Mediciones de resistividad y resistencia a tierra

Introducción

Existen dos parámetros importantes a la hora de diseñar y mantener las redes de puesta a tierra: la resistividad del suelo y la resistencia de la red de electrodos de tierra. El objetivo de este trabajo es presentar algunos métodos para llevar a cabo las mediciones de resistividad y resistencia, que permiten diseñar y verificar los sistemas de puesta a tierra así como predecir los mantenimientos.

Para realizar este trabajo se consultaron y analizaron diferentes fuentes bibliográficas como: recomendaciones prácticas de la IEEE, publicaciones y manuales de instrumentos de medición de algunos de fabricantes.

Generalidades Establecer un buen sistema de puesta a tierra es de primordial importancia en cualquier instalación eléctrica por razones de seguridad personal y, en múltiples ocasiones, resulta imperativo tanto para el correcto funcionamiento de los equipos eléctricos y electrónicos como de las protecciones. Por lo tanto, el sistema de tierra brinda importantes beneficios al evitar pérdidas de vidas, daños materiales e interferencias con otras instalaciones.

La puesta a tierra permite y se instala para lograr los siguientes propósitos:

> Estabilizar las tensiones de línea con respecto a tierra. La forma de conexión a tierra puede tener un gran efecto en la magnitud de las dichas tensiones tanto en condiciones normales como transitorias.

> Asegurar la rápida actuación de las protecciones basadas en la detección de corrientes de fallos que circulan por la misma.

> Reducir los gradientes de potencial en la superficie de las subestaciones y demás instalaciones durante las máximas condiciones de falla a una magnitud que no sea peligrosa.

> Limitar la diferencia de tensión que, en un momento dado, puede presentarse entre estructuras metálicas y tierra a un valor lo más bajo posible para resguardar al personal en el área de cualquier choque eléctrico peligroso.

> Asegurar que las estructuras que no llevan corriente, tales como armazones de equipos, estructuras metálicas, etc., estén siempre al potencial de tierra, aún en el caso de falla del aislamiento.

> Evitar incendios mediante el establecimiento de un camino efectivo y seguro para la circulación de corrientes de falla, rayos, descargas electrostáticas, etc. eliminando así la posibilidad de la formación de arcos o el desarrollo de temperaturas elevadas en proximidades de materiales combustibles o inflamables.

> Establecer el potencial de referencia que requieren para su eficiente operación los equipos y sistemas electrónicos que integran un mismo sistema, si estos están conectadas entre sí a tierra simultáneamente.

En las primeras fases de un proyecto tiene que elegirse el emplazamiento más adecuado para la ubicación de la red de puesta a tierra, pues de lo contrario se corre el riesgo de que para lograrlo se requiera un costo de inversión demasiado grande y quizá no resulte económicamente práctico. Para ello se hace necesario efectuar la medición de la resistividad del terreno en las inmediaciones de la futura instalación.

Para examinar las características del terreno es conveniente determinar, con un instrumento apropiado, la resistividad a distintas profundidades o capas del mismo. El resultado mostrará, por ejemplo, si es más ventajoso colocar los electrodos de tierra verticales más profundos, utilizar electrodos horizontales más largos o bien usar electrodos adicionales.

Existen distintos tipos de electrodos de tierra (por ejemplo: pletinas, varillas, mallas y placas) que tienen diferentes resistencias de propagación. Según la naturaleza del terreno, se seleccionará el tipo de electrodo más adecuado.

La determinación de la resistividad del suelo también es útil para otros propósitos como: la estimación de las tensiones de paso y de contacto, el cálculo del acoplamiento inductivo entre los circuitos de potencia eléctrica y de telecomunicaciones y el diseño de los sistemas de protección catódica.

El sistema de puesta a tierra debe tener una resistencia total lo más pequeña posible respecto a la tierra de referencia para que al circular la corriente de falla o del rayo no se originen tensiones peligrosas que afecten la seguridad tanto para los seres vivos como para el funcionamiento de las instalaciones eléctricas. Sin embargo, para proteger una edificación contra daños físicos la magnitud de resistencia de la red de puesta a tierra tiene menor importancia. Lo esencial es que la unión equipotencial a nivel del terreno sea realizada sistemáticamente y que la corriente sea distribuida de manera segura en éste.

La resistencia a tierra de una red de electrodos depende, fundamentalmente, de tres factores: la resistencia de los propios electrodos, la resistencia de contacto de los electrodos con el terreno y la resistividad del terreno. La resistencia de los electrodos es baja ya que son fabricados de materiales de alta conductividad eléctrica. La resistencia de contacto también es baja si se garantiza que los electrodos estén libres de grasa, pintura y similares así como que estén firmemente enterrados. La resistividad del terreno es la que presenta el mayor valor de los tres.

El electrodo está rodeado por semiesferas concéntricas de terreno del mismo espesor. Las semiesferas más próximas al electrodo poseen menor área y por tanto mayor resistencia. Las semiesferas subsiguientes poseen mayor área y contribuyen con menor resistencia. Habrá una distancia, teóricamente situada en el infinito, donde las semiesferas no implican un aumento de la resistencia total del electrodo.

Supóngase un electrodo puntual situado superficialmente en un terreno homogéneo de resistividad p

Fig. 1

Se observa que la corriente va atravesando sucesivamente capas o semiesferas cuyas resistencias decrecen con el cuadrado de la distancia. Por ello, la resistencia depende esencialmente de las capas de terreno más próximas al electrodo.

Al concluir la instalación de una red de tierra se debe verificar que su valor se corresponde con el de diseño.

Con el tiempo, los suelos corrosivos con altos contenidos de humedad y de sales y altas temperaturas degradan los electrodos de tierra y sus conexiones. Por tanto, aunque la red de electrodos cuando fue instalada inicialmente presentaba un bajo valor de resistencia a tierra, ésta se incrementa si los electrodos se han desgastado. Por ello, para las redes ya instaladas, se recomienda comprobar periódicamente si la resistencia a tierra sobrepasa el valor límite admisible y si ha influido de alguna manera adversa la edad del sistema o la naturaleza del terreno.

Resumiendo, en los sistemas de puesta a tierra hay que manejar y medir correctamente dos parámetros eléctricos que tienen significados diferentes: la resistividad y la resistencia. La medición de resistividad es una prueba al propio suelo. La medición de resistencia es una comprobación a una red particular de electrodos de tierra.

Resistividad Definición También llamada resistencia específica. Es la propiedad de un material de oponerse al paso de la corriente eléctrica a través de este, o sea, la dificultad que encuentra dicha corriente al paso por el material. Su unidad de medida es Ohm por unidad de longitud [Oxm].

Su parámetro inverso es la conductividad que es la facilidad que encuentra la corriente eléctrica para atravesar el material. Este se expresa en Siemens por unidad de longitud [Sxm].

Un conductor es un material en el que los portadores de carga son libres de moverse bajo campos eléctricos estacionarios. En el caso de los sólidos estos portadores son los electrones.

El parámetro resistividad para el terreno equivale a la resistencia que presenta un cuerpo del mismo de forma cúbica o cilíndrica con un volumen de 1 m3 medida entre dos caras opuestas.

Medición El conocimiento de la resistividad del terreno es fundamental para el diseño de una red de puesta a tierra, pues es el factor más importante en la determinación del valor de resistencia que se desea obtener, de la profundidad a la cual deben ser enterrados sus electrodos y del impacto que tiene en la corrosión de los elementos enterrados. La resistividad del terreno varía ampliamente a través de las regiones geográficas y con las estaciones, pues en buena proporción está determinada por la temperatura y sus contenidos de sales minerales y humedad que conforman el electrolito a través del cual se produce la conducción eléctrica. La forma de determinarla lo más exactamente posible es mediante mediciones directas en el terreno donde se va a instalar. Por ello, el primer y más importante paso del proceso de diseño es medir la resistividad del suelo, pues permitirá llegar a una red de puesta a tierra clave adecuado y preciso que ahorrará dinero, esfuerzo y asegurará un comportamiento predecible. Si no se realiza o es deficiente, el comportamiento del sistema instalado y, por tanto, la protección de los equipos no serán efectivos.

Deberá confeccionarse un perfil de resistividad del suelo. Un perfil de suelo es una colección de mediciones de resistividad a varias profundidades y direcciones del terreno. El diseñador podrá entonces con mayor facilidad determinar la longitud, profundidad y cantidad de electrodos necesarios para lograr la resistencia del sistema de puesta a tierra especificada.

Existen varios métodos de medición directa para conocer la resistividad eléctrica del suelo:

> Por mediciones de sondeo eléctrico vertical realizadas en la superficie del terreno. Se analiza un volumen de suelo grande en su estado natural.

> Por mediciones efectuadas en el interior con sondeos mecánicos. Se estudia el suelo con mayor detalle un volumen de suelo más pequeño en su estado natural.

> En laboratorio mediante muestras extraídas de afloramientos, sondeos mecánicos, etc. Abarca un volumen pequeño de suelo alterado y puede que no sea representativo de este.

Los métodos más utilizados son los de sondeo eléctrico vertical de Wenner y Schlumberger.

Método Wenner o de 4 puntos

Este método fue desarrollado por Frank Wenner y publicado en la Scientific Paper of the Bureau of Standars Nº 258 de 11 de octubre de 1915, siendo el más efectivo y utilizado en la actualidad para la medición de la resistividad del terreno.

El método consiste en establecer la circulación de una corriente conocida desde un generador de corriente constante entre dos electrodos hincados en el suelo y medir la caída de tensión presente, debida a esta corriente, entre otros dos electrodos. Los cuatro electrodos son equidistantes con separación a y en línea recta.

La disposición habitual es con los dos electrodos de corriente en los extremos, como se indica en la figura.

Fig. 2

La resistencia medida resultante (R) permite determinar la resistividad (>) buscada por la fórmula: > = 2paR Otras disposiciones de los electrodos permiten obtener (>) de acuerdo a la siguiente tabla:

Tabla 1

Método simétrico o de Schlumberger

Es una variante del método de Wenner que se utiliza cuando los electrodos auxiliares no pueden clavarse a intervalos regulares.

Los cuatro electrodos de referencia se hincan en el terreno formando una línea recta, cada par (potencial y corriente) se ubica de forma simétrica respecto al centro de medición escogido. Los electrodos se separan a distancias relativamente grandes respecto a la profundidad de enterramiento, de modo que éstos funcionen como fuentes puntuales de corriente.

Fig. 3

s es la separación entre electrodos de potencial L es la distancia del centro de medición a los electrodos de corriente.

El comportamiento de > con la separación de los electrodos proporciona una guía para la determinación de las características de resistividad del terreno.

La relación entre la distancia L y la profundidad del terreno (h) a la cual se está midiendo es:

Adicionalmente, los instrumentos de medición utilizados para efectuar los sondeos geoeléctricos del suelo y para la planificación de puestas a tierra, casi siempre permiten medir las resistencias óhmicas de conductores sólidos y líquidos o las resistencias interiores de elementos galvánicos, cuando estén libres de inducción y capacidad.

RESISTENCIA Definición Es la caída de tensión experimentada al circular la unidad de intensidad de corriente a través del elemento de un circuito. La unidad de medida es [ O].

La resistencia está determinada por la resistividad del material y su geometría.

Medición

Tanto los fabricantes de equipos tecnológicos como las agencias reguladoras prestan gran interés en las mediciones de la resistencia de puesta a tierra del sistema instalado antes de otorgar su aprobación de operación.

En los sistemas ya existentes tiene que medirse y evaluarse este parámetro con el objeto de determinar si se requiere de su actualización para proteger a los equipos instalados o a los nuevos que se instalarán.

Antes de comenzar las mediciones, es necesario establecer cuál será el método más adecuado a emplear, pudiendo ser: el de caída de potencial, la regla del 61,8 %, el de la pendiente y de intersección de curvas así como comprobar las resistencias de los cables y de contacto de picas.

En el instrumento de medición existen bornes de inyección de corriente (C) y de medida de potencial (P). Para compensar la resistencia de los cables a utilizar se unirán C1 con P1 y C2 con P2, se conectará el cable de medida entre las uniones anteriores y se hace la lectura de la resistencia del mismo. Este valor será el que habrá que deducir de las lecturas de resistencia a tierra que se obtendrán en las mediciones posteriores. El único que interviene y afecta la medición es que va desde la unión C1 – P1 hasta el punto de medición.

Para lograr que la resistencia de contacto de las picas sea la mínima posible, será suficiente emplear unas picas auxiliares redondas de acero de 400 mm de longitud y 14 mm de diámetro. Aunque el valor de esta resistencia no influye en la medición sí afecta a la sensibilidad del instrumento.

Es prudente que el electrodo bajo prueba no esté en conexión con el sistema que protege, puede ser peligroso en caso de fallo.

Método de caída de potencial

Este es el método clásico utilizado para la mayoría de los sistemas de tierra y no se utilizará cuando los mismos cubran una gran área. Para efectuar esta medición se requiere hincar 2 electrodos auxiliares en el terreno. La corriente generada por el instrumento es inyectada entre el sistema bajo prueba y el electrodo auxiliar C. La caída de potencial a través del suelo es medida entre el sistema bajo prueba y el electrodo auxiliar P.

Fig. 4

a) Conectar el sistema bajo prueba (E) a los terminales C1 y P1 del instrumento.

b) Llevar el electrodo auxiliar de corriente C tan lejos como sea posible de E y conectarlo al terminal C2 del instrumento.

c) Llevar el electrodo auxiliar de potencial (P) a mitad de la distancia entre E y C, sobre la recta que les une y conectarlo al terminal P2 del instrumento.

d) Realizar la medición, siendo ésta la resistencia R1.

e) Poner el electrodo auxiliar (P) a una distancia igual al 40% de E-C desde E y tomar una segunda lectura, (R2).

f) Poner el electrodo auxiliar P a una distancia igual al 60% de E-C desde E, y tomar una tercera lectura (R3).

g) Calcular el valor medio de resistencia (Rmedia) a partir de R1, R2 y R3.

h) Restar a R2 y a R3 el valor medio y expresarlo como un porcentaje de la Rmedia.

i) Si el porcentaje es < 20 % que la precisión requerida del resultado, entonces la Rmedia puede ser tomada como la resistencia de tierra, con esta precisión.

j) Si no es así, entonces colocar C más lejos de E o usar el método «de la pendiente».

Para una medición más exacta de la resistencia del sistema bajo prueba E, el electrodo de corriente auxiliar C se coloca suficientemente alejado de éste de manera que el electrodo auxiliar de potencial P esté fuera de las áreas de resistencia efectiva de ambos electrodos. La mejor manera de conocer si el electrodo P está fuera de las áreas de resistencia efectiva es desplazarlo entre E y C en ambas direcciones, tomar una lectura en cada sitio y trazar la curva de resistencia provocada por la "caída de potencial". La curva trazada debe tener una zona plana, la variación de las lecturas es mínima y la verdadera resistencia se mide ahí. Si el electrodo auxiliar de potencial P no está en esta área de resistencia efectiva, al desplazarlo las lecturas de resistencia de tierra tomadas variarán notablemente; por tanto, se podrá determinar un valor exacto de la misma.

Cuando se trata de medir un único electrodo de tierra, el electrodo C puede normalmente ubicado a 15 m y el electrodo P a 9.45 m del electrodo bajo prueba. Con una pequeña red de dos electrodos, C puede ubicarse aproximadamente entre 30.5 y 38 m y el electrodo P aproximadamente entre 18.9 y 23.7 m de los electrodos bajo prueba. Para sistemas de tierra más extensos compuestos de varias varillas o placas en paralelo se requiere que la distancia a C se aumente hasta 61 m y a P hasta 38 m. Sin embargo, para sistemas grandes y complejos formados por una gran cantidad de electrodos y placas que cubren una gran área refiérase a la tabla. La dimensión máxima es la distancia diagonal del área del sistema de electrodos.

Tabla 2

Método del 61,8 %

Si se conoce el centro eléctrico del sistema de puesta a tierra, entonces se puede realizar la medición utilizando este método.

Comprende el sistema de puesta a tierra a ser medido y dos electrodos de auxiliares eléctricamente independientes. Inicialmente, se sitúa el electrodo P al 61,8% de la distancia E-C a partir de E. El instrumento hace circular una corriente entre el electrodo C (exterior) y el sistema bajo prueba E, mide la tensión entre éste y el electrodo P (intermedio) y ofrece de una lectura de resistencia obtenida mediante el cálculo de la relación tensión-corriente (Ley de Ohm: R = U/I).

Cuando se realiza la medición, tiene que posicionarse el electrodo C suficientemente alejado del sistema bajo prueba E tal que el electrodo P descanse fuera de las áreas de influencia de ambos. Si C está demasiado cerca, las áreas de resistencia se solaparán y habrá una variación de la R medida en función del desplazamiento de P. Para comprobar si P ha sido correctamente posicionado, deben hacerse dos mediciones adicionales: desplazado P el 10% de la distancia en la dirección hacia el electrodo C (72 %) y desplazado P el 10 % de la distancia en la dirección hacia el sistema de tierra bajo prueba E (52 %). Se registrarán los valores que resulten de cada una de las tres mediciones de resistencia. El valor que determina la R será el que se obtenga cuando para las mediciones correspondientes a las diferentes posiciones de P resulten casi iguales, o sea, inferiores a tolerancia porcentual definida por el usuario; normalmente: ±2%, ±5% y ±10%. Esto quiere decir que las lecturas caen en la región de "meseta".

Desgraciadamente no hay una regla exacta para determinar la distancia requerida entre electrodo de tierra bajo prueba y el electrodo auxiliar de corriente. Esto se debe a que las condiciones del suelo son muy variables. En general, basado en numerosos estudios, se utiliza una distancia mínima de cinco veces la dimensión máxima del electrodo de tierra (el largo para el caso de los verticales o la diagonal para los casos de placa o malla).

Fig. 5

Si la diferencia es pequeña, los electrodos se han posicionado correctamente y R se obtiene promediando los tres resultados. Si la diferencia es grande, los electrodos se han posicionado incorrectamente (muy próximos al sistema de tierra, muy próximos entre sí o muy próximos a otras estructuras que interfieren) y, por tanto, hay que reubicarlos nuevamente a una separación mayor o en una dirección diferente y repetir las tres mediciones.

Método de los tres puntos o de triangulación

En este método existen influencias marcadas por objetos metálicos enterrados y no existe forma de eliminarlas. Tampoco es efectivo a la hora de evaluar valores bajos de resistencia o valores muy altos de resistividad del terreno donde la resistencia de contacto de los electrodos sea apreciable. Por estas razones, este método es poco utilizado; sin embargo, puede ser útil cuando existen limitaciones de espacio por la existencia de obstáculos intermedios que no permitan alejar suficientemente el electrodo C y no se puede colocar los electrodos en línea recta para realizar la medición con el método de caída de potencial.

En este método se utilizan 2 electrodos auxiliares con resistencias Ry y Rz, respectivamente. Estos electrodos se colocan de forma tal que conformen un triángulo con el electrodo de la PAT. Se miden las resistencias entre cada par de electrodos y se determina la resistencia Rx de la PAT, mediante la ecuación:

x 2 donde R1, R2 y R3 quedan determinadas por las siguientes ecuaciones:

Rx + R y + 0 = R1

Rx + 0 + Rz = R2

0 + R y + Rz = R3

Fig. 6

De manera práctica, este método de medición puede emplear con el medidor de resistencia a tierra procediendo del siguiente modo. Se coloca el electrodo auxiliar P deslazándolo de manera ortogonal respecto al centro de la línea virtual entre el punto de tierra a medir E y el electrodo de referencia C, de manera que formen un triángulo equilátero (si es posible). Al hacer esto, el punto P se traslada fuera del área de influencia del electrodo auxiliar C y del sistema de PAT a medir.

Los electrodos auxiliares se clavan en el terreno de modo tal que queden lo suficientemente alejados entre sí y no se solapen las áreas de influencia de cada uno.

Fig. 7

Efectuar una primera medición con P1 en una posición y una segunda medición con P2 en la posición opuesta.

Si los valores son muy diferentes, el electrodo P se encuentra en una zona de influencia y habrá que aumentar las distancias y rehacer las mediciones. Si los valores están próximos, la medición se considera correcta.

Método de la pendiente

Cuando el método de la caída de potencial no ofrece suficiente precisión, se trate de medir en sistemas de puesta a tierra que cubren una gran área (como los de las subestaciones eléctricas donde puede ser impráctico la obtención de las distancias requeridas para los electrodos auxiliares P y C y la curva de resistencia trazada no tendría un área plana) o se desconoce la posición del centro de la puesta a tierra, entonces podrá utilizase el método de la pendiente.

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 auxiliar de potencial P entre el electrodo de tierra bajo prueba E y el electrodo auxiliar de corriente C. Se realizan tres mediciones y se calcula un valor mediante la inserción de estos resultados en una fórmula.

a) Conectar C1 y P1 al electrodo bajo prueba (E).

b) Tomar lecturas situando la electrodo auxiliar P a las distancias: 20%, 40% y 60% desde el electrodo E. Estas lecturas son los valores de R1, R2 y R3 respectivamente.

Para mayor exactitud se pueden hacer mediciones al 90%, 80%, 70% de E-C, obteniendo también los valores R1, R2 y R3.

Los valores R2 y R3 son similares a los hallados en el método de "caída de potencial". Sin embargo, ahora con estos valores en lugar de calcular el promedio, se halla el valor &µ.

c) Cálculo de:

R2 – R1 d) Multiplicar PT/C por E-C y obtener la distancia EP. (Para el valor de &µ aparece un valor de PT/C en la tabla).

e) Poner el electrodo auxiliar de potencial a la distancia EP hallada y tomar la lectura. Esta es la resistencia de tierra del sistema bajo prueba y será el resultado final.

f) Repetir el procedimiento variando E-C. Comparar los resultados de las dos pruebas.