UNIVERSIDAD SIMÓN BOLIVAR

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1 UNIVERSIDAD SIMÓN BOLIVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE TECNOLOGÍA E INGENIERÍA ELÉCTRICA ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO TRANSITORIO DE ARREGLOS DE PUESTA A TIERRA SIMPLES Por: Luis Elías Tovar Huiza PROYECTO DE GRADO Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Electricista Sartenejas, Noviembre de 2017

2 UNIVERSIDAD SIMÓN BOLIVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE TECNOLOGÍA E INGENIERÍA ELÉCTRICA ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO TRANSITORIO DE ARREGLOS DE PUESTA A TIERRA SIMPLES Por: Luis Elías Tovar Huiza Realizado con la asesoría de: Tutor Académico: Jorge Ramírez PROYECTO DE GRADO Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Electricista Sartenejas, Noviembre de 2017

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5 ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO TRANSITORIO DE ARREGLOS DE PUESTA A TIERRA SIMPLES Por: Luis Elías Tovar Huiza RESUMEN En este proyecto se muestran los resultados de someter a arreglos simples de electrodos de puesta a tierra a impulsos de tensión de corta duración, para estudiar el comportamiento de la impedancia de los mismos en régimen transitorio. Para hacer este tipo de pruebas, se adecuó el generador de impulsos portátil de 5kV existente en la Universidad Simón Bolívar. Ensamblando la etapa generadora de tensión del equipo desde su fuente AC hasta su rectificación en DC, igualmente construyendo un dispositivo de maniobra de alta tensión para lograr la conexión e interrupción del banco de carga de manera segura y además, reestructurando la disposición espacial de cada parte del equipo en una maleta funcional, logrando así la completa portabilidad del equipo, haciendo posible su traslado a pruebas de campo. Esto fundamentado en la importancia de los sistemas de puesta a tierra ante fenómenos de tipo transitorio como las descargas atmosféricas. Donde el comportamiento de la impedancia viene dado principalmente por las componentes inductivas y capacitivas, ya que las descargas atmosféricas producen señales de muy alta frecuencia, en el orden de los khz e incluso hasta los MHz. Por ello, se decidió estudiar el problema experimentalmente, obteniendo la respuesta dinámica de cada arreglo estudiado a partir de la inyección de impulsos. De allí, se comparó la respuesta obtenida con los modelos planteados en la literatura [1] [2]. Donde se planteó la simulación de cada arreglo, hallando sus parámetros R, L y C. Para el cálculo de resistencia [1] [3] [4], fue necesario medir la resistividad del terreno de los arreglos. Al poder hallar también matemáticamente el valor de inductancia, se halló el valor de la impedancia con la ayuda de una herramienta de simulación (ATP) [5], ya que se procedió a variar el valor de la capacitancia [1] [3] [4], del arreglo hasta obtener un comportamiento dinámico similar a la respuesta real obtenida experimentalmente, pudiendo así obtener un modelo teórico del comportamiento de las impedancias de puestas a tierra. La principal ventaja de este procedimiento de cálculo de C y modelación circuital, radica en su sencillez y naturaleza experimental. Palabras claves: Puesta a tierra, descargas atmosféricas, transitorio, comportamiento dinámico. v

6 AGRADECIMIENTOS A mis padres y mis hermanos por estar siempre a mi lado, criarme y hacer de mí, la mejor persona posible. A mi tío Luis Benito por ser una base inamovible en mi familia y ser una gran influencia en los objetivos y metas que me trazo día a día, gracias por ser parte de mis logros. A mi querida tía Rosa, el eslabón más fuerte e imprescindible de mi núcleo familiar. A los profesores del Laboratorio de Alta Tensión, Prof. Juan Carlos Rodríguez, Prof. Yarú Méndez, por todos los consejos recibidos durante la realización de este trabajo. En especial a mí amigo Ismael Acosta, por permitirme ser parte de esta familia y compartirme su mística de trabajo. Al Prof. Jorge Ramírez por guiarme en este camino y toda la ayuda brindada. A mis compañeros que me ayudaron y han sido parte de mis éxitos: Daniela, Olga, Vanessa, Laura, José Vicente, Ender, Efraín, y a mis amigos que tanto han aportado a mi formación desde el primer día y han sido un apoyo incondicional: Woalter, Harold y Roseling. Y a las asistentes de la coordinación María Teresa y Benincia, por ser prestar esa ayuda intangible a mí y a todos los estudiantes de la carrera. vi

7 ÍNDICE GENERAL RESUMEN... V AGRADECIMIENTOS... VI ÍNDICE GENERAL... VII ÍNDICE DE TABLAS... XI ÍNDICE DE FIGURAS... XIII LISTA DE SÍMBOLOS... XXI LISTA DE ABREVIATURAS... XXII INTRODUCCIÓN... 1 CAPÍTULO IMPEDANCIA DE PUESTA A TIERRA DINÁMICA... 3 MODELO A UTILIZAR... 4 Modelo de parámetros concentrados... 5 Modelo de parámetros distribuidos... 6 CONFIGURACIONES DE PAT SIMPLES A UTILIZAR Y DETERMINACIÓN DE SUS PARÁMETROS... 6 EJEMPLO DE LA RESPUESTA DINÁMICA DE UN ELECTRODO ANTE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS IMPLEMENTACIÓN DEL MODELO EN ATP CAPÍTULO GENERADOR DE IMPULSOS ETAPAS DE UN GENERADOR DE IMPULSOS PORTÁTIL GENERADOR DE IMPULSOS, UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Origen y diseño Componentes Fuente Puente rectificador vii

8 Banco de carga Funcionamiento y estado de sus componentes MEJORAS Y ADAPTACIONES DEL GENERADOR Diseño Componentes Fuente Puente rectificador Banco de carga CAPÍTULO DESARROLLO EXPERIMENTAL ESCOGENCIA DE LOS ARREGLOS DE PAT EXISTENTES DESCRIPCIÓN DE LOS ARREGLOS UBICACIÓN MEDICIONES Resistividad del terreno Resistencia estática Impedancia transitoria Impedancia construida por segmentos CAPÍTULO RESULTADOS EXPERIMENTALES CONTRAPESO Resistividad Resistividad estática Impedancia dinámica Impedancia construida a varias frecuencias CONTRAPESO TIPO CRUZ Resistividad Resistencia estática Impedancia dinámica Impedancia a varias frecuencias JABALINA Resistividad viii

9 Resistividad estática Impedancia dinámica Impedancia construida a varias frecuencias CAPÍTULO RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES CONCLUSIONES RECOMENDACIONES REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS APÉNDICE A MÉTODOS DE MEDICIÓN A.1. MÉTODO DE WENNER A.2. MÉTODO DE CAÍDA DE POTENCIAL A.3. MÉTODO DE LA PENDIENTE A.4. MÉTODO DE IMPEDANCIA DINÁMICA APÉNDICE B MEDICIONES DEL CONTRAPESO A.5. MEDIDAS DE RESISTIVIDAD A.6. MEDIDAS DE RESISTENCIA ESTÁTICA A.7. MEDIDAS DE IMPEDANCIA DINÁMICA A.8. IMPEDANCIA CONSTRUIDA A VARIAS FRECUENCIAS APÉNDICE C MEDICIONES DEL CONTRAPESO TIPO CRUZ A.9. MEDIDAS DE RESISTIVIDAD A.10. MEDIDAS DE RESISTENCIA ESTÁTICA A.11. MEDIDAS DE IMPEDANCIA DINÁMICA A.12. IMPEDANCIA CONSTRUIDA A VARIAS FRECUENCIAS APÉNDICE D MEDICIONES DE LA JABALINA ix

10 A.13. MEDIDAS DE RESISTIVIDAD A.14. MEDIDAS DE RESISTENCIA ESTÁTICA A.15. MEDICIÓN DE IMPEDANCIA DINÁMICA A.16. IMPEDANCIA CONSTRUIDA A VARIAS FRECUENCIAS x

11 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 3.1 Valores de tensión y tiempo de muestreo por cada configuración de carga escogida Tabla 3.3 Valores de tensión y tiempo de muestreo por cada configuración de carga escogida Tabla 3.4 Valores de tensión y tiempo de muestreo por cada configuración de carga escogida Tabla 4.1 Parámetros del modelo de dos capas del suelo de la zona nº1, para los dos ejes medidos Tabla 4.2 Parámetros del modelo de dos capas del suelo de la zona nº2, para los dos ejes medidos Tabla 4.3 Valores usados y encontrados al usar el método de la pendiente en el contrapeso tipo cruz Tabla 4.4 Parámetros del modelo de dos capas del suelo de la zona nº Tabla 5.1 Parámetros teóricos del contrapeso, resistencia e inductancia calculada y rangos admisibles del valor de capacitancia Tabla 5.2 Parámetros teóricos a cada metro del contrapeso, resistencia e inductancia calculada y rangos admisibles del valor de capacitancia Tabla 5.3 Parámetros por etapa de resistencia, inductancia y capacitancia usados en la simulación de la respuesta transitoria del contrapeso Tabla 5.4 Parámetros teóricos del contrapeso tipo cruz, resistencia total del arreglo e inductancia de cada brazo y rangos admisibles del valor de capacitancia Tabla 5.5 Parámetros por etapa de resistencia, inductancia y capacitancia usados en la simulación de la respuesta transitoria del contrapeso tipo cruz Tabla 5.6 Parámetros teóricos de la jabalina, resistencia e inductancia calculada y rangos admisibles del valor de capacitancia Tabla 5.7 Parámetros de resistencia, inductancia y capacitancia usados en la simulación de la respuesta transitoria de la jabalina xi

12 APÉNDICE A Tabla A. 1 Coeficientes del método de la pendiente [14] APÉNDICE B Tabla B. 1 Resistencia medida y resistividad aparente, del eje paralelo y diagonal de la zona nº1, aplicación método de Wenner. 89 Tabla B. 2 Resistencia de puesta a tierra medida del contrapeso, para la aplicación del método de caída de potencial. 90 APÉNDICE C Tabla C. 1 Resistencia medida y resistividad aparente, del eje paralelo y diagonal de la zona nº2, aplicación método de Wenner Tabla C. 2 Resistencia de puesta a tierra medida del contrapeso tipo cruz, para la aplicación del método de la pendiente APÉNDICE D Tabla D. 1 Resistencia medida y resistividad aparente, del eje paralelo y diagonal de la zona nº3, aplicación método de Wenner Tabla D. 2 Resistencia de puesta a tierra medida de la jabalina, para la aplicación del método de caída de potencial xii

13 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1.1 Corriente longitudinal y corriente de dispersión en un electrodo enterrado [1] Figura 1.2 Circuito equivalente de una varilla de tierra vertical: a) circuito equivalente de baja frecuencia, b) circuito RLC de parámetros concentrados en alta frecuencia [1]... 5 Figura 1.3 Circuito de parámetros distribuidos de alta frecuencia [13] Figura 1.4 Impedancia de un electrodo horizontal ante un impulso de baja magnitud de corriente. Comportamiento experimental [17] Figura 2.1 Etapas de funcionamiento de un generador de impulsos portátil Figura 2.2 Esquema del circuito multiplicador de Greinacher de dos etapas [20] Figura 2.3 Esquema del circuito multiplicador de Greinacher de dos etapas. a) Polaridad negativa, carga de C_1. b) Polaridad positiva, carga de C_2. c) Polaridad negativa, carga de C_3. d) Polaridad positiva, carga de C_ Figura 2.4 Esquema del circuito multiplicador de Cockroft-Walton de múltiples etapas [9].. 17 Figura 2.5 Conexión de la fuente DC con el banco de carga Figura 2.6 Conexión del banco de con el banco de carga Figura 2.7 Pieza metálica en forma de L Figura 2.8 Pieza metálica en forma de L, placa y esfera Figura 2.9 Conexión del banco de carga con la fuente DC Figura 2.10 Conexión del banco de carga con el objeto de prueba Figura 2.11 Paso intermedio, banco de carga en abierto Figura 2.12 Dispositivo de maniobra, vista frontal Figura 2.13 Dispositivo de maniobra, vista superior Figura 2.14 Generador de impulsos Figura 3.1 Disposición espacial del contrapeso y el contrapeso tipo cruz [7] Figura 3.2 Dimensiones de la jabalina enterrada Figura 3.3 Zona de ubicación de los arreglos de puesta a tierra 1 y 2 [21] xiii

14 Figura 3.4 Ubicación de los postes que contienen los arreglos de PAT a estudiar con respecto a los laboratorios aledaños Figura 3.5 Ubicación de la jabalina (arreglo n 3) [21] Figura 3.6 Ubicación de la jabalina, espaciamiento exacto con respecto a sus alrededores [8] Figura 3.7 Ubicación de las zonas n 1 y n 2 la para la medición de resistividad Figura 3.8 Ubicación de la zona n 3 para la medición de resistividad Figura 3.9 Conexión para el método de caída de potencial [22] Figura 3.10 Identificación real de los puntos de conexión para la medición de resistencia de puesta a tierra en el contrapeso, por el método de caída de potencial Figura 3.11 Identificación real de los puntos de conexión para la medición de resistencia de puesta a tierra en el contrapeso tipo cruz, por el método de caída de potencial Figura 3.12 Identificación real de los puntos de conexión para la medición de resistencia de puesta a tierra en la jabalina, por el método de caída de potencial Figura 3.13 Esquema de la preparación para la medición de impedancia dinámica Figura 3.14 Esquema de los pasos a seguir para la medición de la impedancia dinámica Figura 3.15 Esquema del procesamiento de datos, para la obtención del comportamiento de la impedancia dinámica Figura 3.16 Esquema de conexión de los terminales negativos de la fuente y el banco de carga, con el electrodo de retorno de corriente de la PAT. Usando el generador de impulsos Figura 3.17 Esquema de conexión de los terminales positivos de la fuente y el banco de carga con el dispositivo de maniobra, y conexión de la PAT con dicho dispositivo. Usando el generador de impulsos Figura 3.18 Esquema de conexión del shunt de corriente con el conductor de descarga, y la punta de tensión con el punto de acceso de la PAT. Usando el generador de impulsos Figura 3.19 Esquema de conexión del punto de referencia de tensión del osciloscopio, y se ajusta la tensión del banco de carga. Usando el generador de impulsos Figura 3.20 Esquema de conexión de la descarga usando el dispositivo de maniobra y la obtención de las señales de tensión y corriente. Usando el generador de impulsos xiv

15 Figura 3.21 Obtención de las señales de tensión y corriente en el osciloscopio Figura 3.22 Señales de tensión y corriente obtenidas, y gráfica del comportamiento dinámico del arreglo en estudio Figura 3.23 Identificación real de los puntos de conexión para la medición de impedancia transitoria en el contrapeso Figura 3.24 Identificación real de los puntos de conexión para la medición de impedancia transitoria en el electrodo tipo cruz Figura 3.25 Identificación real de los puntos de conexión para la medición de impedancia transitoria en la jabalina Figura 3.26 Comportamiento de la impedancia de un contrapeso enterrado con un valor de resistencia en 60 Hz de 14.6Ω, al ser sometida a un impulso de tensión de 520V Figura 3.27 Comportamiento por segmentado de la impedancia de un contrapeso de resistencia en 60 Hz de 14.6Ω Figura 4.1 Presentación de resultados de resistividad, resistencia, impedancia transitoria e impedancia construida cada arreglo estudiado, en orden de aparición Figura 4.2 Curva de resistencia de puesta a tierra del contrapeso Figura 4.3 Comportamiento de la impedancia del contrapeso en función de la frecuencia, ante una descarga de: a) 520V, 500µs y 9.4µF b) 1kV, 250µs y 4.7µF Figura 4.4 Comportamiento de la impedancia del contrapeso en función de la frecuencia, ante una descarga de 1kV: a) 100µs y 1.567µF b) 50µs y 522nF Figura 4.5 Comportamiento de la impedancia del contrapeso en función de la frecuencia, ante una descarga de 1kV, a) 50µs y 261nF. b) 25µs y 94nF Figura 4.6 Comportamiento seccionado de la impedancia del contrapeso Figura 4.7 Comportamiento de la impedancia del contrapeso tipo cruz en función de la frecuencia, ante una descarga de 1kV: a) 250µs y 9.4µF. b) 250µs y 4.7µF Figura 4.8 Comportamiento de la impedancia del contrapeso tipo cruz en función de la frecuencia, ante una descarga de 1kV: a) 100µs y 1.567µF. b) 100µs y 522nF Figura 4.9 Comportamiento de la impedancia del contrapeso tipo cruz en función de la frecuencia, ante una descarga de 1kV: a) 50µs y 261nF. b) 50µs y 94nF xv

16 Figura 4.10 Comportamiento seccionado de la impedancia del contrapeso tipo cruz Figura 4.11 Curva de resistencia de puesta a tierra de la jabalina Figura 4.12 Comportamiento de la impedancia de la jabalina tipo cruz en función de la frecuencia, ante una descarga de: a) 950V, 5ms y 9.4µF. b) 1kV, 2.5ms y 4.7µF Figura 4.13 Comportamiento de la impedancia de la jabalina tipo cruz en función de la frecuencia, ante una descarga de 1kV: a) 1ms y 1.567µF. b) 250µs y 522nF Figura 4.14 Comportamiento de la impedancia de la jabalina tipo cruz en función de la frecuencia, ante una descarga de 1kV: a) 100µs y 261nF. b) 50µs y 94nF Figura 4.15 Comportamiento seccionado de la impedancia de la jabalina Figura 5.1 Circuito de 16 etapas para la modelación de la respuesta transitoria del contrapeso en ATP [5] Figura 5.2 Simulación del comportamiento transitorio del contrapeso en régimen frecuencial, con acercamiento hasta un Mhz Figura 5.3 Respuesta transitoria real del contrapeso en régimen frecuencial Figura 5.4 Circuito para la modelación de la respuesta transitoria del contrapeso tipo cruz en ATP Figura 5.5 Simulación del comportamiento transitorio del contrapeso tipo cruz en régimen frecuencial Figura 5.6 Respuesta transitoria real del contrapeso tipo cruz en régimen frecuencial Figura 5.7 Circuito para la modelación de la respuesta transitoria de la jabalina en ATP [5]. 68 Figura 5.8 Simulación del comportamiento transitorio de la jabalina en régimen frecuencial.69 Figura 5.9 Respuesta transitoria real de la jabalina en régimen frecuencial APÉNDICE A Figura A. 1 Configuración Wenner para medición de resistividad del suelo Figura A. 2 Curva típica de resistividad [14] Figura A. 3 Esquema para la medición de resistencia de puesta a tierra [14] xvi

17 Figura A. 4 Curva de resistencia de PAT usando el método de caída de potencial Figura A. 5 Curvas de resistencia de PAT usando el método de caída de potencial [14] Figura A. 6 Generador de impulsos de corriente [26] Figura A. 7 Forma de onda del impulso de corriente [11] Figura A. 8 Circuito para la medición de impedancia transitoria [26] Figura A. 9 Esquema de aplicación de la transformada de Fourier a las señales de tensión y corriente, y el cálculo de impedancia en función de la frecuencia APÉNDICE B Figura B. 1 Curva de resistividades aparentes de las mediciones en dos ejes distintos de la zona nº Figura B. 2 Tensión y corriente vs el tiempo del contrapeso, ante una descarga de 520V, a partir de un banco de 9.4µF y usando un tiempo de muestreo de 500µs Figura B. 3 Comportamiento de la impedancia del contrapeso en función de la frecuencia, ante una descarga de 520V, partir de un banco de 9.4µF y usando un tiempo de muestreo de 500µs Figura B. 4 Tensión y corriente vs el tiempo del contrapeso, ante una descarga de 1000V, a partir de un banco de 4.7µF y usando un tiempo de muestreo de 250µs Figura B. 5 Comportamiento de la impedancia del contrapeso en función de la frecuencia, ante una descarga de 1000V, partir de un banco de 4.7µF y usando un tiempo de muestreo de 250µs Figura B. 6 Tensión y corriente vs el tiempo del contrapeso, ante una descarga de 1000V, a partir de un banco de 1.567µF y usando un tiempo de muestreo de 100µs Figura B. 7 Comportamiento de la impedancia del contrapeso en función de la frecuencia, ante una descarga de 1000V, partir de un banco de 1.567µF y usando un tiempo de muestreo de 100µs Figura B. 8 Tensión y corriente vs el tiempo del contrapeso, ante una descarga de 1000V, a partir de un banco de 522nF y usando un tiempo de muestreo de 50µs xvii

18 Figura B. 9 Comportamiento de la impedancia del contrapeso en función de la frecuencia, ante una descarga de 1000V, partir de un banco de 522nF y usando un tiempo de muestreo de 50µs Figura B. 10 Tensión y corriente vs el tiempo del contrapeso, ante una descarga de 1000V, a partir de un banco de 261nF y usando un tiempo de muestreo de 50µs Figura B. 11 Comportamiento de la impedancia del contrapeso en función de la frecuencia, ante una descarga de 1kV, con un banco de 261nF, usando un tiempo de muestreo de 50µs Figura B. 12 Tensión y corriente vs el tiempo del contrapeso, ante una descarga de 1000V, a partir de un banco de 94nF y usando un tiempo de muestreo de 25µs Figura B. 13 Comportamiento de la impedancia del contrapeso en función de la frecuencia, ante una descarga de 1000V, con un banco de 94nF y usando un tiempo de muestreo de 25µs Figura B. 14 Comportamiento seccionado de la impedancia del contrapeso, acercamiento APÉNDICE C Figura C. 1 Curva de resistividades aparentes de las mediciones en dos ejes distintos de la zona nº Figura C. 2 Curva de resistencia de puesta a tierra del contrapeso tipo cruz Figura C. 3 Tensión y corriente vs el tiempo del contrapeso tipo cruz, ante una descarga de 1000V, a partir de un banco de 9.4µF y usando un tiempo de muestreo de 250µs Figura C. 4 Comportamiento de la impedancia del contrapeso tipo cruz en función de la frecuencia, ante una descarga de 1000V, partir de un banco de 9.4µF y usando un tiempo de muestreo de 250µs Figura C. 5 Tensión y corriente vs el tiempo del contrapeso tipo cruz, ante una descarga de 1000V, a partir de un banco de 4.7µF y usando un tiempo de muestreo de 250µs Figura C. 6 Comportamiento de la impedancia del contrapeso tipo cruz en función de la frecuencia, ante una descarga de 1000V, partir de un banco de 4.7µF y usando un tiempo de muestreo de 250µs Figura C. 7 Tensión y corriente vs el tiempo del contrapeso tipo cruz, ante una descarga de 1000V, a partir de un banco de 1.567µF y usando un tiempo de muestreo de 100µs xviii

19 Figura C. 8 Comportamiento de la impedancia del contrapeso tipo cruz en función de la frecuencia, ante una descarga de 1000V, partir de un banco de 1.567µF y usando un tiempo de muestreo de 100µs Figura C. 9 Tensión y corriente vs el tiempo del contrapeso tipo cruz, ante una descarga de 1000V, a partir de un banco de 522nF y usando un tiempo de muestreo de 100µs Figura C. 10 Comportamiento de la impedancia del contrapeso tipo cruz en función de la frecuencia, ante una descarga de 1000V, partir de un banco de 522nF y usando un tiempo de muestreo de 100µs Figura C. 11 Tensión y corriente vs el tiempo del contrapeso tipo cruz, ante una descarga de 1000V, a partir de un banco de 261nF y usando un tiempo de muestreo de 50µs Figura C. 12 Comportamiento de la impedancia del contrapeso tipo cruz en función de la frecuencia, ante una descarga de 1000V, partir de un banco de 261nF y usando un tiempo de muestreo de 50µs Figura C. 13 Tensión y corriente vs el tiempo del contrapeso tipo cruz, ante una descarga de 1000V, a partir de un banco de 94nF y usando un tiempo de muestreo de 50µs Figura C. 14 Comportamiento de la impedancia del contrapeso tipo cruz en función de la frecuencia, ante una descarga de 1000V, partir de un banco de 94nF y usando un tiempo de muestreo de 50µs Figura C. 15 Comportamiento seccionado de la impedancia del contrapeso tipo cruz, acercamiento APÉNDICE D Figura D. 1 Curva de resistividades aparentes del suelo de la zona nº Figura D. 2 Tensión y corriente vs el tiempo de la jabalina, ante una descarga de 950V, a partir de un banco de 9.4µF y usando un tiempo de muestreo de 5ms Figura D. 3 Comportamiento de la impedancia de la jabalina en función de la frecuencia, ante una descarga de 950V, partir de un banco de 9.4µF y usando un tiempo de muestreo de 5ms xix

20 Figura D. 4 Tensión y corriente vs el tiempo de la jabalina, ante una descarga de 1000V, a partir de un banco de 4.7µF y usando un tiempo de muestreo de 2.5ms Figura D. 5 Comportamiento de la impedancia de la jabalina en función de la frecuencia, ante una descarga de 1000V, partir de un banco de 4.7µF y usando un tiempo de muestreo de 2.5ms Figura D. 6 Tensión y corriente vs el tiempo de la jabalina, ante una descarga de 1000V, a partir de un banco de 1.567µF y usando un tiempo de muestreo de 1ms Figura D. 7 Comportamiento de la impedancia de la jabalina en función de la frecuencia, ante una descarga de 1000V, partir de un banco de 1.567µF y usando un tiempo de muestreo de 1ms Figura D. 8 Tensión y corriente vs el tiempo de la jabalina, ante una descarga de 1000V, a partir de un banco de 522nF y usando un tiempo de muestreo de 250µs Figura D. 9 Comportamiento de la impedancia de la jabalina en función de la frecuencia, ante una descarga de 1000V, partir de un banco de 522nF y usando un tiempo de muestreo de 250µs Figura D. 10 Tensión y corriente vs el tiempo de la jabalina, ante una descarga de 1000V, a partir de un banco de 261nF y usando un tiempo de muestreo de 100µs Figura D. 11 Comportamiento de la impedancia de la jabalina en función de la frecuencia, ante una descarga de 1000V, partir de un banco de 261nF y usando un tiempo de muestreo de 100µs Figura D. 12 Tensión y corriente vs el tiempo de la jabalina, ante una descarga de 1000V, a partir de un banco de 94nF y usando un tiempo de muestreo de 50µs Figura D. 13 Comportamiento de la impedancia de la jabalina en función de la frecuencia, ante una descarga de 1000V, partir de un banco de 94nF y usando un tiempo de muestreo de 50µs Figura D. 14 Comportamiento seccionado de la impedancia de la jabalina xx

21 LISTA DE SÍMBOLOS R L C εr εo Resistencia Inductancia Capacitancia Permitividad relativa Permitividad en el vacío µr Permeabilidad magnética relativa µo Permeabilidad en el vacío l Hz µf Resistividad Longitud Hertz micro Faradios µh micro Henrios xxi

22 LISTA DE ABREVIATURAS PAT IEEE ATP DC AC Puesta a tierra Instituto de Ingenieros Electricistas y Electrónicos (Institute of Electrical and Electronics Engineers) Programa de transitorios electromagnéticos Corriente directa Corriente alterna xxii

23 INTRODUCCIÓN El uso de sistemas de puestas a tierra es cada vez más relevante al momento de garantizar la seguridad del personal y los equipos eléctricos encargados del funcionamiento de casi cualquier instalación eléctrica en el mundo, como subestaciones, salas de mando, plantas industriales, líneas de transmisión, carcasas de equipos, entre otras. Dentro de los objetivos de diseño de un sistema de puesta a tierra se pueden resumir los más importantes: drenar a tierra las corrientes de falla, controlar potenciales de toque y paso, disipar corrientes provenientes de descargas atmosféricas. Ante este último criterio mencionado, cabe destacar que las descargas atmosféricas son fenómenos eléctricos de gran energía y muy corta duración, por lo que se pueden generar peligrosas elevaciones transitorias de tensión en las estructuras que impacten, comprometiendo la seguridad de los equipos y las personas que operan en las cercanías de la estructura afectada. En el caso de líneas áreas de transmisión, que son las estructuras naturalmente más expuestas a la posibilidad de una descarga atmosférica, se sabe que ante una sobretensión de este tipo se pueden originar fallas por back flashover (descargas retroactivas), siendo esta una de las razones más comunes de las indeseadas salidas no programadas de servicio de líneas de transmisión y distribución. Por ello es importante, un buen diseño de PAT ante estos casos. Como las descargas atmosféricas son fenómenos transitorios por su corta duración, estas producen señales de alta frecuencia, por lo que las componentes inductivas y capacitivas de la impedancia de puesta a tierra deben ser tomadas en cuenta para describir el comportamiento del conjunto y ser estudiado en régimen dinámico. Por esta razón, nace el objetivo de este trabajo: estudiar el comportamiento de arreglos simples de electrodos de puesta a tierra, en régimen transitorio. El presente trabajo se desarrolla con base a los aportes a la literatura hechos en décadas anteriores, por autores como Sunde [3], Dwight [4], Rudenberg [6] en el estudio y la modelación de los parámetros eléctricos de los arreglos de puestas a tierra. Además de contar con el aporte físico de arreglos simples de puesta tierra ya instalados para la elaboración de otros proyectos académicos [7] [8], y un equipo generador de impulsos portátil para el estudio de respuesta transitoria [9]. Para alcanzar el objetivo principal de este trabajo, se plantean los siguientes objetivos específicos:

24 2 - Evaluar y mejorar el generador de impulsos existente en el laboratorio de alta tensión de la Universidad Simón Bolívar. - Realizar los ensayos pertinentes para obtener la respuesta dinámica de cada arreglo bajo estudio. - Ajustar los resultados obtenidos experimentalmente del comportamiento dinámico, a los modelos circuitales existentes en la literatura relacionada con la modelación de arreglos de electrodos simples de puesta tierra. El alcance del estudio y las limitaciones del mismo, vendrán dadas por: - El estudio se realizará sobre arreglos de geometrías simples de electrodos ya existentes e instalados en las cercanías del laboratorio de Alta Tensión de la Universidad Simón Bolívar. - El rango de frecuencias de estudio, está limitada por una combinación del valor de la capacidad del banco de descarga del generador de impulsos y de la combinación de parámetros R, L y C del circuito bajo prueba. - La respuesta del modelo circuital se estudiará sin tomar en cuenta la ionización del suelo. El trabajo será presentado con la siguiente estructura: En el Capítulo 1 se definirá el concepto de impedancia dinámica, el cálculo de los parámetros que intervienen en su comportamiento para cada arreglo de electrodos a utilizar y la forma en que dicha impedancia puede ser modelada teóricamente. En el Apéndice A, se explica por qué para el cálculo de los parámetros R, L y C es necesario la medición de resistividad, resistencia estática e impedancia transitoria, y se detallada el procedimiento llevado a cabo en cada una de las medidas. El Capítulo 2, se dedica a la descripción del generador de impulsos usado para la prueba de impulso, el estado de funcionamiento en el que este se encontraba cuando se empezó a desarrollar este trabajo y posteriormente las adaptaciones y mejoras hechas sobre este equipo. Luego, en el Capítulo 3 se describen físicamente los electrodos a estudiar junto a su ubicación, además de explicarse con detalle el procedimiento de medición mencionado en el Apéndice A, indicando cuáles son los puntos de conexión de los equipos en la zona. En el capítulo 4 se presentan todos los resultados de los ensayos experimentales del trabajo. A partir de lo obtenido, se procede a realizar las simulaciones que se muestran en capítulo 5, junto con su análisis y comparando su comportamiento con el obtenido experimentalmente. Por último, se presentan las conclusiones y recomendaciones del proyecto de tesis.

25 CAPÍTULO 1 IMPEDANCIA DE PUESTA A TIERRA DINÁMICA Las fallas o perturbaciones que afectan a los sistemas de transmisión y distribución de energía como sobretensiones por maniobra, descargas atmosféricas, entre otras, se caracterizan por ser de tipo transitorio y sus frecuencias están en el orden de los cientos de khz hasta algunos MHz [10]. De los efectos de estas perturbaciones, los sistemas de puesta a tierra son vulnerables, por lo tanto este capítulo se dedica a la descripción del fenómeno transitorio. La impedancia de una puesta a tierra, viene dada por sus componentes resistivas, inductivas y capacitivas. Las componentes inductivas y capacitivas son las que caracterizan la impedancia, ya que dependen directamente de la frecuencia de la señal que alimente al arreglo, por lo que la impedancia dinámica no es un valor fijo, más bien se define como el comportamiento que describe una puesta a tierra ante una perturbación, es decir, para cada frecuencia que contenga la señal perturbadora, el arreglo de puesta a tierra tendrá un valor de impedancia Ohmios. La componente inductiva en grandes sistemas representa un mayor porcentaje de la impedancia total de puesta a tierra, ya que aunque el valor de resistencia de la misma suele ser de un valor pequeño, al realizar pruebas con inyección de corriente a altas frecuencias, en el orden de los khz, se puede encontrar un gran aumento del valor de la impedancia con respecto al de la resistencia en baja frecuencia [10] [11]. Lo que puede traducirse en elevaciones considerables de potencial de las estructuras con conexión a tierra ante ciertos eventos. Por lo tanto, estos aumentos de potencial, no pueden ser tomados en cuenta si se define la impedancia del arreglo como una resistencia, que es lo que normalmente se estila. Para el estudio de la respuesta transitoria, se debe plantear un modelo teórico que represente el comportamiento de la impedancia de puesta a tierra. Es conocido, que este estudio se puede llevar a cabo tanto en el régimen del temporal, como en el frecuencial. La respuesta en ambos dominios, es equivalente. Sin embargo, se plantea trabajar en el dominio de la frecuencia, ya que si se caracteriza la respuesta de un arreglo de electrodos en alta frecuencia con un modelo circuital, se puede contar con un circuito teórico cuyos parámetros R, L y C, describen el comportamiento de una puesta a tierra y este podría servir para estudiar otros eventos.

26 4 Al trabajar en régimen frecuencial, se cuenta con ventaja en facilidad de cálculos, ya que a nivel experimental, cuando un arreglo de electrodos al ser sometido a un estímulo transitorio, la obtención de su respuesta en frecuencia es relativamente simple, a partir del uso de la transformada de Fourier [12] [7]. Como también, se puede simular teóricamente la respuesta de un arreglo de puesta a tierra, sencillamente haciendo uso de herramientas como ATP [5], como lo han hecho otros autores [7] [13] en el pasado, obteniendo resultados validos. Cabe destacar que es posible estudiar la impedancia dinámica a partir de la inyección de impulsos de corriente del orden de los amperios, como se explicará en el próximo capítulo y se obtienen resultados aproximados al comportamiento real de la impedancia [14]. Modelo a utilizar La escogencia de un modelo matemático que permita estudiar la respuesta de los arreglos simples de electrodos de puesta a tierra en alta frecuencia, es uno de los puntos más importantes y determinantes de esta investigación, ya que el modelo a escoger va a definir hasta qué punto y con cuanta precisión se va a estudiar la respuesta transitoria de los arreglos electródicos. El modelo teórico debe ser capaz de dar una respuesta que se aproxime al comportamiento real de un electrodo en régimen dinámico, además de plantear el problema como uno de sencilla resolución. Los parámetros R, L y C que se deben tomar en cuenta en la aproximación teórica, se originan básicamente por la distribución de la corriente dentro del arreglo de puesta tierra. Donde el mecanismo de conducción de corriente viene dado por la componente de la corriente longitudinal y la corriente de dispersión, como se muestra en la Figura 1.1. La primera, es la corriente que va a circular a lo largo del electrodo, por lo que la corriente fluye a través de la resistencia propia del electrodo y su inductancia propia. Y la corriente de dispersión, se refiere a la corriente que se drena en el terreno, esta fluye del electrodo hacia el suelo, en dirección perpendicular al electrodo. Esta conducción es caracterizada por la resistencia y la capacitancia que describe el suelo, visto desde el electrodo [1]. Cabe mencionar que esta resistencia es la que definirá el valor de la impedancia en baja frecuencia.

27 5 Figura 1.1 Corriente longitudinal y corriente de dispersión en un electrodo enterrado [1]. Los modelos escogidos para el estudio del comportamiento dinámico de los arreglos simples de electrodos, son: el modelo de parámetros concentrados y el modelo de parámetros distribuidos. Modelo de parámetros concentrados Para configuraciones sencillas como una jabalina o varilla enterrada de corta longitud, se pueden tomar en cuenta la resistencia de la propia jabalina, la inductancia asociada a la longitud del electrodo y el efecto de la corriente de dispersión en el suelo con el modelo de la Figura 1.2. Figura 1.2 Circuito equivalente de una varilla de tierra vertical: a) circuito equivalente de baja frecuencia, b) circuito RLC de parámetros concentrados en alta frecuencia [1]. Donde en la parte b) de la figura se encuentra el modelo de parámetros concentrados, que describe el arreglo de puesta a tierra para ser estudiados en altas frecuencias y en la parte a) el

28 6 modelo con el que se suele describir a la impedancia de una jabalina en régimen estático que es básicamente una resistencia. Modelo de parámetros distribuidos Al estudiar arreglos de mayores longitudes, como varillas más largas o electrodos enterrados horizontalmente, no basta con solo tomar una R, una L y una C para caracterizar todo el circuito. Se necesitan varias etapas para describir la distribución de los efectos inductivos a lo largo del electrodo, así como también los efectos representados por las capacitancias, como se explicó al principio del capítulo. Por lo tanto, el modelo quedaría como se ve en la siguiente Figura 1.3. Figura 1.3 Circuito de parámetros distribuidos de alta frecuencia [13]. Este modelo se basa en la conexión continua de varios circuitos RLC, donde cada etapa nace a partir del modelo de parámetros concentrados, quedando así un circuito muy parecido a la aproximación de red o línea de transmisión, con la diferencia que el modelo de parámetros distribuidos simplificado a utilizar, tiene los mismos valores de R, L y C en cada etapa. Configuraciones de PAT simples a utilizar y determinación de sus parámetros En el estudio de régimen transitorio se utilizaron configuraciones electródicas simples, debido a la sencillez de sus geometrías y lo común de su uso, en la literatura relacionada con los sistemas de puesta a tierra hay un amplio estudio de estos tipos de arreglos, por lo que es viable su escogencia. Los arreglos de electrodos seleccionados a usar, fueron: una jabalina corta, un contrapeso y un contrapeso tipo cruz.

29 7 Los valores de R, L y C de cada configuración de electrodos, va a depender tanto de su geometría como del medio en el que se encuentran. Por lo que es importante definir los parámetros que caracterizan al suelo, estos son: la resistividad, la permeabilidad magnética y la permitividad eléctrica [2]. La resistividad del suelo es la propiedad que tiene éste, para conducir electricidad, también conocida como la resistencia específica del terreno, se expresa en Ω.m [2]. También puede ser interpretada como la resistencia entre dos lados opuestos de un cubo unitario de suelo. Su medición será explicada en el Apéndice A. La permeabilidad magnética es la capacidad que posee un medio para atraer y dejar pasar campo magnético a través de sí. Es una medida que nos proporciona su capacidad de almacenar energía magnética y solo los medios de composición ferromagnética tienen esta capacidad, el resto de los materiales no son capaces de almacenar esta energía [15]. La permeabilidad absoluta es definida como una relación entre una constante y la permeabilidad del vacío: µ = µ r µ µ 0 = 4π Donde: µ- Permeabilidad magnética absoluta (H/m). µ r Permeabilidad relativa (adimensional). µ 0 - Permeabilidad del vacío (H/m). La permitividad eléctrica es la capacidad de polarización que presenta un medio ante la presencia de un campo eléctrico. También podemos definirla como la capacidad que presenta un condensador de placas paralelas de 1m2 de superficie, separadas por un cubo de 1m de lado de material del medio considerado y que se mediría en F/m [15]. Al igual que hemos visto en la permeabilidad magnética, también debemos considerar tres valores; la constante relativa del medio, la constante relativa del vacío y el valor absoluto de la permitividad, de la siguiente manera: ε = ε r ε 0 1.3

30 8 ε 0 = 8,854x Donde: ε - Permitividad eléctrica absoluta (F/m). ε r Permitividad relativa (adimensional). ε 0 - Permitividad del vacío (F/m). Conociendo esto, se definen las ecuaciones de los parámetros R, L y C para cada arreglo bajo estudio según la literatura analizada [3] [4] [16]. a.- Jabalina Resistencia: Depende de la geometría del electrodo y de la resistividad del terreno, según Sunde [3]. R = ρ 4L [(ln 2πL a ) 1] 1.5 Capacitancia: Este valor puede ser calculado a partir de la resistencia si se conoce el valor de permitividad relativa, de acuerdo a Sunde [3]. C = ρε R 1.6 Quedando la capacitancia expresada como: C = 2πεL (ln 4L a ) 1 (F) 1.7 Inductancia: En concordancia con Sunde [3], si se conoce la permeabilidad relativa, se obtiene:

31 9 L = µl 4L [(ln ) 1] (H) 1.8 2π a Donde: L Longitud del electrodo enterrado (m). ρ Resistividad del suelo ( m ε Permitividad eléctrica del suelo (F/m). µ - Permeabilidad magnética del suelo (H/m). a Radio del electrodo (m). b.- Contrapeso De acuerdo a Dwight [4], sobre un conductor de longitud L, radio a, enterrado a una profundidad h, enterrado horizontalmente en un suelo uniforme de resistividad ρ y siendo la longitud del electrodo mucho mayor a su radio. Puede ser conseguida su resistencia a través de: R = 2L [(ln ) 1] (Ω) 1.9 πl 2ah Si se quiere la conductancia transversal distribuida por unidad de longitud, se tiene: G = π 1 ln( 2L 2ah ) 1 (1/m.Ω) 1.10 La inductancia (por unidad de longitud) según Dwight [4], esta se define a partir: L = µ 2L [ln ( ) 1] (H/m) 1.11 π 2ah Se sabe de la relación que hay entre la resistencia y la capacitancia a partir de la ecuación 1.6, por lo que la capacitancia distribuida del contrapeso por unidad de longitud está dada por:

32 10 C = επ ln( 2L 2ah ) 1 (F/m) 1.12 Donde: L Longitud del conductor enterrado (m). h Profundidad a la que se encuentran enterrados los cables (m). a Radio del electrodo o conductor (m). ρ Resistividad del suelo ( m ε Permitividad eléctrica del suelo (F/m). µ - Permeabilidad magnética del suelo (H/m). c.- Contrapeso tipo cruz Este consiste en dos cables cruzados a 90º (estrella de cuatro puntas), de longitud 2L. Resistencia: Su valor total viene dado por la siguiente ecuación [16]: R = ρ 8πL 4L2 [(ln ) + 2,9 2,14 h h2 2, dh L L 2 Sin embargo, por lo modelos ya estudiados, es conocido que este arreglo debe ser estudiado con un circuito de parámetros distribuidos y se sabe que por la simetría del arreglo del contrapeso tipo cruz, y para la sencillez de cálculos, se puede hacer una aproximación del circuito si este es analizado como una combinación de cuatro contrapesos sencillos conectados todos en un punto común, diciendo que cada brazo corresponde a un contrapeso tipo látigo de la misma longitud. Así, el valor de resistencia por cada brazo será calculado a partir de la ecuación 1.9. Por lo tanto, se plantea estudiar el caso del contrapeso tipo cruz como cuatro contrapesos en paralelo, porque si bien es importante estudiar el sistema de puesta a tierra como un todo, también es necesario separar la conexión del circuito en partes más pequeñas para poder

33 11 caracterizar sus parámetros de manera más sencilla en vez de escoger valores únicos de R, L y C para todo el arreglo. Donde: L Longitud de cada brazo del conductor (m). h Profundidad a la que se encuentran enterrados los cables (m). ρ Resistividad del suelo ( m Ejemplo de la respuesta dinámica de un electrodo ante descargas atmosféricas Como en este trabajo, se van estudiar arreglos electródicos de puesta a tierra simples, entre ellos verticales y horizontales de distintas longitudes, es necesario destacar que los electrodos horizontales se caracterizan por poseer una longitud mayor que los verticales, por lo que su constante de tiempo inductiva crece considerablemente ya que la misma depende de su longitud al cuadrado y se puede hacer comparable con el tiempo de frente de las ondas de impulso provocadas por los rayos. Esto es importante mencionarlo, ya que el comportamiento transitorio de un arreglo simple de puesta a tierra puede ser altamente influenciado por la impedancia característica. En alta frecuencia puede ser definida como: Z c = L C 1.14 Cuando una descarga atmosférica entra en contacto con un arreglo de puesta a tierra, el valor de la impedancia de arreglo de puesta a tierra corresponde inicialmente al valor de la impedancia característica. A medida que la onda de impulso viaja por el conductor enterrado, el valor inicial de la impedancia va cambiando hasta alcanzar el valor de la resistencia de puesta a tierra de 60 Hz. Si el valor de la impedancia característica (Z c ) es mayor que la resistencia en baja frecuencia (R lf ), el valor de la impedancia disminuirá. Por el contrario, si Z c < R lf, el valor de la impedancia aumentará a medida que la onda de impulso se desplace por el electrodo. Para ilustrar lo ya explicado, se usa un ensayo experimental extraído del artículo [17]. El caso de un electrodo de 30m de largo, 0.005m de radio y enterrado 0.3m horizontalmente, que es sometido a un impulso de baja corriente en cuatro casos de estudio, en cada caso, el electrodo

34 12 se encuentra enterrado en un suelo de distinta resistividad, obteniéndose el comportamiento de la Figura 1.4. En dicha figura se puede observar que, para las dos resistividades más bajas, el valor de resistencia de baja frecuencia es menor que la impedancia característica porque el valor de impedancia tiene a disminuir. Para las resistividades más grandes, el valor de la impedancia tiende a aumentar a medida que pasa el tiempo ya que la resistencia de baja frecuencia es mayor a la impedancia característica del arreglo, caso indeseado. Adicionalmente, se observa que la impedancia inicial es similar para todos los casos, correspondiendo a la impedancia característica. Figura 1.4 Impedancia de un electrodo horizontal ante un impulso de baja magnitud de corriente. Comportamiento experimental [17]. Se desea, que la impedancia del arreglo disminuya a medida que la onda de impulso viaja por el electrodo, para poder así atenuar la sobretensión que se pueda generar en la puesta a tierra. Sin embargo, también es importante el tiempo que tarda la sobretensión en atenuarse. Ya que un electrodo de mucha longitud puede abarcar gran extensión de terreno asegurando gran superficie de contacto con el suelo, pero esto no representa toda la solución al problema, debido a que también es importante evaluar la respuesta transitoria en tiempo. Un electrodo muy largo, necesita más tiempo para atenuar una sobretensión que un electrodo corto, por lo que puede ser beneficioso usar arreglos conformados por varios

35 13 electrodos cortos conectados entre sí que garanticen bajos valores de resistencia, asegurando buen contacto con el suelo y buscando mejorar el tiempo de atenuación de sobretensiones por su corta longitud. Además, que electrodos cortos se traducen en menor componente inductiva y mayor componente capacitiva, y estas a su vez definen la impedancia característica de un arreglo 1.14, por lo que puede ser definitorio su escogencia. Pero existen casos, en el que los suelos son de naturaleza altamente resistiva, por ello, se ve muy limitada la reducción que pueda llegar a tener la resistencia de puesta a tierra del arreglo al variar su geometría, ver arreglo de mayor resistividad en la Figura 1.4. Por lo que no se puede o es muy difícil cumplir la condición de Z c > R lf, en este caso se prefieren electrodos largos que prolonguen el tiempo en el que valor de la impedancia del arreglo se asemeje al valor de impedancia característica, para atenuar la sobretensión antes de que la impedancia llegue a su valor más alto. Por último, cabe estacar que la impedancia de un arreglo depende también de las características del suelo en el que este se encuentra. Implementación del modelo en ATP Se hará uso del programa de simulación ATP [5] para hallar la respuesta de los distintos arreglos simples de puesta a tierra, utilizando los modelos de parámetros concentrados y distribuidos escogidos según sea el caso. Con el fin de ajustar los parámetros circuitales, especialmente la capacitancia, hasta obtener un comportamiento del modelo teórico muy similar a la respuesta obtenida experimentalmente, para cada una de las configuraciones de electrodos sometidas a impulsos. El ATP, permite la elaboración de circuitos R, L y C de valores variables. Además de poder graficar distintas variables como tensión y corriente tanto en tiempo como en régimen frecuencial. Pudiendo así, simular la respuesta transitoria de un modelo circuital, en un rango de frecuencias determinado.

36 CAPÍTULO 2 GENERADOR DE IMPULSOS Es posible generar señales de alta frecuencia de distintas maneras, sin embargo, al usar una señal tipo impulso se puede obtener una excitación a un circuito cualquiera con alto contenido en frecuencia, en concreto, frecuencias en el orden de los khz y hasta los MHz, los cuales representan el rango de interés en estudio de este trabajo. Además, la sencillez con la que se generan este tipo de ondas se puede traducir en versatilidad de las medidas y portabilidad de los equipos. El laboratorio de alta tensión de la Universidad Simón Bolívar, cuenta con un generador de impulsos portátil de 5.5kV, ideal para realizar pruebas en régimen transitorio, necesarias para alcanzar el objetivo de este proyecto. Sin embargo, este equipo generador cuenta con más de 20 años de operación, desde su creación en el año 1994 [9]. Aunque el equipo se encuentra en funcionamiento actualmente, presenta ciertos deterioros y limitaciones que deben ser atendidas, por lo que este capítulo se dedicará a detallar el estado del equipo, las mejoras propuestas y los acondicionamientos realizados sobre este durante la realización de este trabajo. Primero explicando los fundamentos del funcionamiento de dicho equipo. Etapas de un generador de impulsos portátil El generador de impulsos tiene básicamente 4 etapas, en el orden en el que se muestran en la Figura 2.1. Figura 2.1 Etapas de funcionamiento de un generador de impulsos portátil.

37 15 a.- Fuente AC de energía Para un generador portátil se necesita una fuente de energía confiable, fácil de hallar y controlable, por eso se hace uso de un reóstato y una fuente de 60Hz, tensión que a su vez pasa por un transformador elevador de voltaje con el que se pueden obtener hasta 420V a la salida. b.- Rectificación de tensión Debido a la necesidad de pasar de tensión alterna a continua, de elevar la tensión a los miles de voltios y sabiendo que elevar altos valores de tensión en AC conlleva el uso de transformadores pesados y de gran tamaño por el aislamiento requerido, se opta por trabajar con rectificadores duplicadores de tensión basados en el uso de dos componentes básicamente: diodos y capacitores. Unos de los circuitos elevadores de tensión más usados es el de Cockroft- Walton, que se origina como una varianza o complemento del circuito duplicador de Greinacher, inventado en los años 20 [18]. El circuito multiplicador de tensión Cockcroft-Walton, convierte corriente alterna de un nivel bajo de tensión a un nivel de voltaje continuo mucho más alto. A partir de una red de escalera multiplicadora de voltaje de condensadores y diodos para generar alta tensión. A diferencia de los transformadores, este método elimina el requisito de un núcleo pesado y la mayor parte de aislamiento. Usando sólo condensadores y diodos en cascada, estos multiplicadores de voltaje pueden subir tensiones relativamente bajas a valores extremadamente altos, al mismo tiempo son mucho más ligeros y más baratos que los transformadores [19]. Para explicar el funcionamiento de un multiplicador de tensión, en la Figura 2.2 se muestra como ejemplo un circuito de Greinacher de dos etapas. Siendo el circuito alimentado por una tensión alterna V i con un valor pico de V p. Al alimentar el circuito se obtiene: Cuando la tensión de entrada V i alcanza su pico negativo - V p, la corriente fluye a través del diodo D 1 para cargar el condensador C 1 a un voltaje de V p, Figura 2.3.a.

38 16 Cuando V i invierte la polaridad y alcanza su pico positivo + V p, se suma a la tensión del condensador con la fuente para producir una tensión de 2V p en la placa derecha de C 1 con respecto a tierra. En la Figura 2.3.b se observa como D 1 queda abierto y la corriente fluye desde C 1 a través del diodo D 2, cargando el condensador C 2 a una tensión de 2V p. Cuando V i vuelve a invertir la polaridad, se puede ver en la Figura 2.3.c, que la corriente de C 2 fluye a través del diodo D 3, cargando al condensador C 3 también a una tensión de 2V p. Cuando V i vuelve a invertir la polaridad, la corriente de C 3 fluye a través del diodo D4, el condensador de carga C 4 también a una tensión de 2V p. Como se observa en la Figura 2.3.d. Figura 2.2 Esquema del circuito multiplicador de Greinacher de dos etapas [20]. Figura 2.3 Esquema del circuito multiplicador de Greinacher de dos etapas. a) Polaridad negativa, carga de C_1. b) Polaridad positiva, carga de C_2. c) Polaridad negativa, carga de C_3. d) Polaridad positiva, carga de C_3.

39 17 Así, se van cargando los capacitores hasta obtener una tensión DC de V o = 4V p en la salida, porque C 2 y C 4 están en serie entre salida y el punto de tierra. Este circuito se puede extender a cualquier número de etapas. El voltaje de salida es el doble de la tensión de entrada de pico multiplicada por el número de etapas N, por lo que la tensión genérica de salida sería V o = 2NV p. Es importante destacar, que la clave para la multiplicación de voltaje es que mientras los condensadores se cargan en paralelo, se conectan a la carga en serie. Pudiendo generar tanta tensión como etapas se tengan disponibles. Partiendo de lo ya estudiado, se sabe que si se agrega otro juego de diodos y condensadores al otro lado del circuito de la Figura 2.2, se obtiene el circuito rectificador de Cockroft-Walton de onda completa. En este caso, se mostrará en la Figura 2.4 el rectificador CW asimétrico, el cual fundamenta el funcionamiento del equipo existente en el laboratorio de alta tensión [9]. Figura 2.4 Esquema del circuito multiplicador de Cockroft-Walton de múltiples etapas [9]. Cada condensador de un circuito CW debe soportar una tensión directa igual que el doble del valor pico de la tensión alterna de entrada de las columnas de alimentación. Cada diodo

40 18 debe soportar una tensión en sentido inverso, igual al doble del pico de la tensión alterna de suministro. También debe permitir el paso de la corriente I p que circula por el transformador mientras se cargan, cada medio ciclo, los condensadores de las columnas [9]. Las ecuaciones aproximadas del valor medio aritmético V dc de la tensión directa de salida y del factor r de rizado (que es la razón del valor pico V r de la tensión alterna de rizado al valor V dc ), suponiendo que todos los valores de capacitancia son iguales: V dc = 2N 2V rms (I dc /fc)[ N3 6 + N2 4 + N 3 ] 3.1 r = (I dc /(V dc fc)) N La tensión V dc y el factor r de rizado en vacío se obtienen haciendo I dc = 0. Donde: C: Condensador en Faradios. N: Número de etapas del multiplicador. Una etapa está formada por dos diodos y tres condensadores C. a: La tensión alterna secundaria (respecto a la toma central) debe tener un valor V rms superior V rms min = (2 r 3 ) ( 3 2r ) ( V dc 2 ) 3.3 La ecuación del valor pico I P de corriente, puede aproximarse a partir de los siguientes valores límites, operación bajo carga liviana y operación bajo carga fuerte: I p = 20 I dc Si I dc 0 3.4

41 19 I p = 2π V dc R Si R c.- Alimentación de la carga Una vez se tenga acceso a la tensión rectificada, se procede a conectar esta fuente DC al banco de carga (capacitores), que son los encargados de almacenar la energía que será entregada en la descarga a la puesta a tierra, en la prueba de impulso. d.- Interrupción y descarga Una vez cargados los capacitores a la tensión requerida, se desconecta el banco de capacitores de la fuente DC y luego se conecta a la puesta a tierra u objeto de prueba descargándose así lo capacitores, generando el impulso de tensión y corriente en la puesta a tierra en estudio. Generador de impulsos, Universidad Simón Bolívar Origen y diseño La universidad Simón Bolívar cuenta con un generador de impulsos portátil de 5.5kV, construido por Henry J. Arias D. hace más de 20 años, como parte experimental de su trabajo de grado [9]. Este equipo sigue operativo en la actualidad. Este equipo fue diseñado con la finalidad de generar impulsos de tensión y corriente. Este generador cuenta con un arreglo banco de capacitores que puede ser conectado para obtener una carga máxima de 9,4uF y soportar hasta 1,2kV, análogamente se puede conectar de manera que el banco de capacitores soporte hasta 7,2kV con una carga mínima de 261,11nF, como también se pueden variar las conexiones de arreglo de capacitores para lograr otros valores de carga y soporte de tensión entre los rangos ya mencionados [9]. Componentes Fuente a.- Reóstato de 120V y 0,45A

42 20 b.- Transformador monofásico de 120/420V y 0,3A (baja) c.- Fusible 0.5A y 250V Puente rectificador a.- 15 capacitores de 0.47μF y soporte de 400V b.- 15 capacitores de 0.33μF y soporte de 400V c.- 30 diodos de 250V y 0.5A d.- 2 resistencias de carbón de 390kΩ y 4 de 12MΩ. Banco de carga a.- 18 capacitores de 0.47μF y soporte de 400V. b.- Dispositivo de maniobra 3.2kV. Funcionamiento y estado de sus componentes El equipo como se había mencionado anteriormente aún funciona y se pueden hacer pruebas con él, pero este debe adecuarse para mejorar su funcionamiento ya que no se encuentra en óptimas condiciones. Por ello, a continuación se nombran los aspectos a mejorar de dicho generador en orden de importancia: a.- Dispositivo de maniobra de 3.2kV, el generador no cuenta con un interruptor en alta tensión, está dañado, lo que obliga al usuario a hacer las interrupciones de manera manual, comprometiendo la seguridad de los usuarios y del equipo, ya que es por medio de cables de desnudos. Esta limitante también introduce errores a la medición. b.- Tamaño, aunque el equipo se puede transportar, la manera en la que está dispuesto espacialmente puede ser redistribuida para mejorar la portabilidad del mismo, y cubrirlo para resguardar sus partes eléctricas al momento de transportarlo. c.- Reóstato, disipa mucha energía, lo que se traduce en calor y limita las distancias entre partes del generador.

43 21 Mejoras y adaptaciones del generador En un principio se planteó reemplazar los componentes anteriormente mencionados y redistribuir la organización espacial de las partes del generador para mejorar su funcionamiento, sin embargo, al tomar en cuenta lo antiguo del equipo, lo delicado de los componentes electrónicos del puente rectificador y el hecho de que el equipo aún operaba con calidad, se optó por construir un generador de impulsos nuevo, casi idéntico al anterior desde el punto de vista circuital y con muy similares parámetros eléctricos. Esto se hizo con la finalidad de no perder funcionalidad y sencillez en el equipo, aparte de facilitar el mantenimiento a largo plazo y el uso de estos equipos a los usuarios del laboratorio de alta tensión de la Universidad Simón Bolívar. Además de construir un dispositivo de maniobra de alta tensión en el laboratorio de alta tensión de la Universidad Simón Bolívar. Los únicos componentes que se tomaron del antiguo generador de impulsos, fueron todos los del banco de carga, es decir, el nuevo generador de impulsos tiene los mismos condensadores de carga del antiguo equipo. Diseño Para la construcción de un circuito rectificador de tensión, se usaron los mismos valores circuitales del generador de impulsos ya existente [9], para cumplir con las mismos requerimientos bajo la cual fue construido. Estos valores circuitales fueron: C = 0,47uF, f = 60Hz, N = 5. Sin embargo, al trabajar con una impedancia de limitadora de corriente de 450Ω entre el variac y el transformador elevador, se disminuye la tensión vista por el transformador, por lo que en el lado de alta solo aparecen 320V de los 480V posibles. Debido a esto al aplicar la ecuación 3.1, con una tensión Vdc objetivo de 3kV, como la del antiguo generador [9], se obtuvo una Idc de 1.5mA. Esto se traduce en un pico de corriente en operación de carga fuerte de Ip=30mA, al usar la ecuación 3.4, soportada por los diodos IN4007. Por último, se calculó el rizado del rectificador, a partir de la ecuación 3.2. Obteniendo un factor de rizado de 2.2%, lo que está por debajo del 3% de las exigencias de las normas IEC60-1 y VDE0433/1, en las que se fundamentó la construcción del generador existente [9].

44 22 Este generador de impulsos, es capaz de entregar hasta 6kV DC en la salida del puente rectificador-elevador, y cuenta con un banco de capacitores que pueden ser conectados para almacenar una carga máxima 9.4uF y 1.2kV, análogamente se puede conectar el arreglo de capacitores para obtener una carga mínima de 94nF y soportar una tensión máxima de 6.4kV, además de poder obtener distintos valores de capacitancia y soporte de tensión al cambiar la conexión de los capacitores, ya que las posibles configuraciones de los arreglos pueden ser variada. Componentes Fuente a.- Variac, entrada de salida 0-132V y 2.25A b.- Transformador monofásico de 120/480V y 50VA c.- Una resistencia limitadora de 450Ω en total y 120W. d.- Formada a partir de 6 resistencias de 2.7kΩ c/u. Puente rectificador a.- 30 capacitores de poliéster de 0.47μF y soporte de 630V. b.- 40 diodos IN4007, soporte de tensión RMS 700V y máxima de corriente de 1A. c.- 2 resistencias de carbón de 390kΩ y 4 de 12MΩ. d.- Kilovoltímetro de 6kV. Banco de carga a.- 18 capacitores de 4,7uF y 400V de soporte (banco de capacitores antiguo). b.- 32 capacitores de 47nF y 1.6kV de soporte. c.- Dispositivo de maniobra de alta tensión de 6kV Construido en el laboratorio de la Universidad Simón Bolívar, con el objetivo de carga descarga.

45 23 El trabajar con generación de impulsos a partir de la descarga de un banco de capacitores, trae consigo la necesidad de pasar de la alimentación del circuito almacenador de energía, a la descarga de dicho almacenador, hacia el objeto de prueba. Se propuso la construcción de un dispositivo de maniobra de dos posiciones, a las cuales llamaremos carga y descarga. Antes de explicar el funcionamiento de este equipo, se debe acotar que para llevar a cabo la maniobra, se supone, que el proceso se realiza trabajando con los terminales de polaridad positiva tanto de la fuente de corriente en continua, como en el banco de carga. También se da por sentado, que sus polos negativos están conectados entre sí, y estos a su vez conectados al punto de retorno de corriente del objeto de prueba, para cerrar el lazo de corriente. La primera posición de la maniobra, consiste en la conexión de un terminal de la fuente de corriente continua (DC) con uno de los extremos de la configuración de capacitores del banco de carga, asegurando su energización. Como se observa en la Figura 2.5. Figura 2.5 Conexión de la fuente DC con el banco de carga. La segunda posición, se basa en la conexión del banco de carga con el objeto de prueba, para descargar los capacitores. Como se muestra en la Figura 2.6. Figura 2.6 Conexión del banco de con el banco de carga

46 24 Dentro de este orden ideas, se empezó a diseñar el dispositivo de maniobra que permitirá los procesos de carga y descarga del banco de capacitores. Se inició, escogiendo una pieza metálica en forma de L capaz de rotar sobre su propio eje, con el objetivo de cambiar la posición angular de la pieza y poder hacer contacto con otras partes metálicas. Como se observar en la Figura 2.7. Figura 2.7 Pieza metálica en forma de L. Esta pieza, reposa y gira sobre un cilindro aislante. En este material aislante, se instalan una placa y una esfera, ambas de metal. Estás se encuentran en el perímetro de movimiento de la pieza en forma de L. Como se aprecia en la Figura 2.8. Figura 2.8 Pieza metálica en forma de L, placa y esfera.

47 25 La pieza en forma de L, irá conectada al banco de carga, la placa corresponde a la conexión de la fuente DC y la esfera se conecta al objeto de prueba. También, se conecta un extremo de un resorte a la pieza en forma de L y el otro externo se fija al material aislante. De esta manera, la L estará normalmente en contacto con la placa, como se observa en la Figura 2.9. Por lo que se asegura la alimentación del banco de carga, que corresponde a la primera posición planteada para el dispositivo de maniobra. Figura 2.9 Conexión del banco de carga con la fuente DC Una vez cargado el banco de capacitores, se puede realizar la descarga simplemente al mover la pieza L hasta hacer contacto con la esfera, como se muestra en la Figura Es importante mencionar, que mientras se cambia de posición de la pieza en L, desde la placa hasta la esfera, el banco de carga queda en condición de abierto, por lo que se garantiza que no haya contacto entre el objeto de prueba y la fuente DC, esto se puede observar en la Figura 2.11.

48 26 Figura 2.10 Conexión del banco de carga con el objeto de prueba. Figura 2.11 Paso intermedio, banco de carga en abierto. Por último, se usó un cilindro aislante para envolver el dispositivo de maniobra, aislando de esta manera sus partes del contacto con otros equipos y resguardando la seguridad de los usuarios. Sin embargo, una parte de la pieza en L, sobresale de este cilindro con su respectivo revestimiento aislante, formando una especie de palanca, que sirve para accionar el dispositivo, como se aprecia en la Figura También, se cubrió la parte superior del dispositivo con una lámina transparente de plexiglás, por el que se puede observar fácilmente el funcionamiento interno del descargador. En esta tapa, se encuentran los terminales externos de acceso del

49 27 dispositivo. Dónde, el terminal rojo corresponde al punto de conexión de la fuente DC. El terminal verde, corresponde al banco de carga y el terminal negro, al punto que debe ser conectado el objeto de prueba, como se puede ver en la Figura 2.13 y Figura Figura 2.12 Dispositivo de maniobra, vista frontal. Figura 2.13 Dispositivo de maniobra, vista superior. Finalmente, se instaló el dispositivo de maniobra, dentro de una maleta funcional donde se encuentran todos componentes del generador de impulsos, como lo son: el variac, el transformador, el circuito rectificador, un kilovoltímetro, los capacitores del banco de carga y el dispositivo de maniobra que se ve en la Figura 2.14.

50 Figura 2.14 Generador de impulsos. 28

51 CAPÍTULO 3 DESARROLLO EXPERIMENTAL En este capítulo se explicará las características de cada electrodo y se mostrará la ubicación de estos dentro del recinto Universitario. Luego, se expondrá la metodología que se siguió para realizar los ensayos de resistividad, resistencia estática y medición de impedancia transitoria. Explicando la conexión de los equipos con los arreglos y los puntos auxiliares requeridos, así como también los pasos a seguir en estos procesos de medición. Por último, se explicará el proceso y la motivación de la construcción de una gráfica seccionada de la respuesta transitoria de cada arreglo en régimen frecuencial. Escogencia de los arreglos de PAT existentes Se escogieron tres tipos de arreglos simples de electrodos de PAT para llevar a cabo este trabajo, estos fueron: un contrapeso, un contrapeso en cruz y una jabalina. Todos los arreglos seleccionados, existían previamente, estos fueron instalados anteriormente como parte del desarrollo experimental de otros proyectos de investigación académica de la Universidad Simón Bolívar [7] [8]. Descripción de los arreglos De las tres PAT escogidas, dos de ellas se encuentran en el mismo eje, ya que originalmente fueron construidas para formar parte del sistema de puesta a tierra de la misma línea de media tensión. Cada uno de estos arreglos de puesta a tierra corresponde a un poste distinto, sin embargo, los electrodos están desconectados del cable de guarda de su poste y cada poste está aislado de tierra. Cada electrodo se muestra en la Figura 3.1 [7]. Estos arreglos de puesta a tierra son: Arreglo n 1: Contrapeso 15mts, de guaya de acero 3/8, a una profundidad de 0.3mts. Arreglo n 2: Contrapeso en cruz, de guaya de acero 3/8, enterrada 0.3 m, con una longitud de cada brazo de 5mt.

52 30 Figura 3.1 Disposición espacial del contrapeso y el contrapeso tipo cruz [7]. El último electrodo de puesta a tierra, fue instalado para el proyecto de grado de Ender Castellanos en el presente año [8]. Dicho electrodo es una jabalina que no se encuentra conectada galvánicamente a ningún sistema, se muestra en la Figura 3.2 y posee las siguientes características: Arreglo n 3: Jabalina o varilla de acero recubierto de cobre, de 1.20 m de largo, 5/8 de diámetro, el espesor del cobre es de 100micras y fue instalado 0.25mts debajo de la superficie del suelo. Se observa en la Figura 3.2. Figura 3.2 Dimensiones de la jabalina enterrada. Ubicación Todo el procedimiento experimental se desarrolló dentro de los terrenos de la Universidad Simón Bolívar. Los dos primeros arreglos se encuentran instalados en un mismo eje de 120mts de largo, dicho eje se ubica paralelo al Laboratorio de Alta Tensión y al Laboratorio de Conversión de Energía, como se muestra la Figura 3.3. Cada poste se encuentra separado 30mts entre sí, de

53 31 manera que el arreglo n 1 y n 2 están a una distancia de separación de 120mts, como se puede apreciar en la Figura 3.4. Figura 3.3 Zona de ubicación de los arreglos de puesta a tierra 1 y 2 [21]. M,. Figura 3.4 Ubicación de los postes que contienen los arreglos de PAT a estudiar con respecto a los laboratorios aledaños. El arreglo de puesta a tierra n 3, se encuentra justo al frente del estacionamiento del gimnasio cubierto de la Universidad. La ubicación se muestra en la Figura 3.5 y el espaciamiento en metros del terreno donde está instalada esta jabalina en la Figura 3.6.

54 32 Figura 3.5 Ubicación de la jabalina (arreglo n 3) [21]. Figura 3.6 Ubicación de la jabalina, espaciamiento exacto con respecto a sus alrededores [8]. Mediciones Cada arreglo de electrodos fue utilizado para la medición de resistencia e impedancia transitoria con distintos valores de carga para el banco de capacitores usado. También se midió la resistividad del terreno que rodea cada uno de los arreglos.

55 33 Resistividad del terreno Para el estudio del suelo se utilizó el método de los cuatro puntos con cada electrodo separado a la misma distancia, método de Wenner descrito en el Apéndice A, por la precisión que aporta a hora de medir grandes volúmenes de tierra y porque permite identificar los estratos verticales y horizontales presentes en un terreno. Este método se aplicó haciendo uso de un telurómetro. Por la distancia que hay entre los arreglos de puesta a tierra, se nombraron los terrenos que rodean a cada electrodo en zonas con la misma numeración del arreglo, llamándolos zona n 1, n 2 y n 3 respectivamente. a.- Zona n 1: se midió la resistencia para cada una de las siguientes distancias de separación a: 0.5, 1, 1.5, 2, 3, 4, 5, 6,7 y 8. En la Figura 3.7 se muestra la cercanía de esta zona de medición y el arreglo n 1. Llevando estos valores de resistencia a resistividad usando la ecuación 3.2 y con la ayuda del software IPI2win [5], se obtuvo el modelo del suelo de dos capas. Se aplicó este procedimiento en dos direcciones, manteniendo la misma ubicación de referencia del centro eléctrico y las mismas distancias de a, para evaluar la existencia de estratificación horizontal del suelo u objetos enterrados que afecten las mediciones, también para comprobar que las mediciones realizadas fuesen correctas. b.- Zona n 2: se aplicó el mismo procedimiento que para la zona n 1, sin embargo se tomaron medidas de resistencia en dirección paralela al eje que describe la línea de los postes, con estas distancias de a: 0.5, 1, 1.5, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 y 12. También se tomaron medidas de resistencia en una dirección diagonal a la anteriormente medida, manteniendo el centro de las mediciones, con las siguientes distancias a: 0.5, 1, 1.5, 2, 3, 4, 5, 6,7, 8 y 9. En la Figura 3.7 se muestra la ubicación de la zona estudiada. Figura 3.7 Ubicación de las zonas n 1 y n 2 la para la medición de resistividad.

56 34 c.- Zona n 3: se midió resistencia en una sola dirección, con estas distancias de a: 0.5, 1, 1.5, 2, 3, 4, 5, 6 y 7. Como se puede ver en la siguiente Figura 3.8. Figura 3.8 Ubicación de la zona n 3 para la medición de resistividad. Resistencia estática Como se explica en el Apéndice A, el método de la caída de potencial fue usado para medir la resistencia de las puestas a tierra estudiadas. Cabe destacar que el uso de este método permite identificar el valor de la resistencia de puesta a tierra evitando el efecto del área de influencia de los electrodos en la medición. Se usó el esquema básico de la Figura 3.9, donde se muestran los puntos CP, PP y G que van conectados al telurómetro y la forma en la que van dispuestos en el suelo. a.- Contrapeso (n 1): se usó como punto auxiliar de inyección de corriente (CP) un hidrante que se encuentra a 64mts del punto de acceso al látigo (G), el electrodo auxiliar de medida de potencial (PP) se fue moviendo cada tres metros, del punto G al CP. Como se ve en la Figura c.- Contrapeso tipo cruz (n 2): aquí se utilizó una tubería de agua de jardinería como (CP), que dista de 21mts del punto de conexión con la PAT (G). El electrodo de potencial (PP) se

57 35 varió en pasos de un metro en la dirección que describe el recorrido de CP a G, como se muestra en la Figura Figura 3.9 Conexión para el método de caída de potencial [22]. Figura 3.10 Identificación real de los puntos de conexión para la medición de resistencia de puesta a tierra en el contrapeso, por el método de caída de potencial.

58 36 Figura 3.11 Identificación real de los puntos de conexión para la medición de resistencia de puesta a tierra en el contrapeso tipo cruz, por el método de caída de potencial. d.- Jabalina (n 3): aquí se tomó la barra química como punto de inyección de corriente (CP), esta se encuentra a 27mts de separación de la jabalina estudiada (G), el PP se varió en separaciones de un metro en dirección de CP a G. Como se puede apreciar en la Figura Figura 3.12 Identificación real de los puntos de conexión para la medición de resistencia de puesta a tierra en la jabalina, por el método de caída de potencial.

59 37 Impedancia transitoria El procedimiento para realizar esta prueba, se divide en los tres siguientes esquemas: la preparación previa para la medición de impedancia dinámica, los pasos para el ensayo de la prueba de impulso y procesamiento de datos para la obtención del comportamiento de la impedancia dinámica Primero, se plantea la preparación previa para la medición de impedancia dinámica, tomando en cuenta las conexiones necesarias de los equipos de medición y la configuración del osciloscopio. Como se muestra en la Figura Figura 3.13 Esquema de la preparación para la medición de impedancia dinámica. Segundo, se realizan los pasos para el ensayo de la prueba de impulso, mostrados en la Figura Figura 3.14 Esquema de los pasos a seguir para la medición de la impedancia dinámica. Tercero, en la Figura 3.15 se muestra un esquema del procesamiento de los datos, para la obtención del comportamiento dinámico del arreglo bajo estudio.

60 38 Figura 3.15 Esquema del procesamiento de datos, para la obtención del comportamiento de la impedancia dinámica. A continuación se explicará el proceso para la obtención de la impedancia dinámica a partir de la prueba de impulso, explicando los puntos de conexión de los equipos usados en este ensayo: Se conecta la salida del negativo de la fuente de tensión DC, a uno de los extremos del arreglo de capacitores escogido y a su vez, este mismo punto debe conectarse al electrodo de tierra lejana que va a servir de retorno de corriente a la puesta tierra. Como se observa en la Figura Figura 3.16 Esquema de conexión de los terminales negativos de la fuente y el banco de carga, con el electrodo de retorno de corriente de la PAT. Usando el generador de impulsos. El positivo de la fuente va conectado al terminal rojo del interruptor de alta tensión, del terminal verde del interruptor debe salir una conexión al terminal positivo del banco de capacitores y, del terminal negro del interruptor se conecta un cable al arreglo de puesta a tierra. Por este cable a circular la corriente de la descarga. Como se muestra en la Figura 3.17.

61 39 Figura 3.17 Esquema de conexión de los terminales positivos de la fuente y el banco de carga con el dispositivo de maniobra, y conexión de la PAT con dicho dispositivo. Usando el generador de impulsos. Al conductor que conecta el interruptor con la puesta a tierra, lo envuelve un toroide o shunt de corriente que lleva esta señal al osciloscopio, como se puede observar en la Figura También se muestra, la conexión que tiene el osciloscopio con una pinza para la medición de tensión de la puesta a tierra. La referencia de tensión del osciloscopio, debe estar conectada a un punto alejado de la puesta tierra de prueba. Este punto debe ser distinto al punto de retorno de corriente.

62 40 Figura 3.18 Esquema de conexión del shunt de corriente con el conductor de descarga, y la punta de tensión con el punto de acceso de la PAT. Usando el generador de impulsos. Se configura el osciloscopio, para medir las señales de tensión y corriente generadas por el impulso, de manera simultánea. También se enciende el generador de impulsos y se mueve la perilla hasta que se asegure en la lectura del kilovoltímetro que se llegó a la tensión deseada en el banco de carga. Esto se muestra en la Figura Figura 3.19 Esquema de conexión del punto de referencia de tensión del osciloscopio, y se ajusta la tensión del banco de carga. Usando el generador de impulsos. Se descarga el circuito usando el dispositivo de maniobra, instantáneamente aparecen las señales de tensión y corriente en el osciloscopio. Como se observa en la Figura 3.20.

63 41 Figura 3.20 Esquema de conexión de la descarga usando el dispositivo de maniobra y la obtención de las señales de tensión y corriente. Usando el generador de impulsos. Las señales de tensión y corriente observadas en el osciloscopio, como se ve en la Figura 3.21, se guardan en una memoria externa USB en un archivo de texto separado por comas (extensión.csv). Figura 3.21 Obtención de las señales de tensión y corriente en el osciloscopio. Este archivo se debe convertir en una hoja de cálculo utilizando el programa Microsoft Excel (extensión.xls). Luego, los datos se procesan con un programa desarrollado en Matlab diseñado por el profesor Ángel Pérez [12], con el objetivo llevar ambas señales al dominio de

64 42 la frecuencia, utilizar la ley de Ohm para determinar la impedancia y posteriormente graficar su comportamiento. Como se muestra en la Figura Figura 3.22 Señales de tensión y corriente obtenidas, y gráfica del comportamiento dinámico del arreglo en estudio Para cada arreglo de puesta tierra, cuyo punto de conexión llamaremos A, se usaron puntos específicos de referencia de potencial (B) y retorno de corriente (C), como en algunos casos también diferentes valores de tensión del banco de carga, capacitancia del banco y ventanas de tiempo de muestreo, como se explicará a continuación por cada arreglo: Contrapeso (n 1): para este electrodo se usó un hidrante como punto de retorno de corriente (C) y una cerca aledaña al laboratorio de tratamiento térmico como referencia de tensión (B), Figura Para los diferentes arreglos de capacitores de carga posibles, en la Tabla 3.1 se muestra cuales fueron escogidos, además del valor de tensión a las que fueron sometidos y las ventanas de tiempo utilizadas en cada medición. Figura 3.23 Identificación real de los puntos de conexión para la medición de impedancia transitoria en el contrapeso

65 43 Tabla 3.1 Valores de tensión y tiempo de muestreo por cada configuración de carga escogida. Configuraciones Características 6 columnas 3 columnas en Una 3 columnas 6 columnas Banco de la carga en paralelo paralelo columna en serie en serie pequeño Capacidad de carga 9.4uF 4.7uF 1.567uF 522nF 261nF 94nF Máxima de soporte 1.2kV 1.2kV 1.2kV 3.6kV 7.2kV 6.4kV Valores experimentales aplicados Tensión aplicada 520V 1000V 1000V 1000V 1000V 1000V Tiempo de muestreo 500us 250us 100us 50us 50us 25us Contrapeso tipo cruz (n 2): aquí se usó el hidrante como de retorno de corriente (C) y el arreglo de las tres jabalinas interconectadas entre sí como referencia de tensión (B) Figura Para este estudio, se realizaron impulsos usando los valores del banco de carga de la Tabla 3.2. Figura 3.24 Identificación real de los puntos de conexión para la medición de impedancia transitoria en el electrodo tipo cruz.

66 44 Tabla 3.2 Valores de tensión y tiempo de muestreo por cada configuración de carga escogida. Configuraciones Características de 6 columnas 3 columnas Una 3 columnas 6 columnas Banco la carga en paralelo en paralelo columna en serie en serie pequeño Capacidad de carga 9.4uF 4.7uF 1.567uF 522nF 261nF 94nF Máxima de soporte 1.2kV 1.2kV 1.2kV 3.6kV 7.2kV 6.4kV Valores experimentales aplicados Tensión aplicada 1000V 1000V 1000V 1000V 1000V 1000V Tiempo de muestreo 250us 250us 100us 100us 50us 50us La jabalina (n 3): se usó un encabillado que se encuentra a más de 50mts de la jabalina como retorno de corriente (C) y una instalación de puesta a tierra química como referencia de tensión (B), como se muestra en la Figura Los arreglos de capacitancias usadas fueron los de la Tabla 3.3. Figura 3.25 Identificación real de los puntos de conexión para la medición de impedancia transitoria en la jabalina.

67 45 Tabla 3.3 Valores de tensión y tiempo de muestreo por cada configuración de carga escogida Configuraciones Características de 6 columnas 3 columnas Una 3 columnas 6 columnas Banco la carga en paralelo en paralelo columna en serie en serie pequeño Capacidad de carga 9.4uF 4.7uF 1.567uF 522nF 261nF 94nF Máxima de soporte 1.2kV 1.2kV 1.2kV 3.6kV 7.2kV 6.4kV Valores experimentales aplicados Tensión aplicada 950V 1000V 1000V 1000V 1000V 1000V Tiempo de muestreo 5ms 2.5ms 1ms 250us 100us 50us Se usaron diferentes arreglos de capacitores en el banco de carga, con la finalidad de contar con una variedad de intervalos de duración de la señal de impulso, ya que a medida que se va a disminuyendo el valor de capacitancia de carga, se acorta la duración del impulso, en otros términos, disminuye el tiempo de duración del fenómeno de sobretensión estudiado sobre el arreglo de puesta a tierra. Esta disminución de duración del fenómeno, obligó ventanas de muestreo más pequeñas en el osciloscopio, lo que se tradujo en poder llegar a una mayor frecuencia máxima de estudio, al momento de graficar el comportamiento de la impedancia de puesta tierra evaluada. Impedancia construida por segmentos Por cada tiempo de muestreo seleccionado, se tiene un minino y un máximo de frecuencias posibles de estudio. Al momento de graficar el comportamiento de la impedancia, se puede observar que no todo el espectro de frecuencias estudiado tiene buena resolución en amplitud (Ω), debido a que solo una parte de la gráfica tiene una buena relación entre puntos de construcción de gráfica y rango de frecuencias en la que se sitúa.

68 46 Por ejemplo, usando la respuesta transitoria de un contrapeso observada en la Figura 3.26, para las frecuencias más bajas de estudio se observa, que el comportamiento de la impedancia describe una pendiente casi constante, donde los puntos de construcción de la gráfica están muy espaciados entre sí, es decir, aunque se aprecia una buena calidad en esta parte de la curva, no se puede asegurar que haya precisión en el comportamiento de la impedancia en esta zona de estudio. Antagónicamente, la impedancia al ir acercándose a las frecuencias más grandes de estudio, se evidencia variaciones drásticas en la amplitud, imposibilitando la apreciación del comportamiento de la impedancia en esa zona de estudio, además que en ese rango empieza a aparecer ruido y distorsiones considerables que empeoran la resolución de la gráfica. Por ello, se puede decir que solo hay un rango de frecuencias en toda la gráfica en el cual el comportamiento de la impedancia vs la frecuencia se aprecia con claridad y cierta precisión. Usando una sola ventana de muestreo no se pueden cubrir todos los valores de frecuencia que se requieren para estudiar la respuesta del dispositivo de puesta a tierra. Vale agregar, que el comportamiento en baja frecuencia, se puede observar con claridad en la gráfica, pero si se usa una un tiempo de muestreo más grande, esta zona podría ser estudiada con mayor precisión, siempre y cuando sea un rango de interés. Figura 3.26 Comportamiento de la impedancia de un contrapeso enterrado con un valor de resistencia en 60 Hz de 14.6Ω, al ser sometida a un impulso de tensión de 520V

69 47 Motivado por esto, se construyeron gráficas seccionadas a partir de los intervalos de frecuencia en los que se pudo observar con buena resolución y claridad el comportamiento de las impedancias, para cada ventana de muestreo usada en cada arreglo de puesta a tierra estudiado. Esto fue posible, gracias al uso de distintos valores de capacitancia del banco de carga, ya que para cada arreglo de puesta a tierra se inició la prueba de impulso con el valor de capacitancia más alto posible, que es 9.4uF. De allí, se continuó realizando descargas al mismo arreglo pero escogiendo otras combinaciones del banco de capacitores de menor capacidad. Al contar con valores de capacitancias más bajos, se produjeron descargas más rápidas, que obligaron tiempos de muestreo de osciloscopio más cortos, esto a su vez se tradujo en frecuencias más altas de estudio. Es así como se llegó usar la capacitancia más pequeña disponible en el banco de carga, de 94nF, por lo que se pudo estudiar la respuesta de los arreglos con buena resolución gráfica hasta casi un Mhz. Como se puede apreciar en el ejemplo del contrapeso, en la Figura Figura 3.27 Comportamiento por segmentado de la impedancia de un contrapeso de resistencia en 60 Hz de 14.6Ω. La construcción de una gráfica seccionada es posible gracias al principio de superposición, que se basa en la propiedad de la linealidad y enuncia lo siguiente El principio de superposición

70 48 establece que la tensión entre los extremos (o la corriente a través) de un elemento en un circuito lineal es la suma algebraica de las tensiones (o corrientes) a través de ese elemento debido a que cada fuente independiente actúa sola [23]. En nuestro caso, aunque solo se cuenta con una sola fuente de excitación (impulso) a cada arreglo de electrodos. Se puede aplicar superposición a este problema, ya que las señales de tensión y corriente generadas por este impulso pueden ser desglosadas en frecuencia con la transformada de Fourier, es decir, se puede definir una tensión y una corriente para cada frecuencia contenida en el impulso. Por lo tanto, el problema pasa a ser el de un circuito RLC alimentado por distintas fuentes en frecuencia, y el comportamiento del arreglo puede ser interpretado como la sumatoria de las respuestas en los intervalos seccionados, como se hizo en el ejemplo del contrapeso en la Figura 3.27

71 CAPÍTULO 4 RESULTADOS EXPERIMENTALES Una vez realizadas todas las mediciones explicadas en el capítulo anterior, estas se presentarán este apartado por cada arreglo, donde serán mostrados los valores de resistividad, resistencia estática, impedancia transitoria y por último la gráfica de impedancia transitoria construida a varias frecuencias. Como se muestra en la Figura 4.1. Figura 4.1 Presentación de resultados de resistividad, resistencia, impedancia transitoria e impedancia construida cada arreglo estudiado, en orden de aparición. Contrapeso Resistividad El día 26/06/2017 se realizó dos mediciones de resistividad en dos ejes distintos del terreno llamado Zona nº1, compartiendo el punto de origen de medición (véase Apéndice B). Con los datos medidos, se obtuvo las resistividades de cada capa del suelo, la altura de la primera capa y error porcentual que dista entre la curva de medida lograda y el modelo matemático con el que compara el software libre IPI2WIN [24] para obtener los parámetros mencionados en las Tabla 4.1.

72 50 Tabla 4.1 Parámetros del modelo de dos capas del suelo de la zona nº1, para los dos ejes medidos. Eje paralelo Eje diagonal h ρ ρ Error 9.75% 1.80% Resistividad estática El día 09/06/2017 se tomaron la medidas de resistencia (véase Apéndice B), graficadas en la Figura 4.2, en esta figura se observa que en la zona lineal de la curva, la resistencia tiene un valor de Ω. Resistencia del contrapeso Figura 4.2 Curva de resistencia de puesta a tierra del contrapeso. Impedancia dinámica Se realizaron seis descargas tipo impulso, aplicando la misma tensión de carga, con distintos tiempos de duración, usando los bancos de carga mencionados en el capitulo anterior, obteniéndose las siguientes respuestas transitorias: En la parte a) de la Figura 4.3 se muestra el comportamiento de la impedancia del contrapeso, ante una descarga del banco de 9.4µF con una tensión de 520V, usando un tiempo

73 51 de muestreo del osciloscopio de 500µs. En la parte b), el comportamiento ante una descarga del banco de 4.7µF con una tensión de 1kV, usando un tiempo de muestreo del osciloscopio de 250µs Figura 4.3 Comportamiento de la impedancia del contrapeso en función de la frecuencia, ante una descarga de: a) 520V, 500µs y 9.4µF b) 1kV, 250µs y 4.7µF. En la parte a) de la Figura 4.4 se muestra el comportamiento de la impedancia del contrapeso, ante una descarga del banco de 1.567µF con una tensión de1kv, usando un tiempo de muestreo del osciloscopio de 100µs. En la parte b), el comportamiento ante una descarga del banco de 522nF con una tensión de 1kV, usando un tiempo de muestreo del osciloscopio de 50µs Figura 4.4 Comportamiento de la impedancia del contrapeso en función de la frecuencia, ante una descarga de 1kV: a) 100µs y 1.567µF b) 50µs y 522nF.

74 52 En la Figura 4.5 se muestra el comportamiento de la impedancia del contrapeso, ante una descarga de 1kV. En la parte a) la descarga se realiza con un banco de 261nF y se estudia con un tiempo de muestreo de 50µs y en la parte b) con un banco de 94nF y un tiempo de 25 µs. Figura 4.5 Comportamiento de la impedancia del contrapeso en función de la frecuencia, ante una descarga de 1kV, a) 50µs y 261nF. b) 25µs y 94nF. Las señales de tensión y corriente, y el comportamiento de la impedancia de este arreglo ante los impulsos inyectados, se pueden apreciar con mayor detalle en el Apéndice B. Impedancia construida a varias frecuencias Escogiendo los intervalos de frecuencia en los que se aprecia la mejor solución del comportamiento de la impedancia transitoria, para cada uno de los seis impulsos a los que fue sometido el contrapeso, se construye una gráfica seccionada en la que se puede observar la respuesta dinámica del arreglo en el rango de frecuencias de interés, con la mayor calidad posible. Como se observa en la Figura 4.6.

75 53 Figura 4.6 Comportamiento seccionado de la impedancia del contrapeso. Contrapeso tipo cruz Resistividad El día 09/06/2017 se realizaron las medidas de resistividad de la zona nº2 en dos ejes distintos, manteniendo el centro eléctrico (véase Apéndice C). Los parámetros calculados de suelo se muestran en la Tabla 4.2. Tabla 4.2 Parámetros del modelo de dos capas del suelo de la zona nº2, para los dos ejes medidos. Eje paralelo Eje diagonal h ρ ρ

76 54 Error 8.26% 5.66% Resistencia estática En la misma fecha se realizó este ensayo (véase Apéndice C). Por el poco espacio en el lugar de medición entre el punto de conexión de la cruz y el punto retorno de corriente, se decidió aplicar el método de la pendiente para el cálculo de resistencia, donde se consiguió un valor de 12.54Ω. En la Tabla 4.3 se observan los valores medidos y calculados para hallar la resistencia del arreglo. Tabla 4.3 Valores usados y encontrados al usar el método de la pendiente en el contrapeso tipo cruz. R del 20% R del 40% R del 60% 9.09 Ω Ω Ω µ k P=k*D m Resistencia Ω Impedancia dinámica Se realizaron seis descargas tipo impulso, aplicando la misma tensión de carga, con distintos tiempos de duración, con los seis arreglos de capacitores de carga para el caso del contrapeso, obteniéndose las siguientes respuestas transitorias: En la parte a) de la Figura 4.7 se muestra el comportamiento de la impedancia del contrapeso tipo cruz, ante una descarga del banco de 9.4µF con una tensión de 1kV, usando un tiempo de muestreo del osciloscopio de 250µs. En la parte b), el comportamiento ante una descarga del

77 55 banco de 4.7µF con una tensión de 1kV, usando un tiempo de muestreo del osciloscopio de 250µs. Figura 4.7 Comportamiento de la impedancia del contrapeso tipo cruz en función de la frecuencia, ante una descarga de 1kV: a) 250µs y 9.4µF. b) 250µs y 4.7µF. En la Figura 4.8 se muestra el comportamiento de la impedancia del contrapeso tipo cruz, ante una descarga de 1kV. En la parte a) la descarga se realiza con un banco de 1.567µF y se estudia con un tiempo de muestreo de 100µs y en la parte b) con un banco de 522nF y un tiempo de 100µs. Figura 4.8 Comportamiento de la impedancia del contrapeso tipo cruz en función de la frecuencia, ante una descarga de 1kV: a) 100µs y 1.567µF. b) 100µs y 522nF.

78 56 En la Figura 4.9 se observa el comportamiento de la impedancia del contrapeso tipo cruz, ante una descarga de 1kV. En la parte a) la descarga se realiza con un banco de 261nF y se estudia con un tiempo de muestreo de 50µs y en la parte b) con un banco de 94nF y un tiempo de 50µs. Figura 4.9 Comportamiento de la impedancia del contrapeso tipo cruz en función de la frecuencia, ante una descarga de 1kV: a) 50µs y 261nF. b) 50µs y 94nF. Las señales de tensión y corriente producidas por la descarga y el comportamiento de la impedancia de este arreglo, se pueden apreciar con mayor detalle en el Apéndice C. Impedancia a varias frecuencias Escogiendo los intervalos de frecuencia en los que se aprecia de mejor manera el comportamiento de la impedancia transitoria, para cada uno de los seis impulsos a los que fue sometido el arreglo, se construye una gráfica seccionada en la que se puede observar la respuesta dinámica del contrapeso tipo cruz en el rango de frecuencias de interés, con la mayor calidad posible. Como se muestra en la Figura 4.10.

79 57 Figura 4.10 Comportamiento seccionado de la impedancia del contrapeso tipo cruz Jabalina Resistividad El día 28/06/2017 se midió la resistividad del terreno próximo a la jabalina (Zona nº3), utilizando solo un eje de ensayo (véase Apéndice D). Donde se calcularon los parámetros de suelo con la ayuda del programa IPI2WIN [24], como se muestran en la Tabla 4.4. Tabla 4.4 Parámetros del modelo de dos capas del suelo de la zona nº3 Parámetros del modelo de dos capas h 0.339m ρ ρ2 207 Error 17%

80 58 Resistividad estática El mismo día, se realizó también el ensayo de resistencia estática por el método de caída de potencial para este arreglo (véase Apéndice D). De allí se obtiene el valor de la resistencia, 118 Ω y el comportamiento de la Figura Resistencia de la jabalina Figura 4.11 Curva de resistencia de puesta a tierra de la jabalina. Impedancia dinámica Al aplicar seis descargas tipo impulso, se obtienen las siguientes respuestas transitorias: En la Figura 4.12 se observa el comportamiento de la impedancia del contrapeso tipo cruz, ante una descarga de 1kV. En la parte a) la descarga se realiza con un banco de 9.4µF y se estudia con un tiempo de muestreo de 5ms y en la parte b) con un banco de 4.7µF y un tiempo de 2.5ms.

81 59 Figura 4.12 Comportamiento de la impedancia de la jabalina tipo cruz en función de la frecuencia, ante una descarga de: a) 950V, 5ms y 9.4µF. b) 1kV, 2.5ms y 4.7µF. En la Figura 4.13 se observa el comportamiento de la impedancia del contrapeso tipo cruz, ante una descarga de 1kV. En la parte a) la descarga se realiza con un banco de 1.567µF y se estudia con un tiempo de muestreo de 1ms y en la parte b) con un banco de 522nF y un tiempo de 250µs. Figura 4.13 Comportamiento de la impedancia de la jabalina tipo cruz en función de la frecuencia, ante una descarga de 1kV: a) 1ms y 1.567µF. b) 250µs y 522nF. En la Figura 4.14 se observa el comportamiento de la impedancia del contrapeso tipo cruz, ante una descarga de 1kV. En la parte a) la descarga se realiza con un banco de 261nF y se estudia con un tiempo de muestreo de 100µs y en la parte b) con un banco de 94nF y un tiempo de 50µs.

82 60 Figura 4.14 Comportamiento de la impedancia de la jabalina tipo cruz en función de la frecuencia, ante una descarga de 1kV: a) 100µs y 261nF. b) 50µs y 94nF. Las señales de tensión y corriente producidas por la descarga y el comportamiento de la impedancia de este arreglo, se pueden apreciar con mayor detalle en el Apéndice D. Impedancia construida a varias frecuencias Se construye una gráfica del comportamiento en frecuencia del arreglo, a partir de todos los impulsos a los que este fue sometido. Figura 4.15.

83 Figura 4.15 Comportamiento seccionado de la impedancia de la jabalina. 61

84 CAPÍTULO 5 RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES Una vez realizadas las mediciones de campo, haberlas procesado y obtenido los valores de resistividad, resistencia a baja frecuencia y comportamiento dinámico real de los arreglos de interés, como se presentó en el capítulo anterior. Se procede a calcular los parámetros R y L con las ecuaciones descritas en el capítulo 1, luego, con la ayuda del programa comercial ATP [5], se grafica la respuesta transitoria en régimen frecuencial, variando el parámetro C hasta alcanzar un comportamiento similar o lo más aproximado posible al de la impedancia real. Los valores teóricos de capacitancia por no ser conocidos como se explica en el capítulo 2, serán mostrados como un rango a partir del cálculo teórico. a.- Contrapeso: Los valores teóricos calculados de R, L y C a lo largo del arreglo son los que se muestran en la Tabla 5.1 y en la Tabla 5.2 se observan los parámetros calculados al dividir el problema en secciones de 1metro. La capacitancia por no ser un valor conocido como se explica en el Apéndice A, se escribe el valor mínimo y máximo que esta puede adoptar. Tabla 5.1 Parámetros teóricos del contrapeso, resistencia e inductancia calculada y rangos admisibles del valor de capacitancia R(Ω) L(H) Cmin(C) Cmax(C) E E E-09 Tabla 5.2 Parámetros teóricos a cada metro del contrapeso, resistencia e inductancia calculada y rangos admisibles del valor de capacitancia Por brazo 1m

85 63 L(H) Cmin(C) Cmax(C) 8.29E E E-09 La simulación se lleva a cabo tomando 16 etapas de circuitos R, L y C, del mismo valor por etapa, como se observa en la Figura 5.1. Donde se usaron los valores de la Tabla 5.3 por etapa, se presenta la respuesta simulada en la Figura 5.2 y la respuesta real a la que esta fue ajustada en la Figura 5.3. Tabla 5.3 Parámetros por etapa de resistencia, inductancia y capacitancia usados en la simulación de la respuesta transitoria del contrapeso R(Ω) L(H) C(F) E E-09 Figura 5.1 Circuito de 16 etapas para la modelación de la respuesta transitoria del contrapeso en ATP [5].

86 64 Figura 5.2 Simulación del comportamiento transitorio del contrapeso en régimen frecuencial, con acercamiento hasta un Mhz. Figura 5.3 Respuesta transitoria real del contrapeso en régimen frecuencial. El comportamiento simulado es muy aproximado al comportamiento real. El valor de la inductancia usada en la simulación, es muy similar al estimado teóricamente. Igual para el caso de la capacitancia, que coincide con el máximo valor de capacitancia posible, lo que sugiere que se está en un suelo de muy alta permitividad.

87 65 b.- Contrapeso tipo cruz: Los valores teóricos de R, L y C del conjunto son los que se muestran en la Tabla 5.4. Tabla 5.4 Parámetros teóricos del contrapeso tipo cruz, resistencia total del arreglo e inductancia de cada brazo y rangos admisibles del valor de capacitancia R(total) 9.07Ω Parámetros Por cada brazo del contrapeso L(H) Cmin(F) Cmax(F) 4.65E E E-10 Se divide el problema de la cruz, en cuatro contrapesos individuales conectados entre sí en un punto común, cada brazo a su vez se estudia como 10 de circuitos R, L y C, donde cada parámetro es igual por etapa, como se observa en la Figura 5.4. En la simulación, se escogieron los valores de la Tabla 5.5 por etapa, también se presenta la respuesta simulada en la Figura 5.5, junto con la respuesta real a la cual fue ajustada, Figura 5.6. Tabla 5.5 Parámetros por etapa de resistencia, inductancia y capacitancia usados en la simulación de la respuesta transitoria del contrapeso tipo cruz. R(Ω) L(H) C(F) E-06 3E-09

88 66 Figura 5.4 Circuito para la modelación de la respuesta transitoria del contrapeso tipo cruz en ATP. Figura 5.5 Simulación del comportamiento transitorio del contrapeso tipo cruz en régimen frecuencial

89 67 Figura 5.6 Respuesta transitoria real del contrapeso tipo cruz en régimen frecuencial. Se consiguió un comportamiento muy parecido entre la respuesta real y la simulada. No obstante, para hallar este comportamiento, se usaron valores de la inductancia y capacitancia que difieren en un orden magnitud con los valores teóricos calculados. Los factores que pueden intervenir en esta discrepancia, pueden ser varios, entre ellos las características no homogéneas del suelo, se presume que los conductores del arreglo están dispuestos uno sobre otro, con un ángulo de separación de 90º exactos. Se espera que los conductores estén en buenas condiciones y no desgastados o corroídos, además, de agregarse parámetros extras al modelo del arreglo a partir del circuito de medición, por la naturaleza inductiva de los cables necesarios en las conexiones y el hecho de usar un banco de capacitores para realizar la descarga. c.- Jabalina: Se usó un modelo de parámetros concentrados en este caso, los parámetros teóricos y los usados en la simulación, se muestran en las Tabla 5.6 y Tabla 5.7 respectivamente. El diagrama circuital y la respuesta dinámica se muestran en las Figura 5.7, Figura 5.8 y Figura 5.9 se observa la respuesta real de la jabalina. Tabla 5.6 Parámetros teóricos de la jabalina, resistencia e inductancia calculada y rangos admisibles del valor de capacitancia R(Ω) L(H) Cmin(F) Cmax(F)

90 E E E-09 Tabla 5.7 Parámetros de resistencia, inductancia y capacitancia usados en la simulación de la respuesta transitoria de la jabalina. R(Ω) L(H) C(F) E E-09 Figura 5.7 Circuito para la modelación de la respuesta transitoria de la jabalina en ATP [5].

91 69 Figura 5.8 Simulación del comportamiento transitorio de la jabalina en régimen frecuencial. Figura 5.9 Respuesta transitoria real de la jabalina en régimen frecuencial. Usando los mismos parámetros teóricos, se obtuvo una tendencia muy similar al comportamiento real de la jabalina. La capacitancia al estar en el límite superior del rango de valores posibles, indica que el arreglo está instalado en un suelo de alta permitividad.

92 CONCLUSIONES Se ensambló un equipo generador de alta tensión en DC, de hasta 6kV de salida, que replica las especificaciones y requerimientos bajo el cual se creó el generador ya existente en la USB. También se realizó, la construcción del dispositivo de maniobra, que permite la realización de pruebas de impulsos de forma segura. Por la disposición de sus partes y diseño, este equipo se pudo instalar dentro de una maleta funcional, brindándole portabilidad y haciéndolo ideal para llevar a cabo pruebas de campo. Al analizar la respuesta de arreglos simples de electrodos de puesta a tierra, es importante estudiar los fenómenos de alta frecuencia, para tomar en cuenta la influencia de las componentes inductivas y capacitivas sobre el comportamiento de la impedancia de dichos arreglos. La respuesta de un arreglo obtenida de manera convencional, régimen estático, no es extrapolable al comportamiento ante fenómenos transitorios, porque este no toma en cuenta los parámetros dependientes de la frecuencia. Se propone aplicar una metodología basada en la inyección de impulsos de distintos tiempos de duración, para la construcción de una gráfica seccionada de la respuesta transitoria a partir de los distintos rangos de frecuencia que presentan mejor resolución gráfica. Obteniendo así, una respuesta de la mayor calidad posible en un amplio rango de frecuencias. El contrapeso de 15m, presentó un crecimiento de su impedancia a medida que aumenta la frecuencia, lo que infiere que alta frecuencia domina el comportamiento inductivo. Alcanzando hasta dos veces su valor de impedancia estática, a frecuencias cercanas a 500kHz. Caso no deseado, ante un fenómeno de descarga atmosférica. En el contrapeso tipo cruz, la impedancia muestra un comportamiento predominantemente inductivo, ya que incrementa en función de la frecuencia. Sin embargo, comparándolo con el contrapeso sencillo que se encuentra instalado en un suelo de características similares, la elevación del valor de impedancia a alta frecuencia del contrapeso tipo cruz, fue leve, porque aumentó no más de 1.5 veces su valor de impedancia en baja frecuencia. Lo que representa una ventaja sobre el arreglo más largo, ante descargas atmosféricas. La jabalina, presentó un comportamiento capacitivo, ya que su valor de impedancia disminuye prácticamente durante todo el rango de altas frecuencias.

93 71 Los resultados experimentales obtenidos en este trabajo se limitan al tipo de suelo trabajado, no son extrapolables para otros tipos de suelo.

94 72 RECOMENDACIONES Simular en ATP al detalle, el circuito generador de impulsos y todas las conexiones necesarias en el proceso de medición de impedancia transitoria. Para tomar en cuenta cómo afectan las conexiones y los componentes externas, en el comportamiento de la impedancia bajo prueba. El banco de capacitores del generador de impulsos, debe ser mejorado, al cambiar las capacitancias de 4.7uF por unas nuevas de igual capacidad, ya que la existentes han empezado a mostrar leves fallas, al ser alimentadas con tensiones cercanas a su tensión de soporte. Cabe resaltar, que estos componentes son de uso común en la industria electrónica y de bajo costo, por lo que se pueden conseguir fácilmente. Los resultados de las simulaciones obtenidas en este trabajo, a partir de la aplicación del método experimental a arreglos simples de electrodos, pueden ser usados en futuros trabajos de investigación como punto de partida en cuanto a simulación de respuestas transitorias para arreglos de puesta a tierra.

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99 77 APÉNDICE A MÉTODOS DE MEDICIÓN Para el estudio teórico de la respuesta transitoria, es necesario el cálculo de los valores de resistencia, capacitancia e inductancia que describen cada a arreglo de puesta a tierra, como se explicó en el capítulo 1. Estos parámetros dependen básicamente de la geometría del arreglo y del tipo de terreno donde se encuentren enterrados. Para el cálculo de la resistencia, hay una dependencia del valor de resistividad del suelo [3] [4], por lo que esta debe ser calculada. Aunque, se debe notar que el resultado de usar formulas empíricas de cálculo de resistencia es únicamente una estimación muy aproximada, ya que no son válidas para suelos con más de un estrato de resistividad, es decir, el resultado es confiable únicamente cuando el suelo es completamente homogéneo. Cuando el suelo es no uniforme, el resultado quizás difiera en gran medida del valor real [2]. Por lo que se hace necesario, hallar experimentalmente el valor de la resistencia de cada arreglo para tener un valor confiable de R, además de contar también con un valor de referencia en baja frecuencia del comportamiento dinámico de la impedancia. El cálculo de la inductancia no implica mayores complicaciones porque este depende básicamente de la geometría de arreglo y de la permeabilidad magnética relativa del suelo, que generalmente es igual a la del vacío (µ o = 4π10 7 H/m) [3], salvo en casos en el que haya residuos de elementos magnéticos en el terreno. En el caso de la capacitancia, esta depende de la permitividad relativa y su rango de variación es de 1 a 80 veces la del vacío (ε o = 10 9 F/m), ya que esta depende de características 36π del suelo como la estratificación, la granulometría y la humedad [13]. Cabe señalar que si bien son conocidos los rangos de variación, el valor de permitividad no se conoce con precisión, por lo tanto es necesario determinar el comportamiento experimental de la impedancia de puesta a tierra para cada arreglo de electrodos y de allí ajustar el valor de capacitancia del modelo

100 78 planteado, hasta el punto en que el comportamiento teórico simulado se aproxime al experimental. Finalmente, por razones de sencillez y precisión se usarán: el método de Wenner para el estudio de resistividad del suelo, el método de caída de potencial para la medición de resistencia de puesta a tierra y la inyección de impulsos de tensión para la medición de impedancia de puesta a tierra. Todos estos métodos son avalados y descritos en la norma IEEE en el Standard 81 [14]. A.1. Método de Wenner A pesar de que existen varios métodos de medición de resistividad del suelo, el más utilizado mundialmente para realizar el sondeo vertical del suelo y medir la resistividad media de grandes volúmenes de tierra no perturbada es el método de cuatro puntos de Wenner. Pequeños electrodos están enterrados en cuatro agujeros en la tierra, todos a una profundidad b y espaciados (en línea recta) en intervalos de distancia a. Luego, se pasa una corriente de prueba I entre los dos electrodos ubicados en los extremos del arreglo y se aplica un potencial V entre los dos electrodos internos, midiendo con un potenciómetro o voltímetro de alta impedancia. Entonces mediante la ley de Ohm (V / I) se obtiene la resistencia R en Ohmios [14]. Siendo a la distancia de separación entre dos electrodos adyacentes, se puede observar la implementación del método de Wenner en la Figura A. 1. Figura A. 1 Configuración Wenner para medición de resistividad del suelo.

101 79 La resistividad ρ en términos de las unidades de longitud medidas a y b medidas viene dada por la expresión: ρ = 4πaR A.1 2a 1+ a a 2 + 4b 2 a 2 +b 2 Donde: ρ es la resistividad aparente del suelo [Ω.m]. a es la distancia de separación entre electrodos adyacentes de medición [m]. b es la profundidad a la que se entierran los electrodos de medición [m]. R es la resistencia medida. [Ω] Debe tenerse en cuenta que esto no se aplica a las varillas de tierra conducidas a la profundidad b; Sólo se aplica a electrodos pequeños enterrados a la profundidad b, con hilos de conexión aislados. Sin embargo, en la práctica, generalmente se colocan cuatro varillas en una línea perpendicular a intervalos de distancia a, accionadas a una profundidad que no exceda de 0,1 a. Entonces suponemos que b = 0 y la fórmula se convierte en: ρ = 2. π. a. R A.2 Y da aproximadamente la resistividad media del suelo a la profundidad a. Un conjunto de lecturas tomadas con diferentes distancias de separación da un conjunto de resistividades que, cuando se grafican contra la separación, indica si hay distintas capas de suelo o roca diferente y da una idea de sus resistividades y profundidad respectivas [14]. Como el ejemplo de la Figura A. 2.

102 80 Figura A. 2 Curva típica de resistividad [14]. El instrumento de medida utilizado es el telurómetro que permite la inyección de una corriente y la medida de ΔV. Este instrumento muestra directamente la resistencia medida utilizando la ley de Ohm. R = V I A.3 La norma IEEE-81 recomienda hacer la medición en varios ejes, calcular la resistividad de cada uno y comparar los resultados, ya que si los resultados difieren entre sí, se dice que puede existir estratificación horizontal en el terreno. A.2. Método de caída de potencial El método de caída de potencial descrito en la norma IEEE Std. 81, se utiliza para medir la resistencia de puesta a tierra en régimen estático. Consiste en colocar un electrodo lejano (CP) a una distancia superior a 5 veces la longitud del electrodo a medir (G). Otro electrodo (PP) se coloca a diferentes distancias del electrodo G. Por el electrodo CP se inyecta una corriente que fluye por el suelo hasta el electrodo G y se mide el potencial ΔV entre los electrodos G y PP como se muestra en la Figura A. 3. Los electrodos CP y PP son llamados electrodos auxiliares.

103 81 Figura A. 3 Esquema para la medición de resistencia de puesta a tierra [14]. Se toman los datos de la resistencia medida con el telurómetro a varias distancias entre los electrodos G y PP para realizar una gráfica donde se observe una resistencia estable para varias distancias X. El valor de la resistencia en la zona plana de la curva será el valor de la resistencia de puesta a tierra del electrodo medido (G). En la práctica, para un suelo homogéneo, frecuentemente la distancia X para el electrodo de potencial se elige a 62% de la distancia D, cuando los electrodos auxiliares están en la misma dirección, motivado a que teóricamente la zona plana de la curva debe estar en ese punto [14]. Este método de medición de la resistencia de puesta a tierra, asume una distancia suficiente entre el electrodo de tierra bajo prueba (G) y el electrodo lejano CP. En la Figura A. 4 se observa la ubicación de la zona plana de la curva de resistencia en función de la distancia X usando el método de caída de potencial.

104 82 Figura A. 4 Curva de resistencia de PAT usando el método de caída de potencial. Típicamente los electrodos auxiliares se colocan en la misma dirección, pero puede colocarse en la dirección opuesta [14], como se muestra en la Figura A. 3. En este caso la curva de resistencia obtenida tendrá una tendencia diferente como se muestra en la Figura A. 5. La línea continua que representa la curva de resistencia de puesta a tierra con la orientación de los electrodos auxiliares en la misma dirección, mientras que la línea punteada muestra la resistencia PAT con los electrodos auxiliares en direcciones opuestas. Figura A. 5 Curvas de resistencia de PAT usando el método de caída de potencial [14].

105 83 Cabe destacar que el uso de este método permite identificar el valor de la resistencia de puesta a tierra evitando el efecto del área de influencia de los electrodos en la medición. A.3. Método de la pendiente Es el método sugerido para medir sistemas de puesta a tierra de tamaño considerable (cuya máxima longitud supera los 30m), o cuando la posición del centro de la puesta a tierra no es conocido o es inaccesible (por ejemplo, el SPT está por debajo de un edificio). También se puede utilizar cuando el área para colocar los electrodos de prueba está restringida o es inaccesible [25]. La forma de conexión es la misma que para el método de caída de potencial, a diferencia que el electrodo intermedio de potencial (PP), se coloca a 20, 40 y 60% de la distancia total ya definida como D, que corresponde a la separación entre la puesta a tierra a medir (G) y el electrodo de retorno de corriente (CP). Se mide la resistencia en estos tres puntos, nombrando los valores obtenidos de R1, R2 y R3, para después calcular el valor de la pendiente (µ) con la siguiente ecuación: µ = R 3 R 2 R 2 R 1 A.4 Teniendo el valor de la pendiente (µ), se va a la Tabla A. 1, ubicando el valor de k correspondiente. De allí, se multiplica el valor k por la distancia D y se obtiene la distancia en metros a la que deber enterrado el electrodo auxiliar PP, desde el punto de conexión de la puesta a tierra (G) en dirección a CP, para medir en ese punto el valor de la resistencia que corresponderá al valor de resistencia de la puesta a tierra [14].

106 84 Tabla A. 1 Coeficientes del método de la pendiente [14]. A.4. Método de impedancia dinámica La medición de la impedancia transitoria de un arreglo de puesta a tierra, requiere de equipos especializados, los cuales son usados normalmente en laboratorios de alta tensión. El impulso de tensión y corriente es generado por la descarga de un gran capacitor dentro de un circuito generador de impulsos, Figura A. 6. Tal circuito puede ser improvisado en el sitio de prueba, en la mayoría de los casos se usa un generador de impulsos de corriente, y aunque no hay una forma de onda única que represente el comportamiento exacto de una descarga atmosférica, es

107 85 frecuente el uso de los impulsos de corriente normalizados de 8/20μs y 4/10μs para la medida de impedancia transitoria [14], como se muestra en la Figura A. 7 [11]. Figura A. 6 Generador de impulsos de corriente [26]. Figura A. 7 Forma de onda del impulso de corriente [11]. Además del sistema de puesta a tierra a medir, el circuito de medición debe tener otra puesta a tierra auxiliar o punto lejano de retorno de corriente para cerrar el circuito. Es preferible que esta puesta a tierra sea de muy baja impedancia, como por ejemplo una malla.

108 86 El monitoreo simultáneo de impulso de corriente y tensión usualmente es hecho por medio de un osciloscopio de dos canales, donde un canal cuenta con una pinza de tensión que va conectada a la puesta a tierra en estudio y el otro canal con un toroide (o shunt de corriente) que mide la corriente de la descarga aplicada al arreglo. Los dos cables coaxiales conectados al divisor y al shunt deben tener la misma longitud. Este requerimiento es para evitar que se produzcan posibles desfasajes entre las formas de onda debido al tiempo de viaje del impulso dentro de los cables coaxiales, y evitar de esta forma errores en la medición. Para estudiar la respuesta transitoria de una puesta a tierra, se deben aplicar impulsos de corriente de diferentes tiempos de duración, para así construir una familia de curvas para la impedancia de impulso, las cuales caracterizan el comportamiento para impulsos de alta y baja corriente [14]. Donde se usa el siguiente circuito mostrado en la Figura A. 8 para la medición de la impedancia transitoria Figura A. 8 Circuito para la medición de impedancia transitoria [26]. Una vez obtenidas las señales de tensión y corriente, se puede obtener el valor de la impedancia de puesta a tierra en el dominio del tiempo, al calcular el cociente de ambas señales: Z(t) = V(t) I(t) A.5

109 87 Es así como se puede estudiar el comportamiento de la impedancia de puesta a tierra en el dominio del tiempo. Con la expresión A.5, se puede construir una gráfica del comportamiento del electrodo durante el evento transitorio. De esta manera, se puede determinar el tiempo que necesita el arreglo para alcanzar su valor de impedancia en baja frecuencia y como se explicó en el capítulo 1.3 con el ejemplo de la Figura 1.4. Tomando esto en cuenta, se puede estudiar la conveniencia de trabajar con electrodos largos o cortos, a partir de la diferencia entre el valor de la impedancia característica y la impedancia en baja frecuencia, y del tiempo que le toma al arreglo para llegar a este valor de baja frecuencia. Para escoger la forma en que la sobretensión es atenuada. Sin embargo, también se puede analizar la respuesta dinámica en el dominio de la frecuencia, donde la impedancia depende solamente de las propiedades geométricas y electromagnéticas de los electrodos, y del medio que los rodea, más no de la señal de estímulo como el caso en el dominio del tiempo. Además, de contar con la sencillez para calcular la impedancia en frecuencia, en el que simplemente se debe aplicar la transformada de Fourier a las señales de tensión y corriente obtenidas. Esto es posible debido a que estás señales tienen un amplio rango de frecuencias porque fueron generadas por un impulso de corta duración. Finalmente se calcula la impedancia en función de la frecuencia con la expresión A.6 y como se describe el procedimiento en la Figura A. 9. Z(f) = V(f) I(f) A.6

110 88 Figura A. 9 Esquema de aplicación de la transformada de Fourier a las señales de tensión y corriente, y el cálculo de impedancia en función de la frecuencia. Así, se puede graficar el comportamiento de la impedancia de PAT (puesta a tierra) en función de las frecuencias que caracterizan al impulso. Además, este resultado experimental puede servir como guía para ajustar los parámetros circuitales de los modelos planteados en el capítulo 1. Al obtener este modelo para un arreglo de electrodos, este podría servir para estudiar otros eventos. Es importante destacar que trabajando en este régimen, se pueden analizar los efectos dependientes de la frecuencia con la ionización ignorada [27].

111 89 APÉNDICE B MEDICIONES DEL CONTRAPESO A.5. Medidas de resistividad Tabla B. 1 Resistencia medida y resistividad aparente, del eje paralelo y diagonal de la zona nº1, aplicación método de Wenner. Paralelo Diagonal a (m) Resistencia medida (Ω) Resistividad aparente (Ω) Resistencia medida (Ω) Resistivida d aparente (Ω)

112 Resistivdad (Ω.m) Resistividad aparente de la Zona ,5 1 1, Distancia a (m) Eje paralelo Eje diagonal Figura B. 1 Curva de resistividades aparentes de las mediciones en dos ejes distintos de la zona nº1. A.6. Medidas de resistencia estática Tabla B. 2 Resistencia de puesta a tierra medida del contrapeso, para la aplicación del método de caída de potencial. Distancia (m) Resistencia medida (Ω)

113 A.7. Medidas de impedancia dinámica Se realizaron descargas tipo de impulso a este arreglo, y se encontraron los siguientes resultados. En la Figura B. 2 y Figura B. 3 se muestran la descarga y el comportamiento de la impedancia del contrapeso en función de la frecuencia respectivamente con un banco de capacitores de 9.4uF, 520V aplicados y haciendo uso de un tiempo de muestreo de 500us en el osciloscopio. En la Figura B. 4 y Figura B. 5 se muestran las señales de tensión y corriente resultado del impulso inyectado y el comportamiento de la impedancia de contrapeso en función de la frecuencia respectivamente, con un banco de capacitores de 4.7µF, 1000V aplicados y haciendo uso de un tiempo de muestreo de 250µs en el osciloscopio.

114 92 Figura B. 2 Tensión y corriente vs el tiempo del contrapeso, ante una descarga de 520V, a partir de un banco de 9.4µF y usando un tiempo de muestreo de 500µs. Figura B. 3 Comportamiento de la impedancia del contrapeso en función de la frecuencia, ante una descarga de 520V, partir de un banco de 9.4µF y usando un tiempo de muestreo de 500µs.

115 93 Figura B. 4 Tensión y corriente vs el tiempo del contrapeso, ante una descarga de 1000V, a partir de un banco de 4.7µF y usando un tiempo de muestreo de 250µs. Figura B. 5 Comportamiento de la impedancia del contrapeso en función de la frecuencia, ante una descarga de 1000V, partir de un banco de 4.7µF y usando un tiempo de muestreo de 250µs.

116 94 En la Figura B. 6 y Figura B. 7 se muestran la descarga y el comportamiento de la impedancia del contrapeso en función de la frecuencia respectivamente, con un banco de capacitores de 1.567µF, 1000V aplicados y haciendo uso de un tiempo de muestreo de 100µs en el osciloscopio. Figura B. 6 Tensión y corriente vs el tiempo del contrapeso, ante una descarga de 1000V, a partir de un banco de 1.567µF y usando un tiempo de muestreo de 100µs.

117 95 Figura B. 7 Comportamiento de la impedancia del contrapeso en función de la frecuencia, ante una descarga de 1000V, partir de un banco de 1.567µF y usando un tiempo de muestreo de 100µs. En la Figura B. 8 y Figura B. 9 se muestran el impulso y el comportamiento de la impedancia del contrapeso en función de la frecuencia respectivamente, con un banco de capacitores de 522nF, 1000V aplicados y haciendo uso de un tiempo de muestreo de 50µs en el osciloscopio.

118 96 Figura B. 8 Tensión y corriente vs el tiempo del contrapeso, ante una descarga de 1000V, a partir de un banco de 522nF y usando un tiempo de muestreo de 50µs. Figura B. 9 Comportamiento de la impedancia del contrapeso en función de la frecuencia, ante una descarga de 1000V, partir de un banco de 522nF y usando un tiempo de muestreo de 50µs. En la Figura B. 10 y Figura B. 11 se muestran la descarga y el comportamiento de la impedancia del contrapeso en función de la frecuencia respectivamente, con un banco de

119 97 capacitores de 261nF, 1000V aplicados y haciendo uso de un tiempo de muestreo de 50µs en el osciloscopio. Figura B. 10 Tensión y corriente vs el tiempo del contrapeso, ante una descarga de 1000V, a partir de un banco de 261nF y usando un tiempo de muestreo de 50µs. Figura B. 11 Comportamiento de la impedancia del contrapeso en función de la frecuencia, ante una descarga de 1kV, con un banco de 261nF, usando un tiempo de muestreo de 50µs.

120 98 En la Figura B. 12 y Figura B. 13 se muestran el impulso y el comportamiento de la impedancia del contrapeso en función de la frecuencia respectivamente, con un banco de capacitores de 94nF, 1000V aplicados y haciendo uso de un tiempo de muestreo de 25µs en el osciloscopio. Figura B. 12 Tensión y corriente vs el tiempo del contrapeso, ante una descarga de 1000V, a partir de un banco de 94nF y usando un tiempo de muestreo de 25µs. Figura B. 13 Comportamiento de la impedancia del contrapeso en función de la frecuencia, ante una descarga de 1000V, con un banco de 94nF y usando un tiempo de muestreo de 25µs.

121 99 A.8. Impedancia construida a varias frecuencias Figura B. 14 Comportamiento seccionado de la impedancia del contrapeso, acercamiento.

122 100 APÉNDICE C MEDICIONES DEL CONTRAPESO TIPO CRUZ A.9. Medidas de resistividad Tabla C. 1 Resistencia medida y resistividad aparente, del eje paralelo y diagonal de la zona nº2, aplicación método de Wenner. Paralelo Diagonal a (m) Resistencia medida (Ω) Resistividad aparente (Ω) Resistencia medida (Ω) Resistividad aparente (Ω)

123 Resistivdad (Ω.m) Resistividad aparente de la Zona 2 0,5 1 1, Distancia a (m) Eje paralelo Eje diagonal Figura C. 1 Curva de resistividades aparentes de las mediciones en dos ejes distintos de la zona nº2. A.10. Medidas de resistencia estática Tabla C. 2 Resistencia de puesta a tierra medida del contrapeso tipo cruz, para la aplicación del método de la pendiente. Distancia (m) Resistencia medida (Ω)

124 Resistencia del contrapeso tipo cruz Figura C. 2 Curva de resistencia de puesta a tierra del contrapeso tipo cruz. A.11. Medidas de impedancia dinámica En la Figura C. 3 y Figura C. 4 se muestran el impulso y el comportamiento de la impedancia del contrapeso tipo cruz en función de la frecuencia respectivamente, con un banco de capacitores de 9.4µF, 1000V aplicados y haciendo uso de un tiempo de muestreo de 250µs en el osciloscopio. En la Figura C. 5 y Figura C. 6 se muestran la descarga y el comportamiento de la impedancia del contrapeso tipo cruz en función de la frecuencia respectivamente, con un banco de capacitores de 4.7µF, 1000V aplicados y haciendo uso de un tiempo de muestreo de 250µs en el osciloscopio.

125 103 Figura C. 3 Tensión y corriente vs el tiempo del contrapeso tipo cruz, ante una descarga de 1000V, a partir de un banco de 9.4µF y usando un tiempo de muestreo de 250µs Figura C. 4 Comportamiento de la impedancia del contrapeso tipo cruz en función de la frecuencia, ante una descarga de 1000V, partir de un banco de 9.4µF y usando un tiempo de muestreo de 250µs.

126 104 Figura C. 5 Tensión y corriente vs el tiempo del contrapeso tipo cruz, ante una descarga de 1000V, a partir de un banco de 4.7µF y usando un tiempo de muestreo de 250µs. Figura C. 6 Comportamiento de la impedancia del contrapeso tipo cruz en función de la frecuencia, ante una descarga de 1000V, partir de un banco de 4.7µF y usando un tiempo de muestreo de 250µs.

127 105 En la Figura C. 7 y Figura C. 8 se muestran el impulso y el comportamiento de la impedancia del contrapeso tipo cruz en función de la frecuencia respectivamente, con un banco de capacitores de 1.567µF, 1000V aplicados y haciendo uso de un tiempo de muestreo de 100µs en el osciloscopio. Figura C. 7 Tensión y corriente vs el tiempo del contrapeso tipo cruz, ante una descarga de 1000V, a partir de un banco de 1.567µF y usando un tiempo de muestreo de 100µs. Figura C. 8 Comportamiento de la impedancia del contrapeso tipo cruz en función de la frecuencia, ante una descarga de 1000V, partir de un banco de 1.567µF y usando un tiempo de muestreo de 100µs.

128 106 En la Figura C. 9 y Figura C. 10 se muestran la descarga y el comportamiento de la impedancia del contrapeso tipo cruz en función de la frecuencia respectivamente, con un banco de capacitores de 552nF, 1000V aplicados y haciendo uso de un tiempo de muestreo de 100µs en el osciloscopio. Figura C. 9 Tensión y corriente vs el tiempo del contrapeso tipo cruz, ante una descarga de 1000V, a partir de un banco de 522nF y usando un tiempo de muestreo de 100µs. Figura C. 10 Comportamiento de la impedancia del contrapeso tipo cruz en función de la frecuencia, ante una descarga de 1000V, partir de un banco de 522nF y usando un tiempo de muestreo de 100µs.

129 107 En la Figura C. 11 y Figura C. 12 se muestran el impulso y el comportamiento de la impedancia del contrapeso tipo cruz en función de la frecuencia respectivamente, con un banco de capacitores de 261nF, 1000V aplicados y haciendo uso de un tiempo de muestreo de 50µs en el osciloscopio. Figura C. 11 Tensión y corriente vs el tiempo del contrapeso tipo cruz, ante una descarga de 1000V, a partir de un banco de 261nF y usando un tiempo de muestreo de 50µs. Figura C. 12 Comportamiento de la impedancia del contrapeso tipo cruz en función de la frecuencia, ante una descarga de 1000V, partir de un banco de 261nF y usando un tiempo de muestreo de 50µs.

130 108 En la Figura C. 13 y Figura C. 14 se muestran la descarga y el comportamiento de la impedancia del contrapeso tipo cruz en función de la frecuencia respectivamente, con un banco de capacitores de 94nF, 1000V aplicados y haciendo uso de un tiempo de muestreo de 50µs en el osciloscopio. Figura C. 13 Tensión y corriente vs el tiempo del contrapeso tipo cruz, ante una descarga de 1000V, a partir de un banco de 94nF y usando un tiempo de muestreo de 50µs. Figura C. 14 Comportamiento de la impedancia del contrapeso tipo cruz en función de la frecuencia, ante una descarga de 1000V, partir de un banco de 94nF y usando un tiempo de muestreo de 50µs.

131 109 A.12. Impedancia construida a varias frecuencias Figura C. 15 Comportamiento seccionado de la impedancia del contrapeso tipo cruz, acercamiento.

132 Resistivdad (Ω.m) APÉNDICE D MEDICIONES DE LA JABALINA A.13. Medidas de resistividad Tabla D. 1 Resistencia medida y resistividad aparente, del eje paralelo y diagonal de la zona nº3, aplicación método de Wenner. a (m) Resistencia medida (Ω) Resistividad aparente (Ω) Resistividad aparente de la Zona 3 0,5 1 1, Distancia a (m) Figura D. 1 Curva de resistividades aparentes del suelo de la zona nº3.

133 111 A.14. Medidas de resistencia estática Tabla D. 2 Resistencia de puesta a tierra medida de la jabalina, para la aplicación del método de caída de potencial. Distancia (m) Resistencia medida (Ω)

134 112 A.15. Medición de impedancia dinámica En la Figura D. 2 y Figura D. 3 se muestran el impulso y el comportamiento de la impedancia de la jabalina en función de la frecuencia respectivamente, con un banco de capacitores de 9.4µF, 950V aplicados y haciendo uso de un tiempo de muestreo de 5ms en el osciloscopio. Figura D. 2 Tensión y corriente vs el tiempo de la jabalina, ante una descarga de 950V, a partir de un banco de 9.4µF y usando un tiempo de muestreo de 5ms. Figura D. 3 Comportamiento de la impedancia de la jabalina en función de la frecuencia, ante una descarga de 950V, partir de un banco de 9.4µF y usando un tiempo de muestreo de 5ms.

135 113 En la Figura D. 4 y Figura D. 5 se muestran la descarga y el comportamiento de la impedancia de la jabalina en función de la frecuencia respectivamente, con un banco de capacitores de 4.7µF, 1000V aplicados y haciendo uso de un tiempo de muestreo de 2.5ms en el osciloscopio. Figura D. 4 Tensión y corriente vs el tiempo de la jabalina, ante una descarga de 1000V, a partir de un banco de 4.7µF y usando un tiempo de muestreo de 2.5ms. Figura D. 5 Comportamiento de la impedancia de la jabalina en función de la frecuencia, ante una descarga de 1000V, partir de un banco de 4.7µF y usando un tiempo de muestreo de 2.5ms.

136 114 En la Figura D. 6 y Figura D. 7 se muestran el impulso y el comportamiento de la impedancia de la jabalina en función de la frecuencia respectivamente, con un banco de capacitores de 1.567µF, 1000V aplicados y haciendo uso de un tiempo de muestreo de 1ms en el osciloscopio. Figura D. 6 Tensión y corriente vs el tiempo de la jabalina, ante una descarga de 1000V, a partir de un banco de 1.567µF y usando un tiempo de muestreo de 1ms. Figura D. 7 Comportamiento de la impedancia de la jabalina en función de la frecuencia, ante una descarga de 1000V, partir de un banco de 1.567µF y usando un tiempo de muestreo de 1ms.

137 115 En la Figura D. 8 y Figura D. 9 se muestran la descarga y el comportamiento de la impedancia de la jabalina en función de la frecuencia respectivamente, con un banco de capacitores de 522nF, 1000V aplicados y haciendo uso de un tiempo de muestreo de 250µs en el osciloscopio. Figura D. 8 Tensión y corriente vs el tiempo de la jabalina, ante una descarga de 1000V, a partir de un banco de 522nF y usando un tiempo de muestreo de 250µs. Figura D. 9 Comportamiento de la impedancia de la jabalina en función de la frecuencia, ante una descarga de 1000V, partir de un banco de 522nF y usando un tiempo de muestreo de 250µs.

138 116 En la Figura D. 10 y Figura D. 11 se muestran el impulso y el comportamiento de la impedancia de la jabalina en función de la frecuencia respectivamente, con un banco de capacitores de 261nF, 1000V aplicados y haciendo uso de un tiempo de muestreo de 100µs en el osciloscopio. Figura D. 10 Tensión y corriente vs el tiempo de la jabalina, ante una descarga de 1000V, a partir de un banco de 261nF y usando un tiempo de muestreo de 100µs. Figura D. 11 Comportamiento de la impedancia de la jabalina en función de la frecuencia, ante una descarga de 1000V, partir de un banco de 261nF y usando un tiempo de muestreo de 100µs..

139 117 En la Figura D. 12 y Figura D. 13 se muestran la descarga y el comportamiento de la impedancia de la jabalina en función de la frecuencia respectivamente, con un banco de capacitores de 94nF, 1000V aplicados y haciendo uso de un tiempo de muestreo de 50µs en el osciloscopio. Figura D. 12 Tensión y corriente vs el tiempo de la jabalina, ante una descarga de 1000V, a partir de un banco de 94nF y usando un tiempo de muestreo de 50µs. Figura D. 13 Comportamiento de la impedancia de la jabalina en función de la frecuencia, ante una descarga de 1000V, partir de un banco de 94nF y usando un tiempo de muestreo de 50µs.