Diseño y determinación de sistemas de puesta a tierra …€¦ · DE PUESTA A TIERRA MEDIANTE...

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANASEDE CUENCA

CARRERA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

Trabajo de titulación previo a la obtención del título de

Ingeniero Eléctrico

PROYECTO TÉCNICO INVESTIGATIVO:

DISEÑO Y DETERMINACIÓN DE SISTEMASDE PUESTA A TIERRA MEDIANTE PRUEBASDE CAMPO CON ELEMENTOS COMUNES

UTILIZADOS EN LA REGIÓN, INCLUYENDOGEM Y ELECTRODO QUÍMICO

AUTOR:

FREDDY MAURICIO SINCHI SINCHI

TUTOR:

ING. HERNÁN PATRICIO GUILLÉN COELLO

Cuenca - Ecuador

2017

CESIÓN DE DERECHOS DE AUTOR

Maniesto mi voluntad y cedo a la Universidad Politécnica Salesiana la titularidad sobre losderechos patrimoniales en virtud de que soy autor del trabajo de titulación DISEÑO Y DETERMI-NACIÓN DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA MEDIANTE PRUEBAS DE CAMPO CONELEMENTOS COMUNES UTILIZADOS EN LA REGIÓN, INCLUYENDO GEM Y ELECTRO-DO QUÍMICO, mismo que ha sido desarrollado para optar por el título de Ingeniero Eléctrico enla Universidad Politécnica Salesiana, quedando la Universidad facultada para ejercer plenamentelos derechos cedidos anteriormente.

En aplicación a lo determinado en la Ley de Propiedad Intelectual, en mi condición de autorme reservo los derechos morales de la obra antes citada. En concordancia, suscribo este documentoen el momento que hago la entrega del trabajo nal en formato impreso y digital a la Bibliotecade la Universidad Politécnica Salesiana.

Cuenca, julio de 2017

I

CERTIFICACIÓN

Yo declaro que bajo mi tutoría fue desarrollado el trabajo de titulación: DISEÑO Y DE-TERMINACIÓN DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA MEDIANTE PRUEBAS DE CAM-PO CON ELEMENTOS COMUNES UTILIZADOS EN LA REGIÓN, INCLUYENDO GEM YELECTRODO QUÍMICO realizado por: Freddy Mauricio Sinchi Sinchi obteniendo el ProyectoTécnico Investigativo, que cumple con todos los requisitos estipulados por la Universidad Politéc-nica Salesiana.


II

DECLARATORIA DE RESPONSABILIDAD

Yo Freddy Mauricio Sinchi Sinchi, autor del trabajo de titulación DISEÑO Y DETERMI-NACIÓN DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA MEDIANTE PRUEBAS DE CAMPO CONELEMENTOS COMUNES UTILIZADOS EN LA REGIÓN, INCLUYENDO GEM Y ELECTRO-DO QUÍMICO, certico que el total contenido de este Proyecto Técnico Investigativo es de miexclusiva responsabilidad y autoría.


III

DEDICATORIA

A Dios, por darme sabiduría y cuidarme durante todo mi camino.

A mi madre Yolanda, por ser una persona ejemplar y con sus consejos enseñarme aser una persona de bien.

A mis seres queridos que me han apoyado en mi trayecto profesional, Sandra, Alejandro,y a mis hermanos Xavier y Johanna.

A mi padre Celso, que siempre está en mi corazón brindándome su amor, siempre terecordaré padre querido.

FREDDY

IV

AGRADECIMIENTOS

Mis más sinceros agradecimientos al Ing. Hernán Guillén y al Ing. Flavio Quizhpi, quegracias a sus conocimientos y experiencia me supieron orientar de la mejor manerapara culminar este proyecto.

A mis compañeros de clases por mantener una amistad de respeto y duradera.

FREDDY

V

RESUMEN

En este proyecto se realizan diseños de sistemas de puesta a tierra partiendo de medicionesde la resistividad en diferentes terrenos, se modela cada uno con la ecuación de suelo uniformey mediante el método gráco Sunde. Con la resistividad de cada terreno, se realizan diseños depuestas calculando su resistencia con las ecuaciones de Schwarz, Dwight, y con la incorporaciónde fórmulas modicadas. Se implementa cada diseño calculado y se mide la resistencia de puesta atierra mediante los métodos de dos puntos, caída de potencial y clamp-on. Se utiliza mejorador detierra GEM en los diseños implementados, así como la implementación de un electrodo químico enun terreno de alta resistividad. Finalmente se presentan diseños de puesta a tierra que se puedenutilizar en la práctica.

VI

ABSTRACT

In this project designs of grounding systems of the measurements of resistivity in dierent soilsare made, each one is modeled with the uniform soil equation and by the Sunde graphic method.With the resistivity of each soil, lay designs are calculated by calculating their resistance withthe Schwarz equations, Dwight, and with the incorporation of modied equations. Each calculateddesign is implemented and ground resistance is measured using the two-point, fall-of-potentialand clamp-on methods. GEM soil treatment is used in the implemented designs, as well as theimplementation of a chemical electrode in a high resistivity soil. Finally, there are groundingdesigns that can be used in practice.

VII

Índice general

INTRODUCCIÓN 1

1. SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA 31.1. Sistema de puesta a tierra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2. Resistividad del terreno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.2.1. Medición de la resistividad del terreno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2.1.1. Método de tres puntos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.2.1.2. Método de cuatro puntos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.2.2. Interpretación de las mediciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.2.3. Modelo de terreno uniforme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.2.4. Modelo de terreno de dos capas por el método gráco . . . . . . . . . . . . 7

1.3. Diseño del sistema de puesta a tierra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.3.1. Paso 1: Área de estudio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.3.2. Paso 2: Conductor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.3.2.1. Cálculo del calibre del conductor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.3.3. Paso 3: Tensiones tolerables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.3.4. Paso 4: Diseño Básico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.3.5. Paso 5: Resistencia a tierra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.3.5.1. Ecuación general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.3.5.2. Ecuaciones de Schwarz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.3.5.3. Ecuacion de Dwight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.3.5.4. Ecuaciones adicionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.3.6. Paso 6: Corriente máxima de malla IG. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.3.7. Paso 7: Potencial Máximo de la Malla (GPR). . . . . . . . . . . . . . . . . 181.3.8. Paso 8: Tensión de paso y de contacto reales . . . . . . . . . . . . . . . . . 191.3.9. Paso 9 y Paso 10: Control de seguridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211.3.10. Paso 11: Acciones de Mejora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211.3.11. Paso 12: Poner a tierra todos los equipos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

1.4. Tratamiento del terreno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211.4.1. Ingredientes de LRM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231.4.2. Requisitos básicos para LRM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231.4.3. Conductividad de LRM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231.4.4. Rendimiento a Largo Plazo del LRM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241.4.5. Método de construcción de LRM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

1.4.5.1. Método llenado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241.4.5.2. Método de penetración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251.4.5.3. Método de la zanja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

1.5. Resistencia de Puesta a Tierra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251.5.1. Valor teórico de la resistencia a tierra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261.5.2. Medición de la Resistencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

1.5.2.1. Método de dos puntos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261.5.2.2. Método de tres puntos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281.5.2.3. Método de caída del potencial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291.5.2.4. Método de Clamp-on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291.5.2.5. Método de caída de potencia/clamp-on . . . . . . . . . . . . . . . 31

VIII

1.5.2.6. Multímetro de puesta a tierra basado en computadora . . . . . . . 32

2. IMPLEMENTACIÓN DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA 342.1. Mediciones de campo de la resistividad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.1.1. Resultados de las mediciones de la resistividad del terreno . . . . . . . . . . 352.2. Modelado de los terrenos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392.3. Diseño de sistemas de puesta a tierra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

2.3.1. Área de estudio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402.3.2. Conductor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412.3.3. Tensiones Tolerables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422.3.4. Diseños básicos y resistencia de puesta a tierra . . . . . . . . . . . . . . . . 422.3.5. Corriente máxima de malla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522.3.6. Potencial Máximo de la Malla (GPR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522.3.7. Tensiones de paso y de contacto reales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532.3.8. Control de seguridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

2.4. Tratamiento del terreno para reducir la resistividad . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542.4.1. Material de mejora del suelo seco (GEM Cadweld) . . . . . . . . . . . . . . 54

2.4.1.1. Método de instalación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552.4.1.2. Implementación del GEM Cadweld . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

2.4.2. Material de mejora del suelo premezclado (GEM BenzoElectric) . . . . . . 582.4.2.1. Método de instalación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 592.4.2.2. Implementación del GEM BenzoElectric . . . . . . . . . . . . . . . 60

2.4.3. Electrodo del tipo Químico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 632.4.3.1. Método de instalación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 632.4.3.2. Implementación del Electrodo Químico . . . . . . . . . . . . . . . 64

2.5. Medición de la resistencia de puesta a tierra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 642.5.1. Resultados de las mediciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

3. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS 723.1. Resultados de las tensiones tolerables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 723.2. Resultados de la formulación utilizada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 723.3. Resultados de la adherencia del GEM con el terreno y las varillas . . . . . . . . . . 753.4. Resultados de la aplicación del GEM Cadweld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 763.5. Resultados de la aplicación del GEM BenzoElectric . . . . . . . . . . . . . . . . . . 773.6. Resultados de la aplicación del Electrodo Químico . . . . . . . . . . . . . . . . . . 773.7. Implementaciones para una resistencia de puesta a tierra de 15 ohmios . . . . . . . 78

4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 824.1. CONCLUSIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 824.2. RECOMENDACIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

BIBLIOGRAFÍA 88

A. MODELO DEL SUELO POR EL MÉTODO GRÁFICO SUNDE 89

B. MÉTODO DE INSTALACIÓN DEL ELECTRODO QUÍMICO 122

C. TABLAS 124

D. MEDICIÓN DE LA RESISTENCIA POR EL MÉTODO DE CAÍDA DE PO-TENCIAL 128

E. DISEÑOS DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA 133

IX

Índice de guras

1.2.1.Diagrama del método de tres puntos [8]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.2.2.Curva de resistividad típica [6]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.2.3.Método de cuatro puntos: (a) picas equidistantes y (b) picas espaciadas de manera

desigual [6]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.2.4.Gráca de Sunde [8]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.3.1.Coecientes k1 y k2 de la fórmula de Schwarz: (a) coeciente k1, (b) coeciente k2 [8]. 141.3.2.Conguraciones de puesta a tierra: (a) unión de dos varillas, (b) unión de tres varillas

y (c) unión de tres varillas en forma triangular. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.4.1.Electrodo vertical cubierto con LRM [14]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221.4.2.Electrodo de tierra horizontal cubierto con LRM [14]. . . . . . . . . . . . . . . . . 231.4.3.Métodos de construcción usando LRM: (a) varilla vertical con el oricio relleno de

LRM, (b) electrodo de tira, (c) se agrega LRM líquido y penetra en la tierra querodea al electrodo incorporado, (d) una ranura anular excavado alrededor de unavarilla vertical y luego se llena el LRM líquido, (e) método de la zanja que usa LRMpara recubrir el electrodo horizontal y luego se rellena con tierra, (f) método de lazanja usado en la construcción de un electrodo de tierra horizontal tipo placa [14]. 25

1.5.1.Medida de la resistencia de tierra a dos puntos utilizando un instrumento especiali-zado de medición [4]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

1.5.2.Medida de la resistencia de tierra a dos puntos desde el cuadro de alimentación [4]. 271.5.3.Método de tres puntos [18]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281.5.4.Método de caída del potencial [6]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291.5.5.Medición de la resistencia mediante el método de clamp-on [6]. . . . . . . . . . . . 301.5.6.Medición incorrecta de la resistencia de tierra por el método clamp-on [6]. . . . . . 311.5.7.Medición de la resistencia de una torre utilizando el método de caída de potencial

y mediciones de corriente de fuga [6]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321.5.8.Medida de impedancia de tierra mediante multímetro de tierra basado en compu-

tadora [6]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.1.1.Telurómetro digital GP-2 Geo Test [17]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342.1.2.Direcciones para las mediciones de las resistividades del terreno. . . . . . . . . . . 352.4.1.Mejorador de tierra GEM marca Cadweld [1]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552.4.2.Mejorador de tierra GEM marca BenzoElectric . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582.4.3.Excavación del agujero para la implementación del GEM. . . . . . . . . . . . . . . 592.4.4.Electrodo Químico de puesta a tierra marca Parres. . . . . . . . . . . . . . . . . . 632.4.5.Agregado Electrolítico para electrodos de puesta a tierra. . . . . . . . . . . . . . . 642.5.1.Medidor de resistencia a tierra tipo Pinza. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

3.3.1.Compactibilidad: a) GEM premezclado y b) GEM en polvo . . . . . . . . . . . . . 76

A.0.1.Gráca de Sunde del terreno 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90A.0.2.Curva de resistividad aparente del terreno 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91A.0.3.Gráca de Sunde del terreno 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92A.0.4.Curva de resistividad aparente del terreno 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93A.0.5.Gráca de Sunde del terreno 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94A.0.6.Curva de resistividad aparente del terreno 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95A.0.7.Gráca de Sunde del terreno 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96A.0.8.Curva de resistividad aparente del terreno 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

X

A.0.9.Gráca de Sunde del terreno 5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98A.0.10.Curva de resistividad aparente del terreno 5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99A.0.11.Gráca de Sunde del terreno 6. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100A.0.12.Curva de resistividad aparente del terreno 6. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101A.0.13.Gráca de Sunde del terreno 7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102A.0.14.Curva de resistividad aparente del terreno 7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103A.0.15.Gráca de Sunde del terreno 8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104A.0.16.Curva de resistividad aparente del terreno 8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105A.0.17.Gráca de Sunde del terreno 9. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106A.0.18.Curva de resistividad aparente del terreno 9. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107A.0.19.Gráca de Sunde del terreno 10. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108A.0.20.Curva de resistividad aparente del terreno 10. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109A.0.21.Gráca de Sunde del terreno 11. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110A.0.22.Curva de resistividad aparente del terreno 11. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111A.0.23.Gráca de Sunde del terreno 12. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112A.0.24.Curva de resistividad aparente del terreno 12. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113A.0.25.Gráca de Sunde del terreno 13. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114A.0.26.Curva de resistividad aparente del terreno 13. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115A.0.27.Gráca de Sunde del terreno 14. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116A.0.28.Curva de resistividad aparente del terreno 14. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117A.0.29.Gráca de Sunde del terreno 15. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118A.0.30.Curva de resistividad aparente del terreno 15. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119A.0.31.Gráca de Sunde del terreno 16. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120A.0.32.Curva de resistividad aparente del terreno 16. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

XI

Índice de tablas

1.1. Constantes de materiales [8]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.2. Valores típicos de Df [8]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.1. Valores de resistividad medidos en el terreno 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.2. Valores de resistividad medidos en el terreno 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.3. Valores de resistividad medidos en el terreno 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362.4. Valores de resistividad medidos en el terreno 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362.5. Valores de resistividad medidos en el terreno 5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362.6. Valores de resistividad medidos en el terreno 6. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362.7. Valores de resistividad medidos en el terreno 7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372.8. Valores de resistividad medidos en el terreno 8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372.9. Valores de resistividad medidos en el terreno 9. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372.10. Valores de resistividad medidos en el terreno 10. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372.11. Valores de resistividad medidos en el terreno 11. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382.12. Valores de resistividad medidos en el terreno 12. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382.13. Valores de resistividad medidos en el terreno 13. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382.14. Valores de resistividad medidos en el terreno 14. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382.15. Valores de resistividad medidos en el terreno 15. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392.16. Valores de resistividad medidos en el terreno 16. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392.17. Resultados del modelamiento de los terrenos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392.18. Valores seleccionados de resistividad aparente de los terrenos. . . . . . . . . . . . . 402.19. Resumen durante la falla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412.20. Diseño del sistema de puesta a tierra para el terreno 1. . . . . . . . . . . . . . . . . 432.21. Diseños de sistemas de puesta a tierra para el terreno 2. . . . . . . . . . . . . . . . 432.22. Diseño del sistema de puesta a tierra para el terreno 3. . . . . . . . . . . . . . . . . 432.23. Diseños de sistemas de puesta a tierra para el terreno 4. . . . . . . . . . . . . . . . 442.24. Diseño del sistema de puesta a tierra para el terreno 5. . . . . . . . . . . . . . . . . 442.25. Diseño del sistema de puesta a tierra para el terreno 6. . . . . . . . . . . . . . . . . 442.26. Diseño del sistema de puesta a tierra para el terreno 7. . . . . . . . . . . . . . . . . 452.27. Diseños de sistemas de puesta a tierra para el terreno 8. . . . . . . . . . . . . . . . 452.28. Diseños de sistemas de puesta a tierra para el terreno 9. . . . . . . . . . . . . . . . 462.29. Diseños de sistemas de puesta a tierra para el terreno 10. . . . . . . . . . . . . . . 462.30. Diseños de sistemas de puesta a tierra para el terreno 11. . . . . . . . . . . . . . . 472.31. Diseños de sistemas de puesta a tierra para el terreno 12. . . . . . . . . . . . . . . 482.32. Diseños de sistemas de puesta a tierra para el terreno 13. . . . . . . . . . . . . . . 492.33. Diseños de sistemas de puesta a tierra para el terreno 14. . . . . . . . . . . . . . . 502.34. Diseños de sistemas de puesta a tierra para el terreno 15. . . . . . . . . . . . . . . 512.35. Diseños de sistemas de puesta a tierra para el terreno 16. . . . . . . . . . . . . . . 522.36. Datos para el cálculo de las tensiones de paso y de contacto reales. . . . . . . . . . 532.37. Datos para el cálculo de la tensión de paso y de contacto reales de la malla cuadrada

del diseño T2.3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532.38. Implementación del GEM Cadweld en el terreno 8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 562.39. Implementación del GEM Cadweld en el terreno 14. . . . . . . . . . . . . . . . . . 572.40. Implementación del GEM Cadweld en el terreno 15. . . . . . . . . . . . . . . . . . 582.41. Implementación del GEM BenzoElectric en el terreno 2. . . . . . . . . . . . . . . . 602.42. Implementación del GEM BenzoElectric en el terreno 4. . . . . . . . . . . . . . . . 60

XII

2.43. Implementación del GEM BenzoElectric en el terreno 11. . . . . . . . . . . . . . . 612.44. Implementación del GEM BenzoElectric en el terreno 12. . . . . . . . . . . . . . . 612.45. Implementación del GEM BenzoElectric en el terreno 13. . . . . . . . . . . . . . . 622.46. Implementación del GEM BenzoElectric en el terreno 16. . . . . . . . . . . . . . . 622.47. Implementación del Electrodo Químico en el terreno 16. . . . . . . . . . . . . . . . 642.48. Mediciones de la resistencia del diseño implementado en el terreno 1. . . . . . . . . 652.49. Mediciones de la resistencia de los diseños implementados en el terreno 2. . . . . . 652.50. Mediciones de la resistencia de los diseños implementados en el terreno 3. . . . . . 662.51. Mediciones de la resistencia de los diseños implementados en el terreno 4. . . . . . 662.52. Mediciones de la resistencia del diseño implementado en el terreno 5. . . . . . . . . 662.53. Mediciones de la resistencia del diseño implementado en el terreno 6. . . . . . . . . 662.54. Mediciones de la resistencia de los diseños implementados en el terreno 7. . . . . . 672.55. Mediciones de la resistencia de los diseños implementados en el terreno 8. . . . . . 672.56. Mediciones de la resistencia de los diseños implementados en el terreno 9. . . . . . 672.57. Mediciones de la resistencia de los diseños implementados en el terreno 10. . . . . . 682.58. Mediciones de la resistencia de los diseños implementados en el terreno 11. . . . . . 682.59. Mediciones de la resistencia de los diseños implementados en el terreno 12. . . . . . 682.60. Mediciones de la resistencia de los diseños implementados en el terreno 13. . . . . . 692.61. Mediciones de la resistencia de los diseños implementados en el terreno 14. . . . . . 702.62. Mediciones de la resistencia de los diseños implementados en el terreno 15. . . . . . 702.63. Mediciones de la resistencia de los diseños implementados en el terreno 16. . . . . . 712.64. Mediciones de resistencia de puesta a tierra mediante 3 métodos. . . . . . . . . . . 71

3.1. Resultados de las tensiones tolerables del diseño T2.3 . . . . . . . . . . . . . . . . . 723.2. Cálculos y mediciones para el diseño de una varilla. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 733.3. Cálculos y mediciones para el diseño de dos varillas. . . . . . . . . . . . . . . . . . 743.4. Cálculos y mediciones para el diseño de tres varillas en disposición lineal. . . . . . 743.5. Cálculos y mediciones para el diseño de tres varillas en disposición triangular. . . . 753.6. Cálculos y mediciones para el diseño de mallas cuadradas. . . . . . . . . . . . . . . 753.7. Resultados mediante la aplicación del GEM Cadweld . . . . . . . . . . . . . . . . . 763.8. Resultados mediante la aplicación del GEM BenzoElectric . . . . . . . . . . . . . . 773.9. Diseños de sistemas de puesta a tierra para el terreno 16. . . . . . . . . . . . . . . 783.10. Diseños implementados con varillas de 1.8m para una resistencia objetivo de 15

ohmios. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 793.11. Diseños implementados con varillas de 2.7m para una resistencia objetivo de apro-

ximadamente 15 ohmios. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 803.12. Diseños implementados con GEM Cadweld obteniendo una resistencia inferior a 15

ohmios. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 803.13. Diseños implementados con GEM BenzoElectric para una resistencia objetivo. . . . 81

4.1. Diseños recomendados para obtener una resistencia de 15 ohm usando conductor(horizontal) y varillas (vertical). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

4.2. Diseños recomendados para obtener una resistencia de 15 ohm usando GEM Ben-zoElectric. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

4.3. Diseños recomendados para obtener una resistencia de 15 ohm usando GEM Cadweld. 87

B.1. Método de instalación del Electrodo Químico [2]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

C.1. Fórmulas para calcular la resistencia de puesta a tierra de distintas conguraciones[11]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

C.2. Propiedades de los conductores [9]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126C.3. Diagrama de bloques del procedimiento del diseño según el estándar IEEE 80-2013

[8]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

D.1. Medición de la resistencia a tierra del diseño T1.1 por el método del 62%. . . . . . 129D.2. Medición de la resistencia a tierra del diseño T2.1 por el método del 62%. . . . . . 129D.3. Medición de la resistencia a tierra del diseño T3.1 por el método del 62%. . . . . . 129D.4. Medición de la resistencia a tierra del diseño T4.1 por el método del 62%. . . . . . 129

XIII

D.5. Medición de la resistencia a tierra del diseño T5.1 por el método del 62%. . . . . . 130D.6. Medición de la resistencia a tierra del diseño T6.1 por el método del 62%. . . . . . 130D.7. Medición de la resistencia a tierra del diseño T7.1 por el método del 62%. . . . . . 130D.8. Medición de la resistencia a tierra del diseño T8.1 por el método del 62%. . . . . . 130D.9. Medición de la resistencia a tierra del diseño T9.1 por el método del 62%. . . . . . 131D.10.Medición de la resistencia a tierra del diseño T10.1 por el método del 62%. . . . . 131D.11.Medición de la resistencia a tierra del diseño T11.1 por el método del 62%. . . . . 131D.12.Medición de la resistencia a tierra del diseño T12.1 por el método del 62%. . . . . 131D.13.Medición de la resistencia a tierra del diseño T13.1 por el método del 62%. . . . . 132D.14.Medición de la resistencia a tierra del diseño T14.1 por el método del 62%. . . . . 132D.15.Medición de la resistencia a tierra del diseño T15.1 por el método del 62%. . . . . 132D.16.Medición de la resistencia a tierra del diseño T16.1 por el método del 62%. . . . . 132

E.1. Diseños recomendados para obtener una resistencia de 20 ohm usando conductor(horizontal) y varillas (vertical). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

E.2. Diseños recomendados para obtener una resistencia de 20 ohm usando GEM Ben-zoElectric. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

E.3. Diseños recomendados para obtener una resistencia de 20 ohm usando GEM Cadweld.136E.4. Diseños recomendados para obtener una resistencia de 10 ohm usando conductor

(horizontal) y varillas (vertical). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137E.5. Diseños recomendados para obtener una resistencia de 10 ohm usando GEM Ben-

zoElectric. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138E.6. Diseños recomendados para obtener una resistencia de 10 ohm usando GEM Cadweld.139

XIV

INTRODUCCIÓN

La función del sistema de puesta a tierra (SPT) es garantizar la seguridad de las personas yprotección de los equipos, eso hace que en todo diseño, se je una resistencia objetivo. En nuestropaís, a veces por la premura del tiempo, se establecen diseños de puesta a tierra sin realizar unanálisis de la 1resistividad del terreno y de las normas que existen para su diseño.

En la actualidad, varias empresas de distribución eléctrica como la Empresa Eléctrica de QuitoS.A., Empresa Eléctrica Regional Centro Sur C.A., y Empresas Eléctricas de Colombia estudiadasen [12], toman un valor de referencia de máximo 25 ohmios para la resistencia de puesta a tierra,este valor que también se indica en el Código Eléctrico Nacional (NEC, por sus siglas en inglés) [9],se basa en la resistencia máxima para un solo 2 electrodo; y en el caso de obtener una resistenciamayor recomienda adicionar otro. Sin embargo, en la práctica, en muchas ocasiones no basta condos electrodos para obtener el valor de resistencia deseada, por lo que se adicionan más electrodosde forma arbitraria sin un completo conocimiento de su efecto. De tal manera que puede resultaren un sobredimensionamiento del sistema de puesta a tierra, que involucra gastos innecesarios.

Hoy en día existen fórmulas que permiten diseñar las conguraciones del SPT estimando yael valor de la resistencia a ser esperada; sin embargo, esto no siempre se aplica debido a que setienen muchas variables para el diseño y algunas pueden ser imprácticas o innecesarias. Como porejemplo se conoce que con un gran incremento del radio del conductor, o con un incremento en suprofundidad de enterramiento no se consiguen mejoras signicativas en el valor de resistencia depuesta a tierra [15].

En este proyecto se determinan diseños de puestas a tierra en base a la experiencia ganada através de numerosas pruebas de campo, cálculos y mediciones. Usando materiales comunes en lapráctica, existentes en la región, y su resultado será de gran utilidad cuando se necesite conocer undiseño práctico de puesta a tierra para obtener un valor de resistencia esperado, sin la necesidadde recurrir a programas complejos y con demasiadas variables. Además se pone en práctica losprincipales métodos de medición de la resistividad del terreno y de la resistencia de puesta a tierra.

Este proyecto satisface la necesidad de la creación de una guía con diseños de SPT recomendadospara los diferentes valores de resistividad del terreno que se pueden encontrar en la práctica,los diseños pueden incluir varillas y conductores, electrodo químico, o la implementación de untratamiento del terreno para reducir la resistencia de puesta a tierra. Teniendo así, conguracionesy recomendaciones para una instalación a bajo costo, a la cual puedan acceder ingenieros, técnicosy estudiantes.

1Indica que tanto se opone el terreno al paso de la corriente eléctrica.2Es un cuerpo metálico conductor desnudo que va enterrado y su función es establecer el contacto con la tierra

física.

1

GRUPO OBJETIVO

El resultado del presente proyecto servirá como una guía no solamente para estudiantes eingenieros eléctricos, sino para toda persona que esté vinculada directa o indirectamente con elsector eléctrico, para conocer una manera práctica con elementos comunes de realizar una puestaa tierra y su importancia, y a su vez que puedan implementar el diseño que requieran; además losresultados de este proyecto servirá como una fuente de información para futuros proyectos en estecampo.

OBJETIVOS

Objetivo general

Establecer diseños de sistemas de puesta a tierra mediante pruebas de campo con elementoscomunes utilizados en la región, GEM y electrodo químico.

Objetivos especícos

1. Medir e identicar 16 terrenos con diferentes valores de resistividad.

2. Calcular, diseñar y determinar conguraciones de SPT para obtener una resistencia de 15 Ωen cada terreno.

3. Implementar las conguraciones de puesta a tierra, medir la resistencia y comprobar con elcálculo teórico.

4. Determinar la conabilidad entre los métodos de medición de resistencia por Caída de Tensióny mediante el equipo de medición Tipo Gancho.

5. Usar enriquecedor de tierra GEM (Benzoeletric y Elect. Cadweld) para medir y analizar elcosto-benecio con respecto al diseño básico.

6. Implementar un electrodo químico para medir y analizar el costo-benecio con respecto aldiseño básico.

7. Denir el diseño básico de puesta a tierra para los diferentes rangos de resistividad e indicarel diseño alternativo usando enriquecedor de tierra GEM y Electrodo Químico.

8. Realizar un programa computacional donde se muestre la conguración de puesta a tierra alingresar la resistividad del terreno y la resistencia que desea obtener, indicando además lasconsideraciones y/o conguraciones usando GEM y Electrodo Químico.

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Capítulo 1

SISTEMAS DE PUESTA ATIERRA

1.1. Sistema de puesta a tierra

Un sistema de puesta a tierra es la conexión intencional a tierra de los elementos conductoresde un sistema eléctrico, con la nalidad de proporcionar los medios para disipar las corrienteseléctricas en la tierra en condiciones normales y de falla, sin exceder los límites de operación delos equipos, ni afectar adversamente la continuidad del servicio. Además, para asegurar que unapersona cercana a instalaciones con conexión a tierra no esté expuesta al peligro de una descargaeléctrica crítica.

1.2. Resistividad del terreno

Para el cálculo y diseño de sistemas de puesta a tierra es fundamental que se investigue la resis-tividad del terreno en la ubicación deseada de la conexión, ya que éste es el factor más importanteen el fenómeno de conducción de la corriente en el terreno. No se recomienda estimar la resistividadbasándose en la clasicación del terreno debido a que éstas dan solamente una aproximación de laresistividad. Por lo tanto, las mediciones de campo de la resistividad son imprescindibles.

La resistividad del terreno no varía solamente con la profundidad sino también con factorescomo la composición del terreno, la concentración de sales solubles, el contenido de humedad, lagranulometría, la estratigrafía, el efecto de la compactación y el efecto de la temperatura [17].

La interpretación de las mediciones de la resistividad del terreno puede variar considerablemen-te, especialmente cuando se encuentran terrenos con resistividades no uniformes, sólo en unos pocoscasos, las resistividades del terreno son constantes con el aumento de la profundidad. Generalmentehay varias capas de tierra, cada una de las cuales tiene una resistividad diferente. También puedenocurrir cambios laterales, pero en comparación con las capas verticales, estos cambios suelen sermás graduales y despreciables.

1.2.1. Medición de la resistividad del terreno

Las mediciones de resistividad del terreno sirven especialmente para determinar si hay varia-ciones importantes con respecto a la profundidad. Los objetos enterrados como rieles y tuberíasmetálicas, situados en las proximidades del terreno que se está probando, pueden tener una inuen-cia considerable en los resultados de las mediciones. Siempre que se sospeche de la presencia deestructuras metálicas enterradas en el área donde se deben realizar mediciones de la resistividad delterreno y se conozca la ubicación de estas estructuras, se puede minimizar su inuencia alineandolas picas auxiliares de prueba en una dirección perpendicular al enrutamiento de estas estructuras.

3

Entre los principales métodos para la medición de la resistividad del terreno están:

1.2.1.1. Método de tres puntos

En el método de tres puntos o variación de la profundidad, se realizan varias mediciones de laresistencia de puesta a tierra en correlación con el incremento de profundidad de una varilla detierra y se calcula la resistividad del terreno mediante la ecuación (1.2.1). Entonces, el valor de laresistencia medida reejará la 1resistividad aparente para cada profundidad de la varilla.

El diagrama del método de dos puntos se muestra en la Figura 1.2.1, donde se varía la profun-didad Lr de la varilla accionada (E) situada en el terreno bajo prueba. Las dos picas auxiliares,se colocan en línea recta a poca profundidad. La posición de la pica de tensión (P ) varía entre lavarilla de prueba (E) y la pica de corriente (C) [8]. La resistividad aparente está dada por

ρa =2πLrR

ln( 8Lr

d )− 1(1.2.1)

Donde

ρa es la resistividad aparente del terreno [Ω ·m]

R es la resistencia medida [Ω]

Lr es la longitud de la varilla [m]

d es el diámetro de la varilla [m]

Este método proporciona información útil sobre la naturaleza del terreno (cinco a diez vecesla longitud de la varilla). Para áreas grandes, varias ubicaciones de las varillas pueden dar unaindicación de cambios laterales signicativos en la resistividad del terreno. Una desventaja de estemétodo es que la varilla podría vibrar a medida que se acciona, resultando un contacto pobre conel terreno a lo largo de su longitud.

Figura 1.2.1: Diagrama del método de tres puntos [8].

1Es la resistividad obtenida con una medida directa en el terreno natural.

4

1.2.1.2. Método de cuatro puntos

Un buen método para medir la resistividad aparente de terrenos con una gran área es el métodode cuatro puntos (Wenner). Se instalan cuatro picas auxiliares en la tierra, todas a la profundidadb y espaciadas (en línea recta) a intervalos a. Se pasa una corriente de prueba I entre las dos picasexteriores, y el potencial V entre las dos picas internas se mide con un potenciómetro o voltímetrode alta impedancia. Entonces, la relación V

I da la resistencia R en ohms.El método de cuatro puntos obtiene los datos de resistividad aparente del terreno para capas

más profundas sin conducir las picas de prueba a esas capas. No se necesita equipo pesado pararealizar la prueba de cuatro puntos. A menudo se usan dos variantes diferentes de este método:

Igualmente Espaciado o Arreglo Wenner

Con esta disposición, las picas están igualmente separadas, como se muestra en la Figura 1.2.3(a). Siendo a la distancia entre dos picas adyacentes. Entonces, la resistividad aparente ρa es

ρa =4πaR

1 + 2a√a2+4b2

− a√a2+b2

(1.2.2)

En la práctica, generalmente b es pequeño en comparación con a, ya que se colocan cuatro picasen una línea recta a intervalos a, accionadas a una profundidad no superior a 0,1a. Entonces, sepuede asumir que b = 0 y la ecuación (1.2.2) se reduce a

ρa = 2πaR (1.2.3)

Con lo que se tiene la resistividad aparente aproximada del terreno a la profundidad a.

Las lecturas obtenidas con diferentes distancias entre las sondas se pueden gracar usando laresistividad contra la separación como se muestra en la Figura 1.2.2. De esta manera se puedeestimar si existen diferentes capas del terreno y se tiene una idea de sus respectivas resistividadesy profundidades.

Figura 1.2.2: Curva de resistividad típica [6].

Espaciamiento desigual o Schlumberger

Un inconveniente del método Wenner es el requisito de reposicionar las cuatro picas para cadaprofundidad a medir. La disposición mostrada en la Figura 1.2.3 (b) puede usarse para medir

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con éxito la resistividad del terreno cuando las picas de corriente están separadas por una grandistancia o para acelerar la prueba para múltiples localizaciones de la pica de corriente.

Con el método de Schlumberger, las picas interiores se colocan más juntas y las picas exte-riores se colocan más separadas. A diferencia del método de Wenner, que requiere que todas laspicas se muevan para calcular la resistividad del terreno a diferentes profundidades, el método deSchlumberger solamente requiere que las picas externas sean reposicionadas para nuevas medicio-nes. Reducir el número de picas a reposicionar para cada prueba hace que el método Schlumbergersea una opción más rápida para pruebas a diferentes profundidades.

Si la profundidad de enterramiento de las picas b es pequeña comparada con su separación d yc, y c>2d, entonces la resistividad aparente medida se puede calcular como sigue

ρa =πc(c+ d)R

d(1.2.4)

La resistividad calculada por la ecuación (1.2.4) es la resistividad aparente a la profundidadaproximada 2c+d

2 , que es la distancia desde el centro de la prueba a las picas de corriente externasde la Figura 1.2.3 (b).

Figura 1.2.3: Método de cuatro puntos: (a) picas equidistantes y (b) picas espaciadas de maneradesigual [6].

Es recomendable realizar las mediciones a lo largo de varios perles alrededor del área de análisispara detectar posibles cambios laterales en la resistividad del terreno, así como para determinarcualquier posible efecto de interferencia en las mediciones debidas a objetos conductores cercanos.Otra manera de ganar la conanza de que los objetos conductores en la tierra no afecten a lasmediciones es repetir la medición en la misma ubicación, pero a 90º con respecto a la primera. Losvalores medidos deben correlacionarse.

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1.2.2. Interpretación de las mediciones

La interpretación de los valores medidos de las resistividades es tal vez la parte más difícil delanálisis. Debido a que la variación de la resistividad del terreno puede ser grande y compleja porla heterogeneidad de la misma.

El modelo del terreno es sólo una aproximación de las condiciones reales del terreno y esimprobable una combinación perfecta. Los modelos de resistividad del terreno más utilizados sonel modelo de terreno uniforme y el modelo de terreno de dos capas. En algunos casos, la variaciónen la resistividad del terreno puede presentar mínimos y máximos tales que un modelo equivalentede dos capas puede no producir un modelo preciso. En tales casos puede ser necesario un modelode terreno diferente, tal como un modelo 2multicapa mediante el uso de programas informáticos.

A veces, en un terreno multicapa, la variación en la resistividad aparente del terreno ρa conrespecto a la profundidad o el espaciamiento entre picas no es demasiado grande. Este terrenopuede representarse como uniforme con un solo valor de resistividad.

1.2.3. Modelo de terreno uniforme

Se puede usar este modelo cuando existe una variación moderada en la resistividad aparentedel terreno teniendo un resultado razonablemente preciso. Por otro lado, si se tiene una variaciónsignicativa en las mediciones de la resistividad aparente, es difícil desarrollar un modelo de terrenouniforme que produzca resultados precisos.

La resistividad uniforme aproximada del terreno se puede obtener tomando una media aritmé-tica de los datos de la resistividad aparente medida como se muestra en la ecuación (1.2.5).

ρa(av1) =ρa(1) + ρa(2) + ρa(3) + ...+ ρa(n)

n(1.2.5)

Donde

ρa(1), ρa(2), ρa(2)...ρa(n) son los datos medidos de resistividad aparente [Ω ·m]

n el número total de mediciones

1.2.4. Modelo de terreno de dos capas por el método gráco

Se puede obtener una representación más exacta de las condiciones reales del terreno medianteel uso de un modelo de dos capas. El modelo de dos capas consiste en una capa superior deprofundidad nita y con diferente resistividad que una capa inferior de espesor innito.

Existen varias técnicas para determinar un modelo de terreno de dos capas aproximado a partirde la resistividad aparente obtenida de las pruebas de campo. Una manera es usando el métodográco (Sunde) que se muestra en la Figura 1.2.4, la cual se basa en los datos obtenidos medianteel método de cuatro puntos arreglo Wenner para la medición de la resistividad.

A continuación, se detallan los pasos a seguir para determinar la profundidad de la capa super-cial h mediante el método gráco Sunde. Las resistividades de la capa supercial ρ1 y de la capamás profunda ρ2 son determinadas por inspección visual de la gráca de resistividad aparente vsespaciamiento de las picas de prueba.

2Más de dos capas horizontales.

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a) Dibujar una curva de resistividad aparente vs espaciamiento de las picas de prueba de los datosque se obtienen en las mediciones.

b) Estimar, de la curva trazada en a), la resistividad que corresponde a una separación menor ρ1

y la resistividad de una mayor separación ρ2.

c) Determinar ρ2ρ1

y seleccionar la curva de la gráca Sunde en la Figura 1.2.4, si no se tiene unacurva exacta se puede seleccionar la curva más cercana o interpolar y dibujar una nuevacurva en el gráco.

Figura 1.2.4: Gráca de Sunde [8].

d) Seleccionar el valor de ρaρ1

en el eje Y, dentro de la región de la pendiente de la curva ρ2ρ1

encontrada en c).

e) Leer el valor que corresponde a ah en el eje X.

f) Multiplicar el valor de ρaρ1

por ρ1, para obtener ρa.

g) Leer la separación de las picas a en la curva de resistividad aparente trazada en a), con ρa quese obtuvo en f).

h) Calcular h , mediante la multiplicación de ah por a.

8

1.3. Diseño del sistema de puesta a tierra

Para el diseño eciente de un sistema de puesta a tierra, es importante tener el conocimientode los parámetros que afectan su rendimiento, tales como el espaciamiento y la disposición de losconductores de la malla, el número de varillas de tierra, la ubicación y la longitud, entre otros.

Un sistema de puesta a tierra normalmente incluye conductores de cobre desnudo que puedenestar enterrados entre 0,3m y 0,5m por debajo del nivel de la supercie, con un espaciamientoentre 3m a 7m. En las conexiones de cruce, los conductores deben estar unidos jamente entre sí.En cuanto a las varillas de tierra se pueden colocar en las esquinas de la malla y en los puntos deunión a lo largo del perímetro [8].

La implementación de múltiples varillas estrechamente espaciados no reducirán la resistenciade puesta a tierra. Debido a la resistencia mutua común en la que la corriente de cada uno elevael voltaje del otro. Dado que la tensión es mayor para el mismo ujo de corriente, la resistencia seincrementa por la resistencia mutua. Cuando se utilizan múltiples varillas, los espaciamientos demenos de 3m pueden no proporcionar el uso más económico de los materiales.

Pruebas realizadas por el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología (NIST, por sus siglas eninglés) muestran que la resistencia disminuye sólo alrededor del 5% cuando la profundidad deentierro aumenta de 0,5m a 1m, en base a una resistividad uniforme del terreno. Del mismo modo,el efecto del tamaño del conductor es extremadamente pequeño [8].

En el diagrama de bloques mostrado en la Figura C.3 (ANEXO C) se ilustra las secuenciasde pasos recomendados según el estándar IEEE 80-2013 para el diseño de una malla de tierra, acontinuación se detallan los principales pasos.

1.3.1. Paso 1: Área de estudio

El estudio de la 3resistividad del terreno, descrito en el apartado 1.2, determinará el perl dela resistividad y el modelo del terreno necesario.

1.3.2. Paso 2: Conductor

La selección apropiada del material conductor mantendrá la integridad de un sistema de puestaa tierra durante años si los conductores son de tamaño adecuado y las condiciones del terreno noson corrosivas para el material utilizado. Los materiales comúnmente usados para el conductor deun sistema de puesta a tierra se describen a continuación.

Cobre

El cobre es el material más utilizado en los sistemas de puesta a tierra. Los conductores decobre tienen una alta 4conductividad, además tienen la ventaja de ser resistentes a la corrosiónsubterránea ya que el cobre es catódico con respecto a la mayoría de los otros metales que puedenestar enterrados en los alrededores.

Acero con revestimiento de cobre

El acero revestido de cobre es un material utilizado para sistemas de puesta a tierra, especial-mente donde el robo del conductor puede ser un problema.

3Es la propiedad del terreno que se opone al paso de la corriente eléctrica.4Poder conductivo de un material, es la acción opuesta a la resistividad.

9

Aluminio

Este material se usa raramente para las mallas de tierra, debido a que presenta las siguientesdesventajas:

a) El propio aluminio puede corroerse en ciertos terrenos. No se recomienda utilizar el conductorde aluminio bajo tierra.

b) La corrosión gradual causada por corrientes alternas también puede ser un problema bajociertas condiciones. El aluminio es anódico a muchos otros metales, incluyendo el acero.

Acero

Pueden usarse conductores de acero o acero inoxidable y varillas de tierra en aplicaciones dondelas condiciones del terreno pueden ser perjudiciales para el cobre. El uso de acero revestido de zinco acero inoxidable, en combinación con protección catódica, es típico para sistemas de puesta atierra de acero [8].

1.3.2.1. Cálculo del calibre del conductor

La sección transversal del conductor se determina mediante la ecuación (1.3.1), en donde lacorriente de falla debe ser la máxima corriente futura de falla esperada que puede ser conducidapor cualquier conductor del sistema de tierra, y el tiempo tc, debe reejar el tiempo de despejemáximo posible.

Amm2 =IF√

(TCAP ·10−4

tcαrρr)ln(K0+Tm

K0+Ta)

(1.3.1)

Donde

IF es la máxima corriente de falla asimétrica [kA]

Amm2 es la sección transversal del conductor [mm2]

Tm es la temperatura máxima permisible de fusión [C]

Ta es la temperatura ambiente [°C]

Tr es la temperatura de referencia de constantes de materiales [°C]

α0 es el coeciente térmico de resistividad a 0 °C [1/°C]

αr es el coeciente térmico de resistividad a la temperatura de referencia Tr [1/°C]

ρr es la resistividad del conductor de tierra a la temperatura de referencia Tr [µΩ · cm]

K0 es 1/α0 o (1/α0)− Tr [°C]

tc es la duración de la corriente de falla[s]

TCAP es el factor de capacidad térmica por unidad de volumen obtenido de la Tabla 1.3.2.1[J/(cm3 · °C)]

Debe observarse que αr y ρr se encuentran a la misma temperatura de referencia Tr. La Tabla1.3.2.1 proporciona los datos de αr y ρr a una temperatura de referencia de 20°C.

10

Descripción

Conductividaddel material

(%)

Factor αr

a 20°C

(1/°C)

K0 a 0 C

(C)

Temperatura

de fusión Tm

(C)

ρr a

20 C

(µΩ · cm)

Capacidad

térmica

TCAP

[J/(cm3 · °C)]

Cobre

destemplado

trenzado suave

100.0 0.00393 234 1083 1.72 3.4

Cobre comercial

trenzado duro97.0 0.00381 242 1084 1.78 3.4

Alambre de acero

con revestimiento

de cobre

40.0 0.00378 245 1084 4.40 3.8

Alambre de acero

con revestimiento

de cobre

30.0 0.00378 245 1084 5.86 3.8

Varilla de acero

con revestimiento

de cobre

17.0 0.00378 245 1084 10.1 3.8

Alambre de acero

con revestimiento

de aluminio

20.3 0.00360 258 657 8.48 3.561

Acero, 1020 10.8 0.00377 245 1510 15.90 3.8

Varilla de acero

con revestimiento

inoxidable

9.8 0.00377 245 1400 17.50 4.4

Varilla de acero

con capa de zinc8.6 0.00320 293 419 20.10 3.9

Acero inoxidable

3042.4 0.00130 749 1400 72.00 4.0

Tabla 1.1: Constantes de materiales [8].

El tamaño del conductor realmente seleccionado por lo general es mayor que el basado en lafusión debido a factores tales como:

a) El conductor debe tener la resistencia necesaria para soportar cualquier abuso mecánico ycorrosivo durante la vida de diseño de la instalación de puesta a tierra.

b) El conductor debe tener una conductividad lo sucientemente alta como para evitar cualquierposible caída de tensión peligrosa durante una falla, durante la vida útil de la instalación depuesta a tierra.

c) La necesidad de limitar la temperatura del conductor.

d) Se debe aplicar un factor de seguridad al sistema de puesta a tierra al igual que con otroscomponentes eléctricos.

1.3.3. Paso 3: Tensiones tolerables

Los valores de las tensiones tolerables de paso y de contacto para un ser humano sometidoa peligro, con pesos corporales de 50kg y 70kg se determinan por las ecuaciones (1.3.2), (1.3.3),(1.3.4) y (1.3.5):

Tensión de paso para una persona con peso corporal de 50 kg y 70kg

Epaso50kg = (1000 + 6Cs × ρs)0,116√ts

(1.3.2)

11

Epaso70kg = (1000 + 6Cs × ρs)0,157√ts

(1.3.3)

Tensión de contacto para una persona con peso corporal de 50 kg y 70kg

Econtacto50kg = (1000 + 1,5Cs × ρs)0,116√ts

(1.3.4)

Econtacto70kg = (1000 + 1,5Cs × ρs)0,157√ts

(1.3.5)

Donde

Epaso es la tensión de paso [V ]

Econtacto es la tensión de contacto [V ]

Cs es calculada por la ecuación (1.3.6)

ρs es la resistividad de la capa supercial del terreno [Ω ·m]

ts es el tiempo de despeje de la falla [s]

La elección del tiempo ts, se basa en el juicio del ingeniero de diseño. Normalmente se supone quela duración de la falla tf y la duración del choque ts son iguales, a no ser que la duración de lafalla sea la suma de los choques sucesivos, como los de los cierres. Los valores típicos para tf y tsvarían de 0.25s a 1s.

El factor Cs depende del espesor y resistividad del material supercial, así como de la resisti-vidad del terreno, y se calcula mediante la ecuación (1.3.6).

Cs = 1−0,09(1− ρ

ρs)

2hs + 0,09(1.3.6)

Donde

Cs es el factor de decremento de la capa supercial

hs es el espesor de la capa supercial [m]

ρ es la resistividad del terreno [Ω ·m]

Cuando no se tiene prevista una capa supercial (grava), entonces Cs = 1 y ρs = ρ.La capa de material supercial normalmente es de 0.10m a 0.15m de material de alta resistivi-

dad, como grava, usualmente se extiende sobre la supercie por encima de la malla de tierra paraaumentar la resistencia de contacto entre el terreno y los pies de las personas La corriente a travésdel cuerpo se reducirá considerablemente con la adición del material supercial debido a la mayorresistencia de contacto entre la tierra y los pies.

1.3.4. Paso 4: Diseño Básico

El diseño preliminar debe incluir un conductor perimetral que rodee el área de puesta a tierra,formado por conductores para proporcionar un acceso conveniente a los conductores de puesta atierra de los equipos y estructuras.

Las estimaciones iniciales de la separación de los conductores, así como la ubicación de lasvarillas de tierra, se deben basar en la corriente IG y el área del terreno que será puesto a tierra.

12

1.3.5. Paso 5: Resistencia a tierra

1.3.5.1. Ecuación general

El valor preliminar de la resistencia de puesta a tierra de una malla en un terreno uniforme esdeterminado mediante la ecuación (1.3.7).

Rg = ρ[1

LT+

1√20A

(1 +1

1 + h√

20/A)] (1.3.7)

Donde

Rg es la resistencia del sistema de puesta a tierra [Ω]


LT es la longitud total de los conductores enterrados (conductores horizontales + varillas vertica-les) [m]

h es la profundidad de la malla de tierra [m]

A es el área de la malla de tierra [m2]

Para las mallas sin varillas de tierra, esta fórmula ha sido probada para obtener resultados prácti-camente idénticos a los obtenidos con la ecuación (1.3.8) de Schwarz, descrita a continuación.

1.3.5.2. Ecuaciones de Schwarz

Schwarz desarrolló una serie de ecuaciones para determinar la resistencia total de un sistema depuesta a tierra en un terreno homogéneo formado por electrodos en disposición horizontal (conduc-tor) y verticales (varillas). Las ecuaciones ampliadas de Schwarz presentan a un conductor rectohorizontal que representa la 5resistencia de tierra, R1, de una malla que consiste en conductores en-trelazados, y una esfera inscrustada en la tierra para representar las varillas R2. También presentóuna ecuación para la resistencia de tierra mutua, Rm entre la malla y las varillas.

Schwarz utiliza la ecuación (1.3.8) introducida por Sunde y Rüdenberg para combinar la resis-tencia de la malla, las varillas y la resistencia a tierra mutua, para calcular la resistencia total delsistema, Rg.

Rg =R1R2 −R2

m

R1 +R2 − 2Rm(1.3.8)

Donde

R1 es la resistencia a tierra de los conductores de la malla [Ω]

R2 es la resistencia a tierra de todas las varillas de tierra [Ω]

Rm es la resistencia mutua entre el grupo de conductores de la malla, R1, y un grupo de varillasde tierra, R2, [Ω]

La resistencia a tierra de los conductores de la malla R1, se calcula mediante la ecuación (1.3.9).

R1 =ρ

πLc[ln(

2Lca´

) +k1 × Lc√

A− k2] (1.3.9)

Donde


Lc es la longitud total de todos los conductores conectados a la malla [m]

a´ es√a · 2h es para conductores enterrados a una profundidad h [m], ó

5Es la resistencia que ofrece el terreno hacia la corriente en un sistema de puesta a tierra.

13

a´ es a para el conductor en la supercie de la tierra [m]

2a es el diámetro del conductor [m]

A es el área cubierta por los conductores [m2]

k1, k2 son los coecientes [véase la Figura 1.3.1 (a) y (b)]

La resistencia a tierra de las varillas R2, se calcula usando la ecuación (1.3.10).

R2 =ρ

2πnRLr[ln(

4Lrb

)− 1 +2k1 · Lr√

A(√nR − 1)2] (1.3.10)

Donde

Lr es la longitud de cada varilla [m]

2b es el diámetro de la varilla [m]

nR es el número de varillas situado en la zona A

La resistencia a tierra mutua entre la malla y las varillas Rm, se calcula por medio de la ecuación(1.3.11).

Rm =ρ

πLc[ln(

2LcLr

) +k1 × Lc√

A− k2 + 1] (1.3.11)

La ecuación (1.3.11) también puede reescribirse como la ecuación (1.3.12).

Rm = R1 −ρ

πLc[ln(

Lr√h× 2a

)− 1] (1.3.12)

Figura 1.3.1: Coecientes k1 y k2 de la fórmula de Schwarz: (a) coeciente k1, (b) coeciente k2

[8].

14

1.3.5.3. Ecuacion de Dwight

Un sistema de puesta a tierra de baja resistencia, es de gran importancia para satisfacer losrequisitos de los alimentadores de sistemas de las empresas de servicios públicos, donde el caminode retorno de falla es a través del terreno. Cuanto menor sea la resistencia del sistema de puesta atierra, más adecuadamente se cumplen estos requisitos. Sin embargo, las instalaciones con menoresniveles disponibles de corriente de falla a tierra no requieren un valor tan bajo de resistencia comolos sistemas más grandes con niveles más altos de corriente [3].

Las resistencias de tierra de los sistemas inferiores a 1 ohm se pueden obtener mediante el usode un número de electrodos individuales conectados entre sí. Esta baja resistencia sólo es necesariapara grandes subestaciones, líneas de transmisión o estaciones generadoras. Las resistencias en elrango de 1 ohm a 5 ohm se encuentran generalmente adecuadas para subestaciones de plantasindustriales, edicios y grandes instalaciones comerciales [3]. El valor de 25 ohmios indicado en elNEC, se aplica a la resistencia máxima para un solo electrodo que consiste en una barra, tuberíao placa. Esto no debe interpretarse en el sentido de que 25 ohmios sea un valor de resistenciasatisfactorio para un sistema de puesta a tierra [9].

El cálculo ha sido simplicado en gran medida por las fórmulas desarrolladas en Dwight ypresentadas en la Tabla C.1 (ANEXO C ). Debe indicarse que estas fórmulas son sólo aproxima-ciones y dado el estado de las capacidades de hoy en día con respecto a los modelos derivados decomputadora de sistemas de tierra, se debe considerar el uso de esas herramientas.

Múltiples varillas en paralelo producen una menor resistencia a tierra que una sola varilla. Lasvarillas múltiples se utilizan comúnmente para proporcionar la baja resistencia a tierra requeridapor instalaciones de alta capacidad. La adición de una segunda varilla no proporciona, sin embargo,una resistencia total de la mitad de una sola varilla, a menos que las dos varillas tengan distintaslongitudes [3].

En el desarrollo de este proyecto realiza la comparación entre en valor calculado y medido deuna varilla. Siendo así, que la resistencia de contacto de una varilla visto en la Tabla C.1 (ANEXOC) está dada por la fórmula de Dwight:

R =ρ

2πL(ln

4L

a− 1) (1.3.13)

Donde


L es la longitud de la varilla [m]

a es el radio de la varilla [m]

1.3.5.4. Ecuaciones adicionales

En este apartado se determinan las ecuaciones para calcular la resistencia del sistema de puestaa tierra de las conguraciones mostradas en la Figura 1.3.2

15

Figura 1.3.2: Conguraciones de puesta a tierra: (a) unión de dos varillas, (b) unión de tres varillasy (c) unión de tres varillas en forma triangular.

Cálculo de la resistencia de la unión de dos y tres varillas en disposición lineal

El cálculo de la resistencia de puesta a tierra para las conguraciones de dos y tres varillasen disposición lineal que se muestran en la Figura 1.3.2 (a) y (b) respectivamente, se determinamediante la modicación de las Ecuaciones de Schwarz de la siguiente manera:

En primera instancia, las ecuaciones de Schwarz involucran un área, mientras que las disposi-ciones de las varillas analizadas en este apartado no cuentan con este parámetro. Debido a ello,se realiza una hipótesis tomando la longitud total del conductor (Lc) como el perímetro de uncuadrado, entonces para las constantes k1 y k2 de la Figura 1.3.1 el valor x = 1 y el valor del áreade inuencia es de (LC

4 )2. Entonces, la resistencia a tierra del conductor R1 de la ecuación (1.3.9)se reescribe de la siguiente manera

R1 =ρ

πLc[ln(

2Lca´

) + 4k1 − k2] (1.3.14)

Mientras que la resistencia a tierra de las varillas R2 de la ecuación (1.3.10) se reescribe como:

R2 =ρ

2πnRLr[ln(

4Lrb

)− 1 +8k1 × Lr

Lc(√nR − 1)2] (1.3.15)

Donde

R1 es la resistencia a tierra del conductor [Ω]

R2 es la resistencia a tierra de las varillas [Ω]


Lc es la longitud del conductor [m]

a´ es√a · 2h es para el conductor enterrado a una profundidad h [m], o

a´ es a para el conductor en la supercie del terreno [m]

a es el radio del conductor [m]

Lr es la longitud de cada varilla [m]

b es el radio de la varilla [m]

nR es el número de varillas

16

Ecuaciones para dos varillas

Para dos varillas se tiene que nR = 2, y según la Figura 1.3.2 (a) el valor de Lc se puedereemplazar por d, de esta manera las ecuaciones (1.3.12), (1.3.14) y (1.3.15) se reescriben como:

R1 =ρ

πd[ln(

2d

a´) + 4k1 − k2] (1.3.16)

R2 =ρ

4πLr[ln(

4Lrb

)− 1 +8k1 × Lr

d(√

2− 1)2] (1.3.17)

Rm = R1 −ρ

πd[ln(

Lr√h× 2a

)− 1] (1.3.18)

Donded es la distancia de separación entre las dos varillas d > Lr, [m]Una vez calculado Rm, se procede a calcular la resistencia total del sistema (Rg) usando la

ecuación (1.3.8) de Schwarz.

Ecuaciones para tres varillas en disposición lineal

Para tres varillas se tiene que nR = 3, y según la Figura 1.3.2 (b) el valor de Lc = 2d, de estamanera las ecuaciones (1.3.12), (1.3.14) y (1.3.15) se reescriben como:

R1 =ρ

2πd[ln(

4d

a´) + 4k1 − k2] (1.3.19)

R2 =ρ

6πLr[ln(

4Lrb

)− 1 +4k1 × Lr

d(√

3− 1)2] (1.3.20)

Rm = R1 −ρ

2πd[ln(

Lr√h× 2a

)− 1] (1.3.21)

Donded es la distancia de separación entre dos varillas adyacentes d > Lr, [m]Una vez calculado Rm, se calcular la resistencia total del sistema (Rg) usando la ecuación

(1.3.8) de Schwarz.

Ecuaciones para tres varillas en disposición triangular

Para calcular la resistencia de tierra de una malla formada por un triángulo ilustrado en laFigura 1.3.2 (c) se asume x = 1 para el cálculo de las constantes k1 y k2, considerando que x esigual a uno siempre y cuando el largo y el ancho de una malla sean iguales, así mismo el triánguloequilátero no pierde su forma con cualquier valor de longitud de sus lados, por lo que se realizauna 6analogía entre estos parámetros. Además, se conoce que nR = 3 y Lc = 3d; por lo tanto, lasecuaciones (1.3.9), (1.3.10) y (1.3.12) se reescriben como:

R1 =ρ

3πd[ln(

6d

a´) +

3k1 × d√A− k2] (1.3.22)

R2 =ρ

6πLr[ln(

4Lrb

)− 1 +2k1 · Lr√

A(√

3− 1)2] (1.3.23)

Rm = R1 −ρ

3πd[ln(

Lr√h× 2a

)− 1] (1.3.24)

Donded es la distancia de separación de cada lado del triángulo d > Lr, [m]Una vez calculado Rm, se calcular la resistencia total del sistema (Rg) usando la ecuación

(1.3.8) de Schwarz.

6Relación de semejanza entre cosas distintas.

17

1.3.6. Paso 6: Corriente máxima de malla IG.

La corriente máxima de malla IG, que puede propagarse en una malla de tierra en casos defalla, está determinada mediante la ecuación (1.3.25). Para evitar sobre dimensionar el sistema depuesta a tierra, solamente se debe usar la parte de la corriente de falla que uye a través de lamalla de tierra y hacia el terreno contiguo.

IG = Df × Ig = Df × Sf × If (1.3.25)

Donde

IG es la corriente máxima de malla [A]

Ig es el valor ecaz de la corriente simétrica en la malla [A]

Df es el factor de disminución para toda la duración tf de la falla

Sf es el factor de división de corriente de falla

If es el valor ecaz de la corriente de falla simétrica a tierra [A]

El factor de decremento, Df es usado para incluir el efecto de la componente DC. Este factordetermina el equivalente rms (valor ecaz) de la onda de corriente asimétrica para una duraciónde falla determinada, tf , teniendo en cuenta el efecto de la componente DC inicial y su atenuacióndurante la falla [16]. En la Tabla 1.2 se pueden observar los valores de Df .

Duración de falla, tf Factor de decremento, Df

Segundos Ciclos a 60 Hz X/R = 10 X/R = 20 X/R = 30 X/R = 40

0.00833 0.5 1.576 1.648 1.675 1.6880.05 3 1.232 1.378 1.462 1.5150.10 6 1.125 1.232 1.316 1.3780.20 12 1.064 1.125 1.181 1.2320.30 18 1.043 1.085 1.125 1.1630.40 24 1.033 1.064 1.095 1.1250.50 30 1.026 1.052 1.077 1.1010.75 45 1.018 1.035 1.052 1.0681.00 60 1.013 1.026 1.039 1.052

Tabla 1.2: Valores típicos de Df [8].

1.3.7. Paso 7: Potencial Máximo de la Malla (GPR).

La elevación de potencial de tierra, GPR, se determina mediante la ecuación (1.3.26).

GPR = IG ·Rg (1.3.26)

Donde

IG es la corriente máxima de malla [A]

Rg es la resistencia de la malla [Ω]

Si el valor de la máxima elevación del potencial de tierra del diseño preliminar está por debajo dela tensión de toque tolerable por el cuerpo humano, ya no es necesario realizar análisis adicionales.Y se procede a poner a tierra los equipos.

18

1.3.8. Paso 8: Tensión de paso y de contacto reales

Para el cálculo de la tensión de paso real se utiliza la ecuación (1.3.27)

Es =ρ×Ks ×Ki × IG

Ls(1.3.27)

Donde

Es es la tensión de paso [V ]


Ks es el factor de espaciamiento para la tensión de paso

Ki es el factor de corrección para la geometría de la malla

IG es la corriente máxima de la malla [A]

Ls es la longitud efectiva del conductor para la tensión de paso [m]

Para mallas con o sin varillas de aterrizaje, la longitud enterrada efectiva, Ls, se calcula mediantela ecuación (1.3.28).

Ls = 0,75× LC + 0,85× LR (1.3.28)

Donde

LC es la longitud total del conductor de la malla [m]

LR es la longitud total de todas las varillas de aterrizaje [m]

El factor de espaciamiento para la tensión de paso, Ks, se calcula por medio de la ecuación (1.3.29).

Ks =1

π[

1

2× h+

1

D + h+

1

D(1− 0,5n−2)] (1.3.29)

Donde

h es la profundidad a la que se encuentra enterrada la malla [m]

D es el espaciamiento entre conductores paralelos [m]

n es el número efectivo de conductores paralelos en una malla

El factor de corrección para la geometría de la malla, Ki, se calcula por medio de la ecuación(1.3.30).

Ki = 0,644 + 0,148× n (1.3.30)

El cálculo de la tensión de contacto real se determina mediante la ecuación (1.3.31).

Em =ρ×Km ×Ki × IG

LM(1.3.31)

Donde

Em es la tensión de contacto [V ]

Km es el factor de espaciamiento para la tensión de contacto

LM es la longitud efectiva del conductor de la malla para la tensión de contacto [m]

El factor de espaciamiento para la tensión de contacto, Km, se calcula de la siguiente manera:

Km =1

2× π× [ln(

D2

16× h× d+

(D + 2× h)2

8×D × d− h

4× d) +

Kii

Kh× ln(

8

π(2× n− 1))] (1.3.32)

Donde

19

d es el diámetro del conductor de la malla [m]

Kii es el factor de ponderación correctivo que se ajusta para efectos de conductores internos

Kh es el factor de ponderación correctivo que hace hincapié en los efectos de la profundidad de lamalla

El factor de ponderación correctivo, Kii, para mallas con varillas de aterrizaje a lo largo de superímetro, o para mallas con varillas de aterrizaje en sus esquinas o dentro de la misma es:

Kii = 1

Mientras que para mallas sin varillas de aterrizaje o mallas con pocas varillas de aterrizaje,ninguna de ellas colocadas en las esquinas o en el perímetro se tiene que:

Kii =1

(2× n)2n

(1.3.33)

El valor de Kh es:

Kh =

√1 +

h

h0(1.3.34)

Donde, h0 = 1m (profundidad de referencia de la malla)El número efectivo de conductores paralelos en una malla n es:

n = na × nb × nc × nd (1.3.35)

Donde

na =2× LCLp

(1.3.36)

nb = 1 Para mallas cuadradas

nc = 1 Para mallas cuadradas y para mallas rectangulares

nd = 1 Para mallas cuadradas, para mallas rectangulares y para mallas en forma de L

De otra manera:

nb =

√Lp

4×√A

(1.3.37)

nc = [Lx × Ly

A]

0,7×ALx×Ly (1.3.38)

nd =Dm√L2x + L2

y

(1.3.39)

Donde


Lp es la longitud perimetral de la malla [m]

A es el área de la malla [m2]

Lx es la longitud máxima de los conductores de malla en dirección de x [m]

Ly es la longitud máxima de los conductores de malla en dirección de y [m]

Dm es la distancia máxima entre dos puntos cualesquiera de la malla [m]

20

Para mallas sin varillas de aterrizaje o mallas con tan solo algunas varillas dispersas a los largode la malla, pero colocada en las esquinas o sobre todo en el perímetro de la malla, la longitudefectiva del conductor de la malla para la tensión de contacto, LM , es:

LM = LC + LR (1.3.40)

Donde


LR es la longitud total de todas las varillas de aterrizaje [m]

Para mallas con varillas de aterrizaje en las esquinas, así como a los largo de su perímetro y sobretoda la malla, la longitud efectiva del conductor de la malla para la tensión de contacto, LM , es:

LM = LC + [1,55 + 1,22(Lr√

L2x + L2

y

)]LR (1.3.41)

Lr es la longitud de cada varilla de aterrizaje [m]

1.3.9. Paso 9 y Paso 10: Control de seguridad

Si las tensiones de paso y de contacto calculadas están por debajo de las tensiones de paso y decontacto tolerables por el cuerpo humano, el diseño sólo necesita la puesta a tierra de los equipos(ver paso 12). De lo contrario, el diseño preliminar debe ser revisado (ver paso 11).

1.3.10. Paso 11: Acciones de Mejora

Si se superan los límites tolerables de las tensiones de paso o de contacto, se requiere unarevisión del diseño de la malla. Esta revisión puede incluir la reducción del espaciamiento entreconductores, el incremento de electrodos de tierra, el aumento del área ocupada por la malla, etc.

Además, se puede considerar el uso de un material de supercie con una resistividad mayor o elaumento del espesor del material de la capa supercial, para incrementar las tensiones tolerablesdel cuerpo humano.

1.3.11. Paso 12: Poner a tierra todos los equipos

Después de satisfacer los requisitos de tensiones de paso y toque, se debe incluir los conductoresrequeridos para poner a tierra los equipos a la malla. Hay que tener en cuenta que pueden requerirseconductores y varillas de tierra adicionales cerca de los equipos como descargadores de sobretensión,neutro de transformadores, entre otros [10].

1.4. Tratamiento del terreno

De acuerdo a Jinliang He[14], en la actualidad, el método común para reducir la resistencia depuesta a tierra consiste en mejorar la conductividad del terreno mediante un tratamiento químico.Con este tratamiento del terreno reduce su resistividad añadiendo Material de Baja Resistividad(LRM, por sus siglas en inglés) alrededor de un electrodo vertical en el oricio perforado o enuna zanja de tierra para conductores horizontales, con el propósito de mejorar la conductividadeléctrica del terreno y así reducir la resistencia de puesta a tierra.

Una manera ecaz de reducir la resistencia de puesta a tierra es aumentar el tamaño delelectrodo, por lo que la disminución de la resistividad del terreno alrededor del electrodo es encierto grado equivalente a aumentar el tamaño del mismo.

LRM es un tipo de polvo con partículas nas. Por lo tanto, su contacto con el electrodo yel terreno puede considerarse como un contacto supercial perfecto. El área de contacto entre elelectrodo de tierra y el terreno se incrementa y la resistencia de contacto entre el electrodo y latierra se reduce, por otro lado, reduce la resistencia a la dispersión de corriente.

21

Las fórmulas para calcular las resistencias de puesta a tierra se basan todas en el contactoperfecto entre el terreno y el electrodo de tierra. La fórmula para calcular la resistencia de puestaa tierra de una varilla cubierto con LRM, como se muestra en la Figura 1.4, se presenta en laecuación (1.4.1).

R =ρ

2πlln

4l

d1+

ρ1

2πllnd1

d(1.4.1)

Donde

R es la resistencia de puesta a tierra [Ω]


ρ1 es la resistividad del área con LRM [Ω ·m]

l es la longitud del electrodo vertical [m]

d es el diámetro del electrodo [m]

d1 es el diámetro del área con LRM [m]

Figura 1.4.1: Electrodo vertical cubierto con LRM [14].

Debido a que dl, d1l, ρ1ρ, el diámetro de la varilla de tierra vertical aumenta a d1, entoncesla ecuación (1.4.1) puede reescribirse como:

R =ρ

2πlln

4l

d1(1.4.2)

Para un electrodo o conductor en disposición horizontal con profundidad de entierro h, como semuestra en la Figura 1.4, la resistencia de puesta a tierra cubierta LRM se presenta en la ecuación(1.4.3).

R =ρ

2πlln

l2

d1h+

ρ1

2πllnd1

d(1.4.3)

Donde

d1 es el diámetro equivalente del área con LRM [m]

l es la longitud del electrodo horizontal [m]

Dado que el diámetro del electrodo de tierra aumenta a d1 cuando ρ1ρ, la ecuación (1.4.3) sepuede reescribir como:

R =ρ

2πlln

l2

d1h(1.4.4)

22

Figura 1.4.2: Electrodo de tierra horizontal cubierto con LRM [14].

El uso de LRM para la disminución de la resistencia de puesta a tierra puede usarse indepen-dientemente de si el electrodo de tierra es hemisferio, vertical u horizontal.

1.4.1. Ingredientes de LRM

El LRM está compuesto por un agente líder junto con un agente adhesivo, un agente aditivo,un electrolito, un agente solidicante y agua. Generalmente, el agente principal puro tiene una altaresistividad, pero después de añadir electrolito y agua, se convierte en un LRM con una resistividadmuy baja. Cuanto menor sea está resistividad, mejor será el efecto en la disminución de resistenciade puesta a tierra.

El estándar IEEE 80-2013 recomienda utilizar diversos métodos ecaces para reducir la resisti-vidad del terreno en el sistema de puesta a tierra, tal como bentonita, electrodo del tipo químicoy material del refuerzo del terreno.

1.4.2. Requisitos básicos para LRM

Los requisitos básicos para LRMs incluyen:

a) Seguro para animales y plantas

b) Buena conductividad

c) Baja corrosividad

d) Estabilidad a largo plazo

e) Fácil de usar en la instalación

Los resultados de las pruebas muestran que la velocidad de corrosión del acero de bajo contenidode carbono recubierto con LRM en un terreno altamente corrosivo es mucho menor que sin estarcubierto con LRM, lo que indica que el LRM puede reducir la corrosión de un electrodo de tierray extender su vida útil.

1.4.3. Conductividad de LRM

Una buena conductividad eléctrica es un rendimiento básico pero necesario para un LRM. Debetener una resistividad mucho menor que el terreno. Para mantener este rendimiento, debe contenerun componente llamado agente líder para mantener el agua. El terreno rojo arenoso y la 7bentonitase han utilizado durante mucho tiempo como agentes principales.

7Es una arcilla de grano muy no dilatándose con la exposición al agua

23

Los dispositivos de tierra de protección contra rayos recubiertos con un LRM sufrirán corrientesde decenas de kilo-amperios, a veces incluso cientos de kilo-amperios. El LRM debe cumplir conel requisito de una corriente de impulso. La resistividad de LRM puede mantenerse básicamentesin cambios después de soportar 20 ataques de una corriente de impulso con magnitud de 10 kA yuna forma de onda de 8/20µs. Por lo tanto, tiene un efecto perfecto en la dispersión de corrientesde impulso. Así mismo, cuando se produce un accidente de cortocircuito, la corriente de frecuencia

de potencia puede alcanzar decenas de kilo-amperios. Las pruebas muestran que la resistividaddisminuye aproximadamente 12% después de que el LRM soporta cinco impactos de una corrientede frecuencia de potencia de 100 A, lo que indica que tiene muy buenas características para soportaruna corriente de alta frecuencia de potencia.

1.4.4. Rendimiento a Largo Plazo del LRM

China, en la investigación del despeño a largo plazo de LRM, ha recolectado datos durantemás de diez años sobre el cambio anual en las resistencias de puesta a tierra de electrodos usandoLRM. Determinando que la resistencia de puesta a tierra tiene solamente una ligera variación.Sin embargo, si el LRM pierde su función después de un cierto período de tiempo, la resistenciade puesta a tierra aumentará y sería extremadamente difícil reemplazar el LRM. Por lo tanto, seespera que el LRM mantenga su resistividad sin cambios durante mucho tiempo.

El rendimiento a largo plazo de LRM se puede obtener mediante la adición de algunos aditi-vos para jar su conductividad. Los aditivos que pueden jar su conductividad incluyen cementoPortland, carbón o una mezcla de ceniza de carbón y ceniza de carbón, materiales asfálticos ymateriales químicos.

1.4.5. Método de construcción de LRM

Existen varios métodos de construcción de LRM, la Figura 1.4.5.3 muestra diferentes métodosde construcción de LRM.

Estos métodos pueden clasicarse en tres categorías:

1.4.5.1. Método llenado

Este método se utiliza comúnmente en la construcción de un electrodo de tierra vertical. Tienedos formas de construcción:

a) El primero es cavar un agujero de una profundidad de 75 cm y conducir una o tres varillas detierra en el fondo del agujero. A continuación, se vierte el LRM preparado en el agujero juntoa las varillas. Finalmente, se procede a rellenar y comprimir la parte del terreno después deque el LRM se haya solidicado.

b) El segundo es un método de perforación que se utiliza comúnmente en la conexión a tierraprofunda. En este método se perfora un agujero con un diámetro mayor de 5cm y unaprofundidad que satisface el requisito de diseño. Entonces, se coloca la varilla en la parteinferior del agujero y luego se llena el agujero con LRM preparado. Finalmente, después deque el LRM se haya solidicado, el agujero se rellena con tierra y se comprime. Si la varilla detierra es demasiado larga, se puede utilizar un tubo redondo de gran diámetro como electrodode tierra vertical. A continuación, taladre algunos pequeños agujeros en la parte inferior dela tubería redonda, luego se procede a llenar el oricio con LRM utilizando una máquina deinyección de presión, después se usa un tapón de metal para cubrir la parte superior de latubería de acero. La Figura 1.4.5.3(a) muestra una varilla de tierra vertical con el oriciorelleno de LRM. La Figura 1.4.5.3(b) muestra un electrodo de tira. Si las grietas pueden serformadas por una explosión en el agujero, a continuación, verter LRM en el agujero con unamáquina de presión, lo que da un efecto mucho mejor en la disminución de la resistencia depuesta a tierra.

24

1.4.5.2. Método de penetración

El método de penetración es comúnmente utilizado para electrodos de tierra incorporados.Como se muestra en la Figura 1.4.5.3(c), se agrega LRM líquido y penetra en la tierra que rodeaal electrodo incorporado, o como se muestra en la Figura 1.4.5.3(d), se cava una ranura anularalrededor de la varilla de tierra vertical y se llena con LRM líquido.

1.4.5.3. Método de la zanja

Este método es comúnmente utilizado en la construcción de dispositivos de tierra horizontales,tales como una varilla horizontal o la malla de un sistema de puesta a tierra. Para su construcciónse procede a cavar una zanja y luego disponer de forma adecuada el electrodo o conductor de tierra.Se debe tener en cuenta que los conductores deben ser soportados por el LRM solidicado. Entoncesel LRM se llena en la zanja para asegurarse de que todo el conductor de tierra sea recubierto porel LRM. Después de que el LRM se ha solidicado, la zanja se rellena con tierra y se comprimepara evitar la exposición y la evaporación del agua.

La Figura 1.4.5.3(e) muestra un método de la zanja que usa LRM para recubrir el conductor enhorizontal y luego se rellena con tierra. La Figura 1.4.5.3(f) muestra un método de zanja utilizadoen la construcción de un electrodo de tierra horizontal tipo placa.

Figura 1.4.3: Métodos de construcción usando LRM: (a) varilla vertical con el oricio relleno deLRM, (b) electrodo de tira, (c) se agrega LRM líquido y penetra en la tierra que rodea al electrodoincorporado, (d) una ranura anular excavado alrededor de una varilla vertical y luego se llena elLRM líquido, (e) método de la zanja que usa LRM para recubrir el electrodo horizontal y luegose rellena con tierra, (f) método de la zanja usado en la construcción de un electrodo de tierrahorizontal tipo placa [14].

En general, los métodos de construcción mencionados deben considerarse según el tipo de LRM,la forma del electrodo y la geología del sitio del proyecto. En sitios donde es difícil obtener agua,los polvos LRM secos se pueden verter directamente en la zanja alrededor del electrodo de tierray el terreno debe ser rellenado y apisonado, lo que dará como resultado un buen efecto.

1.5. Resistencia de Puesta a Tierra

La 8impedancia de un sistema de puesta a tierra depende en gran medida de la resistividad delterreno, así como la conguración de la malla enterrada. Por lo general, el valor de la impedancia deun electrodo se mide en términos de resistencia porque la reactancia generalmente es despreciablecon respecto al componente resistivo.

8Es la suma de un componente resistivo y un componente reactivo.

25

La determinación del componente reactivo es necesario cuando el análisis se realiza para co-rrientes transitorias o de impulso, como es el caso de las descargas eléctricas. Así mismo, este valorpuede ser muy signicativo en sistemas de puesta a tierra grandes o interconectados.

1.5.1. Valor teórico de la resistencia a tierra

Los valores calculados o teóricos de la resistencia de un electrodo de puesta a tierra puedenvariar con respecto al valor medido por las siguientes circunstancias:

a) La insuciencia de los métodos analíticos utilizados en los cálculos de la resistencia.

b) La resistividad del terreno en el momento de la medición de la resistencia, es diferente de laasumida en los cálculos.

c) La falta exactitud en las mediciones de campo de la resistividad. Ya sea por la falta del nú-mero y dispersión de pruebas, variación en el espaciamiento de las sondas o debido a que elinstrumento de medición no es el adecuado.

d) Los objetos enterrados como rieles y tuberías metálicas, situados en las proximidades del terrenode prueba, pueden tener una inuencia considerable en los resultados de las mediciones.

e) Las lecturas del medidor de pinza pueden contener un gran error si la reactancia en el circuitode prueba es signicativa comparada con la resistencia del circuito de prueba, o si los ltrosson inadecuados para frecuencias de 50Hz/60Hz causadas por corrientes extraviadas. Estemedidor está sujeto a errores causados por la reactancia en el circuito de prueba porque lasfrecuencias de prueba varían típicamente de 1 kHz a 3,4 kHz. Además, si hay bucles de tierra,el medidor de pinza no puede medir la resistencia de tierra correcta.

La diferencia entre los valores medidos y calculados de la resistencia puede minimizarse si se obtie-nen las medidas de resistividad del terreno y resistencia de la malla en condiciones meteorológicassimilares. Por lo que es recomendable realizar las mediciones de resistividad del terreno durantecondiciones climáticas adversas, como la época de verano.

1.5.2. Medición de la Resistencia

Antes de que una instalación eléctrica entre en servicio, por lo general se realiza una mediciónla resistencia de puesta a tierra y en el caso de las subestaciones, se realizan las mediciones de lospotenciales superciales con el n de asegurarse que cumplen con los valores del diseño, ya que laresistencia de puesta a tierra puede variar con la estación a medida que cambian la temperatura,el contenido de humedad y la densidad del terreno. Por tal razón, la única manera de determinarla resistencia es medirla después de que el sistema haya sido completado [3], [18].

Los principios que se usan para la medición de la resistencia a tierra son básicamente los mismosque los utilizados para medir otros tipos de resistencias eléctricas. Los diversos métodos disponibleshacen uso de sondas auxiliares además del electrodo sometido a ensayo.

1.5.2.1. Método de dos puntos

En el método de dos puntos, la resistencia a tierra del sistema se mide en serie con un electrodoauxiliar el cual deberá tener una resistencia despreciable en comparación con la resistencia delsistema de prueba. Entonces, el valor medido representa la resistencia a tierra del sistema deprueba.

Por lo general, una aplicación de este método es medir la resistencia del sistema de puesta atierra de prueba con respecto a una casa residencial cercana. Siendo así, se puede seleccionar elelectrodo auxiliar de dos maneras:

26

Elementos Metálicos

Los elementos metálicos que se encuentran bajo tierra como las tuberías que suministran aguapueden presentar una resistencia de alrededor de 1Ω, mientras que la resistencia de un sistema depuesta a tierra de una residencia se presume debería ser 25Ω siendo mucho mayor que la resistenciadel electrodo auxiliar.

En la Figura 1.5.2.1 se muestra el método de dos puntos utilizando un electrodo auxiliar,mediante un instrumento de medición que más adelante será descrito.

Figura 1.5.1: Medida de la resistencia de tierra a dos puntos utilizando un instrumento especializadode medición [4].

Uso del neutro como electrodo auxiliar

Es posible realizar la medición de tierra con el método de dos puntos utilizando como electrodoauxiliar el conductor de neutro de la compañía de suministro, conectando directamente en la tomade corriente o del cuadro de alimentación, por lo tanto la medida puede ser realizada directamenteen la toma de corriente, entre el neutro y la tierra.

En la Figura 1.5.2.1 se muestra el método de dos puntos usando como electrodo auxiliar elneutro del cuadro de alimentación.

Figura 1.5.2: Medida de la resistencia de tierra a dos puntos desde el cuadro de alimentación [4].

El método de dos puntos, sin embargo, está expuesto a errores en su aplicación como los quese mencionan a continuación:

a) Si la tubería que funciona como electrodo auxiliar está demasiado cerca al sistema de tierra deprueba, la resistencia mutua entre los dos puede ser una fuente de error.

b) Si la resistencia de la puesta a tierra del sistema a prueba está en el rango de la resistencia delelectrodo auxiliar.

27

Sin embargo, este método es una herramienta útil donde no es posible usar el método de trespuntos (por ejemplo en el centro histórico), mediante éste método generalmente se obtendrá unvalor superior siendo una ventaja desde el punto de vista de la seguridad.

1.5.2.2. Método de tres puntos

En este método se usan dos electrodos o picas auxiliares con sus resistencias designadas comoRy y Rz, mientras que la resistencia del electrodo o varilla en análisis se denomina Rx.

Estas picas se colocan de tal manera que se forma un triángulo como se ilustra en la Figura1.5.2.2, entonces se procede a medir la resistencia mediante un instrumento de medida especializado(no se inyecta Iprueba). La resistencia entre cada par de electrodos se designa como R1, R2 y R3,donde:

R1 = Rx+Ry + 0

R2 = Rx+ 0 +Rz

R3 = 0 +Ry +Rz

Resolviendo las tres ecuaciones simultáneas para despejar Rx, se tiene:

Rx =R1 +R2 +R3

2(1.5.1)

Por medio de la ecuación (1.5.1) se obtiene la resistencia a tierra del electrodo sometido aprueba.

Figura 1.5.3: Método de tres puntos [18].

Consideraciones del método de tres puntos:

a) Para una medición conable, los electrodos deben estar a una distancia sucientemente distanteentre sí para minimizar las resistencias mutuas entre ellos. La separación de las picas debeser por menos tres veces la profundidad de la varilla de prueba.

b) Este método es adecuado para medir la resistencia de varillas de tierra aislados o pequeñasinstalaciones de puesta a tierra.

c) No es apropiado para la medición de instalaciones de baja resistencia.

28

1.5.2.3. Método de caída del potencial.

En el método de caída de potencial se usan dos picas auxiliares conocidas como pica de corrientey pica de potencial que se posicionan en una misma dirección. Se inyecta una corriente constanteentre el electrodo o varilla de tierra (G) y una pica de corriente (CP), luego se mide la tensiónentre G y una pica de potencial (PP), como se muestra en la Figura 1.5.4. La pica de potencialnormalmente se coloca en la misma dirección que la pica de corriente, pero se puede colocar en ladirección opuesta.

Figura 1.5.4: Método de caída del potencial [6].

Para minimizar las inuencias interelectrodo debido a las resistencias mutuas, la pica de co-rriente se coloca a una distancia (D) que por lo general es al menos 5 veces la longitud de la varillao 5 veces la diagonal máxima del sistema puesto a tierra bajo prueba. Mientras que la distanciaX para la pica de potencial, comúnmente se toma el 62% de la distancia D cuando están en lamisma dirección (regla del 62%). Cabe mencionar que para aplicar la regla del 62% el terrenotiene que ser bastante uniforme y la varilla no debe tener conexiones externas.

Este método puede estar sujeto a un error considerable si están presentes corrientes de tierradispersas (a la misma frecuencia del medidor de prueba), o si las tuberías u otros conductoresestán enterrados cerca de la varilla de prueba. Una forma práctica de determinar si la pica depotencial está libre de inuencias de otros electrodos es obteniendo realizando varias medicionesde resistencia moviendo la pica de potencial entre la varilla y la pica de corriente. Se puede asumirque dos o tres lecturas consecutivas de resistencia constante representan el verdadero valor deresistencia.

1.5.2.4. Método de Clamp-on

La medición de la resistencia de puesta a tierra por este método se lo realiza por medio de unapinza conocida como clamp sujetándolo al cable de derivación, como se muestra en la Figura 1.5.5.El medidor de sujeción induce un voltaje con una frecuencia denida, por lo general entre 1 kHz y3.4 kHz, en el sistema de puesta a tierra que incluye a la varilla bajo estudio. El voltaje inducidogenera una corriente (Iprueba) que uye hacia el sistema de puesta a tierra, la cual es medida porla misma pinza. Entonces, el equipo de medición muestra en formato digital la resistencia que seobtiene mediante la ley de ohm.

Para obtener un resultado con alto grado de precisión, la impedancia del sistema de neutro

29

multiaterrizado, debe ser signicativamente menor en comparación con la impedancia de la varilla,siendo así se puede asumir que es cero (Zeq=0). Además es importante que el circuito de pruebatenga una baja reactancia en comparación a la resistencia, debido a que la reactancia aumenta deforma signicante en respuesta a la frecuencia de la corriente de prueba pudiendo distorsionar engran medida las lecturas de prueba.

Figura 1.5.5: Medición de la resistencia mediante el método de clamp-on [6].

Este método es práctico y ampliamente utilizado para las líneas de transmisión y distribución.La principal ventaja de este método es que es rápido y fácil, ya que no se necesitan picas adicionalesy no es necesario desconectar el electrodo de tierra bajo prueba del sistema. El método clamp-ontambién puede medir la corriente de fuga que uye a través del sistema.

Este método no se puede utilizar en terrenos aislados, ya que no hay ruta de retorno. Así mismo,no puede usarse si existe una resistencia alternativa de menor resistencia que involucra el terreno,como con torres celulares que se observa en la Figura 1.5.6 .

30

Figura 1.5.6: Medición incorrecta de la resistencia de tierra por el método clamp-on [6].

Las torres celulares están conectadas a tierra en la base, con cada cable individual puesto atierra y todos conectados juntos en un anillo. La corriente de prueba circula a través del conductorque conecta los elementos individuales (varillas de tierra) que componen el anillo. Siendo así que lapinza de sujeción no va a medir la resistencia de puesta a tierra del sistema, ya que en realidad seestaría midiendo la resistencia del conductor y de los puntos de unión, sean soldaduras o accesoriosmecánicos.

1.5.2.5. Método de caída de potencia/clamp-on

La resistencia de un electrodo de tierra también se puede medir combinando el método de caídadel potencial y el método de sujeción, como se ilustra en la Figura 1.5.7. Los electrodos auxiliares(picas) de corriente y tensión se colocan de la misma manera requeridas por el método de caídade potencial. Para medir la parte de la corriente de prueba que uye hacia el sistema de puesta atierra se usa un transformador de núcleo partido en cada pata de la torre. Entonces, la resistenciaautónoma del sistema de puesta a tierra se determina por la relación de la tensión medida y lacorriente de tierra medida.

Este método puede ser usado especialmente para medir las resistencias de las estructuras delíneas de transmisión ya que no es necesario desconectar el cable de guarda. En el caso de unatorre de cuatro patas se puede medir la resistencia midiendo cada pata para luego combinarlaspara determinar las resistencia global de la estructura. También se puede medir con equipos quese colocan cuatro transformadores de núcleo dividido y se mide la resistencia simultáneamente.

31

Figura 1.5.7: Medición de la resistencia de una torre utilizando el método de caída de potencial ymediciones de corriente de fuga [6].

1.5.2.6. Multímetro de puesta a tierra basado en computadora

La medición de impedancia de tierra mediante multímetro de puesta a tierra basado en compu-tadora se puede realizar a un sistema de conexión a tierra aislado o interconectado de una torre,poste o subestación. La medición consiste en instalar una pica de retorno de corriente y seis picasde detección de voltaje, como se muestra en la Figura 1.5.8.

La pica de retorno de corriente se ubica a una distancia de al menos dos veces la diagonalmáxima de la instalación. La primera pica de tensión en cada hilo se coloca usualmente a unadistancia de 15 m de la malla de la subestación. Las distancias de las picas de voltaje restantes secolocan de forma similar tomando como referencia la primera pica. Se recomienda que las sondasde voltaje estén situadas lo más lejos posible de otras estructuras de tierra como por ejemplo lastuberías.

Usualmente, estos tipos de multímetros presentan las siguientes opciones de medición:

a) Impedancia de tierra (aislado o interconectado)

b) Resistividad del terreno

c) Impedancia de tierra de la torre (impedancia de tierra de torre/polo independiente sin desco-nexión del blindaje o cables de neutro)

d) Tensión de contacto

e) Tensión de paso

f) Impedancia de tierra (impedancia de tierra de la subestación independiente sin desconexión delblindaje y cables de neutro)

g) Tensión de transferencia

32

h) Baja impedancia/continuidad (prueba de integridad del conductor de la red de tierra de lasubestación)

Figura 1.5.8: Medida de impedancia de tierra mediante multímetro de tierra basado en computadora[6].

33

Capítulo 2

IMPLEMENTACIÓN DESISTEMAS DE PUESTA ATIERRA

2.1. Mediciones de campo de la resistividad

La medición de la resistividad del terreno se realiza mediante el 1telurómetro digital, marcaAmprobe modelo GP-2 Geo Test que se muestra en la Figura 2.1.1. En este equipo portátil seobtienen los valores de la resistividad del terreno directamente por el método de cuatro puntosarreglo Wenner, disponiendo las picas como se muestra en la Figura 1.2.3(a).

Figura 2.1.1: Telurómetro digital GP-2 Geo Test [17].

1También llamado terrómetro o Megger, es un dispositivo que se utiliza para medir la resistividad y resistencia

de los sistemas puestos a tierra.

34

Las mediciones son realizadas en 16 terrenos ubicados en una zona rural del Cantón Cuenca,debido a las grandes áreas disponibles para las mediciones de campo. Mediante el método Wennerse realiza las mediciones con un espaciamiento de las picas de 1m, 2m y 3m, así mismo cadamedición se realiza en cuatro direcciones como se muestra en la Figura 2.1.2 para minimizar lainuencia en las lecturas en caso de existir estructuras o piezas metálicas enterradas en el área deestudio.

Figura 2.1.2: Direcciones para las mediciones de las resistividades del terreno.

2.1.1. Resultados de las mediciones de la resistividad del terreno

En el cuadro 2.1 se observan las mediciones de la resistividad del terreno 1.

Separación[m]

Resistividaddirección 1

[Ω ·m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]

ResistividadPromedio

[Ω ·m]

1 11.14 10.63 11.96 12.03 11.442 11.42 11.27 11.51 12.38 11.653 13.92 15.70 14.08 12.57 14.07

Tabla 2.1: Valores de resistividad medidos en el terreno 1.


Separación[m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]

1 19.27 16.75 17.01 18.64 17.922 17.65 17.54 16.26 16.95 17.103 17.68 17.08 16.09 17.37 17.06



35

Separación[m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]

1 25.60 24.30 22.10 23.80 23.952 23.90 22.60 23.80 22.00 23.083 22.80 22.40 21.80 22.60 22.40



Separación[m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]

1 22.90 27.80 24.00 27.40 25.532 27.30 28.90 25.70 29.30 27.803 28.00 29.40 27.70 28.40 28.38



Separación[m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]

1 28.20 26.40 23.40 22.60 25.152 28.10 25.90 27.80 25.60 26.853 37.40 33.50 40.60 35.80 36.83


En el cuadro 2.1.1 se observan las mediciones de la resistividad del terreno 6.

Separación[m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]

1 28.70 32.50 NA 33.80 31.672 30.80 32.60 NA 33.60 32.333 NA NA NA NA 31.90

Tabla 2.6: Valores de resistividad medidos en el terreno 6.NA: Mediciones no realizadas por falta de espacio para la colocación de las picas.


36

Separación[m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]

1 25.00 26.40 24.90 27.60 25.982 28.60 33.60 32.30 31.50 31.503 46.60 45.20 55.30 41.90 47.25



Separación[m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]

1 40.60 41.70 40.50 44.00 41.702 44.20 45.20 44.10 44.90 44.603 46.30 45.80 46.20 46.20 46.13



Separación[m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]

1 40.00 46.20 49.90 44.70 45.202 49.20 54.60 53.80 54.00 52.903 NA 63.10 61.70 59.10 61.30



Separación[m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]

1 43.10 54.50 49.90 46.60 48.532 57.50 56.30 58.00 57.50 57.333 81.40 79.40 80.30 86.00 81.78



37

Separación[m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]

1 88.40 82.20 79.10 84.00 83.582 97.20 87.20 91.00 93.60 92.253 100.80 93.10 93.80 96.50 96.05



Separación[m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]

1 87.30 83.70 <u.10 83.10 86.302 105.90 97.30 102.00 106.90 103.033 108.80 109.50 108.10 108.80 108.80



Separación[m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]

1 105.10 103.40 109.00 105.10 105.652 117.60 109.10 106.90 118.40 113.003 NA 105.70 107.30 108.50 107.17



Separación[m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]

1 111.60 122.90 94.30 100.20 107.252 123.00 134.40 112.80 116.10 121.583 104.80 124.80 102.20 108.00 109.95



38

Separación[m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]

1 149.20 144.80 150.80 146.40 147.802 189.00 175.50 178.10 181.00 180.903 174.10 176.20 178.40 175.90 176.15



Separación[m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]


[Ω ·m]

1 156.00 146.70 158.60 161.70 155.752 184.20 178.70 178.20 183.60 181.183 199.00 181.50 191.70 189.80 190.50


Se puede observar que la mayoría de terrenos tiene variaciones de resistividad relativamentepequeños, siendo así que a los mismos se les puede considerar como terrenos homogéneos.

2.2. Modelado de los terrenos

En este trabajo se realiza el modelamiento del terreno para obtener una resistividad aparentemediante el modelo de terreno uniforme usando la ecuación (1.2.5), y mediante el método grácoSunde descrito en el inciso 1.2.4, el procedimiento se detalla en (ANEXO A). En la Tabla 2.17 seobservan los valores de resistividad aparente de cada terreno medido, calculados mediante los dosmétodos, además se procede a aproximar a un valor inmediatamente superior de la resistividad.

Terreno Resistividad aparentepor el modelo deterreno uniforme

[Ω ·m]

Resistividad aparentepor el métodográco sunde

[Ω ·m]

T1 12.38 ≈ 13 13.38 ≈ 14T2 17.36 ≈ 18 17.38 ≈ 18T3 23.14 ≈ 24 22.99 ≈ 23T4 27.13 ≈ 28 27.31 ≈ 28T5 29.61 ≈ 30 31.94 ≈ 32T6 31.97 ≈ 32 31.67 ≈ 32T7 34.91 ≈ 35 36.37 ≈ 37T8 44.14 ≈ 45 44.62 ≈ 45T9 53.13 ≈ 54 56.50 ≈ 57T10 62.54 ≈ 63 65.02 ≈ 66T11 90.63 ≈ 91 90.26 ≈ 91T12 99.38 ≈ 100 102.70 ≈ 103T13 108.61 ≈ 109 105.65 ≈ 106T14 112.93 ≈ 113 107.25 ≈ 108T15 168.28 ≈ 169 168.49 ≈ 169T16 175.81 ≈ 176 180.67 ≈ 181

Tabla 2.17: Resultados del modelamiento de los terrenos.

39

2.3. Diseño de sistemas de puesta a tierra

Algunas empresas eléctricas de distribución como la Empresa Eléctrica de Quito S.A., EmpresaEléctrica Regional Centro Sur C.A., y Empresas Eléctricas de Colombia estudiadas en [12] tomanun valor de referencia de 25 ohmios para la puesta a tierra especialmente para el neutro de la redde baja tensión. Sin embargo, por la creciente demanda de energía eléctrica, se estima que estevalor tiende a disminuir. Por tal motivo, en este proyecto se pretende obtener una resistencia depuesta a tierra de 15 ohmios o menos mediante la implementación de diferentes diseños. Ademásse realizan implementaciones de diseños adicionales para vericar la formulación usada.

Los diseños que se presentan a continuación se realizan para sistemas con neutros conectadosa tierra con corrientes de falla por debajo de 1000A, a los cuales según la norma IEEE Std 80-2013 señala que no es viable la eliminación de potenciales de paso y contacto. Mientras que paracorrientes de falla a tierra por encima de 1000A, se debe instalar sistemas de puesta a tierra degrandes dimensiones para cumplir con los usuales requisitos de potencial de paso y contacto [8].Sin embargo, se realiza un diseño en el que se pueda analizar cada paso descrito por la normaIEEE Std 80-2013 para cumplir con los requisitos de tensión de paso y contacto tolerables para elcuerpo humano.

2.3.1. Área de estudio

Las dimensiones de los terrenos medidos tienen una longitud de 9m largo y de 9m de anchodando un área total del terreno de 81m2. En la Tabla 2.18 se da a conocer la resistividad aparentede cada terreno seleccionado para este estudio. Observándose que para la gran mayoría solo serequiere un modelo de suelo uniforme, excepto el terreno 16 que se toma como referencia el valorde la resistividad aparente obtenido mediante el método gráco Sunde, debido a los valores deresistividad muy variados en este terreno.

Terreno Resistividadaparente[Ω ·m]

T1 13T2 18T3 24T4 28T5 30T6 32T7 35T8 45T9 54T10 63T11 91T12 100T13 109T14 113T15 169T16 181

Tabla 2.18: Valores seleccionados de resistividad aparente de los terrenos.

40

2.3.2. Conductor

Para realizar el cálculo del calibre del conductor se tiene como datos las corrientes de cortocir-cuito que se muestran en la Tabla 2.3.2, correspondiente al poste con numeración 262976 ubicadoa 14km de la subestación, en la zona rural de estudio (Sinincay), perteneciente al alimentador 0523(22 KV) de la subestación 05 El Arenal, bajo concesión de la 2EERCS C.A.

Tipo de falla FaseTensión

[kV ]Tensión[Grad]

Corriente[kA]

Corriente[Grad]

LLLTA 4.15 -118.32 0.83 -117.93B 4.17 122.4 0.83 122.28C 4.14 2.72 0.83 2.44

LLT-ABA 6.86 -130.7 0.76 -95.74B 5.14 157.21 0.7 100.67C 13.36 38.76 0 0

LLT-BCA 13.36 -81.24 0 0B 6.85 109.48 0.76 144.56C 5.15 37.33 0.7 -19.02

LLT-CAA 5.09 -83.26 0.76 24.53B 13.35 158.72 0 0C 6.8 -10.28 0.7 -139.29

LT-AA 7.9 -107.39 0.4 -107.39B 14.4 153.47 0 0C 12.44 43.62 0 0

LT-BA 12.44 -76.38 0 0B 7.9 132.76 0.39 132.76C 14.4 33.49 0 0

LT-CA 14.4 -86.49 0 0B 12.43 163.61 0 0C 7.9 12.9 0.39 12.9

Tabla 2.19: Resumen durante la fallaFuente: EERCS C.A.: Soporte Informático - Análisis Técnico

La mayor corriente de falla es de If = 830A. Sin embargo, en este trabajo se toma comoreferencia una corriente de falla a tierra de If = 1000A. Según la Tabla 1.2, considerando X/R=10,y una duración de falla tf = 0,5s, el factor de decremento es Df = 1,026. El cálculo de la máximacorriente de falla asimétrica IF se realiza mediante la ecuación (2.3.1), multiplicando el factor dedecremento por la corriente máxima de falla a tierra.

IF = If ×Df (2.3.1)

Se reemplazan los valores y tendiendo lo siguiente

IF = 1000A× 1,026 = 1026A

La corriente obtenida se usa para la determinación del mínimo diámetro de los conductores depuesta a tierra.

Para la implementación de los sistemas de puesta a tierra se cuenta con conductor de cobrecomercial trenzado duro con una conductividad del material del 97 % y una temperatura de fusiónde 1084ºC según la Tabla 1.3.2.1. Sin embargo, para una mayor seguridad se procede a calcular enla peor condición, seleccionando para el análisis un conductor de alambre de acero con revestimiento

2Empresa Eléctrica Regional Centro Sur C.A.

41

de cobre con una conductividad del 30 %, una temperatura ambiente de 30ºC y una temperaturamáxima de fundición de 450ºC (Para una conexión Exotérmica).

Entonces, la sección transversal del conductor se calcula con la ecuación (1.3.1) teniendo comoresultado lo siguiente:

Amm2 = 5,61mm2

Según la Tabla C.2 (ANEXO C), el calibre del cable para esta sección de conductor es elalambre de acero con revestimiento de cobre #8 AWG; sin embargo, en el presente trabajo seusa conductor de cobre desnudo #2 AWG con sección transversal de 33,62mm2. Ya que en variasempresas eléctricas de distribución como las que se ven en [5] y [12] (Empresa Eléctrica de QuitoS.A., Empresa Eléctrica Regional Centro Sur C.A., Empresa Eléctrica Regional del Sur S.A. y deEmpresas Eléctricas de Colombia), utilizan un conductor de cobre desnudo que varía entre #4AWG y #2 AWG, para los sistemas de puesta a tierra.

2.3.3. Tensiones Tolerables

Si bien los sistemas de puesta a tierra pueden ajustarse para eliminar los potenciales de contactopeligrosos mediante la supresión de las corrientes de cortocircuito a tierra, esto no suele exigirse alos sistemas con neutros conectados a tierra con corrientes de falla menores a 1000A, porque noparece viable. Para corrientes de falla a tierra por encima de 1000 A, se deben instalar sistemas depuesta a tierra de grandes dimensiones para cumplir con los usuales requisitos de potenciales depaso y de contacto [8].

En el presente proyecto se realiza un diseño en el terreno 2 en el que se pueda analizar cadapaso descrito por la norma IEEE Std 80-2013 para cumplir con los requisitos de tensión de pasoy contacto tolerables por el cuerpo humano. Los demás diseños que se realizan van dirigidos asistemas con bajos niveles de corrientes de falla a tierra (inferiores a 1000A).

El terreno 2 que cuenta con una resistividad aparente de 18Ω ·m. La norma IEEE Std. 80-2013determina la importancia de aumentar el límite de las tensiones de paso y de contacto tolerables,con la distribución de una pequeña capa supercial de grava, que normalmente tiene un espesorentre 0.10m y 0.15m. Para el diseño se considera que el espesor de la grava o piedra triturada seade hs = 0,10m, que cuenta con una resistividad de ρs = 3000Ω ·m. Mediante la ecuación (1.3.6)se tiene Cs = 0,69. Con un tiempo de despeje de falla de ts = 0,5s, se calculan las tensiones depaso y de contacto tolerables para una persona con peso corporal de 70 kg usando las ecuaciones(1.3.3) y (1.3.5).

Epaso70kg = 2985,73V

Econtacto70kg = 912,96V

2.3.4. Diseños básicos y resistencia de puesta a tierra

Como ya se mencionó, el propósito de los diseños en este trabajo es obtener una resistencia depuesta a tierra de 15 ohmios, en terrenos con diferentes valores de resistividades. Así mismo, se harealizado diseños adicionales para vericar si la formulación usada es válida. El diseño bajo análisisde potenciales peligrosos para el cuerpo humano puede observar en el Cuadro 2.3.4 correspondienteal diseño T2.3.

Los diseños están conformados por varillas de cobre copperweld de 1.8m x 5/8 y de 2.4mx 5/8, conductores de cobre trenzado desnudo #2 AWG a una profundidad h = 0,25m. Lasconguraciones involucran: 1 varilla en vertical, 2 varillas en línea, 3 varillas en línea, 3 varillas entriángulo y mallas cuadradas con 4 varillas en las esquinas, todos separadas a una distancia d.

42

Además se calcula la resistencia de puesta a tierra de cada diseño mediante las fórmulas presentadasen el inciso 1.3.5.

En la tabla 2.3.4 se observa el diseño de puesta a tierra para el terreno 1 con una resistividadaparente de 13 Ω ·m.

Diseño Conguración DescripciónResistenciaCalculada

[Ω]

xx

T1.1xx

1 Varilla 1.8[m] 6.67

Tabla 2.20: Diseño del sistema de puesta a tierra para el terreno 1.

En la tabla 2.3.4 se observan los diseños de puesta a tierra para el terreno 2 con una resistividadaparente de 18 Ω ·m.


[Ω]

xx

T2.1xx

1 Varilla 1.8[m] 9.23

xx

T2.2xx

2 Varillas 1.8[m]d=7[m]

3.57

xx

T2.3xx


1.91

Tabla 2.21: Diseños de sistemas de puesta a tierra para el terreno 2.



[Ω]

xx

T3.1xx

1 Varilla 2.4[m] 9.69


43



[Ω]

xx

T4.1xx

1 Varilla 1.8[m] 14.37

xx

T4.2xx


7.84

xx

T4.3xx


5.37




[Ω]

xx

T5.1xx

1 Varilla 1.8[m] 15.39




[Ω]

xx

T6.1xx

1 Varilla 2.4[m] 12.92


44



[Ω]

xx

T7.1xx

1 Varilla 2.4[m] 14.14




[Ω]

xx

T8.1xx

1 Varilla 1.8[m] 23.09

xx

T8.2xx


12.60

xx

T8.3xx

1 Varilla 2.4[m] 18.17

xx

T8.4xx


10.56

xx

T8.5xx


7.51



45


[Ω]

xx

T9.1xx

1 Varilla 1.8[m] 27.70

xx

T9.2xx


13.76




[Ω]

xx

T10.1xx

1 Varilla 1.8[m] 32.32

xx

T10.2xx


17.64

xx

T10.3xx


16.05

xx

T10.4xx


14.69



46


[Ω]

xx

T11.1xx

1 Varilla 1.8[m] 46.69

xx

T11.2xx


25.48

xx

T11.3xx


23.19

xx

T11.4xx


21.22

xx

T11.5xx


17.46

xx

T11.6xx


15.24

xx

T11.7xx


15.88

xx

T11.8xx


13.45



47


[Ω]

xx

T12.1xx

1 Varilla 1.8[m] 51.30

xx

T12.2xx


25.48

xx

T12.3xx


16.75

xx

T12.4xx


14.78



48


[Ω]

xx

T13.1xx

1 Varilla 1.8[m] 55.92

xx

T13.2xx


30.52

xx

T13.3xx


20.92

xx

T13.4xx


19.02

xx

T13.5xx


13.95

xx

T13.6xx


13.74

xx

T13.7xx

1 Varilla 2.4[m] 44.02

xx

T13.8xx


23.64

xx

T13.9xx


16.14

xx

T13.10xx


14.64


49



[Ω]

xx

T14.1xx

1 Varilla 1.8[m] 57.97

xx

T14.2xx


31.64

xx

T14.3xx


28.79

xx

T14.4xx


24.22

xx

T14.5xx


21.69

xx

T14.6xx


16.79

xx

T14.7xx


19.72

xx

T14.8xx


14.46

xx

T14.9xx


14.24


En la tabla 2.3.4 se observan los diseños de puesta a tierra para el terreno 15 con una resistividad

50

aparente de 169 Ω ·m.


[Ω]

xx

T15.1xx

1 Varilla 1.8[m] 86.70

xx

T15.2xx


43.06

xx

T15.3xx

1 Varilla 2.4[m] 68.25

xx

T15.4xx


34.12

xx

T15.5xx


22.56

xx

T15.6xx


20.01

xx

T15.7xx


14.38



51


[Ω]

xx

T16.1xx

1 Varilla 1[m] 150.22

xx

T16.2xx

1 Varilla 1.8[m] 92.86

xx

T16.3xx


38.80

xx

T16.4xx


24.16

xx

T16.5xx


20.42

xx

T16.6xx


14.59

xx

T16.7xx

1 Varilla 2.4[m] 73.10


2.3.5. Corriente máxima de malla

Considerando que el factor de división de la corriente de falla sf = 1, y aplicando la ecuación(1.3.25) se tiene que:

IG = 1026A

2.3.6. Potencial Máximo de la Malla (GPR)

GPR se obtiene mediante la ecuación (1.3.26) teniendo como resultado:

GPR = 1959,66V

Como se puede observar el valor de la elevación del potencial de tierra está por encima del valorde la tensión de contacto tolerable por el cuerpo humano, por lo que es necesario continuar con el

52

diseño.

GPR = 1959,66[V ] > Econtacto70kg = 912,96[V ]

2.3.7. Tensiones de paso y de contacto reales

Para realizar los cálculos de las tensiones de paso y de contacto, se necesita conocer los pará-metros del diseño que se muestran en la Tabla 2.3.7.

Denominación Valor

Resistividad del terreno 2 ρ = 18Ω ·mProfundidad de la malla h = 0,25m

Diámetro del conductor de la malla d = 6,543mmEspaciamiento entre conductores paralelos D = 4mLongitud de cada varillas de aterrizaje Lr = 1,8m

Longitud total de todas las varillas de aterrizaje LR = 7,2mCorriente máxima de malla IG = 1026A

Longitud máxima de los conductores de malla endirección de x

Lx = 4m

Longitud máxima de los conductores de malla endirección de y

Ly = 4m

Longitud total del conductor horizontal de la malla LC = 16mLongitud perimetral de la malla Lp = 16m

Tabla 2.36: Datos para el cálculo de las tensiones de paso y de contacto reales.

Mediante estos parámetros de la malla, se procede a calcular los factores que se muestran en laTabla 2.3.7, por medio de las ecuaciones descritas en el inciso 1.3.8.

Denominación Valor Calculado

Número efectivo de conductores paralelos en unamalla

n = 2

Longitud efectiva del conductor para la tensión depaso

Ls = 18,12

Factor de espaciamiento para la tensión de paso Ks = 0,71Factor de correción para la geometría de la malla Ki = 0,94Longitud efectiva del conductor de la malla para la

tensión de contactoLM = 29,96m

Factor de ponderación correctivo que se ajusta paraefectos de conductores internos

Kii = 1

Factor de ponderación correctivo que se hacehincapié en los efectos de la profundidad de la malla

Kh = 1,12

Factor de espaciamiento para la tensión de contacto Km = 0,91

Tabla 2.37: Datos para el cálculo de la tensión de paso y de contacto reales de la malla cuadradadel diseño T2.3.

Mediante los parámetros de la malla detallados en la Tabla 2.3.7, y los resultados obtenidos enla Tabla 2.3.7 se procede a calcular las tensiones de paso y de contacto reales con las ecuaciones(1.3.27) y (1.3.31) respectivamente.

Epaso = 681,67[V ]

53

Econtacto = 526,59[V ]

2.3.8. Control de seguridad

Para que el diseño cumpla con los requisitos de la norma IEEE Std 80-2013, la tensión decontacto real Em tiene que ser menor que la tensión de contacto tolerable Econtacto70kg, mientrasque la tensión de paso real Es tiene que ser menor que la tensión de paso tolerable Epaso70kg.

Econtacto = 526,59[V ] < Econtacto70kg = 912,96[V ]

Epaso = 681,67[V ] < Epaso70kg = 2985,73[V ]

Como se puede constatar el diseño cumple con los requisitos, y está listo para su implementación.

2.4. Tratamiento del terreno para reducir la resistividad

Una solución alternativa para reducir la resistencia especialmente en terrenos donde la conduc-tividad es muy baja, es mediante el tratamiento del suelo como se indica en el inciso 1.4.

En este proyecto se usan tres métodos para la reducción de la resistencia a tierra, medianteMaterial de Mejora del Suelo (3GEM, por sus siglas en inglés) en forma de cemento mezclado conagua de marca BenzoElectric, con el mejorador de tierra GEM de forma seco de marca Cadweld ymediante un electrodo químico marca Parres.

2.4.1. Material de mejora del suelo seco (GEM Cadweld)

En la Figura 2.4.1 se observa el material de mejora del suelo de la marca Cadweld que constade una bolsa de 25 libras (11.36 kg). Este material tiene las siguientes características:

No es un material corrosivo

Está compuesto de polvo de carbón (cemento Porland, el cual al fraguar se endurece ytransforma en concreto conductivo requiriendo 3 días para solidicarse)

No necesita mantenimiento (no necesita recibir agua para mantener su conductividad)

No se disuelve ni descompone a lo largo del paso del tiempo (es permanente y conserva suresistencia a tierra).

Fácil instalación

Puede ser mezclado o instalado ya sea húmedo o en su forma seca. La instalación del GEMen forma seca es preferible para aplicaciones de varillas verticales.

No contamina el suelo3Es un material de conductividad superior que mejora la efectividad del sistema de puesta a tierra y se lo aplica

alrededor de los conductores y varillas de puesta a tierra.

54

Figura 2.4.1: Mejorador de tierra GEM marca Cadweld [1].

2.4.1.1. Método de instalación

La implementación del GEM en varillas verticales usualmente no es posible tener una instalacióntal como lo indican los manuales [1], ya que en los terrenos bajo prueba se puede encontrar conrocas o piedra triturada, dicultando la excavación del agujero en su totalidad. Es por ello, quepara este trabajo se realiza la instalación del GEM Cadweld en varillas verticales de la siguientemanera:

1. Se perfora un agujero de 20 cm de diámetro y una profundidad de aproximadamente 1.10m.

2. Se coloca el electrodo en el centro del agujero y se lo entierra hasta que el extremo superiorde la varilla quede a unos 15cm del nivel del terreno. Se realiza la conexión con el conductor.

3. Se vacía una bolsa de GEM (25 libras) alrededor del electrodo, llenando completamente elGEM en el agujero alrededor del electrodo.

4. Se vierte de 1.4 a 2 galones (5.7 a 7.6 litros) de agua por bolsa.

5. Esperar a que el GEM endurezca aproximadamente una hora antes de rellenar la partesuperior de agujero con la tierra que se sacó del mismo.

6. En tres días se puede medir la resistencia del sistema de puesta a tierra, sin embargo mediantelas pruebas de campo se recomienda extender este tiempo a 15 días debido a que se ha notadouna reducción de la resistencia de tierra en ese lapso de tiempo.

2.4.1.2. Implementación del GEM Cadweld

La implementación de este mejorador de suelo se lo realiza en algunos diseños de puesta atierra presentados anteriormente, para poder determinar el benecio de su implementación. En lassiguientes tablas se presentan las implementaciones del GEM Cadweld.

En la Tabla 2.4.1.2 se observa la implementación del GEM Cadweld en el terreno 8.

55

Diseño Conguración Descripción

xx

T8.1Gxx

1 Varilla 1.8[m]GEM Cadweld

xx

T8.2Gxx


GEM Cadweld

Tabla 2.38: Implementación del GEM Cadweld en el terreno 8.


56


xx

T14.1Gxx

1 Varilla 1.8[m]GEM Cadweld

xx

T14.2Gxx


GEM Cadweld

xx

T14.3Gxx


GEM Cadweld

xx

T14.4Gxx


GEM Cadweld

xx

T14.5Gxx


GEM Cadweld

xx

T14.6Gxx


GEM Cadweld

xx

T14.7Gxx


GEM Cadweld

xx

T14.8Gxx


GEM Cadweld

xx

T14.9Gxx


GEM Cadweld



57


xx

T15.2Gxx


GEM Cadweld


2.4.2. Material de mejora del suelo premezclado (GEM BenzoElectric)

En la Figura 2.4.2 se puede observar la bolsa de 12kg del GEM marca BenzoElectric.

Figura 2.4.2: Mejorador de tierra GEM marca BenzoElectric

El GEM BenzoElectric tiene las siguientes características:

Facilidad de aplicación

Facilidad en su reactivación

Estabilidad (mantener la misma resistencia durante varios años)

No es corrosivo

Químicamente estable en el suelo

No es tóxico

Al igual que en este trabajo, en [13] se puede observar la aplicación de este material en una mallapequeña de puesta a tierra.

58


La instalación del GEM BenzoElectric para el presente trabajo se realiza de la siguiente manera:

1. Se realiza una perforación de 1.10m aproximadamente, con un diámetro aproximado de 20cm.Las varillas usadas en este trabajo tienen una longitud de 1.8m y de 2.4m, una excavación delagujero de su misma longitud sería lo ideal, sin embargo eso no es posible en la práctica ya queen los terrenos bajo prueba se encuentran rocas o piedra triturada a diferentes profundidadesdicultando la excavación del agujero a partir de los 1.10m recomendados.

2. En algunos casos, es necesario usar un tubo de aproximadamente 20cm para rellenar eldiámetro excesivo del agujero. Luego se retira el tubo teniendo un agujero ideal para elrelleno del GEM, como se muestra en la Figura 2.4.2.1.

3. Se mezcla una bolsa de GEM BenzoElectric con agua, usando una cubeta , obteniéndose unasolución gelatinosa.

4. Rellenar el agujero con la solución mezclada.

5. Colocar los electrodos en el centro del agujero hasta tener una distancia de 15cm de lasupercie del terreno.

6. Realizar la conexión del conductor con el electrodo.

7. Reponer la parte del suelo retirado y compactar.

Figura 2.4.3: Excavación del agujero para la implementación del GEM.

59

2.4.2.2. Implementación del GEM BenzoElectric

En las siguientes tablas se presentan las implementaciones del GEM BenzoElectric en unamuestra de terrenos y conguraciones presentadas anteriormente, para que en lo posterior se puedadeterminar el benecio de su implementación.

En la Tabla 2.4.2.2 se observa la implementación del GEM BenzoElectric en el terreno 2.


xx

T2.1Gxx

1 Varilla 1.8[m]GEM BenzoElectric

xx

T2.2Gxx


GEM BenzoElectric

Tabla 2.41: Implementación del GEM BenzoElectric en el terreno 2.



xx

T4.1Gxx


xx

T4.2Gxx


GEM BenzoElectric

xx

T4.3Gxx


GEM BenzoElectric



60


xx

T11.1Gxx


xx

T11.2Gxx


GEM BenzoElectric

xx

T11.3Gxx


GEM BenzoElectric

xx

T11.4Gxx


GEM BenzoElectric

xx

T11.5Gxx


GEM BenzoElectric

xx

T11.6Gxx


GEM BenzoElectric

xx

T11.7Gxx


GEM BenzoElectric

xx

T11.8Gxx


GEM BenzoElectric




xx

T12.1Gxx



61



xx

T13.1Gxx


xx

T13.2Gxx


GEM BenzoElectric

xx

T13.3Gxx


GEM BenzoElectric

xx

T13.4Gxx


GEM BenzoElectric

xx

T13.5Gxx


GEM BenzoElectric

xx

T13.6Gxx


GEM BenzoElectric




xx

T16.2Gxx


xx

T16.7Gxx



62

2.4.3. Electrodo del tipo Químico

En este trabajo se utiliza un electrodo químico de marca Parres EP-ET que se muestra en laFigura 2.4.3. Las principales características son:

a) Por sus dimensiones y desempeño es de gran utilidad cuando se quiere obtener valores bajos deresistencia en el terreno de cortas dimensiones con valores medios y altos de resistividad.

b) Disminuye la resistencia de contacto de puesta a tierra entre el cobre y el terreno, facilitandoasí el paso de la corriente.

c) Su instalación es muy sencilla y elimina el tener que hacer grandes inversiones en obra civil yaplicación de múltiples elementos para la conformación de malla a tierras

d) Tiene una longitud de 1m, diámetro externo de 0.16m, serpentín de cobre con cable de conexión# 2/0 AWG THW con una longitud de 0.5m.

Figura 2.4.4: Electrodo Químico de puesta a tierra marca Parres.


En la Figura B (ANEXO B) se observa detalladamente la instalación del electrodo químico.Además, se usa Agregado Electrolitico EP-AE Parres de 1 galón (4 litros) como material com-

plementario que se muestra en la Figura 2.4.3.1 . Este agregado se usa para reducir la resistencia delos electrodos de puesta a tierra, trabaja conjuntamente con el electrodo, aumentando su volumende disipación e integrándolo parcialmente al terreno mismo.

Una vez instalado el electrodo químico se vierte el EP-AE al centro del electrodo y se agregapausadamente media cubeta de agua (8 litros) esperando a que sea absorbida totalmente.

63

Figura 2.4.5: Agregado Electrolítico para electrodos de puesta a tierra.

2.4.3.2. Implementación del Electrodo Químico

En la Tabla 2.4.3.2 se observa la implementación del Electrodo Químico Parres en el terreno16.


xx

T16.8xx

1 ElectrodoQuímico 1[m]

Tabla 2.47: Implementación del Electrodo Químico en el terreno 16.

2.5. Medición de la resistencia de puesta a tierra

La medición de los sistemas de puesta a tierra se realizan mediante los métodos de caída depotencial y el método clamp-on descritos en los incisos 1.5.2.3 y 1.5.2.4 respectivamente. Adicio-nalmente, se realizan las mediciones de resistencia mediante el método de dos puntos descritos enel inciso 1.5.2.1 en algunos diseños implementados.

Para el método de caída de potencial y el método de dos puntos se usa el telurómetro digitalmostrado en la Figura 2.1.1, mientras que para el método de clamp-on se usa el medidor deresistencia tierra tipo pinza que se muestra en la Figura 2.5.

Esta pinza de marca HT modelo T2000, es una abrazadera profesional especialmente desarro-llada para medir la resistencia de varillas de tierra sin necesidad de desconectar parte del sistema.La parte interna del instrumento está compuesta por dos torioidales, uno de lectura de corriente yel otro es un generador de tensión. El toroidal de tensión genera un potencial sobre el anillo en lamedida (de la resistencia R). Una corriente en consecuencia se genera sobre el anillo y es medidapor el toroidal de corriente. Basándose en la relación E/I, el instrumento muestra en el visualizadorel valor de la resistencia R calculada [7].

64

Figura 2.5.1: Medidor de resistencia a tierra tipo Pinza.

2.5.1. Resultados de las mediciones

Mediante la medición de la resistencia de puesta a tierra ya sea por el método de dos puntos yo por el método de clamp-on, se obtiene un solo valor de resistencia, mientras que para el métodode la caída de potencial se puede obtener varias lecturas mediante la reubicación de las picas detensión y corriente. Por ello, en (ANEXO D) se muestran los resultados obtenidos mediante elmétodo de caída de potencial, mediante tres ubicaciones de las picas de corriente y voltaje.

En las siguientes tablas se muestra las mediciones de resistencia de los diferentes sistemas depuesta a tierra implementados en cada terreno.

En la Tabla 2.5.1 se observa los valores de resistencia de puesta a tierra calculados y medidosdel diseño implementado en el terreno 1 que tiene una resistividad aparente de 13 Ω ·m.

DiseñoResistencia

calculada [Ω ·m]

Resistencia medida(Método de caídade potencial)

[Ω ·m]

Resistencia medida(Pinza)[Ω ·m]

T1.1 6.67 7.22 8.80

Tabla 2.48: Mediciones de la resistencia del diseño implementado en el terreno 1.

En la Tabla 2.5.1 se observa los valores de resistencia de puesta a tierra calculados y medidospara los diseños implementados en el terreno 2 que tiene una resistividad aparente de 18 Ω ·m.

DiseñoResistencia

calculada [Ω ·m]


[Ω ·m]


T2.1 9.23 6.95 7.10T2.1G NA 4.35 5.10T2.2 3.57 3.43 3.50T2.2G NA 2.46 3.10T2.3 1.91 1.90 2.4

Tabla 2.49: Mediciones de la resistencia de los diseños implementados en el terreno 2.NA: El diseño involucra GEM; no es calculado, solamente es medido.

65


DiseñoResistencia

calculada [Ω ·m]


[Ω ·m]


T3.1 9.69 10.04 10.10

Tabla 2.50: Mediciones de la resistencia de los diseños implementados en el terreno 3.


DiseñoResistencia

calculada [Ω ·m]


[Ω ·m]


T4.1 14.37 13.98 15.50T4.1G NA 7.94 9.30T4.2 7.84 7.21 10.50T4.2G NA 4.60 6.00T4.3 5.37 5.35 8.90T4.3G NA 3.69 5.60



DiseñoResistencia

calculada [Ω ·m]


[Ω ·m]


T5.1 15.39 13.20 12.70



DiseñoResistencia

calculada [Ω ·m]


[Ω ·m]


T6.1 12.92 10.20 10.60


66


DiseñoResistencia

calculada [Ω ·m]


[Ω ·m]


T7.1 14.14 10.55 11.20



DiseñoResistencia

calculada [Ω ·m]


[Ω ·m]


T8.1 23.09 21.80 22.00T8.1G NA 13.84 14.40T8.2 12.60 9.82 10.40T8.2G NA 7.03 7.30T8.3 18.17 16.81 16.70T8.4 10.58 8.40 8.80T8.5 7.51 6.28 6.40



DiseñoResistencia

calculada [Ω ·m]


[Ω ·m]


T9.1 27.70 26.37 24.50T9.2 13.76 12.04 11.90



67

DiseñoResistencia

calculada [Ω ·m]


[Ω ·m]


T10.1 32.32 28.03 28.90T10.2 17.64 15.88 15.60T10.3 16.05 14.42 14.50T10.4 14.69 12.11 12.50



DiseñoResistencia

calculada [Ω ·m]


[Ω ·m]


T11.1 46.69 43.40 44.50T11.1G NA 26.47 26.70T11.2 25.48 20.43 19.70T11.2G NA 14.62 15.20T11.3 23.19 19.64 19.30T11.3G NA 14.34 14.70T11.4 21.22 18.47 18.10T11.4G NA 13.62 14.10T11.5 17.46 13.64 14.40T11.5G NA 9.96 10.80T11.6 15.24 12.95 13.80T11.6G NA 9.78 10.50T11.7 15.88 13.96 15.30T11.7G NA 9.70 10.70T11.8 13.45 12.24 12.80T11.8G NA 9.40 10.30



DiseñoResistencia

calculada [Ω ·m]


[Ω ·m]


T12.1 51.30 48.03 47.40T12.1G NA 30.30 27.90T12.2 25.48 21.50 21.00T12.3 16.75 15.52 15.50T12.4 14.78 12.64 12.40


68


DiseñoResistencia

calculada [Ω ·m]


[Ω ·m]


T13.1 55.92 47.63 46.90T13.1G NA 28.13 28.60T13.2 30.52 27.90 27.70T13.2G NA 14.91 15.80T13.3 20.92 19.74 19.50T13.3G NA 11.14 12.00T13.4 19.02 16.59 17.00T13.4G NA 10.57 11.60T13.5 13.95 12.87 12.70T13.5G NA 9.58 10.60T13.6 13.74 12.96 13.10T13.6G NA 9.41 9.40T13.7 44.02 49.13 47.40T13.8 23.64 20.05 19.30T13.9 16.14 15.50 14.40T13.10 14.64 12.73 12.70



69

DiseñoResistencia

calculada [Ω ·m]


[Ω ·m]


T14.1 57.97 57.40 53.50T14.1G NA 24.53 23.10T14.2 31.64 23.77 21.70T14.2G NA 16.18 15.50T14.3 28.79 23.63 21.20T14.3G NA 15.60 14.90T14.4 24.22 22.58 20.90T14.4G NA 13.94 13.30T14.5 21.69 17.65 16.20T14.5G NA 10.89 10.80T14.6 16.79 15.98 14.70T14.6G NA 9.80 10.40T14.7 19.72 16.24 15.50T14.7G NA 9.95 10.60T14.8 14.46 14.03 14.60T14.8G NA 8.41 9.30T14.9 14.24 12.00 15.00T14.9G NA 8.64 9.60



DiseñoResistencia

calculada [Ω ·m]


[Ω ·m]


T15.1 86.70 70.63 65.00T15.2 43.06 34.57 32.90T15.2G NA 19.96 17.40T15.3 68.25 64.80 62.00T15.4 34.12 32.33 32.00T15.5 22.56 19.37 19.00T15.6 20.01 17.45 17.00T15.7 14.38 13.49 13.20



70

DiseñoResistencia

calculada [Ω ·m]


[Ω ·m]


T16.1 150.22 143.57 142.00T16.2 92.86 92.97 89.00T16.2G NA 41.47 38.80T16.3 38.80 36.23 33.10T16.4 24.16 23.47 21.50T16.5 20.42 18.37 17.20T16.6 14.59 13.63 13.20T16.7 73.10 71.27 64.50T16.7G NA 35.50 35.00T16.8 NA 39.20 41.40


Adicionalmente, se realizó la medida de la resistencia de puesta a tierra mediante el métodode dos puntos en una muestra de todas las conguraciones, en la Tabla 2.5.1 se puede observarlos resultados y las comparaciones que se realiza con los resultados obtenidos de los dos métodosanteriormente mencionados.

DiseñoResistencia

calculada [Ω ·m]


[Ω ·m]


Resistencia medida(Método de dos

puntos)[Ω ·m]

T6.1 12.92 10.20 10.60 9.97T8.5 7.51 6.28 6.40 6.41T11.7 15.88 13.96 15.30 14.00T14.9 14.24 12.00 15.00 12.76T4.3G NA 3.69 5.60 3.76T12.1G NA 30.30 27.90 32.50T13.6G NA 9.41 9.40 9.74T15.2G NA 19.96 17.40 21.70

Tabla 2.64: Mediciones de resistencia de puesta a tierra mediante 3 métodos.NA: El diseño involucra GEM; no es calculado, solamente es medido.

71

Capítulo 3

ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS

3.1. Resultados de las tensiones tolerables

Los resultados de las tensiones de paso y de contacto para el diseño T2.3 se presentan en laTabla 3.1 Como se puede observar ha cumplido con los requerimientos de tensiones tolerables segúnla norma IEEE Std 80-2013.

DenominaciónValores

Calculados

Conductor #2 AWGResistencia del sistema de puesta a tierra 1.91 Ω

Tensión de paso tolerable Epaso 2985.73 VTensión de contacto tolerable Econtacto 912.96Potencial máximo de la malla GPR 1959.66 V

Tensión de paso real Es 681.67 VTensión de contacto real Es 526.59 V

Tabla 3.1: Resultados de las tensiones tolerables del diseño T2.3

Si bien los sistemas de puesta a tierra pueden ajustarse para eliminar los potenciales de contactopeligrosos mediante la supresión de las corrientes de cortocircuito a tierra, esto no suele exigirse alos sistemas con neutros conectados a tierra con corrientes de falla menores a 1000A, porque noparece viable. Para corrientes de falla a tierra por encima de 1000 A, se deben instalar sistemas depuesta a tierra de grandes dimensiones para cumplir con los usuales requisitos de potenciales depaso y de contacto [8].

3.2. Resultados de la formulación utilizada

Las mediciones obtenidas mediante el método de caída de potencial, comparadas con los cálculosresultan similares. Los valores medidos son menores a los calculados siendo muy benecioso ya quese tiene un margen de error. Siendo así que la ecuación de Dwight, las ecuaciones de Schwarz y lasecuaciones realizadas para este proyecto son validadas, y se pueden utilizar en la práctica. En lassiguientes tablas se presenta un resumen de los cálculos y mediciones realizados para los distintosdiseños.

En la Tabla 3.2, se dan a conocer los resultados de la medición de la resistencia de una varillamediante el método de caída de potencial.

72

Diseño Resistividad[Ω ·m]

Longitud dela varilla [m]

Resistenciacalculada

[Ω]

Resistenciamedida

[Ω]

T1.1 13 1.8[m] 6.67 7.22T2.1 18 1.8[m] 9.23 6.95T3.1 24 2.4[m] 9.69 10.04T4.1 28 1.8[m] 14.37 13.98T5.1 30 1.8[m] 15.39 13.20T6.1 32 2.4[m] 12.92 10.20T7.1 35 2.4[m] 14.14 10.55T8.1 45 1.8[m] 23.09 21.80T8.3 45 2.4[m] 18.17 16.81T9.1 54 1.8[m] 27.70 26.37T10.1 63 1.8[m] 32.32 28.03T11.1 91 1.8[m] 46.69 43.40T12.1 100 1.8[m] 51.30 48.03T13.1 109 1.8[m] 55.92 47.63T13.7 109 2.4[m] 44.02 49.13T14.1 113 1.8[m] 57.98 57.40T15.1 169 1.8[m] 86.70 70.63T15.3 169 2.4[m] 68.25 64.80T16.1 181 1.0[m] 150.22 143.57T16.2 181 1.8[m] 92.86 92.97T16.7 181 2.4[m] 73.10 71.27

Tabla 3.2: Cálculos y mediciones para el diseño de una varilla.

Los valores medidos para una varilla presentan un error promedio de 2.70 ohmios por debajode la resistencia calculada.

En la Tabla 3.2, se dan a conocer los resultados de la medición de la resistencia de dos varillasen línea separadas a una distancia ”d”, con el conductor enterrado a una profundidad h = 0,25m.

73



Distancia deseparación ”d”

[m]


[Ω]

Resistenciamedida

[Ω]

T2.2 18 1.8[m] 7[m] 3.57 3.43T4.2 28 1.8[m] 3[m] 7.84 7.21T8.2 45 1.8[m] 3[m] 12.60 9.82T8.4 45 2.4[m] 3[m] 10.56 8.40T9.2 54 1.8[m] 4[m] 13.76 12.04T10.2 63 1.8[m] 3[m] 17.64 15.88T10.3 63 1.8[m] 4[m] 16.05 14.42T10.4 63 1.8[m] 5[m] 14.69 12.11T11.2 91 1.8[m] 3[m] 25.48 20.43T11.3 91 1.8[m] 4[m] 23.19 19.64T11.4 91 1.8[m] 5[m] 21.22 18.47T12.2 100 1.8[m] 4[m] 25.48 21.50T13.2 109 1.8[m] 3[m] 30.52 27.90T13.8 109 2.4[m] 4[m] 23.64 20.05T14.2 113 1.8[m] 3[m] 31.64 23.77T14.3 113 1.8[m] 4[m] 28.79 23.63T14.4 113 1.8[m] 6[m] 24.22 22.58T15.2 169 1.8[m] 4[m] 43.06 34.57T15.4 169 2.4[m] 5[m] 34.12 32.33T16.3 181 1.8[m] 6[m] 38.80 36.23

Tabla 3.3: Cálculos y mediciones para el diseño de dos varillas.

Los valores medidos para la unión de dos varillas presentan un error promedio de 2.62 ohmiospor debajo de la resistencia calculada.

En la Tabla 3.2, se dan a conocer los resultados de la medición de la resistencia de tres varillasen línea separadas a una distancia ”d” entre las varillas adyacentes.




[m]


[Ω]

Resistenciamedida

[Ω]

T4.3 28 1.8[m] 3[m] 5.37 5.35T8.5 45 2.4[m] 3[m] 7.51 6.28T11.5 91 1.8[m] 3[m] 17.46 13.64T11.6 91 1.8[m] 4[m] 15.24 12.95T12.3 100 1.8[m] 4[m] 16.75 15.52T13.3 109 1.8[m] 3[m] 20.92 19.74T13.9 109 2.4[m] 4[m] 16.14 15.50T14.5 113 1.8[m] 3[m] 21.69 17.65T14.6 113 1.8[m] 5[m] 16.79 15.98T15.5 169 2.4[m] 5[m] 22.56 19.37T16.4 181 1.8[m] 6[m] 24.16 23.47

Tabla 3.4: Cálculos y mediciones para el diseño de tres varillas en disposición lineal.

Los valores medidos para la unión de tres varillas en línea presentan un error promedio de 1.74ohmios por debajo de la resistencia calculada.

En la Tabla 3.2, se dan a conocer los resultados de la medición de la resistencia de tres varillasen triángulo separadas a una distancia ”d” en cada uno de sus lados.

74




[m]


[Ω]

Resistenciamedida

[Ω]

T11.7 91 1.8[m] 3[m] 15.88 13.96T11.8 91 1.8[m] 4[m] 13.45 12.24T12.4 100 1.8[m] 4[m] 14.78 12.64T13.4 109 1.8[m] 3[m] 19.02 16.59T13.5 109 1.8[m] 5[m] 13.95 12.87T13.10 109 2.4[m] 4[m] 14.64 12.73T14.7 113 1.8[m] 3[m] 19.72 16.24T14.8 113 1.8[m] 5[m] 14.46 14.03T15.6 169 2.4[m] 5[m] 20.01 17.45T16.5 181 1.8[m] 6[m] 20.42 18.37

Tabla 3.5: Cálculos y mediciones para el diseño de tres varillas en disposición triangular.

Los valores medidos para la unión de tres varillas en triángulo presentan un error promedio de1.92 ohmios por debajo de la resistencia calculada.

En la Tabla 3.2, se dan a conocer los resultados de la medición de la resistencia las mallascuadradas implementadas, siendo ”d” la distancia de cada uno de sus lados.




[m]


[Ω]

Resistenciamedida

[Ω]

T2.3 18 1.8[m] 4[m] 1.91 1.9T13.6 109 1.8[m] 3[m] 13.74 12.96T14.9 113 1.8[m] 3[m] 14.24 12T15.7 169 2.4[m] 5[m] 14.38 13.49T16.6 181 1.8[m] 6[m] 14.59 13.63

Tabla 3.6: Cálculos y mediciones para el diseño de mallas cuadradas.

Los valores medidos para la malla cuadra con cuatro varillas presentan un error promedio de0.98 ohmios por debajo de la resistencia calculada.

3.3. Resultados de la adherencia del GEM con el terreno y

las varillas

Después de la aplicación del mejorador de tierra GEM, se obtuvo una evidente disminución enla resistencia de puesta a tierra. Así mismo, en el lapso de 30 días se tomaron nuevas lecturas dela resistencia de puesta a tierra tanto para la aplicación del GEM Cadweld como para el GEMBenzoElectric, resultando en una pequeña disminución de la resistencia a la medida inicial (3 díasdespués de la implementación). Sin embargo, se ha notado que el GEM BenzoElectric no tuvo unbuen desarrollo en cuanto a la compactación con el electrodo y el terreno, ya que se encontraba enun estado viscoso como se puede apreciar en la Figura 3.3 (a).

Por otro lado, el GEM Cadweld tuvo excelentes resultados en este factor ya que se adhirió alelectrodo uniformemente, para observar su efecto se sacó la varilla cuidadosamente. En la Figura3.3 (b) se puede observar el GEM Cadweld adherido a la varilla.

75

Figura 3.3.1: Compactibilidad: a) GEM premezclado y b) GEM en polvo

3.4. Resultados de la aplicación del GEM Cadweld

El valor porcentual de la reducción de la resistencia de puesta a tierra, implementando GEMCadweld se observa en la Tabla 3.4. La resistencia es medida mediante el método de caída depotencial.

Diseño

Resistenciacalculada convarillas y

conductor [Ω]

Resistenciamedida

solamente convarillas [Ω]

Resistenciamedida

después de laaplicación delGEM [Ω]

Reducción delGEM conrespecto alcálculo

[ %]

Reducción delGEM con

respecto a lamedición

[ %]

T8.1G 23.09 21.80 13.84 40% 37%T8.2G 12.60 9.82 7.03 44% 28%T14.1G 57.97 57.40 24.53 58% 57%T14.2G 31.64 23.77 16.18 49% 32%T14.3G 28.79 23.63 15.60 46% 34%T14.4G 24.22 22.58 13.94 42% 38%T14.5G 21.69 17.65 10.89 50% 38%T14.6G 16.79 15.98 9.80 42% 39%T14.7G 19.72 16.24 9.95 50% 39%T14.8G 14.46 14.03 8.41 42% 40%T14.9G 14.24 12.00 8.64 39% 28%T15.2G 43.06 34.57 19.96 54% 42%

Tabla 3.7: Resultados mediante la aplicación del GEM Cadweld

76

Se puede observar que la reducción de la resistencia de puesta a tierra con respecto al valorcalculado solamente usando varillas y conductores tiene un promedio de 46%, mientras que lareducción de la resistencia de puesta a tierra del sistema con GEM con respecto al mismo sistemamedido usando solo varillas tiene un promedio de 38%. Teniendo en cuenta un rango de seguridadse determina que la disminución de la resistencia de puesta a tierra usando GEM Cadweld conrespecto al diseño básico calculado es de 40%, y con respecto al diseño básico medido es del 35%.

3.5. Resultados de la aplicación del GEM BenzoElectric

El valor porcentual de la reducción de la resistencia de puesta a tierra, implementando GEMCadweld se observa en la Tabla 3.5. La resistencia es medida mediante el método de caída depotencial.

Diseño

Resistenciacalculada convarillas y

conductor [Ω]

Resistenciamedida

solamente convarillas [Ω]

Resistenciamedida

después de laaplicación delGEM [Ω]

Reducción delGEM conrespecto alcálculo

[ %]

Reducción delGEM con

respecto a lamedición

[ %]

T2.1G 9.23 6.95 4.35 53% 37%T2.2G 3.57 3.43 2.46 31% 28%T4.1G 14.37 13.98 7.94 45% 43%T4.2G 7.84 7.21 4.60 41% 36%T4.3G 5.37 5.35 3.69 31% 31%T11.1G 46.69 43.40 26.47 43% 39%T11.2G 25.48 20.43 14.62 43% 28%T11.3G 23.19 19.64 14.34 38% 27%T11.4G 21.22 18.47 13.62 36% 26%T11.5G 17.46 13.64 9.96 43% 27%T11.6G 15.24 12.95 9.78 36% 25%T11.7G 15.88 13.96 9.70 39% 31%T11.8G 13.45 12.24 9.40 30% 23%T12.1G 51.30 48.03 30.30 41% 37%T13.1G 55.92 47.63 28.13 50% 41%T13.2G 30.52 27.90 14.91 51% 47%T13.3G 20.92 19.74 11.14 47% 44%T13.4G 19.02 16.59 10.57 44% 36%T13.5G 13.95 12.87 9.58 31% 26%T13.6G 13.74 12.96 9.41 32% 27%T16.2G 92.86 92.97 41.47 55% 55%T16.7G 73.10 71.27 35.50 51% 50%

Tabla 3.8: Resultados mediante la aplicación del GEM BenzoElectric

El promedio de la reducción de la resistencia de puesta a tierra con respecto al valor calculadosolamente usando varillas y conductores es de 41%, mientras que el promedio de la reducción de laresistencia de puesta a tierra del sistema con GEM con respecto al mismo sistema medido solamentecon varillas y conductor es de 35%. Teniendo en cuenta un rango de seguridad se determina que ladisminución de la resistencia de puesta a tierra usando GEM BenzoElectric con respecto al diseñobásico calculado y medido es del 30%.

3.6. Resultados de la aplicación del Electrodo Químico

Para conocer si la implementación de un electrodo químico es conveniente, en la Tabla 3.6 sepuede comparar la resistencia de puesta a tierra medida (por el método de caída de potencial) del

77

electrodo químico con la de algunos diseños que se implementaron en el mismo terreno.

Diseño DescripciónResistenciaMedida [Ω]

T16.1 1 Varilla 1[m] 143.57T16.2 1 Varilla 1.8[m] 92.97T16.2G 1 Varilla 1.8[m]

GEM BenzoElectric41.47

T16.3 2 Varillas 1.8[m] d=6[m] 36.23T16.4 3 Varillas 1.8[m]

En línead=6[m]

23.47

T16.53 Varillas 1.8[m]En triángulo

d=6[m]

18.37

T16.6 4 Varillas 1.8[m]En cuadrado

d=6[m]

13.63

T16.7x

1 Varilla 2.4[m] 71.27

T16.7G 1 Varilla 2.4[m]GEM BenzoElectric

35.50

T16.8 1 Electrodo Químico 1[m] 39.20


Como se puede observar existen varias maneras de obtener una resistencia similar al obtenidopor el electrodo químico, sin embargo, el electrodo químico cuenta con la ventaja de que tiene unapequeña longitud de 1m, para aplicaciones en donde no se puede implementar otro sistema.

3.7. Implementaciones para una resistencia de puesta a tierra

de 15 ohmios

Los diseños utilizados para obtener la resistencia de puesta a tierra de 15 ohmios, usando varillasde cobre 1.8m x 5/8 se presentan en la Tabla 3.7.

78

DiseñoResistividadaparente[Ω ·m]

Descripción

Resistencia depuesta atierra

calculada[Ω]


medida[Ω]

T1.1 13 1 Varilla 1.8[m] 6.67 7.22T2.1 18 1 Varilla 1.8[m] 9.23 6.95T4.1 28 1 Varilla 1.8[m] 14.37 13.98

T8.2 452 Varillas 1.8[m]

d=3[m]12.60 9.82


d=4[m]13.76 12.04


d=5[m]14.69 12.11


Triángulod=4[m]

13.45 12.24

T12.4 1003 Varillas 1.8[m]

Triángulod=4[m]

14.78 12.64

T13.5 1093 Varillas 1.8[m]

Triángulod=5[m]

13.95 12.87

T13.6 1094 Varillas 1.8[m]

Cuadradod=3[m]

13.74 12.96

T14.8 1133 Varillas 1.8[m]

Triángulod=5[m]

14.46 14.03

T14.9 1134 Varillas 1.8[m]

Cuadradod=3[m]

14.24 12.00

T16.6 1814 Varillas 1.8[m]

Cuadradod=6[m]

14.59 13.63

Tabla 3.10: Diseños implementados con varillas de 1.8m para una resistencia objetivo de 15 ohmios.

Los diseños implementados para obtener una resistencia de tierra inferior o igual a 15 ohmios,usando varillas de cobre 2.4m x 5/8 se presentan en la Tabla 3.7.

79


Descripción


calculada[Ω]


medida[Ω]

T3.1 24 1 Varilla 2.4[m] 9.69 10.04T6.1 32 1 Varilla 2.4[m] 12.92 10.20T7.1 35 1 Varilla 2.4[m] 14.14 10.55


d=3[m]10.56 8.40

T13.10 1093 Varillas 2.4[m]

Triángulod=4[m]

14.64 12.73

T15.7 1694 Varillas 2.4[m]

Cuadradod=5[m]

14.38 13.49

Tabla 3.11: Diseños implementados con varillas de 2.7m para una resistencia objetivo de aproxi-madamente 15 ohmios.

También se ha podido obtener valores aproximados a la resistencia de 15 ohmios mediante laaplicación de GEM Cadweld como se puede ver en la Tabla 3.7.


Descripción


medida[Ω]

T8.1G 451 Varilla 1.8[m]GEM Cadweld

13.84

T14.4G 1132 Varillas 1.8[m]

d=6[m]GEM Cadweld

13.94

Tabla 3.12: Diseños implementados con GEM Cadweld obteniendo una resistencia inferior a 15ohmios.

De igual manera se han implementado diseños para tener una resistencia inferior o igual a15 ohmios mediante la aplicación de GEM BenzoElectric como se puede ver en la Tabla 3.7.Observándose que en los dos primeros diseños se tiene una resistencia muy pequeña, en tal caso esrecomendable una varilla sin tratamiento.

80


Descripción


medida[Ω]

T2.1G 181 Varilla 1.8[m]

GEMBenzoElectric

4.35

T4.1G 281 Varilla 1.8[m]

GEMBenzoElectric

7.94

T11.4G 91

2 Varillas 1.8[m]d=5[m]GEM

BenzoElectric

13.62

T13.3G 109

3 Varillas 1.8[m]En línead=3[m]GEM

BenzoElectric

11.14

Tabla 3.13: Diseños implementados con GEM BenzoElectric para una resistencia objetivo.

81

Capítulo 4

CONCLUSIONES YRECOMENDACIONES

4.1. CONCLUSIONES

En base a las implementaciones de campo, mediciones e interpretaciones de los resultados quese realizaron en este proyecto se pueden listar las siguientes conclusiones:

Las mediciones de la resistividad mediante el método de cuatro picas arreglo Wenner realizadasen 4 direcciones y a 1m, 2m, 3m de separación de las picas, fueron sucientes para realizar unmodelamiento de terreno uniforme en los 15 primeros terrenos, mientras que para el terreno 16se obtuvo la resistividad aparente mediante el método gráco de Sunde. Así mismo, los modelosutilizados tanto para un terreno uniforme como para el método gráco Sunde fueron los adecuadosya que posteriormente se comprobó con la implementación de varios diseños.

En el diseño T2.3 se cumplió con los requisitos de tensiones tolerables de acuerdo a la normaIEEE Std 80-2013. Así mismo, es importante mencionar que en los sistemas de puestas a tierracon una corriente de falla superior a 1000A es necesario realizar estos cálculos de tensiones de pasoy de contacto, mientras que la misma norma IEEE Std 80-2013 señala que esto no suele exigirse alos sistemas con neutros conectados a tierra con corrientes de falla inferiores a 1000A, porque noparece viable. Por tal motivo, en este proyecto no se analizan las tensiones tolerables (excepto eldiseño T2.3), ya que los diseños de puesta a tierra están dirigidos para aplicaciones donde existenniveles bajos de corrientes de falla a tierra.

Para comprobar la formulación que se utiliza para el cálculo de la resistencia de puesta atierra, se implementaron diseños con distintas conguraciones en cada uno de los terrenos conuna resistencia objetivo de 15Ω. Teniendo como resultado una gran similitud entre el cálculo y lasmediciones. Por lo general la resistencia medida tiene un promedio de 3 ohmios por debajo de laresistencia la calculada, dando así un margen de error muy conveniente en la práctica. Por lo quequeda demostrado que las ecuaciones de Schwarz, Dwight y las ecuaciones incorporadas en esteproyecto para calcular la resistencia de puesta a tierra, son aplicables en la práctica.

Para las mediciones de resistencia mediante el método de dos puntos y el método de clamp-on,se utilizó como tierra auxiliar el neutro de las casas residenciales cercanas a los terrenos de prueba.Debido a que estas casas tienen una puesta a tierra de baja impedancia por su conexión con elconductor neutro del sistema de alimentación. Por otro lado, para medir la resistencia de tierra porel método de caída de potencial se usaron diferentes separaciones de las picas de corriente y voltaje

82

con respecto al electrodo bajo prueba, para eliminar la sospecha de que pueda existir interferenciasde estructuras o circuitos cercanos, pudiendo ser una fuente que añada o reste la corriente a lapica de prueba inyectada, teniendo lecturas incorrectas. Los resultados obtenidos mediante los tresmétodos son similares, teniendo un rango de error de ±3Ω con respecto a la resistencia medidapor el método de caída de potencial que se considera el más conable. En muy pocos casos seobserva que el margen de error es de ±5Ω. Siendo así que se puede concluir que los tres métodosproporcionan resultados similares, pero siempre considerando que el método más adecuado paramedir la resistencia de tierra es el de caída de potencial.

Mediante la implementación del GEM Cadweld se obtuvo una reducción de la resistencia alrede-dor del 40% con respecto a la resistencia calculada solamente con varillas y conductores, mientrasque comparada con la resistencia medida se tiene una reducción aproximadamente del 35%. Porotro lado la reducción de la resistencia de tierra con la aplicación de GEM BenzoElectric estáalrededor del 35% con respecto a la resistencia calculada, mientras que se tiene una disminuciónen la resistencia del 30% con respecto a la resistencia medida. Sin embargo, la compactación conel terreno y el electrodo no resulta de la misma manera, ya que usando GEM premezclado (Ben-zoElectric) en el lapso de tres meses desde su implementación no se observó la compactación delmismo con la tierra ni con el electrodo observándose una solución viscosa en el agujero, sin bienes cierto conservando el nivel de conductividad ya que la resistencia no disminuyó. Mientras que,el GEM implementado en seco (Cadweld) tuvo una compactación ideal adhiriéndose al electrodode forma que se vuelve muy difícil el hurto del mismo. En la Figura 3.3 (b) se puede estimar elnivel de adherencia que ofrece. A pesar de que el GEM Cadweld tiene un costo de casi el doble delGEM BenzoElectric se concluye que la aplicación de GEM en polvo es la primera opción para untratamiento del terreno. Los diseños con varillas y conductores solamente, son los más económicospara la implementación pero se puede considerar la utilización de estos mejoradores especialmenteen terrenos donde no existan muchas rocas o grava que pueda dicultar la excavación del agujero.

Aunque la implementación del electrodo químico resulte muy sencilla y se obtenga una bajaresistencia de tierra, se ha determinado que no es conveniente su uso por su precio elevado deaproximadamente 20 veces que el mejorador de tierra premezclado (BenzoElectric) y 14 vecesmayor que el mejorador de tierra en seco (Cadweld). En la Tabla ?? se ha demostrado que sepuede obtener una resistencia a tierra similar usando GEM BenzoElectric en una sola varilla, omediante dos varillas de 1.8m de longitud a una separación de 6m. Su uso podría ser justicadoen situaciones donde no se cuente con espacio suciente para la implementación de varillas yconductores, así como tratamientos del terreno.

83

4.2. RECOMENDACIONES

Para las mediciones de resistividad del suelo por el método de Wenner, se recomienda separarlas picas a 1m, 2m, y 3m como mínimo. Además, para tener mediciones totalmente conablesy descartar la presencia de elementos metálicos enterrados en el terreno es recomendable mediren 4 direcciones alrededor del punto medio del terreno como se muestra en la Figura 2.1.2. Deigual manera los objetos enterrados alrededor de las picas pueden inuir en las mediciones dela resistencia de puesta a tierra mediante el método de caída de potencial, es por ello que serecomienda realizar tres mediciones variando las picas de corriente y de voltaje. Obteniéndose deesta manera resultados conables.

Si se desea realizar un tratamiento del terreno para reducir la resistividad se recomienda usarun material en seco como el GEM Cadweld, ya que éste tiene una adherencia ideal con el electrodoy la tierra. Mientras que en el GEM premezclado no se notó una compactación en un lapso de tresmeses, solo observándose una solución viscosa. En casos de ser necesario la instalación del GEMpremezclado, se recomienda combinarlo con la tierra obtenida del agujero y proceder a rellenar elhoyo nuevamente, para tener un mayor grado de adherencia con el electrodo y el terreno.

Para la aplicación del GEM en varillas verticales, en la práctica difícilmente se obtiene unagujero de la longitud de la varilla sobre todo si esta es de 2.4m. Por lo que se recomienda serealice un agujero de 1.10m ya que a mayores profundidades se ha notado la presencia de roca.Así mismo, se recomienda un diámetro del agujero de 20cm aproximadamente. En terrenos dondeno haya la presencia de muchas rocas se puede realizar el agujero y colocar directamente el GEM,por lo contrario en terrenos rocosos de difícil excavación se recomienda el uso de un tubo deaproximadamente 20 cm de diámetro para colocarlo en el agujero y rellenar las partes externasapisonando bien la tierra para luego retirarlo y tener un diámetro del agujero deseado como seobserva en la Figura 2.4.2.1.

Finalmente, en base a numerosos cálculos y mediciones, para obtener una resistencia de puestaa tierra de 15Ω, en terrenos con resistividades entre 1Ω · m y 250Ω · m, se recomienda usar losdiseños indicados en la Tabla 4.2. Los diseños no involucran varillas de 2.4m de longitud ya quesu implementación resulta ser muy complicada. En cuanto a la profundidad de enterramiento delconductor cabe mencionar que con su variación se tiene muy poca relación con los cambios en laresistencia de tierra. Así mismo la separación d entre varillas es de 3m como mínimo.

84

Diseños de Sistemas de Puesta a Tierrapara una resistencia de 15Ω

Varilla copperweld: 1.8m x 5/8Conductor de cobre desnudo #2 AWG

Profundidad de los conductores: h = 0,25mRango de

resistividad Ω ·mSeparación (d)

[m]Conguración

xx

1-29xxx

30-53x

d=3[m]

x54-64x

d=5[m]

xx

65-78xxx

d=3[m]

xx

79-117xx

d=5[m]

x118-141

xd=4[m]

142-163 d=5[m]164-186

xd=6[m]

xx

187-216x

d=5[m]217-248 d=6[m]249-280

xd=7[m]

x

Tabla 4.1: Diseños recomendados para obtener una resistencia de 15 ohm usando conductor (hori-zontal) y varillas (vertical).

Los diseños recomendados para obtener una resistencia de puesta a tierra de 15Ω, en terrenoscon una resistividad entre 1Ω ·m y 250Ω ·m, usando GEM BenzoElectric se pueden observar en laTabla 4.2 . Los rangos de resistividad, se obtienen disminuyendo el 30% del diseño básico.

85


Varilla copperweld: 1.8m x 5/8 + GEM BenzoElectricConductor de cobre desnudo #2 AWG



[m]Conguración

xx

30-41xxx

42-76x

d=3[m]

x77-91x

d=5[m]

xx

92-111xxx

d=3[m]

xx

112-168xx

d=5[m]

x169-202

xd=4[m]

203-234 d=5[m]235-265

xd=6[m]

x

Tabla 4.2: Diseños recomendados para obtener una resistencia de 15 ohm usando GEM BenzoE-lectric.

Los diseños recomendados para obtener una resistencia de puesta a tierra de 15Ω, en terrenoscon una resistividad entre 1Ω ·m y 250Ω ·m, usando GEM Cadweld se pueden observar en la Tabla4.2 . Los rangos de resistividad, se obtienen disminuyendo el 40% del diseño básico.

86


Varilla copperweld: 1.8m x 5/8 + GEM CadweldConductor de cobre desnudo #2 AWG



[m]Conguración

xx

30-48xxx

49-89x

d=3[m]

x90-107

xd=5[m]

xx

108-130xxx

d=3[m]

xx

131-195xx

d=5[m]

x196-236

x

xd=4[m]

x237-273

xd=5[m]

Tabla 4.3: Diseños recomendados para obtener una resistencia de 15 ohm usando GEM Cadweld.

Las tablas con diseños de sistemas de puesta a tierra realizadas en este trabajo se basan en lacombinación de numerosos cálculos y mediciones de campo, sin embargo, debe tenerse en cuenta queexisten innumerables maneras de llegar a una resistencia deseada de puesta a tierra. En (ANEXOE) se puede observar conguraciones para obtener una resistencia de puesta a tierra de 10Ωy 20Ωmediante diseños básicos, GEM Cadweld y GEM BenzoElectric.

87

Bibliografía

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[18] Walter Pérez. Universidad de EL Salvador. Manual de aplicaciones de la norma IEEE Std 81para líneas y subestaciones eléctricas de transmisión, Noviembre 2015.

88

Anexo A

MODELO DEL SUELO POR EL

MÉTODO GRÁFICO SUNDE

89

Modelamiento para el terreno 1

a) En la Figura A.0.2 se observa la curva de resistividad aparente ρa del terreno 1.

b) Se estiman los valores de ρ1 = 11,44Ω ·m y ρ2 = 14,07Ω ·m

c) Se calcula ρ2/ρ1 = 1,23Ω ·m

d) El valor de ρa/ρ1 = 1,17, es seleccionado de la Figura A.0.1.

e) Se observa que el valor de ah = 3,4

Figura A.0.1: Gráca de Sunde del terreno 1.

f) El valor de la resistividad aparente (ρa) es:

ρa = ρaρ1∗ ρ1 = 13,38Ω ·m

g) Se selecciona el valor de separación a = 2,71m de la curva en la Figura A.0.2.

90

Figura A.0.2: Curva de resistividad aparente del terreno 1.

h) La profundidad del nivel superior (h) es

h = aah

= 0,80m







91



ρa = ρaρ1∗ ρ1 = 17,38Ω ·m


92



h = aah

= 0,35m







93



ρa = ρaρ1∗ ρ1 = 22,99Ω ·m


94



h = aah

= 0,47m






e) Se observa que el valor de ah = 4

95



ρa = ρaρ1∗ ρ1 = 27,31Ω ·m


96



h = aah

= 0,44m







97



ρa = ρaρ1∗ ρ1 = 31,94Ω ·m


98



h = aah

= 1,02m





d) El valor de ρa/ρ1 = 1, es seleccionado de la Figura A.0.11.


99



ρa = ρaρ1∗ ρ1 = 31,67Ω ·m

g) Se selecciona el valor de separación a = 1m de la curva en la Figura A.0.12.

100



h = aah

= 0,2m







101



ρa = ρaρ1∗ ρ1 = 36,37Ω ·m


102



h = aah

= 1,14m







103



ρa = ρaρ1∗ ρ1 = 44,62Ω ·m


104



h = aah

= 0,50m







105



ρa = ρaρ1∗ ρ1 = 56,50Ω ·m


106



h = aah

= 0,86m







107



ρa = ρaρ1∗ ρ1 = 65,02Ω ·m


108



h = aah

= 1,02m


a) En la Figura A.0.22 se observa la curva de resistividad aparente ρa del terreno 11





109



ρa = ρaρ1∗ ρ1 = 90,26Ω ·m


110



h = aah

= 0,44m







111



ρa = ρaρ1∗ ρ1 = 102,70Ω ·m


112



h = aah

= 0,65m





d) El valor de ρa/ρ1 = 1, es seleccionado de la Figura A.0.25.


113



ρa = ρaρ1∗ ρ1 = 105,65Ω ·m


114



h = aah

= 0,20m







115



ρa = ρaρ1∗ ρ1 = 107,25Ω ·m


116



h = aah

= 0,20m







117



ρa = ρaρ1∗ ρ1 = 168,49Ω ·m


118



h = aah

= 0,45m







119



ρa = ρaρ1∗ ρ1 = 180,67Ω ·m


120



h = aah

= 0,57m

121

Anexo B

MÉTODO DE INSTALACIÓN DELELECTRODO QUÍMICO

122

Tabla B.1: Método de instalación del Electrodo Químico [2].

123

Anexo C

TABLAS

124

Tabla C.1: Fórmulas para calcular la resistencia de puesta a tierra de distintas conguraciones [11].

125

Tabla C.2: Propiedades de los conductores [9].

126

Tabla C.3: Diagrama de bloques del procedimiento del diseño según el estándar IEEE 80-2013 [8].

127

Anexo D

MEDICIÓN DE LA RESISTENCIAPOR EL MÉTODO DE CAÍDA DEPOTENCIAL

128

Para la medición de la resistencia de puesta a tierra mediante el método de la caída de potencial(62%), se seleccionan unos valores estándar para la colocación de las picas auxiliares para medirtodos los diseños. Tomando en cuenta de que la pica de corriente se encuentre al menos 5 vecesla longitud del electrodo bajo prueba, y la pica de tensión se encuentra al 62% de la distancia”D” como se observa en la Figura 1.5.4. En las siguientes tablas se da a conocer los resultados deresistencia para cada medición, seleccionando un diseño de cada terreno.

En la Tabla D, se muestra los resultados obtenidos mediante el método de caída de potencialdel diseño T1.1.

Posición de la pica decorriente (CP )

[m]

Posición de la pica detensión (PP )

[m]

Resistencia[Ω]

25 15.5 7.2020 12.4 7.2315 9.3 7.22

Resistencia promedio 7.22

Tabla D.1: Medición de la resistencia a tierra del diseño T1.1 por el método del 62%.



[m]


[m]

Resistencia[Ω]

25 15.5 7.0020 12.4 6.9515 9.3 6.91





[m]


[m]

Resistencia[Ω]

25 15.5 10.0920 12.4 10.0215 9.3 10.00





[m]


[m]

Resistencia[Ω]

25 15.5 14.0520 12.4 14.0515 9.3 13.84



129



[m]


[m]

Resistencia[Ω]

25 15.5 13.2120 12.4 13.2015 9.3 13.20





[m]


[m]

Resistencia[Ω]

25 15.5 10.4520 12.4 10.4615 9.3 9.70





[m]


[m]

Resistencia[Ω]

25 15.5 10.5920 12.4 10.5715 9.3 10.48





[m]


[m]

Resistencia[Ω]

25 15.5 21.6020 12.4 21.8015 9.3 22.00




130


[m]


[m]

Resistencia[Ω]

25 15.5 26.3020 12.4 26.2015 9.3 26.60





[m]


[m]

Resistencia[Ω]

25 15.5 28.0020 12.4 28.0015 9.3 28.10





[m]


[m]

Resistencia[Ω]

25 15.5 43.6020 12.4 43.4015 9.3 43.20





[m]


[m]

Resistencia[Ω]

25 15.5 48.6020 12.4 48.0015 9.3 47.50




131


[m]


[m]

Resistencia[Ω]

25 15.5 47.3020 12.4 47.5015 9.3 48.10





[m]


[m]

Resistencia[Ω]

25 15.5 57.8020 12.4 57.3015 9.3 57.10





[m]


[m]

Resistencia[Ω]

25 15.5 70.7020 12.4 70.7015 9.3 70.50





[m]


[m]

Resistencia[Ω]

25 15.5 143.8020 12.4 143.5015 9.3 143.40



132

Anexo E

DISEÑOS DE SISTEMAS DEPUESTA A TIERRA

133





[m]Conguración

xx

1-38xxx

39-71x

d=3[m]

x72-85x

d=5[m]

xx

86-104xxx

d=3[m]

xx

105-156xx

d=5[m]

x157-188

xd=4[m]

189-218 d=5[m]219-248

xd=6[m]

xxx

249-288xx

d=5[m]

Tabla E.1: Diseños recomendados para obtener una resistencia de 20 ohm usando conductor (ho-rizontal) y varillas (vertical).

134





[m]Conguración

xx

39-55xxx

56-102x

d=3[m]

x103-122

xd=5[m]

xx

123-148xxx

d=3[m]

xx

149-223xx

d=5[m]

xx

224-269xx

d=4[m]

Tabla E.2: Diseños recomendados para obtener una resistencia de 20 ohm usando GEM BenzoE-lectric.

135





[m]Conguración

xx

39-64xxx

65-119x

d=3[m]

x120-143

xd=5[m]

xx

144-173xxx

d=3[m]

xx

174-260xx

d=5[m]

Tabla E.3: Diseños recomendados para obtener una resistencia de 20 ohm usando GEM Cadweld.

136





[m]Conguración

xx

1-19xxx

20-35x

d=3[m]

x36-42x

d=5[m]

xx

43-52xxx

d=3[m]

xx

53-78xx

d=5[m]

x79-94x

d=4[m]

x95-124

xd=6[m]

x125-144

xd=5[m]

145-165 d=6[m]166-187

xd=7[m]

xx

188-235x

d=6[m]x

236-267x

xd=7[m]

x

Tabla E.4: Diseños recomendados para obtener una resistencia de 10 ohm usando conductor (ho-rizontal) y varillas (vertical).

137





[m]Conguración

xx

20-27xxx

28-51x

d=3[m]

x53-61x

d=5[m]

xx

62-74xxx

d=3[m]

xx

75-111xx

d=5[m]

x112-134

xd=4[m]

x135-177

x

xd=6[m]

xx

178-206x

d=5[m]207-237 d=6[m]238-267

xd=7[m]

x

Tabla E.5: Diseños recomendados para obtener una resistencia de 10 ohm usando GEM BenzoE-lectric.

138





[m]Conguración

xx

19-32xxx

33-59x

d=3[m]

x60-71x

d=5[m]

xx

72-86xxx

d=3[m]

xx

87-130xx

d=5[m]

x131-157

x

xd=4[m]

x158-206

xd=5[m]

x207-240

xd=5[m]

x241-276

x

xd=6[m]

x

Tabla E.6: Diseños recomendados para obtener una resistencia de 10 ohm usando GEM Cadweld.

139

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