1. UNIVERSIDAD FERMN TORO VICERECTORADO ACADMICO FACULTAD DE INGENIERAESCUELA DE INGENIERA ELCTRICA

• Mediciones de puesta a tierra, en alta tensin y localizacin de falla

• Objetivos especficos:

• 1 .Analizar los mtodos de medicin de puesta a tierra de seguridad en las instalaciones y los instrumentos utilizados para tal fin.(Miguel Caldern).

• 2. Verificar la aplicacin de diversos mtodos de medicin para el funcionamiento de equipos sometidos a altas tensiones durante su vida til.(Estefany Gutirrez)

• 3. Aplicar las distintas tcnicas y mtodos de deteccin del lugar de la falla en los sistemas de transmisin de la energa elctrica.(Ernesto Ruiz)

2. Analizar los mtodos de medicin de puesta a tierra de seguridad en las instalaciones y los instrumentos utilizados para tal fin.

Autor: Miguel A Caldern

Materia: Mediciones Elctrica

3. Que es un sistema de puesta a tierra?

Un sistema de puesta a tierra consiste en la conexin de equipos elctricos y electrnicos a tierra, para evitar que se daen los equipos en caso de una corriente transitoria peligrosa, o tambin que por falta de aislamiento en uno de los conductores y al quedar en contacto con las placas de los contactos y ser tocados por alguna persona pudiera ocasionarle lesiones o incluso la muerte.

Por estas razones, se recomienda que se realicen las instalaciones de puesta a tierra por que la corriente siempre busca el camino mas fcil por donde poder pasar, y al llegar a tierra se disipa por esta esto si se tiene una resistividad muy baja en el terreno donde se realizo la instalacin.

4. Objetivo de un sistema de puesta a tierra

El objetivo de un sistema de puesta a tierra es:

El de brindar seguridad a las personas

Proteger las instalaciones, equipos y bienes en general, al facilitar y garantizar la correcta operacin de los dispositivos de proteccin.

Establecer la permanencia, de un potencial de referencia, al estabilizar la tensin elctrica a tierra, bajo condiciones normales de operacin.

Mejorar la calidad del servicio

Disipar la corriente asociada a descargas atmosfricas y limitar las sobre tensiones generadas.

Dispersar las cargas estticas a tierra.

5. Importancia de un sistema de puesta a tierra

La importancia de realizar una conexin a tierra en un edificio, casa, o en cualquier instalacin es mucha, ya que en estos hay una gran cantidad de equipos electrnicos y una corriente indeseable o sobr tensin podra causar una perdida muy costosa en estos equipos. Adems estos edificios normalmente son ocupados por una gran cantidad de personas y si un cable que no este bien aislado hiciera contacto con la carcasa de algn contacto o algn material conductor que este expuesto al personal del edificio podra ocasionar algn accidente.

Otra razn por la que debe instalarse un sistema de puesta a tierra eficiente en un edificio es para evitar que las descargas atmosfricas caigan en lugares indeseados y puedan ocasionar algn accidente o daar nuestros equipos, esto se logra mediante sistemas de pararrayos los cuales deben conectarse directo a tierra, es decir, el conductor que se use para la instalacin del pararrayos no debe estar conectado a ningn otro equipo del edificio.

6. Cuales son los elementos de un sistema de puesta a tierra?

Los elementos que usamos para efectuar una instalacin de puesta a tierra son los siguientes:

Electrodos: Estas son varillas (generalmente de cobre) que sean resistentes a la corrosin por las sales de la tierra, que van enterradas a la tierra a una profundidad de 3m para servirnos como el elemento que nos disipara la corriente en la tierra en caso de alguna falla de nuestra instalacin o de alguna sobrecarga, las varillas mas usadas para este tipo de instalaciones son las varillas de marca copperwell ya que son las que cumplen con las mejores caractersticas.

Conductor o cable: este como ya se haba mencionado es el que nos permitir hacer la conexin de nuestro electrodo hacia las dems partes dentro de nuestro edificio. Debe procurarse que este cable no sea seccionado y en caso de ser necesario debe preferentemente ser soldado para poder asegurarse de su contacto y continuidad del sistema de conexin, pero hay que aclarar que no se puede usar cualquier soldadura sino que debe usarse soldadura exotrmica, ya que al calentar el cobre del conductor este puede daarse y ya no tendra un buen contacto con la soldadura que se le coloque.

7. Que Efectos fisiolgicos puede causarla corriente elctrica?

Los fenmenos fisiolgicos que produce la corriente elctrica en el organismo humano dependen del valor de la intensidad de la corriente, tiempo de duracin del contacto, callosidad, sexo, estado de epidermis, peso, altura, estado de animo, estado del punto de contacto a tierra .

8. Conceptos importantes de un SPT

Resistividad del terreno

La resistividad del terreno se define como la resistencia que presenta 1 m3 de tierra, y resulta de un inters importante para determinar en donde se puede construir un sistema de puesta a tierra.

Factores que afectan la resistividad del terreno

Naturaleza del Terreno

Humedad

Temperatura

Salinidad

Estratigrafa

Compactacin

Variaciones estacinales

9. Tablas importantes 10. Tipos de Electrodos Electrodoen espiral Electrodo horizontal. Electrododealuminio Electrodo empotradoenconcreto Electrodo de tubometlico Varilla VarillaCopperweld Electrodo de varillas de hierro o acero Placaestrellada Malla Electrodo deanillos Electrodo enestrella Placa Rehilete Electrodos 11. MEDICIN DE LA RESISTIVIDAD DEL SUELO

La resistividad del terreno se mide fundamentalmente para encontrar la profundidad y grueso de la roca en estudios geofsicos, as como para encontrar los puntos ptimos para localizar la red de tierras de una subestacin, sistema electrnico, planta generadora o transmisora de radiofrecuencia. Asimismo puede ser empleada para indicar el grado de corrosin de tuberas subterrneas.

El perfil de la resistividad del suelo determinar el valor de la resistencia a tierra y la profundidad de nuestro sistema de puesta a tierra.

12. Mtodos de medicin para medir la resistividad del suelo y la resistencia a tierra de un SPT

METODO DE WENNER O DE LOS 4 TERMINALES

En 1915, el Dr. Frank Wenner del U.S. Bureau of Standards desarroll la teora de este mtodo de prueba, y la ecuacin que lleva su nombre.

Con objeto de medir la resistividad del suelo se hace necesario insertar los 4 electrodos en el suelo. Los cuatro electrodos se colocan en lnea recta y a una misma profundidad de penetracin, las mediciones de resistividad dependern de la distancia entre electrodos y de la resistividad del terreno, y por el contrario no dependen en forma apreciable del tamao y del material de los electrodos, aunque s dependen de la clase de contacto que se haga con la tierra.

El principio bsico de este mtodo es la inyeccin de una corriente directa o de baja frecuencia a travs de la tierra entre dos electrodos C1 y C2 mientras que el potencial que aparece se mide entre dos electrodos P1 y P2. Estos electrodos estn enterrados en lnea recta y a igual separacin entre ellos. La razn V/I es conocida como la resistencia aparente. La resistividad aparente del terreno es una funcin de esta resistencia y de la geometra del electrodo.

13. METODO DE WENNER O DE LOS 4 TERMINALES

En la figura se observa esquemticamente la disposicin de los electrodos, en donde la corriente se inyecta a travs de los electrodos exteriores y el potencial se mide a travs de los electrodos interiores. La resistividad aparente est dada por la siguiente expresin

14. METODO DE WENNER O DE LOS 4 TERMINALES

Si la distancia enterrada (B) es pequea comparada con la distancia de separacin entre electrodos (A). O sea A > 20B, la siguiente frmula simplificada se puede aplicar:

La resistividad obtenida como resultado de las ecuaciones representa la resistividad promedio de un hemisferio de terreno de un radio igual a la separacin de los electrodos.

15. MEDICIONES DE RESISTENCIAA TIERRA POR EL METODO DE CAIDA DE POTENCIAL O DE LOS 3 PUNTOS

Este mtodo se realiza con tres puntas de prueba o electrodos separados, las cuales se conectan a los tres terminales del instrumento para medicin de la resistencia a tierra como se muestra en la figura 4. Es importante aclarar que en la figura se aprecia que la tercera punta de prueba es un electrodo fijo y no removible, esto es indicativo de que este mtodo al igual que el anterior no solo es para mediciones iniciales sino tambin puede ser usado para corroborar mediciones anteriores o el estado de una puesta a tierra existente

16. MEDICIONES DE RESISTENCIAA TIERRA POR EL METODO DE CAIDA DE POTENCIAL O DE LOS 3 PUNTOS

Empleando un probador de cuatro terminales, los terminales P1 y C1 en el instrumento son puenteados y conectados al electrodo de tierra bajo prueba o al tercer electrodo de referencia. Si se dispone de un instrumento de tres terminales, solo conecte el terminal X al electrodo a tierra. Posteriormente, se colocan las otras dos puntas de prueba auxiliares en los terminales C2 y P2 y varillas de prueba enterradas a distancias predeterminadas del electrodo bajo prueba. La figura 4 muestra el arreglo de las varillas de prueba y el electrodo.

Al accionar el instrumento, se genera una corriente que se inyecta por los terminales C1/P1 retornando por el electrodo auxiliar de corriente (C2). Al pasar la corriente por la tierra, una cada de voltaje se generar entre los terminales C1/P1 y el electrodo auxiliar de potencial conectado en P2. El instrumento calcula la resistencia a travs de la ley de ohm.

R=V/I

Donde

R = Resistencia a tierra

V = Voltaje ledo entre el electrodo C1/P1 y el terminal P2.

I = Corriente de prueba inyectada por el instrumento.

17. MEDICIONES DE RESISTENCIAA TIERRA POR EL METODO DE CAIDA DE POTENCIAL O DE LOS 3 PUNTOS

Este mtodo demanda que por lo menos exista un espaciamiento entre C1/P1 y C2 de unos 15 m y que se grafiquen los valores de resistencia obtenidos contra la distancia existente entre el electrodo a prueba y la varilla conectada a P2. En la prctica esta distancia entre C1/P1 y C2 debe ser lo ms grande que es posible.

Al elaborar la grfica, la misma mostrara un incremento gradual de resistencia a tierra mientras P2 est en la zona cercana al electrodo bajo prueba. Cuando P2 sale de esa zona pero no ha entrado en la zona de C2, la grfica mostrar una meseta en los valores. Este aplanamiento obtenido se ha demostrado tericamente que se logra cuando P2 est localizado al 62% de la distancia entre el electrodo bajo prueba y C2. Esta es la razn por la que tambin se le llama a este mtodo el "de 62%". Pruebas realizadas por Michael demuestran que la variacin de las lecturas obtenidas al 50% y al 70% de la distancia es menor al 5%, que es la precisin de la mayora de los instrumentos ms comunes. De ah que las lecturas que se toman al 60% pueden dar una medida promedio aceptable de la resistencia a tierra del electrodo incluyendo la resistencia del conductor de conexin al electrodo bajo prueba.

18. MTODO DE LA TIERRA CONOCIDA .

Este mtodo consiste en encontrar la resistencia combinada entre el electrodo a probar y uno de resistencia despreciable .

Figura 1. Mtodo de la tierra conocida.

Rx+Ro

En este mtodo se hace circular una corriente entre las dos tomas de tierra, esta corriente se distribuye en forma similar a las lneas de fuerza entre polos magnticos. El inconveniente de este mtodo es encontrar los electrodos de resistencia conocida y los de resistencia despreciable.

Figura 1. Mtodo de la tierra conocida. Rx+Ro 19. MTODO DE LOS TRES PUNTOS O TRIANGULACIN

Consiste en enterrar tres electrodos (A, B, X), se disponen en forma de triangulo, tal como se muestra en la figura 2, y medir la resistencia combinada de cada par: X+A, X+B, A+B, siendo X la resistencia de puesta a tierra buscada y A y B las resistencias de los otros dos electrodos conocidas.

Figura 2. Mtodo de las tres puntas.

Las resistencias en serie de cada par de puntos de la puesta a tierra en el triangulo ser determinada por la medida de voltaje y corriente a travs de la resistencia. As quedan determinadas las siguientes ecuaciones:

R1= X+A

R2= X+B

R3= A+B

De donde

X= (R1+R2-R3)/2

Este mtodo es conveniente para medidas de resistencias de las bases de las torres, tierras aisladas con varilla o puesta a tierra de pequeas instalaciones. No es conveniente para medidas de resistencia bajas como las de mallas de puesta a tierra de subestaciones grandes. El principal problema de este mtodo es que A y B pueden ser demasiado grandes comparadas con X (A y B no pueden superar a 5X), resultando poco confiable el calculo.

20. Mtodo directo ode Dos terminales

Cuando se emplea un instrumento de cuatro terminales, se puentean los terminales P1 y C1 conectndose al electrodo a tierra bajo prueba y los terminales P2 y C2 se puentean conectndose a un sistema de tubos de agua completamente metlico, tal como se aprecia en la figura5 Prueba de Resistencia de Tierra Mtodo Directo o Dos terminales.

21. Mtodo directo ode dos terminales

Si el sistema de agua es extenso, es decir, se extiende a un rea muy grande, su resistencia debe ser una fraccin de un ohm. Despus puede tomar la lectura del instrumento como la resistencia del electrodo bajo prueba. Este mtodo es la forma ms simple de hacer una prueba de resistencia a tierra. Con este mtodo, la resistencia de dos electrodos en serie se mide la varilla enterrada y el sistema de agua.

Pero existen tres limitaciones importantes:

1. El sistema de tubos de agua debe ser lo suficientemente grande para tener una resistencia despreciable.

2. El sistema de tubo de agua debe ser metlico en su totalidad, sin ningn acoplamiento o flanges de aislamiento.

3. El electrodo de tierra bajo prueba debe estar lo suficientemente lejos del sistema de tubos de agua para quedar fuera de su esfera de influencia.

22. Medida de la RPT mediante medidor tipo pinza

Este 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 sistema de puesta a tierra simplemente abrazando el conductor de puesta a tierra o bajante como lo ilustra la figura 1.

Figura 1. Medicin de la RPT utilizando pinza

23. Medida de la RPT mediante medidor tipo pinza

El principio de operacin es el siguiente:

El neutro de un sistema multi aterrizado puede ser representado como el circuito simple de resistencias de puesta a tierra en paralelo (figura 8). Si un voltaje E es aplicado al electrodo o sistema de puesta a tierraRx , la corriente I resultante fluir a travs del circuito.

Tpicamente los instrumentos poseen un oscilador de voltaje 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.

La ecuacin es la siguiente:

Donde usualmente,

24. Medida de la RPT mediante medidor tipo pinza

El mtodo posee las siguientes limitaciones:

La aplicacin es limitada a electrodos conectados a sistemas multiaterrizados de baja impedancia.

Conexiones corrodas o partidas del neutro del sistema (o cable de guarda) pueden influenciar las lecturas.

No es aplicable a sistemas de puesta a tierra aterrizados en mltiples puntos (torres de transmisin o mallas de subestaciones).

Ruido de alta frecuencia en el sistema podra influenciar las lecturas.

El cable de conexin con el electrodo abierto.

El aparto de medicin utilizado son:

Pinzas Medidoras de Resistencia a Tierra

25. DISEO DE UNA MALLA A TIERRA

El diseo de una malla a tierra est afectado por las siguientes variables:

Tensin Permisible de Paso.

Tensin Permisible de contacto.

Configuracin de la malla.

Resistividad del terreno

Tiempo mximo de despeje de la falla.

Conductor de la malla.

Profundidad de instalacin de la malla.

Algunos de los mtodos o formulas q se deben aplicar para el diseo de una malla a tierra son

Mtodo de tensin de paso.

Mtodo de tensin de contacto.

26. Mtodo de tensin de paso.

Segn las normativas de la IEEE 81, la Tensin de Paso es la diferencia de potencial entre dos puntos de la superficie del terreno, separados por una distancia de un metro, en la direccin del gradiente de potencial mximo.

Cabe recordar que bajo circunstancias de falla, la circulacin de una corriente (I), por una toma de tierra, sita a sta a una tensin (Uo), denominada de puesta a tierra, en relacin con un punto lejano, de potencial cero, definiendo el cociente (Uo/I) la resistencia (R), de la toma de tierra, que tal como se ver ms adelante, interviene como elemento de clculo de la corriente que circula ( de la cual depende el comportamiento de las protecciones) y de la propia tensin (Uo).

27. Mtodo de tensin de paso.

El gradiente de potencial en una regin coincide, prcticamente, con el valor ms elevado que puede alcanzar una tensin de paso, que adquiere evidentemente, sus valores ms elevados, en las proximidades inmediatas de los electrodos de tierra. La tensin de paso (Up) es una fraccin de la tensin de puesta a tierra (Uo).

Deber considerarse que, cuando las dimensiones de la toma de tierra son pequeas, respecto a su distancia (x), del lugar considerado, el gradiente de tensin en ese lugar no depende ms que de (x) y de (I).

En terreno Homogneo, de resistividad () tiene por expresin: Gx = 0.16 .l / X (V/m)

28. Mtodo de tensin de contacto

La normativa IEEE 81: define la tensin de contacto o de toque como sigue; La tensin de contacto es la diferencia de potencial entre una estructura metlica puesta a tierra y un punto de la superficie del terreno a una distancia igual a la distancia horizontal mxima que pueda alcanzar una persona, o sea , aproximadamente, 1 metro. Ver figura 10.

Ux = 0,16 I/X

29. Mtodo para medir resistencia de una malla de tierra

El clculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el mtodo de Laurent y Niemann o por mtodo de Dwight.

Mtodo de Laurent y Niemann

Este mtodo es bastante aproximado y la expresin para el clculo es:

Donde:

R = Resistencia en ohmios.

A = rea de la malla de puesta a tierra en m

= Resistividad del suelo (-m)

L = Longitud total del conductor (m).

La ecuacin (10) es una aproximacin y su resultado siempre es mayor que el valor real.

30. Mtodo de Dwight

Este mtodo es mucho ms largo pero es mucho ms exacto que el anterior.

El primer paso consiste en hallar la resistencia de un conductor de la malla.

Donde:

Rs = Resistencia de puesta a tierra de un solo conductor en

= Resistividad en (-m)

L = Longitud del conductor (m)

h = Profundidad de enterramiento del conductor (m)

r = Radio del conductor en m.

Una vez calculada esta resistencia, se procede al clculo de las resistencias debidas a las interferencias mutuas entre los conductores, tal resistencia es:

31. Mtodo de Dwight

La resistencia total de un conductor es:

Rc=Rs+ (n1) Ra

La resistencia de n conductores es:

La resistencia mutua de los componentes de unin incluyendo la interferencia debida a los conductores transversales a los cuales se encuentran unidos es:

Ram=(m-1)Rau +(n-1)Ra

Rau = Resistencia mutua de conductores de unin ()

La resistencia total de un solo conductor de unin es:

Rcu=Rsu+Ram

Rsu = Resistencia de un solo conductor de unin ()

La resistencia de losmconductores es:

La resistencia total de la malla est dada por:

32.

Gracias

Hay una fuerza motriz ms poderosa que el vapor, la electricidad y la energa atmica:la voluntad

(Albert Einstein)