UNIVERSIDAD FERMÍN TOROUNIVERSIDAD FERMÍN TOROVICERECTORADO ACADÉMICOVICERECTORADO ACADÉMICO

FACULTAD DE INGENIERÍAFACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

Mediciones de puesta a tierra, en alta tensión y Mediciones de puesta a tierra, en alta tensión y localización de fallalocalización de falla

Objetivos específicos:Objetivos específicos:

11. . Analizar los métodos de medición de puesta a tierra de seguridad en las Analizar los métodos de medición de puesta a tierra de seguridad en las instalaciones y los instrumentos utilizados para tal fin. instalaciones y los instrumentos utilizados para tal fin. (Miguel Calderón).(Miguel Calderón).

2. Verificar la aplicación de diversos métodos de medición para el 2. Verificar la aplicación de diversos métodos de medición para el funcionamiento de equipos sometidos a altas tensiones durante su vida útil. funcionamiento de equipos sometidos a altas tensiones durante su vida útil. (Estefany Gutiérrez)(Estefany Gutiérrez)

3. Aplicar las distintas técnicas y métodos de detección del lugar de la falla en 3. Aplicar las distintas técnicas y métodos de detección del lugar de la falla en los sistemas de transmisión de la energía eléctrica. los sistemas de transmisión de la energía eléctrica. (Ernesto Ruiz)(Ernesto Ruiz)

Analizar los métodos de medición de puesta a tierra Analizar los métodos de medición de puesta a tierra de seguridad en las instalaciones y los instrumentos de seguridad en las instalaciones y los instrumentos

utilizados para tal fin.utilizados para tal fin.

Autor: Miguel A CalderónAutor: Miguel A Calderón Materia: Mediciones EléctricaMateria: Mediciones Eléctrica

¿¿Que es un sistema de puesta a tierra?Que es un sistema de puesta a tierra?

Un sistema de puesta a tierra consiste en la conexión de equipos eléctricos y electrónicos a tierra, para evitar que se dañen los equipos en caso de una corriente transitoria peligrosa, o también 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 fácil 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 instalación.

Objetivo de un sistema de puesta a tierraObjetivo 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 operación de los dispositivos de protección.

Establecer la permanencia, de un potencial de referencia, al estabilizar la tensión eléctrica a tierra, bajo condiciones normales de operación.

Mejorar la calidad del servicio

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

Dispersar las cargas estáticas a tierra.

Importancia de un sistema de puesta a tierraImportancia de un sistema de puesta a tierra

La importancia de realizar una conexión a tierra en un edificio, casa, o en cualquier instalación es mucha, ya que en estos hay una gran cantidad de equipos electrónicos y una corriente indeseable o sobré tensión podría causar una perdida muy costosa en estos equipos. Además 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 algún contacto o algún material conductor que este expuesto al personal del edificio podría ocasionar algún accidente.

Otra razón por la que debe instalarse un sistema de puesta a tierra eficiente en un edificio es para evitar que las descargas atmosféricas caigan en lugares indeseados y puedan ocasionar algún accidente o dañar 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 instalación del pararrayos no debe estar conectado a ningún otro equipo del edificio.

¿Cuales son los elementos de un sistema de ¿Cuales son los elementos de un sistema de puesta a tierra?puesta a tierra?

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

Electrodos:Electrodos: Estas son varillas (generalmente de cobre) que sean resistentes a la corrosión 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 instalación 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 características.

Conductor o cable:Conductor o cable: este como ya se había mencionado es el que nos permitirá hacer la conexión de nuestro electrodo hacia las demás 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 conexión, pero hay que aclarar que no se puede usar cualquier soldadura sino que debe usarse soldadura exotérmica, ya que al calentar el cobre del conductor este puede dañarse y ya no tendría un buen contacto con la soldadura que se le coloque.

¿Que Efectos fisiológicos puede causar la ¿Que Efectos fisiológicos puede causar la corriente eléctrica?corriente eléctrica?

Los fenómenos fisiológicos que produce la corriente eléctrica en el organismo humano dependen del valor de la intensidad de la corriente, tiempo de duración del contacto, callosidad, sexo, estado de epidermis, peso, altura, estado de animo, estado del punto de contacto a tierra..

Conceptos importantes de un SPTConceptos importantes de un SPT

Resistividad del terrenoResistividad del terreno

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

Factores que afectan la Factores que afectan la resistividad del terrenoresistividad del terreno

Naturaleza del Terreno Humedad Temperatura Salinidad Estratigrafía Compactación Variaciones estaciónales

Tablas importantesTablas importantes

Tipos de ElectrodosTipos de Electrodos

Electrodo en espiral

Electrodo horizontal

.

Electrodo de

aluminio

Electrodo empotrado

en concreto

Electrodode

tubo metálico

VarillaVarilla

Copperweld

Electrodo de varillas de

hierro o acero

Placa estrellada

Malla

Electrodo de

anillos

Electrodoen

estrella

Placa Rehilete

Electrodos

MEDICIÓN DE LA RESISTIVIDAD DEL SUELO

La resistividad del terreno se mide fundamentalmente para encontrar la profundidad y grueso de la roca en estudios geofísicos, así como para encontrar los puntos óptimos para localizar la red de tierras de una subestación, sistema electrónico, planta generadora o transmisora de radiofrecuencia. Asimismo puede ser empleada para indicar el grado de corrosión de tuberías subterráneas. 

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

Métodos de medición 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 desarrolló la teoría de este método de prueba, y la ecuación 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 línea recta y a una misma profundidad de penetración, las mediciones de resistividad dependerán de la distancia entre electrodos y de la resistividad del terreno, y por el contrario no dependen en forma apreciable del tamaño y del material de los electrodos, aunque sí dependen de la clase de contacto que se haga con la tierra.

El principio básico de este método es la inyección de una corriente directa o de baja frecuencia a través 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 están enterrados en línea recta y a igual separación entre ellos. La razón V/I es conocida como la resistencia aparente. La resistividad aparente del terreno es una función de esta resistencia y de la geometría del electrodo. 

METODO DE WENNER O DE LOS 4 TERMINALES

En la figura se observa esquemáticamente la disposición de los electrodos, en donde la corriente se inyecta a través de los electrodos exteriores y el potencial se mide a través de los electrodos interiores. La resistividad aparente está dada por la siguiente expresión

METODO DE WENNER O DE LOS 4 TERMINALES

Si la distancia enterrada (B) es pequeña comparada con la distancia de separación entre electrodos (A). O sea A > 20B, la siguiente fórmula 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 separación de los electrodos.

MEDICIONES DE RESISTENCIA A TIERRA POR EL METODO DE CAIDA DE POTENCIAL O DE LOS 3 PUNTOS

Este método se realiza con tres puntas de prueba o electrodos separados, las cuales se conectan a los tres terminales del instrumento para medición 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 método al igual que el anterior no solo es para mediciones iniciales sino también puede ser usado para corroborar mediciones anteriores o el estado de una puesta a tierra existente

MEDICIONES DE RESISTENCIA A 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 caída de voltaje se generará entre los terminales C1/P1 y el electrodo auxiliar de potencial conectado en P2. El instrumento calcula la resistencia a través de la ley de ohm.

R=V/I Donde R = Resistencia a tierra V = Voltaje leído entre el electrodo C1/P1 y el terminal P2. I = Corriente de prueba inyectada por el instrumento.

MEDICIONES DE RESISTENCIA A TIERRA POR EL METODO DE CAIDA DE POTENCIAL O DE LOS 3 PUNTOS

Este método 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 práctica esta distancia entre C1/P1 y C2 debe ser lo más grande que es posible.

Al elaborar la gráfica, la misma mostrara un incremento gradual de resistencia a tierra mientras P2 está en la zona cercana al electrodo bajo prueba. Cuando P2 sale de esa zona pero no ha entrado en la zona de C2, la gráfica mostrará una meseta en los valores. Este aplanamiento obtenido se ha demostrado teóricamente que se logra cuando P2 está localizado al 62% de la distancia entre el electrodo bajo prueba y C2. Esta es la razón por la que también se le llama a este método el "de 62%". Pruebas realizadas por Michael demuestran que la variación de las lecturas obtenidas al 50% y al 70% de la distancia es menor al 5%, que es la precisión de la mayoría de los instrumentos más comunes. De ahí 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 conexión al electrodo bajo prueba.

MÉTODO DE LA TIERRA CONOCIDA..

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

Figura 1. Método de la tierra conocida.Figura 1. Método de la tierra conocida.

Rx+RoRx+Ro

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

Figura 1. Método de la tierra conocida.Rx+Ro

MÉTODO DE LOS TRES PUNTOS O TRIANGULACIÓN

Consiste en enterrar tres electrodos (A, B, X), se disponen en forma de triangulo, tal como se muestra en la figura 2, 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 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.buscada y A y B las resistencias de los otros dos electrodos conocidas.

Figura 2. Método de las tres puntas.

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

R1= X+A R2= X+B R3= A+B De donde X= (R1+R2-R3)/2

Este método es conveniente para medidas de resistencias de las bases de las torres, tierras aisladas con varilla o puesta a tierra de pequeñas 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 método 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.

Método directo o de Dos terminales

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

Método directo o de dos terminales

Si el sistema de agua es extenso, es decir, se extiende a un área muy Si el sistema de agua es extenso, es decir, se extiende a un área muy grande, su resistencia debe ser una fracción de un ohm. Después puede grande, su resistencia debe ser una fracción de un ohm. Después puede tomar la lectura del instrumento como la resistencia del electrodo bajo tomar la lectura del instrumento como la resistencia del electrodo bajo prueba. Este método es la forma más simple de hacer una prueba de prueba. Este método es la forma más simple de hacer una prueba de resistencia a tierra. Con este método, la resistencia de dos electrodos en resistencia a tierra. Con este método, la resistencia de dos electrodos en serie se mide la varilla enterrada y el sistema de agua. 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 metálico en su totalidad, sin ningún

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.

Medida de la RPT mediante medidor tipo pinza

Este es un método práctico que viene siendo ampliamente usado para medir la puesta a tierra en sitios donde es imposible usar el método convencional de caída de potencial, como es el caso de lugares densamente poblados, celdas subterráneas, 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. Medición de la RPT utilizando pinza

Medida de la RPT mediante medidor tipo pinzaEl principio de operación 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 tierra Rx, la corriente “I” resultante fluirá a través del circuito.

Típicamente 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 ecuación es la siguiente:

Donde usualmente,

Medida de la RPT mediante medidor tipo pinza

El método posee las siguientes limitaciones: La aplicación es limitada a electrodos conectados a sistemas multiaterrizados de

baja impedancia. Conexiones corroídas 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 múltiples puntos

(torres de transmisión o mallas de subestaciones). Ruido de alta frecuencia en el sistema podría influenciar las lecturas. El cable de conexión con el electrodo abierto.

El aparto de medición utilizado son:

Pinzas Medidoras de Resistencia a Tierra

DISEÑO DE UNA MALLA A TIERRA

El diseño de una malla a tierra está afectado por las siguientes variables: Tensión Permisible de Paso. Tensión Permisible de contacto. Configuración de la malla. Resistividad del terreno Tiempo máximo de despeje de la falla. Conductor de la malla. Profundidad de instalación de la malla.

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

Método de tensión de paso. Método de tensión de contacto.

Método de tensión de paso.Según las normativas de la IEEE 81, “la Tensión de Paso es la diferencia de potencial entre

dos puntos de la superficie del terreno, separados por una distancia de un metro, en la dirección del gradiente de potencial máximo”.

Cabe recordar que bajo circunstancias de falla, la circulación de una corriente (I), por una toma de tierra, sitúa a ésta a una tensión (Uo), denominada de “puesta a tierra”, en relación con un punto lejano, de potencial cero, definiendo el cociente (Uo/I) la resistencia (R), de la toma de tierra, que tal como se verá más adelante, interviene como elemento de cálculo de la corriente que circula ( de la cual depende el comportamiento de las protecciones) y de la propia tensión (Uo).

Método de tensión de paso.El gradiente de potencial en una región coincide, prácticamente, con el valor más elevado

que puede alcanzar una “tensión de paso”, que adquiere evidentemente, sus valores más elevados, en las proximidades inmediatas de los electrodos de tierra. La tensión de paso (Up) es una fracción de la tensión de puesta a tierra (Uo).

Deberá considerarse que, cuando las dimensiones de la toma de tierra son pequeñas, respecto a su distancia (x), del lugar considerado, el gradiente de tensión en ese lugar no depende más que de (x) y de (I).

En terreno Homogéneo, de resistividad (ρ) tiene por expresión: Gx = 0.16 ρ.l / X² (V/m)

Método de tensión de contacto

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

Ux = 0,16 ρ I/X

Método para medir resistencia de una malla de tierraMétodo para medir resistencia de una malla de tierra El cálculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el método de

Laurent y Niemann o por método de Dwight.

Método de Laurent y Niemann

Este método es bastante aproximado y la expresión para el cálculo es:

Donde:R = Resistencia en ohmios.Aγ = Área de la malla de puesta a tierra en m²ρ = Resistividad del suelo (Ω-m)L = Longitud total del conductor (m).La ecuación (10) es una aproximación y su resultado siempre es

mayor que el valor real.

Método de DwightMétodo de DwightEste método es mucho más largo pero es mucho más 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 Ω

ρ = Resistividad en (Ω-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 cálculo de las resistencias debidas a las interferencias mutuas entre los conductores, tal resistencia es:

Método de DwightMétodo de Dwight

La resistencia total de un conductor es:

Rc=Rs+ (n−1) Ra

La resistencia de n conductores es:

La resistencia “mutua” de los componentes de unión 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 unión (Ω)

La resistencia total de un solo conductor de unión es:

Rcu=Rsu+Ram

Rsu = Resistencia de un solo conductor de unión (Ω)

La resistencia de los m conductores es:

La resistencia total de la malla está dada por:

GraciasHay una fuerza motriz más poderosa que el vapor, la electricidad y la energía atómica: la voluntad

(Albert Einstein)