Medida de la resistividad del terreno

Establecer una buena red de p.a.t. es de primordial importancia en cualquier instalación eléctrica por razones de seguridad y resulta en ocasiones un imperativo para el correcto funcionamiento de equipos.

Elegir el correcto emplazamiento de un sistema de electrodos de tierra es algo a decidir en las primeras fases del proyecto, de otro modo se corre el riesgo de precisar inversiones excesivas para lograr una buena red y quizá hasta resulte imposible.

Para elegir un buen emplazamiento y dimensionar la red se hace prioritaria la medida de la resistividad del terreno en las inmediaciones de la futura instalación.

Resistividad del terreno

El cuerpo principal de la tierra puede ser considerado como un perfecto conductor de la electricidad y la resistencia de este cuerpo es determinada por la resistividad de la capa superior, es decir, el suelo.

El suelo en sí mismo es un buen aislante y solamente llega a hacerse conductor (con pocas excepciones) en presencia de agua en su seno. De otro lado también al agua desmineralizada es un aislante y solamente es conductora cuando contiene sales solubles en ella.

El efecto del agua en la resistividad del suelo dependerá de la cantidad de sales disueltas. También dependen la resistividad del suelo de las condiciones climáticas, de su habilidad para retener el agua, de su compactación, etc.

La resistividad del terreno, es la resistencia de paso que presenta al paso de la corriente un cubo de terreno de un metro de lado (figura 1).

Figura 1

La resistividad depende de los siguientes factores:

Geología

Es el más influyente de todos ellos, puesto que determina la composición del terreno.

En las tablas de valores, indicadas a continuación, se muestran las resistividades de diferentes tipos de terrenos.

Tablas de valores:

Humedad

Al ser la conducción un fenómeno esencialmente electrolítico, la humedad facilita la disolución de las sales en iones que se encargan de transmitir la corriente en el terreno.

Figura 2

Por lo tanto al aumentar la humedad disminuye la resistividad, tal como se indica en la figura 2.

Temperatura

Al disminuir la temperatura aumenta la resistividad; como consecuencia de la disminución de movilidad de los iones (figura 3).

Figura 3

Composición química

El contenido de sales y electrolitos facilita la creación de los iones que han de transportar la energía eléctrica.

Figura 4

Por lo tanto al aumentar la concentración de sales disminuye la resistividad (figura 4).

Resistividad en un suelo homogéneo

Un suelo homogéneo facilita que la resistividad del terreno tenga una distribución uniforme (figura 5).

Figura 5

Resistividad en un suelo heterogéneo

Un suelo heterogéneo hace que la resistividad del terreno no sea uniforme, lo cual suele ser lo más frecuente.

Figura 6

Determinar el valor de la Resistividad

La resistividad no acostumbra a ser uniforme, ya que es muy difícil que el terreno no tenga mezclas, y al no saber los componentes químicos que contiene, la única forma de conocerla en cada situación es medirla.

Al margen de otras consideraciones, el instrumento de medida debe emplear para la misma alguna forma de corriente alterna por dos razones:

1. La aplicación de corriente continua al agua con sales disueltas puede dar lugar a fenómenos electrolíticos que confundirán el resultado.
2. En el suelo a veces están presentes corrientes parásitas particularmente en las             inmediaciones de instalaciones de potencia o ferroviarias, estas señales pueden afectar la medida.

Empleando corriente alterna en la medida de una frecuencia determinada, puede sintonizarse la respuesta del equipo de modo que resulte improbable la influencia externa.

Entre las formas de realizarlo se pueden destacar dos:

1.- Método Wenner o de las cuatro picas:

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 1.915.

El método establece el paso de corriente entre dos electrodos de corriente lineados en el suelo, y mide la tensión presente, debida esta corriente, en otros dos electrodos.  Los cuatro electrodos están igualmente espaciados con separación de "a" y en línea recta.

La disposición habitual es con los dos electrodos de corriente en los extremos, como se indica en la figura 7.

La resistencia medida resultante (R_m) permite determinar la resistividad (ρ_a) buscada por la fórmula simplificada: ρ_a = 2πa·R_m

             Otras disposiciones de los electrodos permiten obtener (ρ_a) de acuerdo a la siguiente tabla:

Figura 7

 2.- Método Schlumberger-Palmer o simétrico (figura 8):

Figura 8

Investigación del suelo en capas inferiores.

El propósito de esta investigación es conocer como varia la resistividad a medida que aumenta la profundidad.

El primer paso sería marcar el punto del suelo bajo el cual se pretende investigar.  Este punto será el punto medio de los cuatro electrodos.

Seleccionamos un valor de "a" y los cuatro electrodos hincados en el suelo en línea recta a ambos lados del punto medio. Los electrodos se clavarán a una profundidad de 30 cm.

La resistencia medida permite determinar «ρ_a» a la profundidad «h» (figuras 7 y 8). A continuación incrementaremos el valor de «a» y repetiremos el ensayo a diferentes valores a 1, a 2, a 3, etc.

Con los valores de «ρ_a» obtenidos a varias profundidades se confecciona un gráfico que determine la variación de «ρ_a» función de «a».

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Medición de la Resistencia de Electrodos de puesta a tierra

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Medición de la Resistencia de Electrodos de puesta a tierra

Introducción

Antes de comenzar las pruebas, es necesario establecer los requisitos precisos de los resultados a obtener, esto afectará al número de pruebas necesarias.

Intentaremos realizar la medida mediante el método de «caída de potencial» y si es posible se realizará mediante la regla del 61,8 %.

Si estos resultados de prueba no son satisfactorios será necesario realizar el método «de la pendiente». Todos los resultados podrían ser registrados y analizados en el sitio y si es necesario, se repetiría alguna prueba ya hecha.

En general, para grandes áreas de electrodos utilizaremos el método de la «intersección de curvas».

Ccomprobación de resistencias de cables y de contacto de picas.

En un medidor de tierras existen unos terminales de inyección de corriente y otros de medida de potencial (figura 1). Antes de la prueba tendremos que compensar las resistencias de contacto de las picas y las resistencias de los cables a utilizar.

Figura 1: Sinóptico del medidor de tierras (Telurómetro)

a) Compensación de cables:

Éste es un dato que se tomará en cuenta en el resultado final.

Uniremos C1 y P1 en el instrumento de medida y haremos lo mismo con C2 y P2, conectaremos el cable de medida entre C1 - P1 y C2 - P2 (figura 2), a continuación haremos la lectura: esta lectura será la resistencia del cable que habrá que deducir de los valores obtenidos en mediciones posteriores.

Notas: El único que interviene y afecta la medida es el que desde C1 - P1 va hasta el punto de medida. 

Figura 2: Medición de la resistencia del cable de medida.

b) Resistencias de contacto de las picas de inyección y medida:

Esta resistencia debemos procurar siempre que sea la mínima posible, ya que, si bien su valor no influye en la medida sí afecta a la sensibilidad del aparato y ésta es variable según marcas y modelos. Para fines prácticos bastará emplear unas picas auxiliares de redondo de acero de 400 mm de longitud y 14 mm Ø aproximadamente.

Método de la caída de potencial.

Este método será utilizado para la mayoría de los electrodos de tierra, y no se utilizará cuando los electrodos de prueba cubran una gran área (figura 3).

a)  Conectar el electrodo bajo prueba a los terminales C1 y P1.

b)  Llevar la pica de corriente C tan lejos como sea posible del electrodo bajo prueba (E). Conectar esta pica al terminal C2 del medidor de tierras.

c) Llevar la pica de potencial (P) a mitad de camino entre E y C, sobre la recta que les une. Conectar el cable de esta pica al terminal P2 del medidor de tierras.

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

e) Poner la pica (P) a una distancia igual al 40% de EC desde E y tomar una segunda lectura, (R2).

f)  Poner la pica P a una distancia igual al 60% de EC desde E, y tomar una tercera lectura (R3).

g)  Calcular el valor medio de R1, R2 y R3 (R media).

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

i)  Si el porcentaje es 1,2 veces más pequeño que la precisión requerida del resultado, entonces la R media puede ser tomada como la resistencia de tierra, con esta precisión.

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

Figura 3: Método de la caída de potencial

Regla del 61,8%

Si conocemos el centro eléctrico del electrodo, entonces podemos realizar la medida situando el electrodo P al 61,8% de EC desde E, valiéndonos la medida obtenida como resultado aproximado. En realidad, como normalmente se desconoce el centro eléctrico, no se podrá aplicar este método.

Método de la pendiente

Si el método de la caída de potencial falla por no dar suficiente precisión, el método de la pendiente, designado en su mayor parte para sistemas de electrodos que cubren una gran área, podrá ser utilizado (figura 4).

a)  Conectar C1 y P1 al electrodo bajo prueba, como en el método anterior.

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

Para mayor exactitud se pueden hacer medidas al 90%, 80%, 70% de Ec, obteniendo también los valores R1, R2 y R3.

Los valores R2 y R3 son similares a los hallados en el primer método («caída de potencial»), sin embargo, ahora los valores en lugar de promediarlos, hallaremos el valor µ.

c)  Cálculo de:  

d)  Multiplicar P/C por EC y obtener la distancia EP. (Para el valor de µ aparece un valor de P/C en las tablas del Dr. TAGG, en anexos).

e)  Poner la pica de potencial a la distancia EP hallada, y tomar la lectura. Esta lectura es la resistencia de tierras del electrodo bajo prueba, y éste será el resultado.

 f)   Repetir el procedimiento variando EC. Comparar los resultados de las dos pruebas.

SEGURIDAD.

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

Figura 4: Método de la pendiente

EP	MEDIDA
20% EC	R1
40% EC	R2
60% EC	R3

-       Cálculo

-       Ver en la tabla = P/C (En anexos)

-       Multiplicar P/C · EC = EP

-       Situar P a la distancia EP, y ésta será la R de la tierra del electrodo.

Medidas de resistencias de grandes electrodos de tierras. "Método de intersección de curvas".

Según el Dr. G.F.TAGG, en su libro PROC. IEE, vol. II, nº 12 de Diciembre de 1964, dice que la verdadera resistencia de tierra de un sistema de electrodos se obtiene cuando la pica de potencial P está situada a una distancia del centro eléctrico del sistema, igual al 61,8% de la distancia desde el centro eléctrico hasta la pica de corriente C.

Esta idea de la regla del 61,8% la vamos a utilizar también para medidas de tierras de grandes electrodos. Vamos a tener problemas de limitación de espacio, para la situación de las picas.

Los procedimientos para este método son los que siguen (figura 5):

Figura 5: Método de intersección de curvas

a)      Elegimos E de forma arbitraria dentro del sistema de electrodos.

b)      Llevamos C lo más lejos posible que se pueda.

c)   Hacer todas las medidas, situando P al 10%, 20%, 30%, etc., hasta el 90% de EC (figura 6).

d)  Dibujar los valores de R obtenidos a las diferentes distancias, de ellos deduciremos la curva EC1.

e)   Repetiremos el proceso con la misma E (o punto de contacto de la malla de electrodos) y otra distancia C. Obtendremos la curva EC2, de forma similar a la anterior.

 f)    Repetiremos con nuevos valores de EC, obteniendo EC3 (figura 7).

Figura 6

Figura 7

g)   Estas tres curvas puede ocurrir que se corten en un punto (figura 8), el cual será el valor de resistencia requerida como resultado. Sin embargo esto no es lo normal. La teoría del Dr Tagg introduce un nuevo concepto que es el valor λ que es la distancia entre nuestro punto E y el punto de electrodo equivalente del sistema. Haremos la transformación con nuestras tres curvas halladas anteriormente.

Realizaremos la transformación siguiente, utilizando la regla del 61,8%:

Figura 8

Figura 9

Para cada una de las tres curvas anteriores, sabiendo EC y los diferentes valores de EP obtendremos una curva R en función de λ, como se observa en la figura 9.

El verdadero valor de resistencia será el punto de intersección o centro del área comprendida entre curvas.

h)  Los valores de λ pueden darnos resultados negativos, pero el valor de resistencia será igualmente válido.

i)    Para saber la distancia exacta EP, sustituiremos en la fórmula el valor de λ hallado. 

    EP = 0,618 ECN − 0,382 λ

Pudiendo utilizarse este valor EP, para posteriores medidas de mantenimiento.

j)    A todas las medidas anteriormente realizadas, habrá que introducir el factor de corrección anteriormente descrito: la resistencia del cable de medida.

Anexo  

Tabla de valores de p/c para distintos valores de «µ»

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Ensayos de motores asíncronos

Introducción

Necesidad: Los ensayos prácticos sobre el motor asíncrono permiten obtener los valores de los componentes del esquema equivalente del mismo. Una vez determinados puede evaluarse analíticamente la máquina.

Observaciones: La resistencia del rotor, R_R, la reactancia del rotor bloqueado,

X_R,PARADO, y la relación efectiva de espiras, aef, son difíciles (o imposibles) de determinar en motores con rotor en jaula de ardilla.

No obstante, es posible realizar ensayos que dan directamente los valores referidos al estator, de resistencia y reactancia R'_R y X'_R, aún si RR, X_R,O y aef no se conocen por separado.

Los ensayos más característicos son:

·          Ensayo con corriente continua sobre el estator.

·          Ensayo de vacío.

·          Ensayo de cortocircuito o de rotor bloqueado.

Ensayo con corriente continua sobre el estator

Objetivo: Determinar la resistencia óhmica de las fases del estator (RE del esquema equivalente) y consecuentemente las pérdidas en el cobre del estator.

Como se realiza: Se hace pasar una intensidad de c.c. por los devanados del estator igual, o menor, a la corriente eficaz que pasa por el motor en condiciones nominales, con el fin de que la temperatura de los devanados sea del mismo orden. 

Con este fin, la corriente deberá circular durante el tiempo necesario para que se alcance la temperatura estabilizada de funcionamiento.

En la práctica:

Hay dos casos, según como estén conectados los devanados del estator:

·         Devanados en estrella:

Conexiones en los devanados en estrella del estator de un motor de inducción trifásico 

para la medida de la resistencia eléctrica de los mismos.

·         Devanados en triángulo:

   Conexiones en los devanados en triángulo del estator de un motor de inducción trifásico 

para la medida de la resistencia eléctrica de los mismos.

Atención:

En la práctica, para tener en cuenta el efecto pelicular o skin en los conductores, se suele aumentar el valor que se obtiene del ensayo para R_E, entre un 10% y un 20%.

Ensayo de vacío

Objetivo: Permite obtener las pérdidas magnéticas y de rozamiento (pérdidas rotatorias). Conocidas estas puede calcularse la rama en paralelo del circuito equivalente.

Como se realiza: Se conecta el motor a su tensión nominal sin ninguna carga mecánica conectada al eje. En estas circunstancias la velocidad del motor es cercana a la de sincronismo y el deslizamiento es cercano a cero.

De esta forma, la resistencia R_C es muy alta y puede suponerse el rotor en circuito abierto y el circuito equivalente será:

Siendo:

Xµ : Reactancia de magnetización. Cuando es recorrida por la intensidad de magnetización, provoca el flujo principal que inducirá sobre el rotor unas corrientes determinadas.

La pendiente de la curva de flujo frente a la f.m.m. del motor de inducción es mucho menos pronunciada que la de un transformador. Esto sucede porque existe un entrehierro en el motor de inducción, que aumenta enormemente la reluctancia de la trayectoria del flujo y por tanto debilita el acoplamiento magnético entre el estator y rotor. Cuanto más alta la reluctancia causada por el entrehierro, se necesita una corriente de magnetización mayor para lograr un nivel de flujo determinado.

Por tanto, la reluctancia de magnetización Xµ   en el circuito equivalente del motor, tendrá un valor mucho menor que para un transformador.

Iµ : Corriente de magnetización.

Potencias en juego:

En la práctica: Para determinar P_MEC y P_Fe es preciso alimentar el motor a tensión alterna, comenzando con el valor nominal V_emt o algo superior y reduciendo hasta un valor que puede tomarse entre el 30 y el 50% de V_emt . En cada escalón de tensión se mide Po, V_emt, Io, deduciéndose el valor de P_MEC + P_Fe para cada etapa. Se obtiene, por representación de los valores una curva de tipo parabólico P_MEC + P_Fe función de V_emt.

Extrapolando la curva hasta que corte a V_emt = 0, se obtiene el valor de las pérdidas mecánicas PMEC, ya que entonces las pérdidas en el hierro son nulas al no existir flujo.

Curva P_MEC + P_Fe función de V_emt

Conocidas las pérdidas P_Fe se podrá calcular la rama paralelo del circuito equivalente que absorberá la potencia P_Fe. Para ello, se supone que la tensión aplicada es prácticamente igual a la tensión interna electromotriz. 

Fórmulas a utilizar en la práctica:

Ensayo en cortocircuito o de rotor bloqueado

Objetivo: Permite obtener los parámetros de la rama serie del motor. En particular, como R_E se ha determinado, permite obtener R'_R y X_E + X'_R.

Como se realiza: Se bloquea el rotor impidiéndole que gire (n=0). Esto indica que s=1 y R_C=0.

Se aplica una tensión creciente al estator, partiendo de cero, hasta que la corriente absorbida sea la nominal, I_E,n = I_CC (por fase), midiendo a la vez la tensión aplicada V_E,CC (por fase) y la potencia absorbida P_CC (total).

Como la tensión V_E,CC necesaria para hacer circular I_E,CC es muy pequeña, la corriente de magnetización es muy pequeña frente a IE,n y puede despreciarse la rama paralelo.

Curva de magnetización del rotor (tensión inducida E en función de I_m)

Además, como R'_C=0 el circuito equivalente será:

Circuito equivalente y cálculo de parámetros

Designación de conductores y cables (CENELEC)

Efectos producidos en la desconexión de corrientes inductivas

Al desconectar un interruptor pequeñas corrientes inductivas (p.e. transformadores en vacío), se da el fenómeno de que la extinción de la corriente no tiene lugar en su paso natural por cero, sino que lo hace un poco antes, produciéndose una desaparición violenta de la intensidad. Como consecuencia de este fenómeno, la energía electromagnética que había almacenada se transforma en electrostática provocando una sobretensión.

Figura 1: Esquema unifilar de transformador con interruptor provisto de

 resistencia de absorción

Efectos producidos por la desconexión de una carga inductiva

El corte de corrientes de carga inductivas puede conducir a sobretensiones de acoplamiento, sobre todo en el dominio de las corrientes débiles (menos de 100 A.).

Comportamiento del circuito

Estudiemos el comportamiento del circuito al realizar un corte de la corriente magnetizante del transformador en vacío (figura 2):

·         Cuando el circuito está cerrado por medio de interruptor, la tensión UL es la misma que UN.

·         Se da la orden de corte con un valor de intensidad Ia antes de su paso por cero.

·         La energía magnética presente en la reactancia LL, en el momento del corte no puede cederse a la red de alimentación. Entonces fluye a la capacidad Cl paralela a LL y provoca una sobretensión ULmax, bajo la forma de una oscilación armónica amortiguada.

·      La sobretensión provocada por la carga ULmax produce una elevación de tensión US en los bornes del interruptor y, según la variación de la tensión y el tipo de construcción del interruptor, puede resultar reencendido en la distancia de corte. Por esta circunstancia, una parte de la energía en la reactancia se debilita por estos reencendidos sucesivos, de forma que se reduce el mayor valor de la cresta de tensión, obteniéndose diagrama de dientes de sierra.

Figura 2

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