TÉCNICAS MODERNAS PARA LA MEDICIÓN DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA EN ZONAS URBANAS

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1 TÉCNICAS MODERNAS PARA LA MEDICIÓN DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA EN ZONAS URBANAS (EXTRACTO) Ing. Ignacio Agulleiro Prof. Miguel Martínez Lozano, MSc

2 1. INTRODUCCIÓN El objetivo de este informe es resaltar la importancia de una buena puesta a tierra, el porqué de su monitoreo y mantenimiento, y en particular, algunos métodos (tradicionales y modernos) para llevar a cabo la medición de la resistencia de la misma en diferentes tipos de instalación; principalmente pequeñas y medianas. Para realizar el estudio se revisaron y analizaron diferentes estándares reconocidos como los de la IEEE ( Institute of Electrical and Electronics Engineers ), publicaciones, manuales de equipos de medición y páginas en Internet de algunos de los fabricantes de dichos equipos. Con la información recopilada se explicaron algunas definiciones básicas relativas a resistividad y resistencia, se realizó la descripción de los diferentes métodos de medición de puesta a tierra, los diferentes factores que pueden afectar su medición, así como la comparación entre ellos; que se resume en una tabla. También se dedica una sección a la descripción de varios ejemplos donde se ilustra cómo se ejecutan los métodos descritos en diferentes tipos de instalaciones.

3 2. CONSIDERACIONES GENERALES 2.1. De la necesidad de la puesta a tierra [2] Un buen sistema de puesta a tierra es necesario para mantener buenos niveles de seguridad del personal, operación de los equipos y desempeño de los mismos. En sistemas de potencia la puesta a tierra mantiene la referencia necesaria. La forma en que el sistema se conecta a tierra puede tener un gran efecto en la magnitud de los voltajes de línea a tierra que deben ser mantenidos en condiciones normales y bajo condiciones transitorias. En sistemas no puestos a tierra, algunas tensiones pueden provocar fallas en el aislamiento de los equipos y sistemas. La puesta a tierra del neutro del sistema permite la operación de sistemas de protección basados en la detección de corrientes que circulan por la misma, despejándose así el circuito bajo falla. La puesta a tierra de los equipos se refiere a la conexión intencional de las carcasas, bastidores o estructuras metálicas no portadores o transmisores de corriente de los mismos, para lograr los siguientes propósitos: Mantener una diferencia de voltaje baja entre las diferentes estructuras metálicas con lo que se busca resguardar al personal de cualquier choque eléctrico. En el momento de una falla de un elemento energizado a un bastidor, por ejemplo, el voltaje de dicho bastidor tiende a igualarse al del conductor energizado, si el primero no está debidamente conectado a tierra; constituyendo un serio peligro para el personal del área. Por supuesto, esto debe combinarse con buenos relés de protección de falla a tierra. Contribuir a un mejor desempeño de los sistemas de protección Evitar incendios provocados por materiales volátiles o la combustión de gases al proveer un camino efectivo y seguro para las circulación de corrientes de falla y descargas atmosféricas y estáticas y así eliminar los arcos y elevadas temperaturas en los equipos eléctricos, que pueden provocar tales incendios. Buen desempeño de equipos. En los sistemas o redes de computación una buena puesta a tierra no sólo mantiene la seguridad del personal y provee de un camino de baja impedancia para las corrientes de falla, sino que también mantiene el mismo nivel de potencial de tierra en todas las unidades del sistema, si estas están conectadas entre sí a tierra al mismo tiempo. Si se tienen varios sistemas de alimentación en AC, cada uno con su tierra separada se puede producir ruido en el sistema de tierra conectado a las computadoras. En este caso se utiliza una malla de

4 referencia de señales para igualar el voltaje en un mayor rango de frecuencia. Las carcazas de las computadoras se conectarán a esta malla y a la barra de tierra del sistema. La malla se conectará también a la barra de tierra principal. Estas son, entre otras, las razones de la necesidad de un buen sistema de puesta a tierra, así como de su mantenimiento Sobre resistividad y resistencia de puesta a tierra, así como de la necesidad de su monitoreo [1] Existen dos parámetros importantes a la hora de diseñar o realizar mantenimiento de un sistema de puesta a tierra: Resistividad del suelo y resistencia del sistema de puesta a tierra (electrodo, malla, etc) La medición de resistividad es útil para los siguientes propósitos: Estimación de la resistencia de Puesta a Tierra de una estructura o un sistema Estimación de gradientes de potencial incluyendo voltajes de toque y paso Cálculo del acoplamiento inductivo entre circuitos de potencia y comunicación cercanos Diseño de sistemas de protección catódica La medición de la resistencia o impedancia de puesta a tierra así como los gradientes de potencial en la superficie de la tierra debido a corrientes de tierra es necesaria por diferentes razones, entre ellas: Determinar la resistencia actual de las conexiones a tierra Verificar la necesidad de un nuevo sistema de Puesta a Tierra Determinar cambios en el sistema de Puesta a Tierra actual. Se verifica si es posible o no incorporar nuevos equipos o utilizar el mismo sistema de puesta a tierra para protección contra descargas atmosféricas y otros Determinar los valores de voltajes de paso y toque y su posible aumento que resulta de una corriente de falla en el sistema Diseñar protecciones para el personal y los circuitos de potencia y comunicación Resistividad vs. Resistencia Aun cuando pudiesen confundirse estos dos términos, tienen significados diferentes. La eficiencia de un sistema de un electrodo enterrado (barra, jabalina, malla, plato, etc) es evaluado en términos de resistencia. Es una medida de cuán bien el electrodo puede dispersar corriente en el suelo circundante. La propiedades eléctricas del suelo son descritas en términos de resistividad. Al

5 hacer una medición de resistencia, se está probando un sistema particular de tierra. Al hacer una medición de resistividad se está haciendo una prueba al propio suelo. La resistencia es medida en Ohms. La resistividad es dada comúnmente en Ohm-cms. La resistividad de un suelo determinado combinado con la configuración del electrodo conforma la resistencia que dicho electrodo en particular experimenta. En la práctica, la medición de resistividad es realizada primero, para identificar un buen sitio para la puesta a tierra y hacer el cálculo teórico para su diseño óptimo. Después se realiza la medición de resistencia para verificar que se ha logrado el valor deseado según los requerimientos. Por lo indicado anteriormente es de gran importancia que se investigue la resistividad del suelo cada vez que se tenga como objetivo la instalación de un sistema de puesta a tierra. La resistividad del suelo varía por muchas razones. Entre ellas la profundidad desde la superficie, el tipo y la concentración de químicos en el suelo, el contenido de humedad y la temperatura. En otras palabras, la resistividad del suelo es aquella que posee el electrolito contenido en el mismo. La presencia de agua en la superficie, por ejemplo, no indica necesariamente una resistividad baja. En el Anexo 1 se presentan los valores característicos de resistividad de diferentes tipos de suelo, así como los efectos de la humedad y temperatura en los mismos (tablas 10, 11 y 12 del IEEE Std , cap. 4) Debido a que la resistividad del suelo varia notablemente por el tipo de suelo, así como por las condiciones climáticas, el sistema de puesta a tierra debe ser diseñado para el peor caso posible. Las características del suelo y el contenido de agua son más estables en estratos más profundos, de allí que se recomiende que los electrodos sean instalados lo más profundo posible en la tierra, alcanzando los estratos más húmedos. Asimismo, deben ser instalados donde la temperatura es más estable. Se debe tener en cuenta que el suelo con baja resistividad es normalmente más corrosivo debido a la presencia de sales y agua. Por ello puede destruir los electrodos y sus conexiones. De allí que se recomiende realizar una inspección anual al sistema de puesta a tierra y medir su resistencia. Aunque ésta variará dependiendo de la época o estación del año, un aumento >20% de la resistencia de tierra debe ser investigado y tomar las medidas correctivas para bajar el valor de la misma Resistencia de un electrodo y algunos arreglos de Puesta a Tierra La resistencia de tierra de un electrodo esta compuesta de tres factores: La resistencia del propio electrodo (metal)

6 La resistencia de contacto del electrodo con la tierra La resistencia del suelo, desde la superficie del electrodo hacia afuera, en el espacio por donde circula la corriente, tierra circundante, desde el electrodo hacia el infinito. En Figura 1 se muestra un electrodo simple con su esfera de influencia Figura 1: Esfera de influencia de un electrodo simple [8] La resistencia del electrodo y su conexión es muy baja ya que los electrodos son hechos de un material bastante conductivo y bajo en resistencia, como el cobre. La resistencia de contacto del electrodo con la tierra es también bastante baja si el electrodo está libre de pintura, grasa, etc, y el electrodo esta firmemente enterrado. En cuanto a la resistencia con la tierra circundante se tiene que ésta es la que tiene mayor valor de las tres. El electrodo es rodeado por conos concéntricos de un mismo espesor (como se observa en las figuras 1 y 2). Los conos más cercanos al electrodo tienen menor área y por tanto mayor resistencia. Cada cono subsecuente posee mayor área y contribuyen con menor resistencia. Finalmente hay un punto donde la suma de los conos más lejanos no implica un aumento apreciable en la resistencia total del electrodo de tierra. Si consideramos un electrodo puntual en la superficie de un terreno homogéneo de resistividad ρ (Figura 2), el potencial V1 a una distancia r1 del mismo (debido a una corriente inyectada, I) será:

7 Figura 2: Electrodo simple y radios de influencia V1 = (ρ.i) / 2π 1 / r1 Y a otra distancia r2 > r1, el potencial será: V2 = (ρ.i) / 2π 1 / r2 La resistencia entre ambas capas será: R = (V1-V2) / Z = ρ (r1 r2) / 2π r1 r2 Al diferir r1 y r2 una cantidad muy pequeña, dr, se tiene: R = ρ dr / 2π r 2 De aquí se observa que la corriente I va atravesando sucesivamente capas o conos cuyas resistencias decrecen con el cuadrado de la distancia. Por ello las capas de mayor radio contribuyen poco en la resistencia total, que dependerá esencialmente de las capas más próximas al electrodo. En el Anexo 2 se tiene un ejemplo de un electrodo (jabalina) y la variación de la resistencia a medida que nos alejamos del mismo (tabla 9 del IEEE Std , cap 4). Se observa que la contribución de resistencia en conos muy alejados del electrodo es despreciable. Factores como la resistividad, la longitud del electrodo y profundidad a la que es enterrado y el diámetro del mismo, afectan la resistividad total del mismo. Otro factor a tomar en cuenta cuando se trabaja con electrodos tipo jabalina es la proximidad de unos con otros. Al trabajar en un arreglo de varios electrodos en paralelo la resistencia total no se ve muy disminuida si estos están muy próximos entre sí. Esto se debe a la resistencia mutua que provoca que la corriente que circula por cada electrodo eleve el voltaje en los próximos a éste. Como el voltaje es incrementado por el mismo valor de corriente, la resistencia total es incrementada por la resistencia mutua entre electrodos. Este fenómeno

8 se debe tener en cuenta no sólo al diseñar el arreglo de los electrodos sino también en el momento de colocar los electrodos de prueba a la hora de realizar mediciones de resistencia de un sistema de puesta a tierra, como se verá más adelante Arreglos o tipos de sistema de puesta a tierra Existen dos tipos de sistemas de puesta a tierra; simples y complejos. Los simples consisten en un electrodo aislado enterrado. Este sistema es el más utilizado y se puede encontrar en sitios residenciales. Los sistemas complejos consisten en un conjunto de electrodos interconectados, mallas, platos de tierra y lazos o anillos de tierra. Estos últimos son instalados normalmente en subestaciones, oficinas centrales y centros de telecomunicaciones. En la Figura 3 se pueden ver algunos ejemplos de estos sistemas de puesta a tierra. Figura 3: Electrodos de Puesta a tierra [8]. A) Barra o jabalina; b) Arreglo de electrodos en paralelo; c) Malla; d) Plato 2.4. Valores de Resistencia recomendados Los valores recomendados por el Std IEEE [6] son los siguientes: Para grandes subestaciones, líneas de transmisión y estaciones de generación: 1 Ohm

9 Para Subestaciones de plantas industriales, edificios y grandes instalaciones comerciales: 1-5 Ohm Para un electrodo simple: 25 Ohm 3. MÉTODOS TRADICIONALES PARA LA MEDICIÓN DE RESISTIVIDAD DE TIERRA Se describirá un método para la medición de la resistividad de un terreno, considerando que es homogéneo Método de los cuatro electrodos o método de Wenner Este método fue desarrollado por Frank Wenner del US Bureau Of Standards en 1915 (F. Wenner, A Method of Measuring Earth Resistivity; Bull, National Bureau of Standards, Bull 12(4) 258, s ; 1915/16). (a) (b) Figura 4: (a) Megger e instalación de Electrodos [8] ; (b) Funcionamiento del Método Wenner. En las Figuras 4 (a) y (b) se describe gráficamente el método de Wenner. Estos electrodos deben ser colocados en línea recta a una misma distancia entre ellos, a, y a una misma profundidad, b. Las mediciones dependerán de la distancia entre electrodos y del contacto de estos con la tierra. La distancia b no debe exceder un décimo de la distancia a. El método consiste en inyectar una corriente conocida por los electrodos de prueba C1 y C2. Entre los electrodos de prueba P1 y P2 se mide la diferencia de potencial resultante de la inyección de corriente anterior. Con estos datos se puede calcular la resistencia y el valor de la resistividad del terreno, a una profundidad, b, será: ρ= 2π * A * R si b << a

10 Donde: ρ = Resistividad promedio a la profundidad, b, (Ohm cm) π = constante a = distancia entre los electrodos (cm) R = Resistencia medida por el Megger (Ohm) Como los resultados de la medición son normalmente afectados por materiales metálicos enterrados, se recomienda realizar la medición varias veces cambiando el eje de los electrodos unos 90. Cambiando la profundidad y distancia de los electrodos se puede tener un valor de resistividad más aproximado al real y con ello un mejor diseño del sistema de puesta a tierra a construir. La medición de la resistividad del suelo es comúnmente distorsionada por la existencia de corrientes de tierra y sus armónicas. Para corregir esto, muchos equipos tienen un sistema de control de frecuencia que permite seleccionar la frecuencia de medición con la menor cantidad de ruido y así obtener una medición clara. Existen otros métodos y fórmulas más elaboradas para terrenos no homogéneos, pero en este informe sólo se presenta el método Wenner. 4. MÉTODOS TRADICIONALES PARA LA MEDICIÓN DE RESISTENCIA DE UN SISTEMA DE PUESTA A TIERRA En este informe se presentan los métodos más comunes en la medición de resistencia de puesta a tierra de sistemas pequeños y medianos principalmente, donde el valor de la resistencia puede ser hasta de 25 Ohms General (voltaje, frecuencia y corriente utilizadas normalmente) La resistencia de un electrodo de tierra normalmente es determinada con corriente alterna o corriente directa periódicamente alternada para evitar la posible polarización de los electrodos causados por la corriente directa. En cuanto a la frecuencia utilizada por muchos de los equipos de medición, se tiene que está en el rango de 50 a 150 Hz (muchas veces entre 93 y 128 Hz), para sistemas pequeños y medianos. El conocimiento de la frecuencia de medición permite al equipo descartar o neutralizar las tensiones perturbadoras que se acerquen, con igual frecuencia, con la tensión generada por el propio instrumento. El uso de estos instrumentos se limita en la práctica a la verificación de puestas a tierra pequeños y medianos. En el caso de sistema eléctricos de gran tamaño en las áreas de distribución y transmisión el uso de bajas frecuencias (20 a 600 Hz) es el más utilizado y determina el valor estático de la puesta a tierra. Sin embargo, la mayoría de los

11 fenómenos dinámicos que afectan a un sistema de transmisión o distribución de energía eléctrica, denotan una alta frecuencia. Así tenemos, por ejemplo, que las sobretensiones atmosféricas, las fallas a tierra, las sobretensiones de maniobra, etc. se ven caracterizados por frecuencias que oscilan por el orden de los Mhz. La componente inductiva en grandes sistemas representa un mayor porcentaje de la impedancia total de puesta a tierra ya que el valor de resistencia de la misma suele ser de un Ohm o menos. De allí la importancia de tomar en cuenta esta componente a la hora de hacer un estudio del sistema de puesta a tierra de grandes sistemas. Por ello, en estos sistemas también se hacen pruebas a grandes frecuencias (p.e. 25Khz) para chequear el comportamiento del mismo ante fenómenos dinámicos. La desproporción entre le valor dinámico y estático de la impedancia de puesta a tierra puede alcanzar hasta un 300% o más [4]. En cuanto a la magnitud de las corrientes utilizadas en la medición de la resistencia de puesta a tierra se tiene que el uso de corrientes que van desde los pocos miliamperios hasta los cientos de miliamperios para sistemas instalados en zonas urbanas, a fin de evitar posibles potenciales transferidos que son peligrosos para las personas cercanas al área del sistema. Para grandes subestaciones ubicadas fuera de zonas urbanas, donde existen probabilidades menores de que potenciales transferidos afecten personas o equipos en áreas vecinas, se pueden inyectar corrientes del orden de decenas de amperes. Esto no implica que no se puedan utilizar corrientes de baja magnitud en estos sistemas, aunque el uso de corrientes elevadas puede permitir un estudio más completo Método de los dos Puntos o dos Polos En este método se mide el total de la resistencia del electrodo en estudio más la resistencia de un electrodo auxiliar. La resistencia del electrodo auxiliar se considera muy pequeña comparada con la del electrodo en estudio y por tanto el resultado de la medición es tomado como la resistencia del electrodo en estudio. Normalmente este método se utiliza para determinar la resistencia de un electrodo simple en un área residencial donde se tiene además un sistema de suministro de agua que utiliza tuberías metálicas sin conexiones o aislantes plásticos (electrodo auxiliar). La resistencia del sistema de suministro de agua en el área se asume muy pequeña (alrededor de 1 Ohm) en comparación con la resistencia máxima permitida para un electrodo simple (alrededor de 25 Ohm). Este método tiene algunos inconvenientes, como el hecho de que cada vez más los sistemas de suministro de agua utilizan tuberías plásticas; con lo que se hace más difícil conseguir una tierra auxiliar. Por otra parte no siempre se conoce el recorrido de las tuberías de agua, por lo que las áreas de resistencia del electrodo en estudio y las del electrodo auxiliar podrían solaparse; dando

12 como resultado errores en la lectura. Además, el método de los dos polos puede llevar a grandes errores cuando se intenta medir la resistencia de un electrodo simple de pocos Ohmios; pero al menos puede dar una idea de la resistencia del sistema en estudio. En la Figura 5 (a) y (b) se ilustra esta técnica. Obsérvese que los terminales C1 y P1 y los terminales C2 y P2 son unidos mediante un puente para realizar esta medición. En equipos modernos el puente es realizado internamente por ellos al seleccionar el tipo de medición o método que se desea realizar. Figura 5 (a) Figura 5 (b) Figura 5: (a) Método de los dos Polos [8], (b) Ilustración del método [2]

13 4.3. Método de los tres Puntos En la Figura 6 se tiene la ilustración del método de los tres puntos o método de triangulación. En este método se utilizan dos electrodos auxiliares con resistencias Ry y Rz respectivamente. Estos dos electrodos se colocan de tal forma que conformen un triángulo con el electrodo en estudio. Se miden las resistencias entre cada electrodo y los otros dos y se determina la resistencia del electrodo en estudio, Rx, mediante la siguiente fórmula: Rx = (R1 + R2 - R3) / 2 Donde R1, R2 y R3 quedan determinadas por las fórmulas indicadas en la Figura 6. En este método se tratan de utilizar electrodos auxiliares que se presuman sean de resistencia similar al electrodo en estudio para obtener mejores resultados. Igualmente, se clavan los electrodos auxiliares de modo tal que queden todos los electrodos lo suficientemente alejados y no se solapen las áreas de influencia de la resistencia de cada uno y evitar resultados absurdos. Se recomienda una distancia entre electrodos de 8 metros o más cuando se estudie un electrodo simple. En este método existen influencias marcadas por objetos metálicos enterrados y no existe forma de eliminar dicha influencia. Tampoco es muy efectivo a la hora de evaluar valores bajos de resistencia o valores de resistividad muy altos del terreno involucrado donde la resistencia de contacto de los electrodos sea apreciable. Otra desventaja es que en este método se considera que el terreno es completamente homogéneo. Por estas razones este método es poco utilizado. Sin embargo, puede ser útil cuando existen limitaciones de espacio y no se pueden colocar los electrodos en línea recta para realizar una medición con el método de caída de potencial, por ejemplo.

14 Figura 6: Método de los tres puntos 4.4. Método de caída de Potencial En la Figura 7 se observa la forma en que se instala el Megger para realizar las mediciones por este método. Como se ve, los terminales C1 y P1 están conectados mediante un puente. En esta figura se presenta el método del 62%, explicado m[as adelante.

15 Figura 7: Método de caída de Potencial [10] El método consiste en inyectar corriente a través de un electrodo de prueba denominado de corriente y medir el alza de potencial mediante otro electrodo auxiliar denominado de potencial. Conocido el valor de tensión y el valor de corriente se podrá obtener mediante ley de Ohm el valor de resistencia. Los tres electrodos se mantienen en una línea recta y se va corriendo el electrodo de potencial hacia el electrodo de corriente para hacer sucesivas mediciones de resistencia. En la Figura 8 se presenta otro esquema del método. En ella se presentan los puntos X, Y, Z (también C1, P2, C2 o E, S, H); dependiendo del fabricante del equipo) utilizados más adelante.

16 Figura 8: Método de Caída de Potencial Pasos a seguir para la medición de la resistencia de un electrodo En el proceso de determinar el valor de la resistencia de electrodo de tierra es necesario realizar algunas consideraciones: el valor de potencial medido varía con respecto a la separación del electrodo de potencial a la toma de tierra, por lo que se recomienda el realizar una gráfica de R en función de la distancia. En el momento de la medición se deben seguir los siguientes pasos: 1. Desconectar del sistema de puesta a tierra en estudio todos los componentes que lo estén (esto no será necesario en métodos explicados más adelante). 2. Conectar el equipo de medición a la barra o electrodo en cuestión 3. Colocar el electrodo de corriente a una distancia conocida de la barra o electrodo bajo prueba 4. Realizar varias mediciones de resistencia para diferentes ubicaciones del electrodo de potencial, sin mover el electrodo de corriente (el electrodo bajo estudio y los electrodos de prueba deben estar en línea recta) 5. Graficar la curva obtenida de resistencia en función de la distancia de separación entre el electrodo bajo estudio y el electrodo de potencial 6. Repetir lo anterior hasta obtener una curva con una porción plana bien demarcada Se puede utilizar la siguiente tabla para registrar las mediciones

17 Tabla 1: Formato para la recopilación de datos resultantes de las mediciones del método de la caída de potencial Distancia del electrodo de corriente al electrodo bajo estudio (m) Distancia del electrodo de Potencial al electrodo bajo prueba (m) Resistencia Medida (Ohm) Puntos a tomar en cuenta cuando se realiza el procedimiento anterior Gradientes de Potencial La medición de la resistencia de puesta a tierra por este método genera gradientes de potencial en el terreno producto de la inyección de corriente por tierra a través del electrodo de corriente. Por ello, si el electro de corriente, el de potencial y el de tierra se encuentran muy cercanos entre sí, ocurrirá un solapamiento de los gradientes generados por cada electrodo; resultando una curva en la cual el valor de la resistencia medida se incrementará con respecto a la distancia, tal como se muestra en la Figura 9. Figura 9: Solapamiento de los gradientes de Potencial

18 Al ubicarse el electrodo de corriente a una distancia lo suficientemente lejos del electrodo de tierra, la variación de posición del electrodo de potencial, desde el electrodo de tierra hasta el electrodo de corriente, no producirá un solapamiento entre los gradientes de cada electrodo, originándose entonces una curva como la mostrad en la Figura 10. En esta figura se observa que la curva es asintótica en el origen (toma de tierra) y asintótica a infinito en el final o electrodo de corriente; debido a la proximidad del electrodo de potencial al de tierra y corriente respectivamente. Además, existe una porción de la curva que permanece casi invariable, el cual será más prolongado o corto como la separación de los electrodos de corriente (Z) y electrodo bajo prueba (X). El valor de resistencia asociado a este sector de la gráfica será el correcto valor de la toma del Sistema de Puesta a Tierra. Este punto se conoce como zona de equilibrio. Figura 10: Curva de resistencia vs. Distancia X-Y; sin solapamiento de los gradientes de potencial De acuerdo a lo anterior es necesario determinar la distancia a la cual hay que ubicar el electrodo de corriente y potencial con respecto al electrodo de tierra, para evitar el solapamiento de los gradientes que genera cada uno de los electrodos y poder determinar así el valor de la resistencia de puesta a tierra que se desea conocer Ubicación de los electrodos de prueba Desgraciadamente no hay un método para determinar con exactitud la distancia requerida entre el electrodo de tierra y el de corriente. Esto se debe a que las condiciones del suelo son muy variables. En suelos muy conductivos, la resistencia del volumen alrededor del electrodo es comparativamente pequeña y se pueden realizar mediciones aceptables con una separación de tan sólo unos 8 metros. A medida de que las condiciones del suelo empeoran, y/o las especificaciones del electrodo bajan (valor de resistencia), el área de influencia del electrodo crece. Entonces, distancias mucho más grandes pueden ser requeridas para salir del área de influencia del electrodo que se está probando.

19 En general, basado en numerosas pruebas, se utiliza una distancia entre el electrodo bajo estudio y el electrodo de corriente igual a cuatro o cinco veces la longitud de la máxima dimensión del electrodo bajo prueba (otros autores recomiendan diez veces). Por ejemplo, con un electrodo simple el electrodo de corriente sería ubicado a una distancia igual a cinco veces (o cualquier otro múltiplo escogido) el largo del electrodo simple; Con un plato o base enterrada, cinco veces la diagonal; con un disco enterrado, cinco veces el diámetro; etc. Estas son distancias aproximadas para realizar un primer intento. De no lograrse mediciones coherentes se debe repetir el proceso, variando la distancia, hasta lograrlo. En el caso de un área pequeña o de un electrodo simple, se puede colocar el electrodo de corriente a unos 30 metros del electrodo bajo estudio (si el espacio permite llevar el electrodo de corriente a esa distancia) ya que a esta distancia se presume despreciable la influencia de uno respecto al otro. El electrodo de potencial se coloca a media distancia y se inicia el proceso de medición de resistencia como se describió anteriormente. En cuanto a la distancia óptima para el electrodo de potencial para hallar el punto en que se estabiliza la curva de resistencia en función de la distancia del electrodo de potencial respecto al de tierra, se tiene que generalmente este punto de equilibrio se encuentra al 62% de la de la distancia entre el electrodo de puesta a tierra bajo prueba y el electrodo de corriente; por lo que el método de caída de potencial también se conoce como método del 62%. En la Tabla 2 se presentan como ejemplo las distancias aproximadas recomendadas para ubicar los electrodos de corriente y voltaje cuando se realiza la medición de resistencia de un electrodo simple de 2,54 cm. de diámetro [8]. Tabla 2: Método del 62% (Distancia aproximada de los electrodos de prueba) Profundidad del electrodo bajo Prueba (X, C1 o E) (m) Distancia aproximada a los electrodos auxiliares usando el método del 62% Distancia al electrodo De potencial (Y, P2 o S) (m) Distancia al electrodo De corriente (Z, C2 o H) (m) 1,83 13,72 21,95 2,44 15,24 24,38 3,05 16,76 26,82 3,66 18,29 29,26 5,49 21,64 35,05 6,10 22,56 36,58 9,14 26,21 42,67

20 En la tabla anterior se considera que el suelo es homogéneo y electrodo simple tiene un diámetro de 2,54 cm. Si el diámetro es de 1,27 cm. se debe disminuir las distancias en un 10%. Si el diámetro es de 5,08 cm. se debe aumentar las distancias en 10% [10]. Para comprobar la exactitud de los resultados y asegurar que el electrodo bajo prueba esta fuera del área de influencia del de corriente y viceversa, se cambia de posición el electrodo de potencial (Y, P2 o S) un metro o más hacia el electrodo de corriente y se toma una segunda medida. Luego se corre el electrodo de potencial un metro o más (respecto al punto inicial) hacia el electrodo bajo prueba y se toma una tercera medida (ver Figura 7). Si el valor medido se mantiene constante, las distancias entre los electrodos están bien. Si hay un cambio significativo en el valor de resistencia (30%), se debe incrementar la distancia entre el electrodo bajo prueba y los electrodos de potencial y corriente hasta que el valor de resistencia medido se mantenga casi invariable el mover el electrodo de potencial hacia un lado u otro una distancia de uno o dos metros y realizar una nueva medida. La profundidad a la cual se entierran los electrodos de prueba (corriente y voltaje) no afecta el resultado de la medición. Todo lo que se necesita es que tengan un buen contacto con tierra. Una limitación del método del 62% es que asume condiciones ideales. Estas incluyen un distanciamiento adecuado entre los electrodos, siempre en línea recta y un suelo homogéneo. El suelo rara vez es completamente homogéneo y en zonas bajo construcción se verá particularmente afectado. Así, el electrodo de potencial al 62% de la distancia total podría quedar en una pequeña zona que no represente al área en general. Esto podría provocar que la lectura fuese muy alta y por tanto se realizase un mejoramiento innecesario del sistema de puesta a tierra. De igual modo podría pasar que la lectura fuese muy baja y se dejase el sistema sin modificación, cuando tal vez requeriría algún ajuste. Además, podría pasar que los electrodos no estuviesen lo suficientemente separados al 62% y se tomase una lectura en la gráfica Resistencia en función de la distancia en el momento en que la resistencia está apenas aumentando (y no cuando la curva ya se ha estabilizado como se indicó anteriormente) y pensar, erróneamente, que se ha cumplido con los requerimientos. La ventaja del método del 62% sin embargo, está en que una vez que se han verificado las distancias adecuadas para la medición de resistencia es sencillo y rápido realizar nuevas mediciones en sitio con fines de mantenimiento Método de la pendiente [9] Este método es más utilizado para sistemas de puesta a tierra grandes o cuando la posición del centro de la puesta a tierra no es conocido y es inaccesible (por ejemplo; el sistema esta por debajo del suelo de un edificio). También puede ser

21 utilizado cuando el área para colocar los electrodos de prueba está restringida o es inaccesible. También se utiliza cuando otros métodos dan resultados poco razonables y es, en general, más preciso. La forma de conexión del equipo de medición es como en el método de caída de potencial, con la diferencia de que se hace un barrido más completo con el electrodo de potencial, entre el electrodo de puesta a tierra bajo estudio y el electrodo de corriente. Se realiza una medición de resistencia en cada posición del electrodo de potencial y los resultados se grafican (resistencia en función de la distancia del electrodo de potencial). En la Grafica 1 se ilustra un ejemplo a manera de ilustración. Resistencia en función de la distancia del Electrodo de Potencial medida desde E 0,5 Resistencia (ohm) 0,4 0,3 0,2 0, ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Posición del Elctrodo de Potencial en función de EC Gráfica 1: Resistencia en función de la distancia del electrodo de potencial medida desde E En la Gráfica 1 EC es la distancia total, en línea recta, entre el electrodo de puesta a tierra bajo estudio y el electrodo de corriente. Se realizan al menos unas seis medidas. Al observar la gráfica resultante se puede descartar o ignorar cualquier punto considerado absurdo. De la gráfica se puede tomar el valor de resistencia para 0,2EC; 0,4EC y 0,6EC por ejemplo. Estos valores se llamaran R1, R2 y R3 respectivamente y con ello se calcula el coeficiente de la pendiente, µ, como sigue: µ = (R3-R2) / (R2-R1) Que es una medida del cambio de la pendiente de la curva de resistencia del electrodo de puesta a tierra bajo estudio.

22 En el Anexo 3 se tienen las tablas de para obtener el valor de Pt / EC para el valor de µ obtenido. Pt es la distancia al electrodo de potencial en la cual la resistencia real sería medida. Simplemente se multiplica el valor Pt / EC de la tabla por la distancia EC para obtener Pt. De la curva realizada anteriormente se obtiene el valor de resistencia para la distancia Pt obtenida de la tabla del Anexo 3 y ésta será el valor de resistencia del electrodo de puesta a tierra del sistema bajo estudio. Si el valor de µ obtenido no está en la tabla del Anexo 3, el electrodo de corriente se debe colocar más lejos del electrodo de puesta a tierra. Si es necesario, posteriores mediciones se pueden obtener variando la distancia EC o variando la dirección de la línea recta en la que se colocan los electrodos de prueba. De los resultados obtenidos de resistencia para varios valores de EC se puede realizar una gráfica como la Gráfica 2 mostrada a continuación: Resistencia Obtenida de cada Prueba en función de la distancia EC Resistencia obtenida de cada prueba (ohm) 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Prueba 1 Prueba 2 Prueba 5 Prueba Distancia EC de cada prueba (metros) Gráfica 2:Resistencia obtenida de cada prueba en función de la distancia EC En la Gráfica 2 se observa como la resistencia del electrodo bajo prueba decrece a medida que la distancia EC es aumentada. Las distancias de EC escogidas en las pruebas 1 y 2 no fueron lo suficientemente grandes y las escogidas en las pruebas 5 y 6 son preferibles ya que los valores de resistencia obtenidos en ellas varían poco.

23 4.6. Recomendaciones adicionales En caso de realizar mediciones en áreas donde se encuentren objetos metálicos enterrados (cabillas, tuberías, etc) se requiere realizar mediciones ortogonales y la interpretación de las gráficas resultantes, para poder eliminar así de la medición la influencia de estos objetos metálicos. La presencia de líneas energizadas de alta tensión en las cercanías del área donde se está llevando a cabo la medición, afecta la calidad de la misma. Para evitar esta interferencia se debe realizar la medición en una dirección perpendicular a la línea de transmisión. Incluso, se pueden lograr resultados satisfactorios abriendo los electrodos de potencial y corriente unos 90 como se muestra en la Figura 11: Figura 11: Electrodos de corriente y Potencial a 90 [3] En caso de que el terreno este muy seco, es recomendable humedecer los electrodos de los extremos especialmente (los de corriente), para disminuir la resistencia del electrodo de tierra Ruido excesivo [10] Durante la ejecución del método de la caída de potencial el ruido excesivo puede interferir con la medición debido a la gran longitud de los cables de los electrodos de prueba. Para medir el ruido se puede conectar un voltímetro entre las terminales X y Z (P1 y C2 en otros equipos) como se observa en la Figura 12.

24 Figura 12: Método de Caída de Potencial. Medición de Ruido El voltaje leído en el voltímetro debe estar dentro de la tolerancia del equipo de medición de puesta a tierra utilizado. De no ser así, se puede utilizar una de las siguientes técnicas: Trenzar los cables que van hasta los electrodos de prueba. Esto puede cancelar los voltajes de modo común entre los dos conductores. En la Figura 13 se ilustra cómo. Figura 13: Método de Caída de Potencial. Trenzado de cables de los electrodos de prueba

25 Si no funciona lo anterior se debe revisar también si los cables están paralelos o no a una línea eléctrica. De estarlo, se debe buscar la forma de colocarlos en forma perpendicular. Si el valor de voltaje deseado no es obtenido, el uso de cables con pantalla puede ser requerido. La pantalla o escudo puede proteger el cable interior al tomar los voltajes no deseados y drenándolos a tierra. La forma de conexión se muestra en la Figura 14. Figura 14: Método de Caída de Potencial. Uso de cable con pantalla para los cables de medición Como se observa, la pantalla de los cables que van a los electrodos de prueba y de puesta a tierra no se conectan a los mismos. Estas pantallas se conectan entre sí en el lado del equipo. Por último, la pantalla del electrodo bajo estudio se conecta a dicho electrodo Excesiva resistencia de los electrodos auxiliares [10] Una excesiva resistencia de los electrodos de prueba puede impedir que la corriente que debe pasar por el electrodo de corriente pase por el mismo o que no se pueda medir el potencial a través del electrodo de potencial. Esto puede deberse a un mal contacto con el suelo o por elevada resistividad del mismo. En estos casos, se recomienda compactar la tierra que rodea a los electrodos de modo que se eliminen capas de aire entre los mismos y la tierra. Si el problema es la resistividad, se puede mojar el área alrededor del electrodo, con lo que ésta disminuirá. Incluso se podrían utilizar varios electrodos de potencial y corriente para disminuir la resistencia de contacto con el suelo.

26 Suelos de concreto o material en el cual no se pueden insertar los electrodos [10] Algunas veces el electrodo bajo prueba está instalado en cemento, concreto o cualquier superficie en la que no es fácil la colocación de los electrodos de prueba. En estos casos, dependiendo de la sensibilidad del equipo, puede bastar colocar los electrodos sobre la superficie y mojar dicha área, si el equipo tiene una gran tolerancia a grandes resistencias de contacto. Sin embargo, si esto no es suficiente y el equipo de medición presenta alarmas de alta resistencia, se pueden utilizar mallas o pantallas metálicas y agua como se muestra en la Figura 15, para disminuir la resistencia de contacto de los electrodos con el suelo. La distancia a la cual se colocan estas pantallas es calculada de igual forma que con los electrodos. Figura 15: Método de Caída de potencial. Uso de mallas metálicas como electrodos de prueba 5. VARIANTES DEL MÉTODO DE CAÍDA DE POTENCIAL Y MÉTODOS ADICIONALES PROPUESTOS POR ALGUNOS FABRICANTES PARA LA MEDICIÓN DE LA RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA En esta sección del informe se pretende presentar las técnicas modernas o no tradicionales para la realización de la medición e puesta a tierra. La mayoría de los fabricantes utilizan variantes del método de caída de potencial para lograr tal propósito. Se hace referencia a métodos utilizados por algunos fabricantes, que han sido revisados en los manuales o publicaciones técnicas de los mismos. El que se haga referencia a un fabricante en particular no quiere decir que otros no utilicen los mismos métodos con sus propios equipos.

27 5.1. Método Selectivo con uso de pinza Algunos fabricantes [8] proponen la utilización de transformadores de corriente en forma de pinzas para realizar mediciones de resistencia mediante métodos parecidos al de caída de potencial. Este método permite medir electrodos individuales en todos los tipos de sistemas de puesta a tierra incluyendo mallas que son comunes en subestaciones, torres de alto voltaje con cableado a tierra e instalaciones comerciales con tierras múltiples. Al medir el flujo de corriente a través de un electrodo usando un transformador de corriente en forma de pinza, los efectos de resistencias paralelas son eliminados del proceso de medición y por tanto no afectan los resultados de la medición. Las reglas para la colocación de los electrodos de prueba son las mismas que las utilizadas en el método de caída de potencial. En la Figura 16 se muestra un dibujo del montaje requerido para aplicar este método. Figura 16: Método Selectivo [8] Como se observa, el electrodo bajo prueba no tiene que desconectarse para realizar la medición. El terminal X, C1 o E (dependiendo del fabricante) del equipo se conecta aguas arriba de la pinza, pero aguas abajo de cualquier conexión en paralelo de otro electrodo de puesta a tierra (interconexión de tierra o metal del edificio o estructura). La pinza debe estar sobre el suelo, sin ninguna interconexión aguas abajo de la misma. Al iniciar la medición se obtendrá la medida de resistencia de ese camino individual a tierra. Este es el valor de resistencia del electrodo en estudio en un sistema múltiple de puesta a tierra. De esta forma se puede medir cada electrodo de puesta a tierra sin necesidad de desconectar cada uno de ellos para realizar la medición. Para verificar los resultados y asegurarse de que los electrodos de prueba están fuera de las esferas de influencia de los demás electrodos se realiza una nueva

28 medición colocando el electrodo de voltaje, Y, P2 o S (dependiendo del fabricante), un metro hacia el electrodo bajo prueba o el electrodo de corriente. Si el valor de la resistencia permanece constante, las distancias entre los electrodos es suficiente. Si el valor de la resistencia varía considerablemente (30%), la distancia entre los electrodos debe ser aumentada y se repite el proceso hasta que el valor de la resistencia permanece constante al reubicar el electrodo de potencial y repetir la medición. Algunos equipos disponen de un sistema de control automático de frecuencia que selecciona la frecuencia de prueba con la menor cantidad de ruido y evita que las corrientes de tierra y sus armónicos afecten la medición Variante del método selectivo con el uso de pinza [9] Una variante del método selectivo con el uso de pinza amperimétrica. Para ello utiliza el método de la caída de potencial y un equipo de medición de puesta a tierra que disponga de pinza capaz de medir en el rango de los microamperios. Este procedimiento, como se ha mencionado antes, se utilizará cuando la tierra en estudio está en paralelo con otro sistema de puesta a tierra. De estar aislada la puesta a tierra bajo estudio no hace falta utilizar este método; bastaría el método e caída de potencial. En este método se instala el equipo para realizar una medición bajo el método de caída de potencial y se obtiene una primera medición. Después se coloca el amperímetro en dos lugares: 1) Alrededor del cable del circuito de corriente del equipo de medición que va hasta el electrodo bajo estudio y 2) en algún lugar por encima de la tierra bajo estudio y en el cableado que va hacia la fuente (el conductor que viene de la entrada). Este esquema se muestra en la Figura 18. Así se conoce la corriente total que entra a todo el sistema de puesta a tierra y la porción que pasa por la tierra de la entrada o suministro eléctrico. Posteriormente se toma la lectura de resistencia del equipo. Por ley de ohm se calcula la caída de potencial debido al suelo. La diferencia entre las dos mediciones de corriente representa la corriente que pasa por la puesta a tierra bajo estudio. Con esta corriente y el voltaje calculado se obtiene la resistencia de la puesta a tierra bajo estudio.

29 Figura 17: Variante del Método Selectivo con el Uso de Pinza [9] Ejemplo de cálculo de resistencia para un electrodo de tierra sin tener que desconectarlo: Si: La lectura de equipo bajo método de caída de potencial: 1,9 OHM (RT: Resistencia Total), Lectura de la pinza colocada alrededor del circuito de corriente que sale de C1: 9,00 ma (IT: Corriente Total) Se repite el procedimiento pero con la pinza alrededor del conductor de tierra que va a la entrada: 5mA (IE: Corriente de la entrada) Entonces, La caída de voltaje es: V = IT x RT = 0,009 x 1,9 = 0,017 V La corriente a través de la tierra bajo estudio es: IL = IT IE = 9,00 5,00 = 4,00 ma Y la resistencia de la puesta a tierra bajo estudio: RL = V / IL = 0,017 / 0,004 = 4,25 OHM Este método es un poco más elaborado que el propuesto anteriormente, pero nos da igualmente el resultado buscado, así como una alternativa en caso de que no sea posible colocar el amperímetro o pinza por debajo de la conexión de los dos sistemas de puesta a tierra como lo exige el método previo.

30 5.3. Medición de Resistencias de puesta a tierra sin el uso de electrodos de potencial y corriente. Uso de dos pinzas [8] Figura 18: Método de medición de resistencia de puesta a tierra sin el uso de electrodos de prueba. (a) Circuito equivalente; (b) Pinzas de voltaje y corriente Con este método se puede medir puestas a tierra individuales en sistemas de puesta a tierra múltiple mediante el uso de dos pinzas (transformadores de corriente), eliminando la peligrosa y larga tarea de desconexión puestas a tierra paralelas así como la tarea de buscar sitios ideales u aptos para la colocación de los electrodos de prueba (potencial y corriente). Este método trabaja bajo el principio de que en un sistema de puesta a tierra paralelo múltiple la resistencia total del mismo es muy pequeña respecto a la de uno e los electrodos cualquiera que lo conforman (el electrodo bajo prueba). Al ser la resistencia total del paralelo (R1...Rn) muy pequeña, cualquier resistencia medida por el equipo se asume asociada con el camino o electrodo a tierra en el cual la pinza está colocada (Rx) (Ver figura 17(a) y (b)). En este método, la primera pinza induce un voltaje en el circuito mientras la segunda pinza mide la corriente que circula, permitiendo al equipo de medición calcular la resistencia de ese camino a tierra. Este método del uso de la pinza sólo mide la resistencia de un electrodo simple en paralelo con un sistema de puesta a tierra. Si el sistema de puesta a tierra no está en paralelo a tierra, entonces se puede tener un circuito abierto o estar midiendo un lazo. También existen pinzas que pueden realizar todo el trabajo, es decir, con una sola pinza se pede lograr la generación del voltaje que induce una corriente y ésta es leída por la misma pinza. El valor de la resistencia se obtiene siguiendo el mismo principio anterior [10] y [11].

31 6. ALGUNOS EJEMPLOS DE APLICACIÓN DE LOS MÉTODOS DESCRITOS ANTERIORMENTE 6.1. Métodos: Sin electrodos (Uso de dos Pinzas), Selectivo y Caída de Potencial [8] Aplicación de los métodos en Oficinas Centrales de Telecomunicaciones En primer lugar se localiza la Barra Maestra de Tierra o BMT ( Master Ground Bar o MGB) para determinar qué tipo de sistema de puesta a tierra se tiene en sitio. Normalmente, la BMT tendrá un cable a tierra para los Neutros Puestos a Tierra o NPT ( Multigrounded Neutral o MGN) o servicio de entada, un cable para el anillo de tierra de la Central, otro desde la BMT al sistema de servicio de agua y otro conectado a las partes metálicas del edificio o estructura de la Central. En la Figura 19 se muestra un dibujo de lo mencionado. Figura 19: Oficina Central. (1) Barra Maestra de Tierra; (2) Anillo de Tierra de la Central; (3) Tubería de Agua; (4) Estructura metálica del Edificio; (5) Neutros Puestos a Tierra Una primera medida a realizar es sin electrodos, descrita anteriormente. Se realiza para todas las tierras salientes de la BMT. El propósito es asegurar que todas las tierras están conectadas, especialmente la BMT. Es este caso no se está midiendo la resistencia de cada tierra en particular sino la resistencia del lazo al cual se está conectado con la pinza. En la Figura 20 se tiene el esquema de conexión de este método. Se debe hacer la conexión para medir la resistencia del lazo de la NPT, el anillo de tierra, el sistema de aguas y las estructuras metálicas.

32 Figura 20: Medición de resistencia en Oficina Central. Sin electrodos de prueba. (1) Barra Maestra de Tierra; (2) Anillo de Tierra de la Central; (3) Tubería de Agua; (4) Estructura metálica del Edificio; (5) Neutros Puestos a Tierra La segunda medición a tomar en una auditoria en la Central es la de la caída de potencial de todo el sistema de puesta a tierra. Para ello se conecta el equipo como se indica en la Figura 21, manteniendo en mente los requerimientos para la ubicación de los electrodos de prueba mencionados anteriormente. Para obtener la conexión en un punto remoto para los electrodos de prueba algunas compañías de teléfonos han utilizado pares telefónicos hasta de 1600 metros. Figura 21: Medición de resistencia en Oficina Central. Método de Caída de Potencial. (1) Barra Maestra de Tierra; (2) Anillo de Tierra de la Central; (3) Tubería de Agua; (4) Estructura metálica del Edificio; (5) Neutros Puestos a Tierra