MEDIDA DE RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA

Puesto a Tierra (Grounded): Toda conexin intencional o accidental del sistema elctrico con un elemento considerado como una puesta a tierra. Se aplica a todo equipo o parte de una instalacin elctrica (neutro, centro de estrella de transformadores o generadores, carcasas, incluso una fase para sistemas en delta, entre otros), que posee una conexin intencional o accidental con un elemento considerado como puesta a tierra.

Tierra (Ground o Earth): Para sistemas elctricos, es una expresin que generaliza todo lo referente a sistemas de puesta a tierra. En temas elctricos se asocia a suelo, terreno, tierra, masa, chasis, carcasa, armazn, estructura o tubera de agua. El trmino masa solo debe utilizarse para aquellos casos en que no es el suelo, como en los aviones, los barcos, los carros y otros.

Conductor del Electrodo de Puesta Tierra (Grounding Electrode Conductor): Conductor que es intencionalmente conectado a una puesta a tierra, slidamente, para distribuir la tierra a diferentes sitios de una instalacin.

Resistividad del Suelo: Representa la resistencia especfica del suelo a cierta profundidad, o de un estrato del suelo se obtiene indirectamente al procesar un grupo de medidas de campo su magnitud se expresa en (m) o (cm) y es inversa a la conductividad. La resistividad elctrica (): Es la relacin entre el gradiente de potencial en un material y la densidad de corriente que resulta en el mismo. Es la resistencia especfica de una sustancia. Numricamente es la resistencia ofrecida por un cubo de 1m x 1m x 1m, medida entre dos caras opuestas.

Resistividad Aparente: Es la resistividad obtenida con una medida directa en el suelo natural, bajo el esquema geomtrico especificado por el mtodo de cuatro (4) electrodos, aplicado con circuitos independientes de corriente y potencial en suelo estratificado es slo un indicador de la resistividad global hasta cierta profundidad y se requieren varios valores con diferentes distancias entre los electrodos, para calcular las resistividades de cada estrato.

Resistencia Mutua de Electrodos: Fenmeno resistivo que aparece entre electrodos de puesta a tierra o puntos prximos en el suelo, mediante el cual, la corriente que se dispersa a travs de uno de ellos, modifica el potencial del otro. Su unidad es el ().

Potencial Elctrico: Diferencia de potencial entre el punto y alguna superficie equipotencial, usualmente la superficie del suelo, a la cual arbitrariamente se le asigna potencial cero (tierra remota).

Tierra Remota: Es una zona lo suficientemente alejada con respecto a la puesta tierra considerada, en la cual se puede asumir que su potencial es cero y que no cambia an habiendo inyeccin de corriente en la puesta a tierra bajo estudio.

Acero inoxidable martenstico: Aceros al cromo (11.5% a 18%) con alto contenido de carbn (0.15% a 1.2%). Presentan elevada dureza y resistencia mecnica, se endurecen por tratamiento trmico y son magnticos.

Acero inoxidable Austenstico: Aceros al cromonquel(16% a 30% Cr y 6% a 22% Ni) con bajo contenido de carbn (0.20% mximo). Presentan elevada resistencia a la corrosin, ductilidad y gran facilidad de limpieza se endurecen por trabajo en fro y no son magnticos.

4. ASPECTOS TCNICOS

4.1. GeneralidadesSe entiende que un equipo o componente de un sistema elctrico est puesto a tierra, cuando se conecta a la tierra por medio de dispositivos conductores de electricidad adecuados. El trmino normalizado para designar la resistencia ofrecida al paso de una corriente elctrica por el suelo desde una puesta a tierra, es Resistencia de Puesta a Tierra. Una puesta a tierra presenta resistencia, capacitancia e inductancia, cada cual influyendo en la capacidad de conduccin de corriente por la tierra. Por lo tanto, no se debe pensar solamente en una resistencia de puesta a tierra, sino ms bien en una impedancia. Para bajas frecuencias, bajas densidades de corriente y valores de resistividad del suelo no muy elevados, son despreciables los efectos capacitivos y de ionizacin del suelo y el mismo se comporta prcticamente como una resistencia. En el caso de altas frecuencias, es necesario considerar tambin el efecto capacitivo, principalmente en suelos de altas resistividades. Las ondas tipo rayo sufren la oposicin de la reactancia inductiva de las conexiones al penetrar el suelo.

4.1.1. Requisitos bsicos de una puesta a tierra

Los objetivos principales de una puesta a tierra se pueden resumir en lo siguiente:

Permitir la conduccin a tierra de cargas estticas o descargas elctricas atmosfricas. Limitar a niveles seguros los valores de la tensin a tierra de equipos o estructuras accidentalmente energizados y mantener en valores determinados la tensin fasetierra de sistemas elctricos, fijando los niveles de aislamiento.

Limitar las tensiones debidos a maniobras. Limitar la tensin debido a contacto no intencional con sistemas de mayor tensin. Permitir a los equipos de proteccin aislar rpidamente las fallas.

Ahora bien, para realizar adecuadamente estas funciones, una puesta a tierra debe presentar las siguientes caractersticas:

Preferiblemente una baja resistencia Una suficiente capacidad de conduccin de corriente.

En general se espera que una puesta a tierra tenga suficiente capacidad de dispersin de corriente en el suelo, y que a su vez limite los potenciales en su superficie (control de gradiente de potencial), de tal manera que no comprometan la seguridad de las personas por causa de una falla a tierra.

4.1.2. Componentes de la resistencia de puesta a tierraLa resistencia ofrecida al paso de la corriente elctrica a travs de un electrodo hacia el suelo tiene tres componentes principales (ver figura 1):

1. Resistencia del electrodo (metal): La cual es despreciable en comparacin con el item 3

2. Resistencia de contacto entre el electrodo y el suelo. Se puede despreciar si el electrodo esta exento de cualquier cubierta aislante como tintas, pinturas, grasa, etc y si la tierra est bien compactada en la zona de contacto de sus paredes.

3. Resistencia de la tierra circundante: sta es la componente que determina el valor de la resistencia de una puesta a tierra y depende bsicamente de la resistividad del suelo y de la distribucin de la corriente proveniente del electrodo.

Figura 1. Elementos que constituyen una puesta a tierra.

Alrededor del electrodo de puesta a tierra, la resistencia del suelo es la suma de las resistencias serie de las celdas o capas coaxiales circundantes del suelo, localizadas progresivamente hacia fuera del electrodo. Como se ilustra en la figura 1, a medida que aumenta la distancia, las capas del suelo presentan una mayor rea transversal a la corriente y por tanto una menor resistencia. Se sigue entonces que la resistencia de puesta a tierra reside esencialmente en las capas de suelo ms prximas al electrodo. Normalmente para una varilla de 2.4 metros, el 90% del valor de la resistencia de puesta a tierra se encuentra dentro de un radio de 3.0 metros.

4.1.3. Resistividad del suelo

La resistividad del suelo vara con la profundidad, el tipo y concentracin de sales solubles, el contenido de humedad y la temperatura del suelo. La presencia de agua superficial no necesariamente indica baja resistividad. Dado el impacto de este parmetro en el valor final de la RPT, es necesario que la resistividad del suelo en el sitio donde ser ubicada la puesta a tierra, sea medida en forma precisa. El procedimiento bsico de medicin y modelacin del suelo puede consultarse en la norma RA6014.

4.2 Requisitos especficos

4.2.1. Valores recomendados de Resistencia de Puesta a Tierra

Un buen diseo de puesta a tierra debe reflejarse en el control de las tensiones de paso, de contacto y transferidas sin embargo, la limitacin de las tensiones transferidas principalmente en subestaciones de media y alta tensin es igualmente importante. En razn a que la resistencia de puesta a tierra es un indicador que limita directamente la mxima elevacin de potencial y controla las tensiones transferidas, pueden tomarse como referencia los siguientes valores mximos de RPT adoptados de las normas tcnicas IEC 603644442, ANSI/IEEE 80, NTC 2050, NTC 4552:

Tabla 1.Valores de referencia para resistencia de puesta a tierra.

APLICACINVALORES MXIMOS DE RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA

Estructuras de lneas de transmisin 20

Subestaciones de alta y extra alta tensin 1

Subestaciones de media tensin 10

Proteccin contra rayos 10

Neutro de acometida en baja tensin 25

Cuando por valores altos de resistividad del terreno, de elevadas corrientes de falla a tierra o tiempos de despeje de la misma, o que por un balance tcnico econmico no resulte prctico obtener los valores de la tabla de valores de resistencia a tierra, en todo caso se debe garantizar que las tensiones de paso, contacto y transferidas en caso de una falla a tierra no superen las mximas permitidas, incluso cuando se alcancen los valores sealados en la tabla 1.

5. METODOLOGA PARA LA MEDICIN DE LA RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA

5.1. Mtodo de cada de potencial

La resistencia de puesta a tierra debe ser medida antes de la puesta en funcionamiento de un sistema elctrico, como parte de la rutina de mantenimiento o excepcionalmente como parte de la verificacin de un sistema de puesta a tierra. Para su medicin se debe aplicar el mtodo de Cada de Potencial, cuya disposicin de montaje para medicin se muestra en la Figura 2.

Figura 2. Mtodo de la cada de potencial para medir la RPT.

El mtodo consiste en pasar una corriente entre el electrodo o sistema de puesta a tierra a medir y un electrodo de corriente auxiliar (C) y medir la tensin entre la puesta a tierra bajo prueba y un electrodo de potencial auxiliar (P) como muestra la figura 2. Para minimizar la influencia entre electrodos, el electrodo de corriente, se coloca generalmente a una sustancial distancia del sistema de puesta a tierra. Tpicamente sta distancia debe ser mnimo 6.0 veces superior a la dimensin ms grande de la puesta a tierra bajo estudio.

El electrodo de potencial debe ser colocado en la misma direccin del electrodo de corriente, pero tambin puede ser colocado en la direccin opuesta como lo ilustra la figura 2. En la prctica, la distancia d para el electrodo de potencial se elige aproximadamente al 62% de la distancia del electrodo de corriente. Esta distancia esta basada en la posicin tericamente correcta (61.8%) para medir la resistencia exacta del electrodo para un suelo de resistividad homogneo.

La localizacin del electrodo de potencial es muy crtica para medir la resistencia de una puesta a tierra. La localizacin debe ser libre de cualquier influencia del sistema de puesta tierra bajo medida y del electrodo auxiliar de corriente. La manera ms prctica de determinar si el electrodo de potencial est fuera de la zona de influencia de los electrodos, es obtener varias lecturas de resistencias moviendo el electrodo de potencial en varios puntos entre la puesta a tierra bajo prueba y el electrodo de corriente. Dos o tres lecturas consecutivas aproximadamente constantes pueden asumirse como representativas del valor de resistencia verdadera.

La figura 3 muestra una grfica tpica de resistencia contra distancia del electrodo de potencial (P). La curva muestra cmo la resistencia es cercana a cero cuando (P) se acerca al sistema de puesta a tierra, y se aproxima al infinito hacia la localizacin del electrodo de corriente (C). El punto de inflexin en la curva corresponder a la resistencia de puesta a tierra del sistema bajo estudio.

Figura 3. Resistencia de puesta a tierra versus distancia de (P).

Es aconsejable repetir el proceso de medicin en una direccin distinta, lo que aumenta la confiabilidad de los resultados.

5.1.2. Gradientes de Potencial

La medicin de la RPT por el mtodo de Cada de Potencial genera gradientes de potencial en el terreno, producto de la inyeccin de corriente por tierra a travs del electrodo de corriente. Por ello, si el electrodo de corriente, el de potencial y la puesta a tierra se encuentran muy cercanos entre s, ocurrir un solapamiento de los gradientes de potencial generados por cada electrodo, resultando una curva en la cual el valor de resistencia medida se incrementar con respecto a la distancia, tal como se muestra en la figura 4.

Figura 4. Solapamiento de los gradientes de potencial.

En figura 5 puede observarse cmo existe una porcin de la curva que permanece casi invariable, la cual ser ms prolongada o corta, dependiendo de la separacin entre los electrodos de corriente (Z) y bajo prueba (X). El valor de resistencia asociada a este sector de la curva ser el valor correcto de resistencia de puesta a tierra.

5.1.3. Mtodo de la pendienteEs el mtodo sugerido para medir sistemas de puesta a tierra de tamao considerable (cuya mxima longitud supera los 30 m), o cuando la posicin del centro de la puesta a tierra no es conocido o es inaccesible (por ejemplo, el SPT esta por debajo de un edificio). Tambin se puede utilizar cuando el rea para colocar los electrodos de prueba esta restringida o es inaccesible.La forma de conexin es como en el mtodo de cada de potencial, la diferencia radica en que se toman medidas moviendo el electrodo de potencial (electrodo intermedio) al 20, 40 y 60 % de la distancia entre la malla a medir y el electrodo remoto (a una distancia C de la malla). Se mide la resistencia de puesta a tierra usando cada distancia, obtenindose respectivamente los valores de R1, R2 y R3, para luego calcular el valor del cambio de la pendiente (m) con respecto a la distancia as:

u = (R3 R2)/( R2 R1)

Con el valor de m se va a la tabla 1, donde en una de las columnas se encuentra el valor correspondiente de k. El valor de k se multiplica entonces por la distancia C encontrando la distancia a la cual se debe colocar el electrodo intermedio (electrodo de potencial pt) con respecto a la malla a medir. Se mide la resistencia despus de clavar el electrodo intermedio a la distancia antes calculada, el cual es el valor ms aproximado de resistencia del sistema de puesta a tierra medido.

Si el valor de m obtenido no esta en la tabla, se debe colocar ms lejos el electrodo de corriente Debe aplicarse con mayor cuidado en suelos no homogneos y con cambios bruscos de pendiente.

Tabla 1.Valores de k en funcin de m para el mtodo de la pendiente

6. METODOLOGA PARA CASOS ESPECIALES

6.1. Medida de resistencia de puesta a tierra sobre pavimentos o suelos de concreto

Algunas veces la puesta a tierra se encuentra rodeada de suelos cubiertos por pavimentos, concreto o cemento y en los cuales no es fcil la colocacin de los electrodos de prueba tipo varilla. En tales casos pueden usarse placas de cobre para reemplazar los electrodos auxiliares y agua para remojar el punto y disminuir la resistencia de contacto con el suelo, como se ilustra en la figura 6.

Figura 6. Medida de resistencia de puesta a tierra en suelos o pavimentos.

Los procedimientos y requerimientos para la implementacin de este mtodo de medicin debern estar acorde a lo indicado en la ASTM D 363398 Standard Test Method For Electrical Resistivity Of MembranePavement Systems.

Las placas de cobre debern ser dispuestas a la misma distancia en que se colocaran los electrodos auxiliares de acuerdo al mtodo de la Cada de Potencial previamente descrito. Las dimensiones de la placa debern ser de 30x30 cm y espesor de 3.8 cm Se debe verter agua sobre las placas y remojar el sitio donde sern ubicadas para mejorar el contacto con el suelo. Es necesario esperar un tiempo prudente para que el agua penetre y la lectura de la resistencia se haya estabilizado. El tiempo requerido para el proceso de penetracin de la humedad variar dependiendo del espesor y de la permeabilidad de la capa del pavimento (30 minutos son normalmente suficientes). Se debe tener cuidado de que las reas humedecidas no se traslapen. Las placas realizarn la misma funcin de los electrodos auxiliares.

6.2. Medida de la RPT mediante medidor tipo pinzaEste es un mtodo prctico que viene siendo ampliamente usado para medir la puesta a tierra en sitios donde es imposible usar el mtodo convencional de cada de potencial, como es el caso de lugares densamente poblados, celdas subterrneas, centros de grandes ciudades, etc.

El medidor tipo pinza, mide la resistencia de puesta a tierra de una varilla o de una puesta a tierra de dimensiones pequeas, simplemente abrazando el conductor de puesta a tierra o bajante como lo ilustra la figura 7.

Figura 7. Medicin de la RPT utilizando pinza.

El principio de operacin es el siguiente:

El neutro de un sistema puesto a tierra en ms de un punto, puede ser representado como un circuito simple de resistencias de puesta a tierra en paralelo (figura 8). Si una tensin E es aplicada al electrodo o sistema de puesta a tierra Rx, la corriente I resultante fluir a travs del circuito.

Tpicamente los instrumentos poseen un oscilador de tensin a una frecuencia de 1.6 kHz, y la corriente a la frecuencia generada es recolectada por un receptor de corriente. Un filtro interno elimina las corrientes de tierra y ruido de alta frecuencia.

Figura 8. Circuito equivalente para un sistema puesto a tierra en ms de un punto.

La relacin entre la tensin y la corriente es determinada por el instrumento y desplegada en forma digital. El mtodo est basado en la suposicin de que la impedancia del neutro del sistema puesto a tierra en ms de un punto, excluyendo el electrodo bajo medida, es muy pequea y puede ser asumida igual a cero. La ecuacin es la siguiente:

Donde usualmente,

Con esta suposicin, la lectura indicada representa la resistencia de puesta a tierra del electrodo que se est midiendo.El mtodo posee las siguientes limitaciones:

La aplicacin es limitada a electrodos conectados a sistemas puestos a tierra en ms de un punto de baja impedancia. Las conexiones corrodas o partidas del neutro del sistema (o cable de guarda) pueden influenciar las lecturas. No es aplicable a los sistemas de puesta a tierra en los cuales la corriente inyectada pueda retornar por caminos diferentes a la tierra misma. La presencia de ruido de alta frecuencia o campos electromagnticos altos en el sistema, podra influenciar las lecturas. La existencia de altas resistencias en las conexiones con el electrodo de puesta a tierra. Si el conductor de conexin con el electrodo est abierto no se tendra una medida confiable.

Es importante tener muy presente que si se est midiendo en postes donde no es accesible el conductor de puesta a tierra o donde se puede estar midiendo dos electrodos en paralelo, se debe usar un transformador de corriente de gran tamao, ofrecido por algunos fabricantes (figura 9).