RESISTENCIA DE LAS PUESTAS A TIERRA

Transcripción

1 RESISTENCIA DE LAS PUESTAS A TIERRA

2 Tabla de Contendo Intoduccón....0 La Puesta a Tea Dspostvos de Puesta a Tea Resstvdad Equvalente del Suelo Cálculo de la Resstenca de una Puesta a Tea Resstenca de un Electodo Vetcal Resstenca de un Conducto Enmallado Método de Lauent Método de Schwaz....3 Resstenca de un Electodo Enmallado Constuccón de las Puestas a Tea Mateal Conexones Unones Medcón de la Resstenca de las Puestas a Tea Dsmnucón de la Resstenca de las Puestas a Tea... 9 Refeencas Bblogáfcas...

3 Intoduccón Una puesta a tea desde la óptca de su estudo, seá la adecuada paa una nstalacón cuando pesente una esstenca meno o a lo sumo gual al valo máxmo mpuesto po las caacteístcas del sstema en donde pestaá sevco y po las estccones mpuestas po las nomatvas vgentes. Cada dspostvo de puesta a tea, en lo que a su foma geométca se efee, posee una expesón matemátca que pemte detemna su valo esstvo teóco según las condcones del medo en donde ella seá nstalada. Esta esstenca calculada debe entendese como un acecamento al valo eal que el dspostvo tendá luego de encontase en su condcón de tabajo defntva, puesto que dento del dseño es mposble ntega vaables que son patculaes del medo en donde la puesta a tea seá nstalada. El vedadeo valo de esstenca de una puesta a tea se obtene luego de efectuale medcones en el teeno, entendéndose como valo vedadeo, a la magntud medda en el momento patcula de efectuado el poceso. Consdeemos que la esstenca de una puesta a tea está fuetemente nfluencada po la esstvdad del suelo, luego, cualque vaacón en esta, po ejemplo po condcones atmosfécas (estacones del año), modfcaa pemanentemente dcho valo. En las págnas sguentes se evsaan los paámetos pncpales que defnen la esstenca de los dspostvos comúnmente utlzados como puesta a tea en nuesto medo, y se ndcaan algunas condcones extas en lo que a su constuccón se efee, y po ceto, a su poceso de medcón.

4 .0 La Puesta a Tea Las puestas a teas consttuyen una pate fundamental de todo sstema o nstalacón eléctca, po lo que su coecto dseño es fundamental paa asegua un óptmo sevco de sumnsto sn egos paa las popas nstalacones como paa sus usuaos. Debeá entendese como puesta a tea a la conexón voluntaa al suelo, de dfeentes pates de la nstalacón eléctca po medo de algún dspostvo o confguacón físca de ateamento. Las pates de una nstalacón que se deben conecta a tea son: el neuto de la almentacón y el chass metálco de los equpos eléctcos, las pmea ecbe el nombe de tea de sevco y la segunda el de tea de poteccón cuyos dseños seán abodados en el apunte técnco Cálculo de Puestas a Tea. La esstenca de una puesta a tea está dada fundamentalmente po el tpo de dspostvo usado (foma físca), y patculamente, po la esstvdad que posea el suelo en donde ella se encuente nstalada.. Dspostvos de Puesta a Tea Ente las múltples fomas físcas que pueden tene los dspostvos de tea, se destacan en nuesto medo los electodos vetcales, los conductoes enmallados y los electodos enmallados. Los electodos vetcales consttuyen el dspostvo de tea más smple, y que nomalmente, es utlzado en nstalacones domclaas unfamlaes. Conssten en una baa ccula metálca, nomalmente de cobe, o evestdo en el. Fgua Electodo vetcal 3

5 Los conductoes enmallados son dspostvos confomados po aeglos cuadados o ectangulaes de conductoes desnudos de cobe, los que se dsponen en poscón hozontal. Con ellos se logan esstencas bastante bajas compaatvamente con las consegudas al utlza electodos vetcales Fgua Conducto enmallado Los electodos enmallados conssten en utlza en foma combnada electodos vetcales y conductoes enmallados con el fn de loga esstencas fnales po debajo de lo que nomalmente se puede obtene al usa solo estos últmos. Fgua 3 Electodo enmallado 4

6 . Resstvdad Equvalente del Suelo La esstvdad de un suelo seá únca cuando se tate de un teeno homogéneo, debdo a que ésta, no sólo depende de las caacteístcas eléctcas y del espeso de los estatos pesentes en el suelo, s no que, además, depende de la confguacón geométca de la puesta a tea. Del estudo de suelos se loga detemna la esstvdad patcula de cada estato pesente en el teeno, peo esta nfomacón se debe mezcla con las caacteístcas físcas del dspostvo de tea elegdo con el fn de consegu una esstvdad denomnada equvalente. Con electodos vetcales, la esstvdad equvalente de un suelo está dada fundamentalmente po el pomedo de las esstvdades de las capas pesentes, consdeando empícamente que el electodo atavesa todos los estatos exstentes, y que cada uno de ellos, pesenta la msma nfluenca especto a la esstvdad equvalente del suelo que ccunda al electodo. esstvdad equvalente n Fgua 4 Resstvdad equvalente paa el caso de electodos vetcales En fómula, la esstvdad equvalente del suelo en (Ω m), cuando se usan electodos vetcales se detemna con: e n N c N c : Resstvdad de las capas pesentes (Ω m) : Númeo de capas pesentes 5

7 Con conductoes y electodos enmallados, de acuedo a Yakobs, una puesta a tea compuesta po un conjunto de conductoes hozontales enteados a una pofunddad t y un conjunto de baas vetcales de longtud L, se apoxma a un psma metálco ecto en la medda que se ncementa el númeo de elementos vetcales, y su esstenca dsmnuye hasta un valo mínmo. Este psma metálco puede apoxmase po un semelpsode de evolucón ubcado a pat de la supefce del teeno, tal como se muesta en la fgua 5. El semelpsode cube una supefce S gual a la abacada po la puesta a tea, y su eje meno b es gual a la pofunddad máxma alcanzada po los elementos: h e t+l, s exsten electodos; o h e t s solo exsten conductoes enmallados hozontales. t L h e Fgua 5 Esquema epesentatvo de del cteo de Yacobs Yacobs establece que el áea enceada po el peímeto de la puesta a tea hozontal o tambén llamada malla, que coesponde a un cculo de ado, se calcula medante la expesón: S : Supefce de la malla (m ) : Rado equvalente (m) S π áea de la malla Fgua 6 Rado medo o equvalente de una malla 6

8 Tambén se establece que la esstvdad equvalente de un teeno de "n" capas equvale a la de uno homogéneo. Paa él se han encontado las sguentes expesones: R 0 h 0 sen 0 eq h e R h h e 0 eq : Resstenca de la malla paa un teeno homogéneo (Ω) : Rado equvalente (m) : Pofunddad de la malla (m) : Vaable auxla de cálculo (m) : Resstvdad equvalente del teeno (Ω m) Paa un teeno multestatfcado la esstenca de asocada a la puesta a tea se calcula medante la sguente expesón: R q v me n [ 0 v 0 v ] ( q + h + ) ( q + h + ) ( 4 q ) e eq ( + h ) sen R me : Resstenca de la malla paa un teeno multestatfcado (Ω) 0 eq v q h e h : Vaable auxla de cálculo (m) : Rado equvalente (m) : Resstvdad equvalente del teeno (Ω m) : Vaable auxla de cálculo (m) : Vaable auxla de cálculo (m) : Pofunddad de la malla (m) : Pofunddad de la capa (m) 7

9 Fnalmente, gualando las expesones anteoes, esulta que la esstvdad de un suelo de n capas al que se le nseta una puesta a tea hozontal enmallada, pesenta una esstvdad equvalente dada po la sguente expesón: F eq n v 0 [ F F ] eq F : Resstvdad equvalente del teeno (Ω m) : Vaable auxla de cálculo de la capa : Resstvdad de la capa (Ω m) Tomando como base las expesones dadas anteomente, a contnuacón se entega el pocedmento de calculo ecomendado paa detemna la esstvdad equvalente de un teeno sondeado cuando en se nstala en él una puesta a tea hozontal enmallada. (a) Calcula el ado equvalente de la malla: S π (b) Calcula la vaable auxla 0 : 0 he (c) Calcula la vaable auxla q : q ( + h e ) (d) Calcula las vaables auxlaes v : v q + h + 0 ( q + h + ) ( ) 0 4 q 0 Nota: La cantdad de valoes de v a calcula es funcón de la cantdad de capas que tenga el teeno. 8

10 e) Calcula las vaables auxlaes F : F v 0 Nota: La cantdad de valoes de F, esta en funcón de la cantdad de valoes de v (f) Calcula la esstvdad equvalente: Nota: Paa suelos de: Capas solo usa () 3 Capas solo usa () 4 Capas solo usa (3) eq () F F0 F F F 3 eq () F F0 F F F3 F + + F F 4 eq (3) F F0 F F F3 F F4 F Cálculo de la Resstenca de una Puesta a Tea Conocda la esstvdad equvalente del suelo, la esstenca de las puestas a tea se detemna con ecuacones patculaes po cada foma físca que exsta de ellas.. Resstenca de un Electodo Vetcal Esta confguacón de puesta a tea, tene como pncpal defecto el hecho de que su esstenca es bastante elevada. Po ejemplo, y tomando como base una esstvdad de suelo de 00 (Ω-m), la esstenca de una electodo de,5 mts. po ¾ φ alcanza en pomedo a los 60 (Ω). 9

11 La ecuacón que pemte detemna la esstenca de un electodo vetcal es: e π L L Ln a R e R e L e a : Resstenca del electodo (Ω) : Lago del electodo (m) : Resstvdad equvalente (Ω m) : Rado del electodo (m). Resstenca de un Conducto Enmallado Este tpo de confguacón, a dfeenca de la anteo, pesenta la ventaja de que se pueden consegu valoes de esstenca bastante más pequeños, peo a un costo mayo. Paa el cálculo de la esstenca de un enmallado o tambén denomnado malla de puesta a tea, exsten dos altenatvas de cálculo, una debda a Lauent y la ota debda a Schwaz... Método de Lauent Este método de cálculo solamente consdea como paámetos fundamentales de la malla, los concenentes a la longtud del conducto que la confoma, y el ado equvalente de la msma. Debdo a esto, algunos autoes nomban a este método como el método apoxmado de Lauent. La expesón que pemte detemna la esstenca de la malla de puesta a tea medante este método, es la sguente: R ML eq 4 + L eq m R ML : Resstenca de la malla según Lauent (Ω) : Rado equvalente (m) L m eq : Lago del conducto de la malla (m) : Resstvdad equvalente (Ω m) 0

12 .. Método de Schwaz Este método de cálculo a dfeenca del anteo, consdea tanto las caacteístcas del teeno, como las concenentes a la malla, debdo a esto, al método se le llama exacto. Las expesones de calculo que pemten detemna la esstenca de una malla medante Schwaz, se pesentan a contnuacón: K K R,3 h,43 S 8 h 5,5 S e e + Ln A 0,044 B he 0, 5 S A B L m K L + h e d S K eq m MS π Lm R MS : Resstenca de la malla según Schwaz (Ω) eq L m : Resstvdad equvalente (Ω m) : Lago del conducto de la malla (m) S : Supefce de la puesta a tea (m ) d : Dámeto del conducto de la malla (m) h e A B : Pofunddad de enteamento de la puesta a tea (m) : Longtud po el lado de mayo dmensón de la malla (m) : Longtud po el lado de meno dmensón de la malla (m).3 Resstenca de un Electodo Enmallado S la esstenca de la malla detemnada po Schwaz la denotamos como R MS, y la esstenca de los electodos asocados al sstema en conjunto como R EL, tendeemos que las expesones que pemten detemna la esstenca total de un electodo enmallado son las sguentes: R eq π L 4 L Ln n a K L + S ( n ) EL

13 R R ME EM R MS R R MS e Ln π Lm REL RME + R R MS EL ME L he d R EL R ME R MS R EM eq L L m a n : Resstenca del conjunto de electodos (Ω) : Resstenca mutua malla electodos (Ω) : Resstenca de la malla según Schwaz (Ω) : Resstenca del electodo enmallado (Ω) : Resstvdad equvalente (Ω m) : Lago del electodo (m) : Lago del conducto de la malla (m) : Rado del electodo (m) : Númeo de electodos S : Supefce de la puesta a tea (m ) d : Dámeto del conducto de la malla (m) h e K : Pofunddad de enteamento de la puesta a tea (m) : Ve ecuacón de Schwaz 3.0 Constuccón de las Puestas a Tea El dseño páctco de una puesta a tea, especalmente de una malla, se comenza obsevando una planta de la dsposcón de los equpos y estuctuas que deben se puestas a tea. Dento de una malla los cables se dsponen sguendo líneas paalelas y a ntevalos azonablemente unfomes. Se debe tene pesente que cuces muy fecuentes dsmnuyen la efcenca total del conducto, debdo evdentemente a que un conducto es menos efcente, como emso de coente, cuando atavesa una zona ya ocupada po oto conducto. Po ota pate, estos cuces son deseables paa sumnsta camnos múltples a la coente de falla en puntos de alta concentacón, o paa asegua la contnudad ante daños mecáncos de algunos conductoes.

14 3. Mateal El cobe es el mateal más utlzado paa la constuccón de las puesta a tea, especalmente las denomnadas mallas. Además de su alta conductvdad, el cobe tene la ventaja de se nmune a la coosón galvánca desde el teeno ccundante, debdo a que el cobe es catódco con especto a otos metales que pueden esta enteados en las vecndades. Po ota pate, este echo acelea la coosón de estos últmos metales, tales como tubeías de aceo, cubetas de plomo de los cables, etc. El estañado del cobe educe este efecto en un 50% especto al aceo y al znc, y lo elmna con especto al plomo. Esta coosón puede además dsmnuse aslando ambos metales, en sus cuces, medante huncha plástca. Electodos de aceo evestdas en cobe (coopeweld), se usan nomalmente como electodos vetcales, y en casos muy especales, en la constuccón de la malla popamente tal. 3. Conexones Medante cables contnuos de cobe de seccones adecuadas y unones estables, debeán conectase a la puesta a tea los sguentes elementos: - Todas las pates metálcas que nomalmente no conducen coente, peo que accdentalmente po fallas de aslacón, pueden queda enegzados. - Vallas, tubeías y toda clase de estuctuas metálcas enteadas dento del peímeto del dspostvo de puesta a tea. - Paaayos y cuando coesponda, los neutos de los tansfomadoes y los neutos de almentacón. 3.3 Unones Exsten dos altenatvas de unón ente los conductoes de una puesta a tea, uno es el denomnado pensas y el oto temofusón. En la páctca, no se ecomenda el uso de pensas paa la unón de los conductoes de puesta a tea, debdo a que no ofece un gado de unón adecuado ente los conductoes, lo que tae como consecuenca un aumento de la esstenca de contacto. 3

15 Los pocesos de temofusón se basan en eaccones químcas de Oxdo-educcón. En el caso de pocesos de temofusón aplcado a la unón de conductoes de cobe, la eaccón es la sguente: Oxdo Cobe + Alumno Cobe + Oxdo Alumno + H La gan cantdad de enegía geneada (H), funde el cobe que cae en foma de colada de fundcón, en tanto que el oxdo de alumno aasta mpuezas, y po su meno densdad sube como escoa. El polvo de soldadua es una mezcla de óxdo de cobe y alumno, cuya eaccón exotémca poduce metal funddo. El cobe funddo fluye a tavés del canal sobe los conductoes, fundéndolos y soldándolos. El equpo paa ealza las conexones es potátl y fácl de opea; consste pncpalmente de un molde de gafto con los componentes asocados según lo muesta la sguente fgua: polvo de gncón polvo de soldadua dsco de etencón cable molde de gafto Fgua 7 Molde utlzado paa las unones po temofusón La cantdad de colada de cobe obtenda en la eaccón, debe se sufcente paa poduc la fusón de los conductoes, con una masa depostada que gaantce una conductvdad del 00% de la capacdad del conducto. Esta unón así obtenda es de gan establdad físco químca en el tempo, y altamente esstente a las solctacones témcas y eléctcas a las cuales puede se sometda. 4

16 Fgua 8 Ejemplo de unones po temofusón El poceso de temofusón es una vedadea mn fundcón. Todas las pecaucones que se deben toma, deben esta oentadas desde ese punto de vsta. Los pncpales obstáculos a vence, paa obtene una buena temofusón son: Gasas. Las gasas o acetes aamente pesentes en los conductoes se deben elmna medante solventes. Sucedad. Una lmpeza con pocedmentos mecáncos (escoblla de aceo), elmna la sucedad. Humedad. Sn luga a dudas, el mayo obstáculo de una unón po temofusón es la humedad, ya que esta se encuenta pesente en el molde de gafto, el conducto y en el ambente. El gafto es un mateal hgoscópco, po lo tanto absobe humedad del medoambente. Esta humedad debe se elmnada medante el poceso de pecalentamento del molde. El no secado del molde tae las sguentes consecuencas: - Salpcadua de las soldaduas po la explosón del agua. - Soldadua poosa (humedad atapada en el cobe). - Meno duacón del molde debdo a las mcogetas poducdas po la expansón volumétca del agua pesente en el gafto. S los conductoes a un se encuentan húmedos o muy fíos, deben se pecalentados con un soplete a gas paa evta malas unones. 5

17 unón SS unón TA unón XA unón XB unón PT unón PC Unones tpo cable cable unón GR unón GT unón GY Unones tpo cable electodo unón HA unón HC unón VS unón V V Unones tpo cable supefce plana unón LA unón GL Unones tpo cable baa plana Fgua 9 Ejemplo de unones po temofusón 6

18 4.0 Medcón de la Resstenca de las Puestas a Tea La esstenca de puesta a tea de un electodo, un conjunto de electodos o una malla, debeá pode medse sn dfcultades. Paa cumpl lo anteo, se debe deja po lo menos un punto de la puesta a tea accesble, adoptándose una dsposcón como la mostada en la sguente fgua: Fgua 0 Ejemplo de camalla de egsto paa la medcón de una puesta a tea Paa efectua la medcón de la puesta a tea, se utlza en geneal, el msmo nstumento empleado paa el estudo de teeno. Debe tenese la pecaucón entes de med, de desenegza la nstalacón y eta todas las conexones a la puesta a tea. Paa conoce el valo de la esstenca de una puesta a tea ya nstalada, se debeá segu el sguente pocedmento: () Uno de los electodos de coente del nstumento se debe conecta al dspostvo de tea a tavés de la camalla de egsto. R (W) I V V I Fgua. Medcón de la esstenca de las puestas a tea 7

19 () Se debe conecta un bone de potencal, al bone de coente ndcado anteomente. El oto bone de coente se conecta al teeno a tavés de un electodo auxla, a una dstanca (d), equvalente a 5 (cnco), veces el lago en el caso de electodos vetcales y 5 veces la longtud de su dagonal mayo en el caso de conductoes enmallados. R (W) I V V I d (m) Fgua. Medcón de la esstenca de las puestas a tea (3) El tece bone del nstumento (potencal), se conecta a tavés de un segundo electodo auxla al teeno, y se desplaza sucesvamente ente los electodos de coente a una dstanca (L), equvalente a un 0 avo de la dstanca d ndcada anteomente (Ld/0). R (W) I V V I L (m) d (m) Fgua.3 Medcón de la esstenca de las puestas a tea (4) Fnalmente con la dstanca de sepaacón del electodo de potencal móvl L y los valoes de esstenca meddos, se pocede a confeccona una gáfca de esultados. En donde la cuva epesentatva de la medcón adquea un valo hozontal sostendo, se entendeá que éste es el valo de la esstenca de la puesta a tea en estudo. 8

20 5.0 Dsmnucón de la Resstenca de las Puestas a Tea Dependendo del tpo de dspostvo de tea, gado de dsmnucón de esstenca y costo asocado, exsten dfeentes altenatvas paa pode educ el valo de esstenca de una puesta a tea. Los paámetos de mayo nfluenca en la esstenca de una puesta a tea son: - La esstenca popa del sstema de puesta a tea o esstenca de contacto, dada po sus caacteístcas físcas. - La esstvdad del suelo, dada po las caacteístcas conductvas de éste. La esstenca de un sstema de puesta a tea, entonces, podá mejoase atacando las stuacones anteomente desctas, medante las sguentes posbldades: - Modfcando la esstenca popa del sstema. - Modfcando la esstvdad del teeno. En el caso de que un solo electodo no sea sufcente paa cumpl con un valo adecuado de esstenca de puesta a tea, una páctca útl es la de utlza vaas baas vetcales con el fn de povee tayectoas paalelas de coente a tea. En este caso, el sstema de puesta a tea tendeá a asemejase a un ccuto esstvo paalelo, con lo que la esstenca total de la puesta a tea, dsmnuía en funcón de la cantdad de baas vetcales nteconectadas. Lo anteo expesado en fomula, adopta la sguente estuctua: R R F K N e e R F : Resstenca fnal (Ω) K : Constante de combnacón según tabla R e N e : Resstenca de un electodo (Ω) : Númeo de electodos en paalelo 9

21 Tabla N Constante de combnacón paa electodos paalelos N de Electodos k Nota : La dstanca de sepaacón ente electodos paalelos, debe se gual al doble de la longtud del electodo utlzado. En el caso de los conductoes enmallados, como la esstenca de la puesta a tea es una esstenca de contacto, paa bajala bastaá solo con aumenta la supefce de contacto ente el suelo y los conductoes que foman la malla. Paa loga lo anteo, solo es necesao aumenta el dámeto de los conductoes de la malla y el áea cubeta po la msma. Es clao asum que esta solucón es anteconómca, po lo tanto poco páctca, po lo que se ecomenda en este caso modfca la esstvdad del suelo. Como sabemos, la conduccón en el suelo es ónca y no electónca como es en el caso de los conductoes metálcos, po lo tanto, paa baja la esstvdad de un teeno, bastaá con adcona ónes al suelo. Exsten vaas fomas de ealza el acondconamento de un teeno, una de ellas es utlzando dvesas sales químcas como lo son el sulfato de cobe, sulfato de sodo, sulfato de magneso, cabonato de sodo, clouo de sodo, etc.; sn embago, este tpo de mejoamento pede efecto al cabo de vaos meses debdo a que las lluvas y la poosdad del suelo hacen que estos compuestos se dsuelvan y mgen totalmente. Otos mateales utlzados en la educcón de la esstvdad del teeno son los devados del cabono, los cuales cuando son llevados a dámetos de una ganulometía muy pequeña popoconan elementos establzadoes de muy baja esstvdad. 0

22 Las acllas osmótcas po su popedad de etene el agua duante lagos peodos de tempo tambén son utlzados en el tatamento de suelos, sn embago hay que tene cudado con la contaccón y expansón de estas acllas en los peodos de lluva y sequía. Oto de los métodos de modfcacón de la esstvdad de los teenos es el uso de baas químcas, la que es deal en el caso de suelos que pesentan una elevada esstvdad, y tenen dmensones físcas educdas como paa utlza una malla de una supefce mpotante. Conssten en un electodo tubula fabcado con cobe electolítco, con el fn de que el oxdo fomado en su supefce sea buen conducto. Este tubo esta elleno con sales mneales, las cuales se satuan con el ae y se dsuelven lentamente, salendo al teeno po ofcos dsemnados a lo lago del tubo; mnando con estas sales la hemsfea de nfluenca, poveyendo así el electolto necesao paa una buena conductvdad. Fgua Baas químcas

23 Refeencas Bblogáfcas Puesta a Tea en Edfcos y en Instalacones Eléctcas José Toledano Gasca Juan Matínez Requena Edtoal Paannfo, ITP and Intenatonal Thomson Publshng Company, Madd, España, 997 Dstbucón Industal de la Enegía Mao Lllo Saaveda Depatamento de Ingeneía Eléctca, Unvesdad de Concepcón, Concepcón, Chle, 996 Sstemas de Puesta a Tea Claudo González Cuz Depatamento de Capactacón, Legand Chle, Santago, Chle, 999