (m) El suelo subyacente en las zonas habitadas del pas es pedregoso por su filiacin aluvial o diluvial, por tanto el clavado de electrodos verticales para puesta a tierra no es viable, en su instalacin obliga a excavar un pozo y para electrodos horizontales una zanja que se aprovechan para reponer las sales naturales ausentes conformado el relleno con la misma tierra fina del sitio y tierra adicional, mezclndolas con una aglutinante tambin natural, de granulometra fina, conductivo, no corrosivo e higroscpico.

Fig. 52 Optimizacin del electrodo horizontal con relleno en zanja

o

r

rp

R

r

r

rrp

r

RLn

L 2R

r

dr

L 2

dS

drdR

O

H

h

L

hA

Rd r

B

SUELO

NATURAL

D= 2 r o

ELECTRODODE COBRE

RELLENO

CONDUCTOR

4.4. RESISTENCIAS DE DISPERSIN

La dispersin de corrientes en el suelo mediante electrodos de gran superficie (circulares, cuadrangulares, esfricos, ortogonales, etc.) puede lograrse tambin con electrodos simples y econmicos, optimizando su geometra mediante una instalacin que aproveche las excavaciones para incluir rellenos y tratamientos del suelo. 4.4.1. RESISTENCIA DE DISPERSIN (Rj) DE UN ELECTRODO

VERTICAL Se calcula con la siguiente expresin:

Donde:

r : resistividad del relleno = 5 (-m).

: resistividad del diseo, (-m).

L : longitud de electrodo, (m) D : dimetro del pozo = 2 R (m) d : dimetro del electrodo = 2 ro (m) Ejemplo: Para los datos de la puesta a tierra de electrodo vertical propuesto Fig. 53, con la resistividad de diseo ya establecida ( = 300 -m) se

obtiene:

Fig. 53 Resistencia de dispersin de electrodo vertical

D

L 4Ln

12d

DLn

L 2R j

r

7,833,738,1R

1,0

2,5 4Ln

2,94

300

013,0

0,1Ln

7,15

5R

j

j

En caso de requerir bajas resistencias de dispersin en edificios con reas libres fsicamente separadas; a partir del primer pozo ejecutado, se pueden adicionar, hasta tres pozos a (6 m) o ms uno de otro, que sern unidos al tablero elctrico mediante el conductor de conexin a travs de los ductos existentes, pudiendo obtener como mnimo de 3 a 4 Ohm. Fig. 54 - Para dos electrodos: R2j= 0,60 Rj

- Para tres electrodos: R3j= 0,45 Rj

- Para cuatro electrodos: R4j= 0,35 Rj Cualesquiera que fuese la forma del electrodo instalado en la excavacin, las caractersticas conductivas y geomtricas del relleno higroscpico en contacto con el suelo natural permiten obtener una baja resistencia total de dispersin.

Fig. 54 Conexin de electrodos verticales en paralelo

4.4.2. RESISTENCIA DE DISPERSIN (RP) DE UN ELECTRODO HORIZONTAL

Donde: R : resistividad del relleno = 5 (-m)

: resistividad de diseo, (-m)

L : longitud electrodo horizontal, (m) R : radio equivalente del relleno, (m)

Rh x x 7,3

LLn

L 12r

RLn

L 2R

2

o

p

r

ro : radio equivalente del electrodo, (m) h : profundidad de enterramiento, (m)

Ejemplo Para los datos de la puesta a tierra de electrodo horizontal propuesta

Fig. 55, con la resistividad de diseo ya establecida ( = 300 -m), resulta:

Fig. 55 Resistencia de dispersin de electrodos horizontales.

4.4.3. RESISTENCIAS DE DISPERSIN Las resistencias de dispersin asignables segn las necesidades de seguridad y correcto funcionamiento de aparatos elctricos y electrnicos son:

Servicio domstico : 9 15 Servicio domstico moderno : 6 9 Servicio de oficina : 3 6 Servicio red de procesamiento : 2 3 Servicio de comunicaciones : 2

Servicio mdico : 2

Descargas atmosfricas : 2

3626,0

9Ln

04,113

300

006,0

28,0Ln

84,18

5pR

54,952,802,1pR

Fig. 56 Conexiones de electrodos combinados

En caso de aplicar esquemas combinados Fig. 56 de electrodos verticales unidos por electrodos horizontales de (6,0 m) o ms de longitud, instalndolos segn los mtodos que propone este texto; la resistencia total bajar moderadamente; se la puede estimar en forma aproximada

con: Para aterramientos con resistencias de dispersin inferiores a 3,0 Ohm, se aplican otros mtodos basados en el perfil estratificado de resistividades del suelo y en los anlisis fsicos y qumicos del suelo.

Ohm 43,1RR

RRR

npnj

npnj

AL TABLERO

ELECTRICO

6m 6m

5.0 EJECUCIN DE LA PUESTA A TIERRA 5.1. GENERALIDADES

La instalacin de la puesta a tierra debe satisfacer bsicamente las siguientes condiciones:

- El trabajo a ejecutarse debe ser eficiente para minimizar costos de instalacin. - El terreno o material de relleno usado no debe tener un ndice de acidez pH tal

que cause corrosin al electrodo. - Todas las uniones o conexiones bajo tierra deben ser construidas de modo tal

que no se presente corrosin en dicha unin o empalme. - El mtodo de instalacin, relleno y conexiones depender de la configuracin de

electrodo que se usar y de las condiciones del terreno.

5.2. LA CONEXIN A TIERRA

A continuacin se detallan los componentes interiores y perifricos de la puesta a tierra, as como, la funcin fsica de la puesta a tierra interior y finalmente se ubica la puesta a tierra en la edificacin.

5.2.1. COMPONENTES INTERIORES Y PERIFRICOS DE LA PUESTA A

TIERRA Estos componentes estn constituidos por el conductor que posibilita la unin de las masas de los aparatos elctricos a la puesta a tierra de la vivienda.

Componentes interiores El circuito interior de proteccin parte del borne de tierra del tablero de distribucin, llegando hasta la tercera entrada de los receptculos de los tomacorrientes, con un conductor aislado (segn lo indica el cdigo nacional de electricidad) que acompaa, en su recorrido a los pares de alimentadores secundarios energizados. Cuando el sistema elctrico externo tiene el neutro puesto a tierra corrido, el circuito de proteccin se incluye tambin en el recorrido de los alimentadores secundarios del alumbrado.

Los conductores elctricos de las instalaciones interiores, deberan caracterizarse por el color de su aislamiento; al circuito de tierra le corresponder el color verde o amarillo, mientras que para los conductores de fase estaran reservados los colores rojo, negro, azul.

Fig. 57 Instalacin elctrica interior

Componentes perifricos

El circuito perifrico de proteccin es aquel que une la puesta a tierra del edificio con el borne de tierra del tablero de distribucin, mediante un conductor aislado o desnudo de 10 mm2 de seccin de los alimentadores de la acometida del servicio elctrico. (Fig. 58) En edificios de condominio, en forma similar se une a la puesta a tierra con el terminal de tierra de la caja principal de distribucin, desde donde se reparte a los montantes. Parte del circuito perifrico, desde la puesta a tierra, recorriendo un trayecto subterrneo. Dicho tramo deber ser protegido contra ulteriores daos por excavacin o remocin de suelo, mediante una tubera de PVC Pesado, hasta su salida a la superficie o llegada al ducto.

Fig. 58 Recorrido del conductor de tierra.

5.2.2. LA PUESTA A TIERRA INTERIOR Como se trat en las unidades anteriores la puesta a tierra est destinada a brindar la seguridad elctrica que prevn las normas y asegurar el correcto funcionamiento de los aparatos cone