Curso de Puestas a Tierra

UNIDAD

I

Generalidades y conexiones de la puesta a tierra

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Indice

ndiceUnidad I: GENERALIDADES Y CONEXIONES DE LA PUESTA A TIERRA 1. Introduccin................................................................................................................ 1 2. Objetivos .................................................................................................................... 1 3. Contenido ................................................................................................................... 1 3.1 Antecedentes tcnicos ............................................................................................. 1 3.1.1 Regulaciones oficiales ....................................................................................... 1 3.1.1.1 El cdigo nacional de electricidad.......................................................... 1 3.1.1.2 El decreto supremo N 25-94 ............................................................... 2 3.1.2 Servicio elctrico .............................................................................................. 3 3.1.2.1 Las acometidas para servicio elctrico................................................... 3 3.1.2.2 Las instalaciones elctricas interiores .................................................... 4 3.2 Introduccin y objetivos de la puesta a tierra.............................................................. 5 3.2.1 Definiciones de trminos ................................................................................... 5 3.2.2 Justificacin a la puesta a tierra......................................................................... 7 3.2.3 El toque elctrico.............................................................................................. 8 3.2.3.1 El contacto directo ............................................................................... 8 3.2.3.2 El contacto indirecto ............................................................................ 9 3.2.4 Falla de los aparatos elctricos .......................................................................... 9 3.2.4.1 Recorrido de las corrientes de falla - IF .................................................. 9 3.2.4.2 Corrientes admisibles por el cuerpo humano - IK ...................................10 3.2.5 Parmetros elctricos en el cuerpo humano ......................................................11 3.2.5.1 Resistencia elctrica - RK .....................................................................11 3.2.5.2 Potenciales admisibles - VK ..................................................................12 3.2.6 Objetivos de la puesta a tierra..........................................................................13 Por qu conectar a tierra sistemas y circuitos......................................13 3.3. Tipos de puesta a tierra............................................................................................14 3.3.1 Conexiones tpicas de aterramiento del nuetro de un sistema elctrico................14 3.3.1.1 Sistema elctrico con neutro aislado ....................................................14 3.3.1.2 Sistema elctrico con nuetro a tierra ....................................................15 3.3.1.3 Sistemas de alimentacin en 220 V......................................................16 3.3.2 Puesta a tierra tpica en instalaciones ...............................................................21 3.3.2.1 Puesta a tierra de los sistemas elctricos..............................................22 3.3.2.2 Puesta a tierra de los equipos elctricos ...............................................22 3.3.2.3 Puesta a tierra en seales electrnicas .................................................23 3.3.2.4 Puesta a tierra de proteccin electrnica ..............................................23 3.3.2.5 Puesta a tierra de la proteccin atmosfrica .........................................23 3.3.2.6 Puesta a tierra de proteccin electroesttica.........................................23 3.3.3 Normas de referencia ......................................................................................24 4. Resumen........ .........................................................................................................25 5. Preguntas de autocomproacin...................................................................................26 6. Respuestas a las preguntas de autocomprobacin .......................................................27

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Instalacin de Puesta a Tierra

UNIDAD IGENERALIDADES Y CONEXIONES DE LA PUESTA A TIERRA1. INTRODUCCIN En esta unidad se describen los aspectos genricos que sustenta la realizacin de una conexin a tierra, tales como: las regulaciones existentes, trminos mas usuales en la puesta a tierra, aspectos sobre el contacto directo e indirecto y con ello las fallas en los aparatos elctricos y el recorrido de las mismas. As tambin, se mencionan las corrientes admisibles por el cuerpo humano, para luego plantear los objetivos de la puesta a tierra y precisar que existen diferentes tipos de puesta a tierra. 2. OBJETIVOS En esta unidad el participante debe lograr los siguientes objetivo: 1. 2. 3. 4. Conocer los antecedentes tcnicos Diferenciar e interpretar los fenmenos que se presentan durante las fallas Identificar los objetivos de la puesta a tierra Diferenciar los diversos tipos de puesta a tierra.

3. CONTENIDO 3.1. ANTECEDENTES TCNICOS 3.1.1. REGULACIONES OFICIALES La autoridad administrativa sectorial en el sector elctrico tiene a su cargo el Cdigo Nacional de Electricidad como instrumento de Normativa Tcnica, cuyas aplicacin de pautas y recomendaciones se asimila al otorgamiento de Licencias de Construccin por parte de las municipalidades con la participacin de organismos especializados como el Colegio de Ingenieros del Per. 3.1.1.1 EL CDIGO NACIONAL DE ELECTRICIDAD Es un compendio de Normas (Fig.1.1), recomendaciones y procedimientos para cautelar la seguridad de las personas contra el peligro del uso de la electricidad; la versin al mes de mayo de 1978 consta de cinco tomos, orientados a subsistemas, en ellos se privilegia la conexin a tierra; empezando por el Tomo 1, captulo 3 ttulo 3.5.1, inciso c) que considera requisito mnimo de seguridad contra accidentes elctricos, la conexin a una toma de tierra de todas las masas de una misma instalacin.

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Fig. 1.1 Cdigo nacional de electricidad

3.1.1.2 EL DECRETO SUPREMO N 25 94 Es una directiva de rango superior, emitida el 7/12/94 (Fig. 1.2) que encarga a las municipalidades el otorgamiento de licencias de construccin, el control de las mismas y la conformidad de la obra de toda edificacin dentro de su jurisdiccin, proponiendo asimismo, los organismos que intervienen en la aprobacin y los documentos tcnicos a ser examinados, entre los cuales se cuentan los planos de instalaciones elctricas segn prescripciones del Cdigo Nacional de Electricidad.

Fig. 1.2 Decreto supremo N 25-94

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Las edificaciones que no incluyen en sus instalaciones elctricas interiores, la puesta a tierra con el respectivo circuito de proteccin que llega hasta la tercera entrada de los receptculos de tomacorrientes, contravienen la norma e incumplen la licencia de construccin otorgada. 3.1.2. EL SERVICIO ELCTRICO La empresa de distribucin provee el servicio en el punto de conexin del medidor; desde all hacia el interior, las instalaciones elctricas son de total responsabilidad del cliente. 3.1.2.1 LAS ACOMETIDAS PARA SERVICIO ELCTRICO Cuando parten de una red subterrnea de baja tensin en 220 V (Fig. 1.3), los conductores ingresan a la caja del medidor por debajo a travs de los ductos acondicionados; dicha instalacin debe estar protegida contra los derrames de agua y la accin de los roedores.

Fig. 1.3 Acometida subterrnea

Cuando parten desde una red de baja tensin en 220 V (Fig. 1.4), los conductores de entrada a la caja del medidor lo hacen por encima a la altura de guarda, por un tubo de plstico moldeado en forma curva para evitar el ingreso de agua. La preservacin respecto de la humedad y el agua, as como de cualquier dao en las acometidas del servicio elctrico, resulta ser indispensable para evitar la electrizacin de la caja del medidor y los toques directos.

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Fig. 1.4 Acometida area.

3.1.2.2 LAS INSTALACIONES ELCTRICAS INTERIORES Los alimentadores principales llegan al tablero de distribucin, provenientes del medidor y desde all se reparten a travs de interruptores en diferentes circuitos, normalmente de tres conductores para tomacorrientes y cargas especiales (dos energizados y uno para conexin a tierra); y de dos conductores para iluminacin (ambos energizados) (Fig. 1.5) Las instalaciones interiores que no presentan dicha configuracin, son irregulares y son peligrosas porque pueden propiciar daos a la salud o muerte de las personas que hagan contacto elctrico accidental.

Fig. 1.5 Componentes interiores.

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3.2. INTRODUCCIN Y OBJETIVOS DE LA PUESTA A TIERRA Antes de definir los objetivos de una puesta a tierra, es importante conocer algunos trminos empleados, as como, los fenmenos que se presentan durante una fallas, el recorrido de esta falla por el cuerpo humano y las corrientes admisibles. 3.2.1. DEFINICIONES DE TRMINOS Es conveniente definir algunos trminos que tienen relacin con el tema de puesta a tierra y los que utilizaremos durante el desarrollo del presente curso. Cada de potencial o tensin: Es la diferencia entre las tensiones medidas en dos puntos diferentes de una lnea en un momento dado. Conductor de proteccin: Conductor usado para conectar las partes conductivas de los equipos, canalizaciones y otras cubiertas, entre s y/o con el (los) electrodo (s) de puesta a tierra, o con el conductor neutro, en el tablero, el equipo de conexin o en la fuente de un sistema derivado separadamente. Conductor de puesta a tierra: Conductor usado para conectar el electrodo de puesta a tierra al conductor de proteccin. Contacto directo: Es el contacto accidental de personas con un conductor activo (fase o neutros) o con una pieza conductora que habitualmente est con tensin. Contacto indirecto: Es el contacto de una persona con masas metlicas accidentalmente puestas bajo tensin, siendo esto el resultado de un defecto de aislamiento. Contacto a tierra: Conexin accidental de un conductor con la masa terrestre (tierra), directamente a travs de un elemento extrao. Electrodo de puesta a tierra: Electrodo que se hinca en tierra para ser utilizado como terminal a tierra, tal como una barra de cobre. Impedancia: Una cantidad compleja cuyo coeficiente es el mdulo de la impedancia, cuyo argumento es el ngulo de fase de la tensin menos el ngulo de fase de la corriente. Tambin, se define como la oposicin total o una corriente alterna. Se presenta por Z y se expresa en ohm. Puede consistir slo en resistencia, reactancia, reactancia inductiva, reactancia capacitiva o una combinacin de estos efectos. Neutro (Tierra): Es una conexin a tierra de o de los puntos neutros de un circuito, transformador, maquinaria rotativa o sistema.

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Puesta a tierra: Comprende a toda ligazn metlica directa sin fusible ni proteccin alguna de seccin suficiente entre determinados elementos o partes de una instalacin y un electrodo o grupos de electrodos enterrados en el suelo con objeto de conseguir que el conjunto de instalaciones, edificios y superficie prxima del terreno. No existen diferencias de potencial peligrosas y que, al mismo tiempo, permita el paso a tierra de las corrientes de falla o la descarga de origen atmosfrico. Tensin de paso: Es la diferencia de potencial (tensin) mxima entre dos puntos sobre el terreno separados entre s a una distancia de un paso, la cual se supone de un metro, en la direccin de mxima gradiente de potencial. Gradiente de potencial: Es la pendiente del grfico de perfil de potencial (tensin), cuya trayectoria intercepta en ngulo recto las lneas que se encuentran a igual potencial en un instante dado. Tensin de toque: Es la diferencia de potencial mxima entre una estructura u objeto metlico puesto a tierra y un punto sobre la superficie del terreno a una distancia horizontal de un metro. Aparato elctrico: Es todo dispositivo, equipo o artefacto que funciona con energa elctrica, ya sea en forma esttica o mediante movimiento. Conexin a tierra: Unin mediante un conductor, desde el terminal de tierra o masa de un aparato elctrico, con una puesta a tierra. Resistencia de dispersin: Resistencia que opone la puesta a tierra al paso de la corriente elctrica. Conviene que sea mnima para brindar mejor proteccin. Terminal de conexin a tierra o borde de tierra: es un punto aislado de los conductores elctricos, pero no de la masa del aparato, al cual se une slidamente el conductor de conexin a tierra. Masa o carcasa: Es la caja metlica exterior que contiene a un aparato elctrico, presentando un punto, denominado terminal o borne en el cual se realiza la conexin a tierra. Puesta a tierra o aterramiento (P.A.T.): Instalacin de seguridad elctrica en la que un electrodo de cobre es enterrado en el suelo con la finalidad de dispersar corrientes elctricas para evitar accidentes. Poner a tierra o aterrar: Equivale a realizar la conexin de una masa o un punto neutro a una puesta a tierra. Electrodo de puesta a tierra o electrodo de aterramiento: Es un conductor metlico rectilneo resistente al ataque corrosivo (cobre), embutido directamente en el suelo o en el relleno de una excavacin, puede tener diferentes formas.

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Electrodos verticales o jabalinas: Son simples varillas metlicas cilndricas de pequeo dimetro que se instalan verticalmente en el suelo, ya sea por clavado directo o por embutimiento en el relleno de un pozo. Electrodos horizontales o pletinas o contrapesos: Son simples pletinas o conductores cableados de mediano dimetro equivalente, que se instalan horizontalmente en el suelo, por embutimiento en el relleno de una zanja. Electrodos mixtos: Son electrodos conformados por elementos verticales y horizontales slidamente unidos entre s, que se configuran segn los requerimientos de dispersin o control de la corriente evacuada a tierra. Relleno de puesta a tierra: Mezcla de tierra fina propia de la excavacin y/o tierra fina de otra procedencia (no tierra de cultivo) con aglutinantes naturales y complemento localizado de sales inocuas, que permitan obtener bajas resistencias de dispersin.

3.2.2.

JUSTIFICACIN DE LA PUESTA A TIERRA Para que un sistema de energa elctrica opere correctamente con una apropiada continuidad de servicio, con un comportamiento seguro de los sistemas de proteccin y para garantizar los niveles de seguridad personal es necesario que el sistema elctrico en su conjunto posea un sistema de puesta a tierra como se muestra en la siguiente figura.

Fig. 1.6 Acometida de puesta a tierra de los diferentes artefactos domiciliarios.

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Cuando se trata de instalaciones elctricas que darn servicio a una extensa gama de aparatos elctricos y electrnicos ya sean fijos o mviles; con carcazas metlicas y no metlicas, susceptibles al deterioro desde el punto de vista elctrico, es fundamental la proteccin contra las fallas debido al deterioro del aislamiento que originan la aparicin de tensiones por contactos indirectos. 3.2.3. EL TOQUE ELCTRICO Es el contacto accidental con un conductor u objeto electrizado que ocasiona inicialmente estremecimiento y contracciones sbitas en una persona o en un animal; la severidad y consecuencias de estas y otras manifestaciones, dependern de la intensidad de la corriente elctrica y del tiempo que sta circule por el cuerpo. 3.2.3.1 EL CONTACTO DIRECTO Ocurre cuando una parte desprotegida del cuerpo humano (Fig. 1.7) hace contacto limpio con una pieza desprovista de aislamiento o con una parte de un conductor activo (energizado), en tanto que otra parte del cuerpo est en contacto con otro punto de menor potencial (suelo); generalmente se trata de componentes defectuosos o averiados por el uso, tales como tomacorrientes o enchufes, o bien conductores pelados de artefactos elctricos domsticos. Los toques directos son sumamente peligrosos para la vida. Los accidentes se pueden evitar, en principio, cuidando que los elementos elctricos que normalmente utilizamos como son; interruptores, timbres, tomacorrientes, enchufes, conductores aislados etc. no presenten averas ni daos.

Fig. 1.7 Contacto directo.

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3.2.3.2 EL CONTACTO INDIRECTO Constituye el contacto de una parte del cuerpo humano (Fig. 1.8) con la masa (caja metlica o cubierta) de una mquina, artefacto o instalacin elctrica que se ha electrizado debido a la falla interna del aislamiento, mientras que otra parte est en contacto con un punto de menor potencial. Puede ocurrir con la mxima conduccin de corriente Falla Franca o a travs de una resistencia espontnea que limita dicha corriente Falla Amortiguada Los toques indirectos a veces son menos peligrosos porque el contacto ocurre a travs de un medio que limita la corriente; sin embargo, son difciles de evitar al igual que las fallas elctricas. En todos los casos, al cumplir con la forma de uso, recomendada por el fabricante para cada aparato, se estar minimizando el riesgo.

Fig. 1.8 Contacto indirecto.

3.2.4.

FALLA DE LOS APARATOS ELCTRICOS Los aparatos elctricos en funcionamiento pueden fallar por deterioro natural o como consecuencia del uso recargado o errneo o por la incidencia de una sobretensin en el circuito elctrico; de ese modo involucran accidentalmente a las personas que los estn utilizando con una corriente que atraviesa el cuerpo. 3.2.4.1 RECORRIDO DE LAS CORRIENTES DE FALLA - IF La corriente de falla en vez de regresar a la fuente por el conductor mellizo lo har necesariamente por el suelo (tierra), para lo cual pasa por la falla hacia la masa y contina por las partes ms conductoras que estn en contacto con ella, hasta que llega tierra. (Fig. 1.9)

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Cuando no hay conexin entre la masa y tierra una de esas partes ms conductoras puede ser la persona que est utilizando el aparato, tocndolo o agarrndolo, en cuyo caso, su salud o vida estaran en peligro. Para minimizar la corriente peligrosa que podra pasar a travs de la persona, la norma recomienda conectar la masa del artefacto con la tierra, con lo cual se reduce drsticamente la resistencia del trayecto para la circulacin de la corriente de falla.

Fig. 1.9 Corriente de falla retornando a la fuente.

3.2.4.2 CORRIENTES ADMISIBLES POR EL CUERPO HUMANO - IK Las corrientes susceptibles de circular por el cuerpo humano comprometiendo el corazn y sin peligro para la salud, se denominan corrientes admisibles (Fig.1.10) y se han establecido (Dalziel) para intervalos de hasta 3,0 segundos segn el peso medio de la persona (70 kg asignado para los hombres y 50 kg. Para las mujeres.) Son relativamente pequeas y segn su intensidad, producen diferentes sensaciones. IK (60 HZ) Menor a 1,0 mA De 6,0 a 1,0 mA De 8,0 a 25 mA De 25 a 50 mA SENSACIN Lmites de Percepcin Fastidio, hormigueo Malestar, Calambres Asfixia, Descontrol

Las normas adoptan como lmite de corriente admisible, 50 mA, en intervalos de hasta 3,0 segundos, dado que por encima de dicha magnitud hasta los 100 mA, la corriente puede producir fibrilacin ventricular y mayores corrientes de electrocucin y muerte.

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Fig. 1.10 Corrientes admisibles segn el tiempo de aplicacin.

3.2.5.

PARMETROS ELCTRICOS EN EL CUERPO HUMANO Los toques elctricos a partir de la diferencia de potencial aplicada conllevan a la circulacin de corriente a travs del trayecto comprometido del cuerpo humano. La evaluacin del fenmeno requiere conocer las magnitudes de resistencia y potencial. 3.2.5.1 RESISTENCIA ELCTRICA - RK Entre dos partes diferentes del cuerpo humano que incluyen el corazn, se miden diferentes resistencias elctricas; las normas recomiendan adoptar un valor promedio de RK = 1000 Ohm. (Fig. 1.11)

Fig. 1.11 Recorridos de la corriente en el cuerpo humano.

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3.2.5.2 POTENCIALES ADMISIBLES - VK La diferencia de potencial, considerada admisible por el cuerpo humano se calcula a partir de IK = 0,05 A (Corriente admisible) y RK = 1000 Ohm (Resistencia media), segn la duracin (t) del contacto. En rgimen permanente (Fig. 1.12), hasta por (t = 3,0 s), el potencial no peligroso en seco est definido por (VK = RK x IK) VK = 1 000 x 0,050 VK = 50 V (Potencial no peligroso en seco) en rgimen transitorio (Fig. 1.13), el tiempo (t) de exposicin es controlado por la proteccin elctrica (fusibles, interruptores), y se define segn la relacin (Dalziel)

VK = 1 000 x 0,116 / t VK = 116 / t(Potencial soportable > 50 V)

Fig. 1.12 Potenciales en rgimen permanente.

Bajo contingencias de toque elctrico conviene disponer de un circuito alterno de baja resistencia (conexin masa tierra) y de accesorios que incrementan la resistencia elctrica de cuerpo humano (guantes, mangas, delantales, zapatos, etc.)

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Fig. 1.13 Potenciales en rgimen transitorio.

3.2.6.

OBJETIVOS DE LA PUESTA A TIERRA Los objetivos de una conexin a tierra son: a. Conducir a tierra todas las corrientes anormales que se originan como consecuencia de carcazas de los equipos elctricas energizados. b. Evitar que aparezcan tensiones peligrosas para la vida humana en las carcazas metlicas de los equipos elctricos. c. Permitir que la proteccin del circuito elctrico, despeje la falla inmediatamente ocurrida sta. Para lograr que la puesta a tierra de proteccin, cumpla con los objetivos previstos, es necesario establecer un medio a travs del cual sea posible entrar en contacto con el terreno propiciando un camino de baja impedancia a menor costo, para la operacin correcta de los equipos de proteccin, manteniendo los potenciales referenciales en un nivel adecuado. Otra funcin que cumple la conexin a tierra es dispersar rpidamente las elevadas corrientes, evitando sobretensiones internas y externas. En conclusin, se puede decir que una buena conexin a tierra si cumple con las premisas antes indicadas POR QU CONECTAR A TIERRA SISTEMAS Y CIRCUITOS? Para limitar tensiones debido a: Rayos. Sobretensiones. Contactos indirectos frente a falla de aislamiento.

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Y para: Estabilizar la tensin durante operaciones normales (maniobras). Facilitar la operacin de los interruptores de circuito (Ej. Interruptor diferencial). La trayectoria de la puesta a tierra debe ser: Intencionalmente realizada. Debe ser permanente. Debe ser continua. Debe tener amplia capacidad para conducir en forma segura cualquier corriente de falla. Debe ser una trayectoria de baja impedancia. La impedancia debe ser mantenida a un valor bajo por tres razones: Limitar la tensin a tierra. Facilitar la operacin de los dispositivos de proteccin. Conducir a tierra corrientes indeseables que causan ruidos lo mismo que corrientes estticas y de fuga.

3.3. TIPOS DE PUESTA A TIERRA 3.3.1. CONEXIONES TPICAS DE ATERRAMIENTO DEL NEUTRO DE UN SISTEMA El neutro de un transformador o maquinas rotativas puede adoptar diferentes formas de tratamiento. 3.3.1.1 SISTEMA ELCTRICO CON NEUTRO AISLADO El neutro real o virtual flota con tensin propia sobre tierra. Las tensiones estn referidas a tierra a travs de las capacitancas parsitas. El retorno de corriente de fallas monofsicas a tierra es de pequea intensidad. El sistema no presenta seguridad, pero es confiable.

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Delta no puesta a Tierra

R

sTensin Neutro -Tierra UNT=0

T

a) Conexin D

b) Diagrama Fasorial Estrella No Puesta a Tierra

Neutro Flotante Vn /3 Flotante Real Falla If Retorno de Corrientes de Falla c) Conexin Y d) Retorno de Corriente de FallaFig. 1.14 Sistemas con neutro aislado.

3.3.1.2 SISTEMA ELCTRICO CON NEUTRO A TIERRA El neutro real o punto de referencia y la tierra son solidarios. Las tensiones estn referidas a tierra directamente a travs del neutro puesto a tierra. El retorno de corrientes de falla es de gran intensidad. Sistema presenta seguridad, pero no confiabilidad.

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Delta Puesto a TierraR

sUNNeutro Fijo

T

a) Conexin D

c) Diagrama fasorial

Conexin a Tierra N

Neutro a Tierra (U=0) Vn /3 Real Real Falla

Puesta a Tierra Retorno de Corrientes de Fallab) Conexin Y

If

d) Retorno de la Corriente de FallaFig. 1.15 Sistemas con neutro a tierra.

3.3.1.3 SISTEMAS DE ALIMENTACIN EN 220 V Cualquiera que sea el rgimen del neutro de los sistemas elctricos, estos siempre estarn referidos indirectamente a tierra; segn ello se puede estimar la porcin (IK) de las corrientes de falla mximas (IF) que pueden pasar a travs de una persona: Aquellas cuyo valor sea (IK > 50 mA) sern peligrosas. Sistemas 220 V con neutro aislado.

Las tensiones de los alimentadores (Vn) estn indirectamente referidas al potencial de tierra (V = 0) a travs de las capacitancias parsitas (retorno de pequeas corrientes) (Fig. 1.16).

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Fig. 1.16 Sistemas sin neutro puesto a tierra.

Sin puesta a tierra del usuario La tensin entre los extremos de una falla a travs de una persona sin resistencia de contacto con el suelo produce corrientes (IK) peligrosas. (Fig. 1.17).

Vf = V n / 3

IK =

220 / 3 = 127 mA (Falla simple) 1000

Existiendo una falla previa en uno de los conductores sanos, la tensin ser (Vn))

IK =

220 = 220 mA (Falla doble) 100

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Fig. 1.17 Falla en el circuito del usuario si puesta a tierra.

Con puesta a tierra del usuario Bajo idntica situacin desventajosa ( puntos de contacto R = 0 Ohm) para la falla de una fase a tierra (Fig. 1.18), se obtendrn corrientes (Ik) no peligrosas:

R = R1 +

RK Rm 1000 x 2 = 25 + 1002 RK + Rm

R = 25 + 1 996 = 26, 99 Vn / 3 127 = = 4,70 A R 26,99

If =

VAB = I f x R e = 4,7 x 1 996 = 9,36 V IK = VAB 9,36 = = 0,0093 A = 9,3 mA R K 1000

Con falla doble IK= 0,016 = 16,2 mA. Para derivar las corrientes de falla ser necesario un trayecto de baja resistencia entre masas de aparatos y el suelo (Tierra).

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Fig. 1.18 Falla en circuito del usuario con puesta a tierra.

Sistemas 220 V con neutro puesto a tierra.

Las tensiones de los alimentadores estn directamente referidas al potencial de tierra (V = 0) a travs del Aterramiento del Neutro (que posibilita retorno de grandes corrientes) (Fig. 1.19).

Fig. 1.19 Sistemas con neutro puesto a tierra.

Sin puesta a tierra del usuario La tensin entre los extremos de una falla a travs de una persona sin resistencia de contacto con el suelo Vr = V / 3 produce corrientes (Ik) peligrosas (Fig. 1.20); la proteccin impide la falla doble.

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R a = R c + R ts = 0,17 + 6 = 6,17 R= If = VAB IK = R k x R a 1000 x 6,17 = = 6,132 Rk + Ra 1006,17 V n / 3 127 = = 20,71 A 6,132 R = I f x R = 20,71 x 6,13 = 127 V V AB 127 = = 0,127 A = 127 mA Rk 1000

Fig. 1.20 Falla en circuito del usuario sin puesta a tierra.

Con puesta a tierra del usuario Bajo idntica situacin desventajosa (puntos de contacto R=0 Ohm) para la falla Fase Tierra (Fig. 1.21) se tendrn corrientes (IK) no peligrosas:

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Rb =

RK R C 1000 0,17 = = 0,169 RK + R C 1000,17

R a = R b + R ts = 0,169 + 6 = 6,169 R s = R m + R1 = 2,0 + 25 = 27 R= If = VAB IK = R x Rs 6,169 x 27 = = 5,02 R + R s 6,129 + 27 Vn / 3 127 = = 25,30 A R 5,02 = If x R b = 25,30 x 0,169 = 4,27 V VAB 4,27 = = 0,00427 A = 4,27 mA RK 1000

Ser necesario proveer para las corrientes de falla, un trayecto de baja resistencia entre las masas de los aparatos elctricos y el suelo (tierra).

Fig. 1.21 Falla en circuito del usuario con puesta a tierra.

3.3.2.

PUESTA A TIERRA TPICAS DE INSTALACIONES A fin tener mayores conceptos claros es puesta a tierra segn su aplicacin: necesario clasificar los tipos de

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3.3.2.1 PUESTA A TIERRA DE LOS SISTEMAS ELCTRICOS Como se indic, el propsito de aterrizar los sistemas elctricos es para limitar cualquier tensin elevada que pueda resultar de rayos, fenmenos de induccin o de contactos indirectos. Esto se logra uniendo parte del sistema elctrico a tierra fsica. En la Fig. 1.22 se muestra los diferentes tipos de puesta a tierra del sistema elctrico.

Fig. 1.22 Diferentes tipos de aterramientos del neutro de una instalacin del sistema elctrico.

3.3.2.2 PUESTA A TIERRA DE LOS EQUIPOS ELCTRICOS Su propsito es eliminar los potenciales de toque que pudieran poner en peligro la vida y las propiedades y para que operen las protecciones por sobrecorriente de los equipos. Se logra conectando al punto de conexin del sistema elctrico con tierra, todas las partes metlicas que pueden llegar a energizarse, mediante un conductor apropiado a la corriente de cortocircuito del propio sistema en el punto de la conexin. En la siguiente figura se observan las conexiones a tierra del sistema de las partes metlicas de los aparatos y equipos metlicos elctricos.

Fig. 1.23 Conexin a tierra del sistema de las carcazas (masas) de los equipos y aparatos elctricos.

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3.3.2.3 PUESTA A TIERRA EN SEALES ELECTRNICAS Para evitar la contaminacin con seales de frecuencias diferentes a la deseada. Se logra mediante blindajes de todo tipo conectados a una referencia cero, pero puede ser la tierra fsica. 3.3.2.4 PUESTA A TIERRA DE PROTECCIN ELECTRNICA Para evitar la destruccin de los elementos semiconductores por sobretensin, se colocan dispositivos de proteccin conectados entre los conductores activos y la referencia cero, que puede ser la tierra fsica. 3.3.2.5 PUESTA A TIERRA DE LA PROTECCIN ATMOSFRICA Sirve para canalizar la energa de los rayos a tierra sin mayores daos a personas y propiedades. Se logra con una malla metlica igualadora de potencial conectada a tierra que cubre los edificios o equipos a proteger. 3.3.2.6 PUESTA A TIERRA DE PROTECCIN ELECTROESTTICA Sirve para neutralizar las cargas electrostticas producidas en los materiales dielctricos. Se logra teniendo todas las partes metlicas y dieltricas, utilizando la tierra como referencia de potencial cero. La regla general es: Cada sistema de tierras debe cerrar elctricamente el circuito elctrico que le corresponde

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3.3.3.

NORMAS DE REFERENCIA A fin de tener presente durante el desarrollo del curso a continuacin se indican las normas referenciales existentes sobre la materia. Puesta a tierra de sistema y equipos elctricos IEEE Std 142 1991 Grounding of Industrial and Comercial Power Systems. Green Book IEEE. IEEE Std 141 1993 Electric Power Distribution for Industrial Plants. 1986 National Electrical Code. ANSI/NFPA 70 1996 National Fire Protection Association, Battery March Park, Quincy MA 12269

Normas de referencia nacionales NTP 370 . 052: 1999 Seguridad elctrica Materiales que constituyen el pozo de puesta a tierra NTP370 . 053: 1999 Seguridad elctrica Eleccin de los materiales elctricos en las instalaciones interiores para puesta a tierra. Conductores de proteccin de cobre NPT370 . 054: 1999 Seguridad elctrica, enchufes y tomacorrientes con proteccin a tierra para uso domstico y general. NTP370 . 055: 1999 Seguridad elctrica, sistema de puesta a tierra, glosario de trminos. NTP370 . 056: 1999 Seguridad elctrica, electrodos de cobre para puesta a tierra. Sistema de conexin a tierra, manual para electricistas, Ing. Justo Yanque Montufar, Procobre-Per

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4. RESUMEN Las regulaciones oficiales, el cdigo nacional de electricidad (tomo I), las normas tcnicas peruanas de seguridad elctrica y el decreto supremo N 25-94, pueden considerarse como instrumentos normativos del sector elctrico peruana en lo respecta a sistemas de puestas a tierra. En la prestacin del servicio elctrico, las acometidas domiciliarias pueden ser areas o subterrneas las mismas que alimentan de energa elctrica a las instalaciones interiores de los domicilios, la configuracin de estas instalaciones estn normalizadas. Es necesario que todo sistema elctrico posea un sistema de puesta a tierra, as como, todos los aparatos, equipos tanto elctricos como electrnicos. El contacto directo e indirecto en un sistema elctrico es perjudicial para el cuerpo humano y ello depende de la intensidad de corriente y del tiempo que sta circule por el cuerpo. Los equipos elctricos estn propensos a fallar por diversos factores y si no se conecta las masas de los artefactos a tierra, esta corriente de falla pasar a travs del cuerpo de la persona que est manipulando el aparato. Las corrientes admisibles por el cuerpo humano depende del sexo, peso y tiempo de exposicin, y como valor tpico admisible sera 50 mA en un tiempo de 3 segundos. La resistencia elctrica en el cuerpo humano es variable y depende del recorrido entre las diferentes partes, y el potencial admisible se puede calcular a partir de la corriente admisible y la resistencia tpica de 1000 ohmios cuyos valores depender de las condiciones de contacto seco o humedo. Una buena conexin de puesta a tierra, debe conducir a tierra todas las corrientes peligrosas, evitar que aparezcan tensiones peligrosas y permitir la proteccin del circuito elctrico, despejando la falla en el menor tiempo posible. Existen diferentes tipos de puesta a tierra: - El neutro del sistema elctrico (transformador o generador) puede estar o no puesto a tierra y de ello depender el recorrido de la corriente de falla y la efectividad de la puesta a tierra. - Puesta a tierra de la carcaza de los equipos elctricos. - Puesta a tierra en seales electrnicas. - Puesta a tierra de proteccin electrnica. - Puesta a tierra de la proteccin atmosfrica. - Puesta a tierra de la proteccin electrosttica. La regla general es que cada sistema de tierra debe cerrar elctricamente el circuito elctrico que le corresponde. Las normas de referencia sobre puesta a tierra se pueden clasificar en nacionales e internacionales.

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5. PREGUNTAS DE AUTO COMPROBACIN 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Cul es la diferencia entre el cdigo nacional de electricidad y el decreto supremo N| 25-94 en lo que respecta a la normativa tcnica sobre puesta a tierra? Qu es tensin de toque? Qu tipo de toque elctrico es el mas peligroso? Qu factores influyen en la corriente admisible por el cuerpo humano? Porqu la resistencia de una puesta a tierra debe ser mantenida en un valor bajo? Cul es la diferencia entre un sistema con neutro aislado y un sistema con neutro puesta a tierra? Todas las puestas a tierra en un sistema elctrico deben unirse?

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6. RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS DE AUTOCOMPROBACIN 1. Mientras que el cdigo nacional es de recomendacin y procedimiento para cautelar la seguridad de las personas contra el peligro de la electricidad, el decreto supremo N 2594 es de cumplimiento por parte de los municipios para lo cual debe de dar conformidad en todas las edificaciones de su jurisdiccin. 2. Es la diferencia de potencial mxima entre dos puntos sobre el terreno separados entre si a una distancia de un paso, la cual se supone un metro en direccin de mxima gradiente de potencial. 3. El toque elctrico directo. 4. Peso de las personas y tiempo de ejecucin. 5. Las razones son tres: - Limitar la tensin a tierra. - Facilitar la operacin de los dispositivos de proteccin. - Conducir a tierra corrientes indeseables que causan ruidos, lo mismo que corrientes estticas y de fuga. 6. La diferencia es que, ante una falla un sistema es mas seguro que el otro y frente a fallas temporales una es mas confiable que la otra. 7. No, la regla general es que cada sistema de tierra debe cerrar elctricamente el circuito elctrico que le corresponde.

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II

Resistividad del terreno y medicin

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Indice

ndiceUnidad II: Resistividad del terreno y medicin

1. 2. 3.

4. 5. 6.

INTRODUCCIN........................................................................................................ 1 OBJETIVOS............................................................................................................... 2 CONTENIDO ............................................................................................................ 2 3.1. La resistividad de los suelos .............................................................................. 1 3.2. Influencia en el comportamiento elctrico del suelo ............................................ 2 3.3 Factores que determinan la resistividad de los suelos ......................................... 3 3.3.1 Naturaleza de los suelos ........................................................................... 3 3.3.2 La humedad............................................................................................. 4 3.3.3 La temperatura del terreno ....................................................................... 5 3.3.4 La concentracin de sales disueltos ........................................................... 6 3.3.5 La compactacin del terreno ..................................................................... 7 3.3.6 La estratificacin del terreno ..................................................................... 8 3.4. Generalidades de la medicin de resistividad 3.5. Finalidad de la medicin de la resistividad ............................................................ 3 3.6 Seleccin de los equipos de medicin .................................................................. 3 3.6.1 Componentes del instrumento.................................................................... 3 3.6.2 Requisitos mnimos de instrumentos ........................................................... 5 3.6.3 Ensayos tipos ............................................................................................ 5 3.7 Consideraciones para la medicin ........................................................................ 6 3.7.1 Precauciones para la medicin..................................................................... 6 3.7.2 Casos no recomendables para las mediciones............................................... 6 3.8 Mtodos de medida de la resistividad................................................................... 7 3.8.1 Mtodo de tres electrodos........................................................................... 7 3.8.2 Mtodo de los cuatro electrones .................................................................. 8 3.8.2.1 Configuracin de Wenner................................................................. 9 3.8.2.2 Configuracin de Schlumberger.......................................................12 3.8.3 Recomendacin prctica ............................................................................13 3.8.3.1 Parmetros de diseo con medidas Wenner .....................................13 3.8.3.2 Parmetros de diseo medida indirecta.........................................14 3.9 Resistividades tpicas .........................................................................................10 Resumen .................................................................................................................25 Preguntas de autocomprobacin ...............................................................................26 Respuestas a las preguntas de autocomprobacin......................................................27

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UNIDAD IIRESISTIVIDAD DEL TERRENO Y MEDICIN1. INTRODUCCIN En esta unidad se define la resistividad y sus unidades, se describe al terreno desde su caracterstica de conductor de la electricidad y su resistividad, as como los diferentes factores que influyen directamente en el aumento o disminucin de esta resistividad. Analizando el objetivo y la definicin de la puesta a tierra de la unidad precedente, se llega a la conclusin que los elementos mas importantes que garantizan una buena puesta a tierra son las uniones metlicas directas entre determinadas partes de una instalacin, el electrodo o electrodos en contacto permanente con el terreno y una buena resistividad del terreno. Para saber el comportamiento del terreno tendremos que analizarlo desde el punto de vista elctrico, como elemento encargado de disipar las corrientes anormales que lleguen a travs de los electrodos, es decir, debemos conocer internamente las diversas resistividades del terreno. La realizacin de una instalacin de puesta a tierra requiere conocer previamente el perfil de la resistividad del terreno segn la profundidad, de esta forma facilita la eleccin de la deposicin de los electrodos de tierra que proporcione mejores resultados tcnico econmicos. Por otro lado, se debe efectuar mediciones para conocer la resistividad del terrero, sin embargo, es prctica usual prescindir de la medicin en instalaciones de baja tensin y en lugares cuya intensidad de cortocircuito a tierra sea superior o igual a 16 KA, bastando el examen visual del terreno, pudindose estimar la resistividad por medio de la tabla de resistividades tpicas , en la que se dan unos valores referenciales. Debe resaltarse que la estimacin de la resistividad en base a la clasificacin del suelo puede dar lugar a grandes errores que obligaran a las pertinentes correcciones posteriores, por lo tanto, debemos apostar o realizar las mediciones ya que es el valor que requerimos y que depender de la resistividad de los diferentes estratos y del espesor de cada uno de ellos. Para efectuar una buena medicin es necesario seleccionar adecuadamente el equipo de medicin, conocer sus partes, los requisitos mnimos que deben cumplir estos equipos y debe verificarse las certificaciones de los ensayos tipos a las cuales se han sometido. Actualmente, existen diferentes mtodos de medicin y en lo posible se ha tratado de resumir los mtodos ms efectivos para medir la resistividad del terreno.

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2. OBJETIVOS En esta unidad el participante debe lograr los siguientes objetivo: 1. 2. 3. 4. 5. Definir la resistividad del terreno. Interpretar las unidades de la resistividad. Identificar los factores que determinan la resistividad del terreno. Seleccionar el equipo apropiado para medir la resistividad de terreno. Diferenciar los mtodos de medicin de la resistividad del terreno

3. CONTENIDO 3.1. LA RESISTIVIDAD DE LOS SUELOS La resistividad de los suelos se expresar en m, cm mm, que corresponde a la resistencia que presenta un cubo de 1 metro cbico de suelo o aguas, entre sus paredes laterales (aristas) y se representa por la letra griega .

1m

Fig 2.1 Resistividad de un cubo de terreno de 1m de arista.

Donde: Dimensiones de :

R=

l s (

m 2 ) = m m para un cubo de 1m de lado : 1(m) l(m) = R() = S(m 2 ) = 2 (1 1)m 1m despejando , = R( m)

=

R. S l

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Donde : R = Resistencia en ( ) = Resistividad en ( . m) l = Longitud en (m) S = Seccin en (m2) La resistividad del terreno depende de su naturaleza, estratificacin (capas de distinta composicin), contenido de humedad, salinidad y temperatura. La resistividad de un terreno tambin se ve afectado por las variaciones estacionales. Por otro lado, a medida que aumenta el tamao de las partculas aumenta el valor de la resistividad, por ello la grava tiene mayor resistividad que la arena, y esta mayor resistividad que la arcilla. Debido que las capas no son uniformes en un terreno, cuando se mide la resistividad se esta midiendo la resistividad aparente y por ello amerita determinar la resistividad de cada capa o estrato y sus espesores. 3.2. INFLUENCIAS EN EL COMPORTAMIENTO ELCTRICO DEL SUELO La tierra representa generalmente un mal conductor (gran contenido de oxido de silicio y xido de aluminio que son altamente resistivos) pero gracias al amplio volumen disponible, se puede lograr a travs de ella los niveles conductivos necesarios para su utilizacin auxiliar. La conductividad representa un fenmeno esencialmente electroqumico o electroltico, y por lo tanto, depende de la cantidad de agua depositada o el nivel de humidificacin existente Los suelos estn compuestos principalmente, por xidos de silicio y xidos de aluminio que son muy buenos aislantes; sin embargo la presencia de sales y agua contenida en ellos, mejora notablemente la conductividad de los mismos. 3.3. FACTORES QUE DETERMINAN LA RESISTIVIDAD DE LOS SUELOS En la resistividad del terreno influyen los siguientes factores y es necesario su evaluacin: Naturaleza de los suelos. La humedad. La temperatura del terreno. La concentracin de sales disueltas. La compactacin del terreno. La estratificacin del terreno.

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3.3.1.

NATURALEZA DE LOS SUELOS Los suelos son buenos, regulares o malos conductores de la electricidad en funcin de su naturaleza. El anlisis y conocimiento de esta naturaleza es el primer paso para la instalacin adecuada del sistema de puesta a tierra. En la tabla siguiente se muestra los valores caractersticos de la resistividad de los suelos, donde se puede apreciar que entre la resistividad del agua de mar y el hielo existe una gran diferencia y se puede concluir que el agua de mar es el que presenta la mas baja resistividad y por lo tanto un buen conductor de la electricidad. Tipo de suelo o agua Agua de mar Arcilla Aguas subterrneas Arena Granito Hielo Valor tpico de resistividad (ohm-m) 2 40 50 2000 25000 100000

Tabla 2.1 Resistividades tpicas segn el tipo de suelo o agua.El Agua de ro, de pozos o de mar (con sales disueltas) es buena conductora, poco resistiva, comparable a los buenos terrenos. Los suelos de grano muy fino son buenos conductores por lo general, mejores que los de grano medio, y estos a su vez mejores que los de grano grueso. Los suelos pueden clasificarse segn su granulometra en: Arcilla (greda) Arena finsima Arena fina Arena gruesa Cascajo grava Piedra suelta Roca. 3.3.2. LA HUMEDAD La resistividad que presenta un terreno esta en relacin directa a los porcentajes de humedad contenida en l; es decir, depende de su estado hidromtrico, al aumentar la humedad disminuye la resistividad y al disminuir la humedad aumenta la resistividad. En todo caso siempre que se aade agua a un terreno disminuye su resistividad respecto al que tendra en seco.

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Se dice que el terreno esta Saturado de agua cuando todos sus intersticios esta llenos de agua. Una vez pasada la causa de la saturacin el agua contenida en los espacios entre los diferentes agregados, debido a la gravedad se dirigir hacia abajo quedando estos nter espacios ocupados por aire en el interior de los agregados, al ser superior la fuerza de capilaridad que la gravedad. El agua contenida en ellos no se mueve y en estas circunstancias, se dice que el terreno esta saturado de humedad. En el siguiente grfico figura 2.2 se puede observar la variacin de resistividad en funcin de la humedad, en una muestra de arcilla roja, con el porcentaje de humedad contenida.

La Humedad La HumedadRho (Ohm -m)

% Humedad 15%

Fig. 2.2 Variacin de la resistividad en funcin al porcentaje de humedad.3.3.3. LA TEMPERATURA DEL TERRENO La resistividad de los suelos, tambin depende de la temperatura, esta caracterstica trmica del terreno depende de su composicin, de su grado de compactacin y del grado de humedad. La resistividad del terreno aumenta al disminuir la temperatura, pero cuando el terreno se enfra por debajo de cero grados centgrados el agua que contiene se congela. El hielo es aislante desde el punto de vista elctrico, lo que implica que la movilidad de los iones del terreno a travs del agua se ve detenida al congelarse esta. Una forma de amortiguar este efecto en zonas con clima continental (inviernos fros y veranos calurosos) deber introducirse los electrodos a mayor profundidad. En el siguiente grfico, figura 2.3, se puede observar como aumenta la resistividad de un terreno en funcin del descenso de la temperatura.

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La Temperatura La TemperaturaRho (Ohm -m)

hielo agua -20 -10 4 0C 10 50 Temp. ( C ) 90 100

Fig. 2.3 Variacin de la resistividad del terreno en funcin de la temperatura.3.3.4. LA CONCENTRACIN DE SALES DISUELTAS Al presentarse una mayor concentracin de sales disueltas en un terreno, mejora notablemente la conductividad y por lo tanto la resistividad. El agua hace que las sales penetren hacia la parte profunda del terreno, hacia la capa de depsito, y que un riesgo excesivo o una lluvias excesivas lavan el terreno y, por lo tanto, arrastran la sal que rodea los electrodos aumentando la resistividad. Tampoco es aconsejable ubicar el electrodo cercano al cause del rio por que son terrenos muy lavados y por lo tanto ms resistivos de lo normal. El siguiente grfico muestra la variacin de la resistividad de un terreno en funcin del porcentaje de sal presente:

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Concentracin De SalesRho (Ohm -m)

% de Sal 2%

Fig. 2.4 Variacin de la resistividad del terreno en funcin del % de sal.3.3.5. LA COMPACTACIN DEL TERRENO Cuando la compactacin del terreno es grande disminuye la resistividad, por lo tanto es recomendable que exista un buen contacto entre electrodo y el terreno y por lo tanto es necesario una compactacin En el siguiente grfico se muestra cualitativamente la influencia de la compactacin del suelo, en la variacin de la resistividad.

Compactacin Del Terreno Compactacin Del TerrenoRho (Ohm -m) % Humedad W1 W2 W3 Compactacin 2%

Fig. 2.5 Variacin de la resistividad del terreno en funcin de la compactacin del terreno.Unidad II Pag. 7


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3.3.6.

LA ESTRATIFICACIN DEL TERRENO El suelo esta formado por capas(estratos) que tienen diferentes resistividades y profundidades debido a la formacin geolgica que son generalmente horizontales y paralelas a la superficie. Existen estratos que se presentan en forma inclinada o verticales debido a fallas geolgicas pero para los estudios se asumen horizontales El desconocimiento a priori de la resistividad de las capas inferiores obliga al estudio y medicin de las mismas si se requiere conocer el valor de la puesta a tierra a una determinada profundidad. Se puede afirmar que la resistividad a una profundidad de 5 m puede llegar a ser mayor que solamente a una profundidad de 1,5 m por tratarse de un terreno de una capa arcillosa. En la siguiente figura se observa que el comportamiento de la resistividad del terreno no es uniforme y depende de la caracterstica de los estratos y en un caso real se puede dar terrenos con diferentes capas con resistividades y espesores diversos que pueden ser mayor a lo requerido, por lo tanto no tendra xito la puesta a tierra en esta capa.

1

> I

2

1

< I

2

h

1

>>I

2

1

I

2

1

< I

2

h

1

>>I

2

1

a Si b < a

(a)

I VC1 P1 P2 C2

a

a(b)Fig. 2.11 Configuracin de Wenner

a

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En la figura 2.11(a), tambin se puede observar el mtodo de la configuracin de Wenner utilizando un instrumento especifico de cuatro terminales. En la configuracin de Wenner, los electrodos de corriente (C) y los electrodos de Potencial (P) pueden tener 3 arreglos alternativos, sin alterar el resultado de la resistividad que se va a medir, siempre y cuando se aplique la expresin adecuada. Estos arreglos son mostrados en la siguiente tabla, siendo el ms frecuente utilizado para las mediciones el arreglo C P P C. TABLA 1 Arreglos alternativos en la configuracin WENNER CPPC PCCP CCPP PPCC CPCP PCP-C 3 = 3 a R3 1 = 2 a R1

2 = 6 a R2

La configuracin de Wenner permite una visualizacin ms rpida de la curva, ya que la resistividad puede ser obtenida en forma ms directa a partir de los valores de resistencia R ledos en el instrumento. Por otro lado, se pueden utilizar instrumentos menos sensitivos que en la configuracin Schlumberger, ya que a medida que se alejan los electrodos tambin lo hacen los de potencial.

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3.5.2.2

Configuracin de Schlumberger Para esta configuracin los cuatro electrodos se colocan tambin en lnea recta, manteniendo la separacin entre electrodos centrales o de potencial (a) constante; mientras que los electrodos exteriores varan su separacin a partir de los electrodos interiores, a distancias mltiplos (na) de la separacin base de los electrodos centrales (a), Fig. 2.12 La ecuacin fundamental para este caso es:

a

sch

= R.n(n+1) a

Algunas de las ventajas de esta configuracin son la rapidez con que se realizan las mediciones y la menor sensitividad a las variaciones laterales del terreno, debido principalmente a que slo se desplazan los electrodos de corriente, permaneciendo en su lugar los de potencial.

I VC1 P1 P2 C2

na

a

na

Fig. 2.12 Configuracin de Schlumberger.

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3.8.3.

RECOMENDACIN PRCTICA En la prctica se puede adoptar por los siguientes criterios: 3.5.3.1 Parmetros de diseo con medidas Wenner Siendo restringido el espacio til disponible para las medidas de resistividad aparente y riguroso el procesamiento formal de las magnitudes obtenidas para este caso particular se opta por un procedimiento expeditivo que permite la estimacin gruesa de la resistividad de diseo. Aplicando el mtodo Wenner, se harn dos sondeos de medida (Fig. 2.13) para obtener (ia) cada uno con el despliegue de (04) electrodos clavados en suelo (C1, P1, P2, C2) firme a 0,1 m de profundidad y espaciados en lnea recta a una misma distancia (a) de 1,0 m y luego 2,0 m Procedimiento y Ejemplo Sea un suelo de alta resistividad, tpico en las ciudades de la costa (ejemplo). El espacio til para medidas deber tener por lo menos un radio de 3,0 m (Fig.2.14) 1 sondeo: Se obtiene (1 = 326 -m) para una distancia (a=1,0 m) 2 sondeo: se obtiene (2 = 288 -m)para una distancia (a=2,0 m) La resistividad de diseo a (1,5 m) de profundidad se estima en:

-

-

-

=

a a 326 + 288 1 + 1 = = 307 m 2 2

Fig. 2.13 Esquema de medidas de Wenner

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Fig. 2.14 Sondeos de medida Wenner en reducido espacio til

3.5.3.2

Parmetros de Diseo Medida Indirecta Considerando idnticas restricciones de espacio til, se puede aplicar la medida de la resistencia de dispersin (R) de un electrodo (l = 1,2 m; d= 0,013 m) Explorador de fierro clavado a 1,0 m de profundidad para evaluar la resistividad de diseo en valor equivalente. Esta alternativa muchas veces no se posibilita por la dificultad del clavado. (Fig. 2.15) Aplicando el mtodo de cada de potencial (Fig. 2.16) se harn dos medidas (Ri) al electrodo explorador (C1) con dos despliegues de electrodos (P2, C2) clavados en suelo firme (a 0,15 m de profundidad) ambos en lnea recta radial con la que se calcula finalmente: i = 1,10 Ri Procedimiento y Ejemplo Tomando el mismo caso anterior: El espacio til para medidas deber tener al menos (6,0 m) de largo. (Fig. 2.17) 1a. Medida: se calcula (a = 295 - m) para (d = 5,0 m, p=3,0 m y Ra = 236 )

-

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2da. Medida: se calcula (b = 305 - m) para (d= 6,0 m, p=3,7 m y Rb = 244 ) La resistividad de diseo a (1,5 m) de profundidad resultar:

-

=

a + b 295 305 = = 300 - m 2 2

Para las medidas, el suelo tendr que presentar su sequedad usual; el grass o las hierbas menudas sern retirados en la base de los electrodos; en suelos totalmente secos, se vertir un poco de agua en el hueco de dichos electrodos clavados, en caso de no poder medir, asumir: = 300 - m

M A RTI LLO PESA D O

PEN ETRAC I N O MI I A N M

ELEC TRO D O EXPLO RA D O R

1m

ESTRATO SU AVE PEN ETRAC I N FA C I O L

ESTRATO D URO PEN ETRAC I N D I C I O FI L

Fig. 2.15 Clavado del electrodo explorador

Fig. 2.16 Esquema de medida indirecta

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Fig. 2.17 Despliegue de medidas indirectas

3.9. RESISTIVIDADES TPICAS El cdigo nacional de electricidad Tomo I prescripciones generales, detalla las resistividades de los diferentes terrenos y en todo caso son valores referenciales durante el desarrollo de este curso: NATURALEZA DEL TERRENO Terreno pantanoso Limo Humos Turba Hmeda Arcilla Plstica Margas y arcillas compactas Margas de jursico Arena arcillosa Arena silcea Suelo pedregoso cubierto de csped Suelo pedregoso desnudo Caliza blanda Caliza compacta Caliza agrietada Pizarra Rocas de mica y cuarzo Granito y gres procedentes de alteracin Granito y gres muy alterados RESISTIVIDAD Ohmios-m Hasta 30 20 A 100 10 A 150 5 A 100 50 100 30 50 200 300 A A A A A 200 40 500 3000 500 3000 300 5000 1000 300

1500 A 100 A 1000 A 500 A 50 A

800 1500 A 10000 100 A 600

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Los valores medios de resistividad de terrenos se muestran en el siguiente cuadro: NATURALEZA DEL TERRENO Terrenos cultivables y frtiles, terraplenes compactos y hmedos Terreno cultivables poco frtiles, terraplenes en general Suelos pedregosos desnudos, arenas secas permeables VALOR MEDIO DE LA RESISTIVIDAD Ohm - m 50 500

3000

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4. RESUMEN Es muy importante conocer la resistividad del terreno ya que depende de ello para que la resistencia de puesta a tierra se conserve dentro del valor deseado. Los diferentes factores que influyen en el comportamiento del suelo desde el punto de vista de su resistividad son: La naturaleza del terreno, la humedad, la temperatura del terreno, la concentracin de sales disueltas, la compactacin del terreno y la estratificacin del mismo. Entre los otros factores que pueden influenciar la resistividad del terreno esta la corriente que circula por el electrodo de puesta a tierra durante la falla que depende del contacto entre el electrodo y el terreno, una pobre unin entre terreno y electrodo frente al paso de la corriente de falla que generan potenciales que pueden acelerar el deterioro del electrodo. El otro factor es la cantidad de calor que se genera, dado que toma dos trayectorias el que es absorbido por el volumen de terreo y las capas circundantes mas fras, circulando a travs del terreno; este calentamiento puede alcanzar hasta 100o C, haciendo que la toma de tierra pierda su poder de evacuacin y tienda a subir su potencial, obviamente esto se puede evitar haciendo que la causante de este calentamiento sea eliminado en el menor tiempo posible por los dispositivos de proteccin. Las resistividades tpicas de los terrenos se presentan en las normas y por ello se han tomado como valores referenciales para el desarrollo del presente curso. Si se desea conocer la resistividad del terreno, es preciso diferenciar que existen dos tipos de estratos: Estrato superficial y estrato subyacente. Por lo tanto es necesario conocer la resistividad de cada estrato y su espesor respectivo, ello nos permite ubicar adecuadamente la instalacin de puesta a tierra, o en algunos casos solo bastara con una inspeccin del terreno y por tablas conocer la resistividad. La seleccin del equipo para la medicin implica conocer las partes, es decir, si es a manivela, analgico o digital, si cuenta con microprocesador y si, sus resultados se pueden imprimir, adems debe cumplir con los ensayos tipos y tener las certificaciones respectivas. Debe tenerse en cuenta las precauciones y no efectuar estas en situaciones no recomendados ya que ello influir en los resultados. Para la medicin de la resistividad se puede utilizar el mtodo voltmetro y ampermetro, o un instrumento de propsito especifico, los que se pueden usar con el uso de tres electrodos o cuatro electrodos, el mtodo mas comn y de aplicacin practica es el de cuatro electrodos configuracin de Wenner.

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5. PREGUNTAS DE AUTOCOMPROBACIN 1. Por qu es necesario conocer los factores que influyen en la resistividad del terreno? 2. Qu es resistividad del terreno? 3. En que unidades se expresa la resistividad? 4. Cmo influye la naturaleza de los suelos en la resistividad del terreno? 5. Qu ocurre con la resistividad a 0 o c ? 6. Cmo influyen la cantidad de sales en la resistividad del terreno? 7. Es recomendable compactar el terreno y por que? 8. Por qu es necesario conocer los diferentes estratos del terreno? 9. Por qu es necesario conocer la resistividad y su espesor del terreno? 10. Cmo se puede saber la resistividad del terreno? 11. Qu caracterstica tiene el estrato subyacente en un terreno? 12. Cmo se elimina las corrientes parsitas en un instrumento que utiliza batera? 13. Qu ensayos debe tener los instrumentos de medida? 14. Cul es la diferencia entre el mtodo de tres electrodos y cuatro electrodos?

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6. RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS DE AUTOCOMPROBACIN 1. El terreno est compuesto por diferentes elementos qumicos, por lo tanto, presenta diferentes valores de resistividad a diversas profundidades, y si se desea utilizar el terreno como medio para disipar las corrientes de falla, es necesario un buen conocimiento de su comportamiento ante estos eventos. 2. Es la caracterstica del terreno de comportarse ante el paso de la corriente elctrica y se mide en -m, y se representa en . 3. Se expresa en -m, -cm, -mm, siendo el mas utilizado el -m. 4. Tiene una influencia inversa al contenido de agua. 5. A partir de cero grados la resisitividad se incrementa notablemente y antes de este valor tambin es mayor pero es mas amortiguado a medida que se incrementa la temperatura. 6. El comportamiento de la resistividad est en funcin directa a la concentracin de sales en el terreno. 7. Si, cuanto mas compacto es el terreno, la resisitividad es menor. 8. Porque el terreno est formado de diversos estratos y ests tienen resistividades diferentes segn su profundidad. 9. Para la ubicacin tcnica y econmica del electrodo de puesta a tierra. 10. De dos formas: mediante tablas y por mediciones. 11. Esta constituido por conglomeraciones finos y pedregosos en la costa, as como rocosos y pedregosos en la sierra y selva alta. 12. Mediante el rectificador esttico que rechaza las corrientes de frecuencia diferente al de corriente de prueba. 13. Los ensayos son: aislamiento, compatibilidad electromagntica, climticos, mecnicos, clase de precisin y fabricacin. 14. El mtodo de cuatro electrodos utiliza menor espacio y es de aplicacin practica.

Unidad II

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UNIDAD

III

Clculo de la resistencia de puesta a tierra

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Indice

ndiceUnidad III: CLCULO DE LA RESISTENCIA DE PUESTA TIERRA 1. 2. 3. Introduccin....................................................................................................... 1 Objetivos...... ..................................................................................................... 2 Contenido de curso............................................................................................. 2 3.1. Generalidades ............................................................................................ 2 3.2. Geometra de los electrodos........................................................................ 4 3.2.1 Electrodos verticales (jabalinas) ....................................................... 4 3.2.1.1 Jabalina enterrada sobre superficie........................................... 4 3.2.1.2 Jabalina enterrada a partir de una profundidad T.................... 6 3.2.1.3 Resistencia a tierra de dos o ms jabalinas en paralelo .............. 7 3.2.1.4 Influencia de la configuracin y el espaciamiento de electrodos (jabalinas) ..............................................................................10 3.2.2 Electrodos horizontales ...................................................................11 3.2.2.1 Dos conductores en ngulo recto ............................................12 3.2.2.2 Configuracin en estrella con tres puntos.................................12 3.2.3 Resistencia de malla .......................................................................13 3.2.3.1 Clculo de la resistencia de malla ............................................13 3.2.3.2 Tensiones presentes en mallas de tierra ..................................14 3.3 Electrodos de puesta a tierra ptimos.........................................................17 3.3.1 Electrodos verticales .......................................................................17 3.3.2 Electrodos horizontales ...................................................................18 3.4 Resistencias de dispersin .........................................................................19 3.4.1 Resistencia de dispersin (Rj) de un electrodo vertical ......................19 3.4.2 Resistencia de dispersin (Rp) de un electrodo horizontal ..................20 3.4.3 Resistencias de dispersin...............................................................21 Resumen...........................................................................................................23 Preguntas de autocomprobacin.........................................................................24 Respuestas a las preguntas de autocomprobacin ...............................................25

4. 5. 6.

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UNIDAD IIICLCULO DE LA RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA1. INTRODUCCIN Uno de los parmetros ms importantes que caracteriza una puesta a tierra es el valor de su resistencia. Se define este como el cociente entre el potencial adquirido por ella y la corriente conducida a tierra.

R=

U If

Debido a que existen diferentes espesores de los estratos y con resistividades diferentes cada uno, a fin de obtener un valor bajo de resistencia, es necesario conocer el tamao y la forma del electrodo a enterrar, ya que de ello depender su resistencia. Para una comparacin econmica entre las diferentes configuraciones de puesta a tierra, se requieren expresiones analticas que relacionen todos los parmetros de la puesta a tierra. Tales expresiones deben ser utilizadas adecuadamente para cada configuracin, teniendo en cuenta sus limitaciones porque son el resultado de las aplicaciones de los conceptos de la teora de campo o del mtodo de potenciales promedios, que asume una densidad de carga uniformemente distribuido en todo el sistema de puesta a tierra de la misma manera que la resistividad del suelo. Una forma de determinar tericamente la resistencia de puesta a tierra es por analoga con la capacitancia a tierra del sistema de electrodos, la cual est basada en el hecho que el flujo de corriente a tierra de un sistema de electrodos, tienen la misma trayectoria como la emisin de flujo elctrico de una configuracin similar de conductores teniendo cargas aisladas, entonces:

R=

2

1 C

Donde C es la capacitancia del sistema de electrodos considerando su imagen con respecto a la superficie de la tierra. Por lo tanto, el problema de calcular resistencia de puesta a tierra queda reducido a determinar la capacitancia de cualquier configuracin de puesta a tierra y su imagen. La resistencia de puesta a tierra se calcular para configuraciones de electrodos verticales, horizontales, mallas y sistemas conjuntos. Se presenta finalmente el clculo optimizado de electrodos tanto verticales, horizontales y sus resistencias de dispersin.

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2. OBJETIVOS Calcular la resistencia de puesta a tierra para las diferentes configuraciones de electrodos. Determinar la resistencia de puesta a tierra optimizada de los electrodos. Diferenciar la tensin de paso y la tensin de toque en un sistema de puesta a tierra. Identificar las resistencias de dispersin en los electrodos verticales y horizontales.

3. CONTENIDO DE CURSO 3.1. GENERALIDADES El clculo de la resistencia de puesta a tierra involucra el clculo de la misma resistencia a tierra, ya sea de un electrodo elemental, una combinacin simple de electrodos, una combinacin compleja de electrodos (malla de tierra) o de mallas de tierra interconectadas. En general, los electrodos elementales que conforman la mayor parte de las puestas a tierra, son: la barra enterrada verticalmente en el terreno y el conductor horizontal embebido en el terreno. Los electrodos, tales como el anillo y la plancha metlica dispuesta sobre la superficie del terreno, se utilizan casi exclusivamente como complementos de una puesta a tierra para controlar gradientes de potencial sobre el terreno y desprecindose, la mayora de las veces su influencia sobre la resistividad total. La esfera y semiesfera, salvo algn caso particular, no se usan en absoluto y la plancha metlica embebida implican suposiciones y aproximaciones que deben ser aceptadas a falta de mtodos ms exactos. Las prcticas y comprobaciones en modelos dan como resultado que estas aproximaciones pueden considerarse aceptables. En trminos generales, un error del 20% entre lo calculado y lo obtenido es satisfactorio. La resistencia de puesta a tierra total tiene tres componentes (Fig. 3.1): La resistencia del conductor conectado al sistema de puesta a tierra, que est en funcin de su resistividad, longitud y seccin. La resistencia de contacto entre la superficie del electrodo y el suelo, este valor es usualmente pequeo si el electrodo est libre de pintura o grasa, esto se elimina efectuando un buen contacto entre el electrodo y tierra. La resistencia de la tierra alrededor del electrodo que es la resistencia principal que influir en la resistencia total de la puesta a tierra.

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r

b

L

a

c

Fig. 3.1 Componentes de la resistencia de puesta a tierra.

R =pDonde: : L : A :

L A

resistividad del terreno. longitud del electrodo. rea de la semiesfera equivalente.

Si una esfera de radio x, tiene el espesor dx, entonces la resistencia dR del elemento es: dR =

dx 2 x2

Siendo la resistencia hasta una distancia x de:

R=si r1 = la resistencia total ser:

r1 r

dx 1 1 = 2 2 r r1 2 x

R 00 =

2 r

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3.2. GEOMETRA DE LOS ELECTRODOS A continuacin de deducir la resistencia de puesta a tierra de las configuraciones ms tpicas y ms utilizadas. 3.2.1. ELECTRODOS VERTICALES (Jabalina) 3.2.1.1 JABALINA ENTERRADA SOBRE LA SUPERFICIE Considerando una jabalina de longitud L, dimetro 2a" junto son su imagen sobre la superficie de la tierra. (Fig. 3.2)

2a

dx

L

y x Superficie

L

Fig. 3.2 Modelo de jabalina enterrada, en la superficie y en imagen.

El problema electrosttico consiste en calcular la capacitancia, asumiendo una carga uniforme sobre la superficie, esto significa calcular el potencial promedio sobre el electrodo. Suponiendo que la carga asumida es en centmetros de longitud, entonces la carga en el segmento dy es qdy. El potencial en cualquier punto P debido a esta carga es:Potencial = qdy a2 + y 2

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Para obtener el potencial total, se integra entre y=0 a y=(1-x) y tambin de y=0 a y=(1+x) dx e integrando de x = 0 a x = 1, el potencial L V 4L promedio ser : = Ln ( 1) 2q a y multiplica do por La capacitancia de: 1 1 4L V = = (Ln - 1) y la resistenci a por analoga ser : C 2 qL L a R=

4L 1 Ln 2 L a

Tambin se pueden utilizar otras expresiones como:

R =

p 2 L

arc

senh

(

2L d

)

R=

2L Ln 2 L a

Donde: : resistividad del terreno ( - m). L: longitud de la barra en (m). A: radio de la barra en (m). logaritmo natural. Ln: R: resistencia en (). d: 2a. La diferencia entre una y otra para las longitudes y radios normales no es mayor del 6%. Aplicacin 1 Una barra de cobre de 2,4 m de longitud, 8 mm de radio, en un terreno de resistividad equivalente 100 ( - m) tiene una resistencia de puesta a tierra de: 100 4 x 2,4 1 = 40,38 Ln 2 2,4 8 x 10 -3

R=

R=

100 2 x 2,4 = 42,42 Ln 2 2,4 8 , 10 -3

Como se puede observar la diferencia es 2,42 que representa 5% de error.Unidad III Pg. 5


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Aplicacin 2 Determinar la resistencia de puesta a tierra de una barra en las siguientes condiciones, longitud = 2 m; = 100 - m el radio de la barra 8 mm.

R=

100 4 x 2 Ln 1 = 47,01 2 2 8 x 10 -3

3.2.1.2

JABALINA ENTERRADA A PARTIR DE UNA PROFUNDIDAD T. En la mayora de los casos no se encuentran enterradas a partir de la superficie del terreno, sino a partir de una profundidad t, como se muestra en la Fig. 3.3.

Superficie t 2a

L

Fig. 3.3 Electrodo vertical enterrado a una profundidad t.

La resistencia ser:

R=

L 3 L + 4t Ln 2 L a L + 4t

Nota: el objetivo de enterrar una distancia t al electrodo debajo de la superficie es para disminuir los posibles gradientes de potencial sobre la superficie del terreno en los contornos de la barra.

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Aplicacin 3 Para la aplicacin 2, calcular la resistencia sabiendo que la jabalina est a 30 cm debajo de la superficie. R = 100 2 Ln 8 x 10- 3 2 2 3x 2 + 4 x 0,3 2 + 4 x 0,3 = 47,1

Como se puede observar se obtiene el mismo valor de resistencia, pero el gradiente de potencial en la superficie del terreno ser menor. 3.2.1.3 RESISTENCIA A TIERRA DE DOS O MS JABALINAS EN PARALELO Si bien el objetivo es disminuir la resistencia equivalente, esto se logra teniendo un espaciamiento mnimo entre jabalinas igual al doble de su longitud con el fin de evitar zonas de interferencia como se observa en la Fig. 3.4

Traslape

Fig. 3.4 Zonas de interferencia (traslape), cuando los electrodos no estn espaciados suficientemente.

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Resistencia de tierra de 2 jabalinas separadas a una distancia D, como se observa en la Fig. 3.5

D2a

L

b

Fig. 3.5 Dos electrodos de puesta a tierra.

R2 =

(b + L ) 2 D 2 Ln 2 4 L D - (b + L) 2

Haciendo D = 2L

R2 =

10,47 L - 2 Ln 4 L 2 - 1,53 L

Se puede obtener un ndice de reduccin de resistencia igual a: K= R 2 electrodo R 1 electrodo

Considerando el mismo criterio se puede calcular la resistencia equivalente para varias jabalinas en paralelo de longitud y espaciamiento iguales, as como el ndice de reduccin como se observa en la tabla 1.

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Tabla 1: Resistencia de puesta a tierra de electrodos paralelos, alineados e igualmente espaciados (L=2,4m, = 5/8 pulg. R1 = 0,425 y = 3/4 pulg. R2 = 0,413) Tabla 1.a 5" 8

L = 2,4 mSeparacin Nmero de Jabalinas 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 2,5 mm K Req []0,241 pa 0,173 pa 0,137 pa 0,115 pa 0,099 pa 0,087 pa 0,078 pa 0,071 pa 0,065 pa 0,060 pa 0,056 pa 0,053 pa 0,049 pa 0,047 pa 0,566 0,408 0,324 0,270 0,233 0,206 0,185 0,168 0,154 0,142 0.132 0,124 0,117 0,110

d=

R 1 = 0,425 pa4m K Req []0,231 pa 0,163 pa 0,127 pa 0,105 pa 0,089 pa 0,078 pa 0,070 pa 0,063 pa 0,057 pa 0,053 pa 0,049 pa 0,046 pa 0,043 pa 0,040 pa 0,511 0,383 0,298 0,246 0,210 0,184 0,164 0,148 0,135 0,124 0,115 0,107 0,101 0,095

3m K Req []0,237 pa 0,169 pa 0,133 pa 0,110 pa 0,095 pa 0,083 pa 0,075 pa 0,068 pa 0,062 pa 0,057 pa 0,053 pa 0,050 pa 0,047 pa 0,044 pa 0,557 0,397 0,313 0,260 0,223 0,196 0,176 0,159 0,140 0.134 0,125 0,117 0,110 0,103

5m K Req []0,228 pa 0,159 pa 0,123 pa 0,101 pa 0,086 pa 0,075 pa 0,066 pa 0,060 pa 0,054 pa 0,050 pa 0,046 pa 0,043 pa 0,040 pa 0,038 pa 0,536 0,374 0,289 0,237 0,202 0,176 0,156 0,141 0,128 0,118 0,109 0,101 0,095 0,089

Tabla 1.b

L = 2,4 mSeparacin Nmero de Jabalinas 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 2,5 mm K Req []0,235 pa 0,169 pa 0,134 pa 0,112 pa 0,097 pa 0,086 pa 0,077 pa 0,070 pa 0,064 pa 0,059 pa 0,055 pa 0,052 pa 0,049 pa 0,046 pa 0,568 0,410 0,326 0,272 0,235 0,208 0,186 0,169 0,155 0,144 0,134 0,125 0,118 0,111

3" d= 43m K Req []0,231 pa 0,165 pa 0,130 pa 0,108 pa 0,093 pa 0,082 pa 0,073 pa 0,066 pa 0,061 pa 0,056 pa 0,052 pa 0,049 pa 0,046 pa 0,043 pa 0,559 0,399 0,315 0,262 0,225 0,198 0,177 0,160 0,147 0,136 0,126 0,118 0,111 0,104

R 1 = 0,413 pa4m K Req []0,225 pa 0,159 pa 0,124 pa 0,102 pa 0,087 pa 0,076 pa 0,068 pa 0,061 pa 0,056 pa 0,052 pa 0,048 pa 0,045 pa 0,042 pa 0,039 pa 0,546 0,384 0,300 0,217 0,211 0,185 0,165 0,149 0,136 0,125 0,116 0,108 0,101 0,096

5m K Req []0,222 pa 0,155 pa 0,120 pa 0,098 pa 0,084 pa 0,073 pa 0,065 pa 0,058 pa 0,053 pa 0,049 pa 0,045 pa 0,042 pa 0,039 pa 0,037 pa 0,537 0,375 0,290 0,238 0,203 0,177 0,157 0,142 0,129 0,119 0,110 0,102 0,096 0,090

Del cuadro se puede apreciar que el ndice de reduccin para 4 electrodos es de 32% y se obtiene una notable reduccin hasta 6 electrodos y a partir de ello se satura la disminucin de la resistencia equivalente con el aumento del nmero de electrodos en paralelo, como se puede apreciar en la siguiente grfica.

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0.5 0.4

0.44

Resistencia equivalente

0.3 0.2 0.1 0 1 2

0.244 0.174 0.136 0.113 5 6 0.097 0.085 7

3

4

Numero de electrodos en paraleloFig. 3.6 Curva resistencia equivalente en funcin del nmero de electrodos en paralelo. En consecuencia: para evitar la saturacin en la disminucin de la resistencia con el aumento de electrodos en paralelo, debe evaluarse si se justifica econmicamente. Una recomendacin prctica es no poner mas de 6 electrodos en paralelo.

3.2.1.4 INFLUENCIA DE LA CONFIGURACIN ESPACIAMIENTO DE ELECTRODOS (JABALINAS) -

Y

EL

Dimetro del electrodo: la resistencia a tierra no disminuye considerablemente con el aumento del dimetro de la jabalina un incremento el doble el dimetro, la resistencia disminuye slo al 11%. Efecto de espaciamiento y de longitud: si dos electrodos estn ubicados muy prximos uno de otro, hay interferencia de campos elctricos entre ellos y aumenta el valor de la resistencia, una separacin menor que el doble de su longitud no es aconsejable. El aumento del nmero de electrodos, como se observ cuando se incrementa mucho el nmero de electrodos, debido al efecto mutuo, la resistencia a tierra aumenta, es decir, hay una cierta saturacin, lo mismo sucede con la separacin entre ellos. Habr siempre un valor bajo el cual la resistencia aumenta y encima del cual la influencia de disminucin es mnima.

-

-

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3.2.2.

ELECTRODOS HORIZONTALES La resistencia de aterramiento de un conductor o electrodo enterrado horizontalmente en el suelo a una profundidad h metros ser:2 4 2 L2 2h h 1 h R= 2+ + Ln L L 2 L 2 L a h

Donde: R L a n : : : : resistencia en (). longitud en (m). radio del electrodo en (m). profundidad de enterramiento en (m).

Tambin se puede utilizar:

R=

2 L2 Ln en 2L ah

h 2a

L

Fig. 3.7 Electrodo horizontal enterrado a una profundidad h.

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Se pueden enterrar electrodos con diferentes configuraciones como se observa en la Fig. 3.8

Fig. 3.8 Configuraciones horizontales de conductores.

3.2.2.1 DOS CONDUCTORES EN NGULO RECTO (FIG. 3.8.a)2 4 L2 h h h 0,2373 + 0,8584 + 1,656 10,85 Ln L 2 L 2 a h L L

R=

3.2.2.2 CONFIGURACIN EN ESTRELLA CON TRES PUNTOS (FIG. 3.8.b)2 4 L2 h h h 1,077 0,836 + 3,808 13,824 Ln L 3 L 2a h L L

R=

Aplicacin 4 Hallar la resistencia de puesta a tierra para configuraciones expuestas si se dispone de 60 m de conductor de dimetro 6 mm, enterrado a 60 cm debajo de la superficie, en un suelo cuya resistividad aparente es igual a 1000- m; aplicando la frmula se tiene: Configuracin 1 electrodo 2 electrodos en ngulo recto Estrella Resistencia () 35,00 64,77 67,23

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3.2.3.

RESISTENCIA DE MALLA Otra forma de configurar una puesta a tierra es mediante una malla entrelazada por conductores de cobre, la unin de los puntos de la malla debe ser tal que no exista calentamiento en dicha unin, con ello se pueden lograr resistencias ms bajas que en las configuraciones anteriores. 3.2.3.1 CLCULO DE LA RESISTENCIA DE MALLA Segn la frmula experimental de Laurent, se tiene la siguiente frmula para el clculo de puesta a tierra de una malla:

R=

() + L 4 s

Donde: s L : : : resistividad ( - m). superficie que cubre la malla (m2). longitud total de conductor de la malla (m).

Fig. 3.9 Puesta a tierra tipo malla.

Aplicacin 5 En un terreno de 100 -m de resistividad equivalente, una malla de 10 x 10 m2, como se muestra en la Fig. 3.10

R=

100 10 x 10 4

+

100 6,1 60

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10m

Fig. 3.10 Malla de puesta a tierra de 10 x 10 m2.

3.2.3.2 TENSIONES PRESENTES EN LAS MALLAS DE TIERRA Consideramos una malla formada por n conductores dispuestos en cada direccin con separacin uniforme D entre ellos, enterrada a una profundidad fija h metros, siendo L la longitud total de conductor enterrado. En el momento en que la falla difunde una corriente de I Amperes al terreno, una persona puede quedar expuesta a los siguientes voltajes de riesgos (Fig. 3.11 a) Tensin de paso (Vp). Corresponde a la diferencia de potencial entre dos puntos ubicados sobre la superficie del suelo, separados a una distancia de un metro:

10m

Vp = K s K i e

I (Volts) L

K i = 0,65 + 0,172 nDonde:1 1 1 1 1 1 + + + + ... + Ks = (n - 1)D + h 2h D + h 2D + h 3D + h

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Tensin de contacto o toque. La tensin de contacto mano pie corresponde a la diferencia existente entre el potencial de un punto sobre la superficie del terreno y el potencial que adquiere un conductor metlico unido a la malla. Para su estimacin, se utiliza la expresin correspondiente al mximo posible o tensin de contacto.

Vm = K m K i eDonde:

I (volts) L

1 1 D3 2n - 3 3 5 K m = Ln 16hd + Ln 4 4 .......... 2n - 2 2

VC

Vp

Fig. 3.11( a ) Tensin de paso y contacto(toque).

Estas tensiones presentes en la superficie del terreno sobre una malla de tierra que difunde una corriente de falla, no deben superar en ningn caso las tensiones tolerables por el cuerpo humano. La mxima diferencia de potencial a que puede ser sometido el cuerpo humano, en base a los posibles puntos de contacto se calcula mediante las expresiones:

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a. Mxima tensin de paso tolerable:

Vp =

116 + 0,696 c s t

(volts)

b. Mxima tensin de contacto tolerable:

Vc =En donde: [-mt]: t [seg] : c :

116 + 0,174 c s t

(volts)

resistividad de la capa superficial. tiempo global de exposicin. factor de correccin debido a la presencia de la capa superficial resistiva. En la prctica se estima c = 1.

Los lmites de diseo se han establecido como tensiones y para llegar a los lmites apropiados, es necesario considerar la impedancia a travs del cuerpo humano, la resistencia de contacto de la mano, la resistencia del calzado y la resistividad del material superficial bajo el calzado. Suponiendo: 100 1000 4000 300 Ohm Ohm Ohm Ohm metro la resistividad del suelo. para la impedancia del ser humano. de impedancia para el calzado. resistencia de contacto de la mano.

Se tienen los lmites mostrados en la Fig. 3.11 (b)10000 Tensin de contacto permitido (v)

1000 Con gravilla Sin gravilla

100

10

1 Tiempo de despeje de falla (s)Fig. 3.11( b ) Potenciales de contacto permitidos.

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3.3. ELECTRODOS DE PUESTA A TIERRA PTIMOS A partir de la disponibilidad de espacio y la resistividad de diseo, se define el tipo y la forma de la instalacin del electrodo de puesta a tierra, que deber ser preferentemente de cobre electroltico macizo por su alta resistencia al ataque corrosivo del suelo que otros materiales, an con proteccin de superficie, no pueden asegurar su tiempo promedio de vida. 3.3.1. ELECTRODOS VERTICALES Existe en el mercado, varillas de cobre temple duro ya cortadas en longitudes estandarizadas de 2,0; 2,5; 3,0 y 3,5 m con dimetros a escoger de 0,013 y 0,019 m; se elige el tamao ms comercial que tiene 2,5 m de longitud (2,44 real) con 0,013 0,019 m de dimetro; el cual puede optimizarse con el relleno en el pozo segn el modelo analtico (Fig. 3.12), con (ro R)

dr r R dr d R rj = r = r dS 2 L1 r O R rj =rO : R : L :

r R Ln 2 L rOradio del electrodo, (m). radio optimizado pozo, (m). longitud del electrodo, (m).

R

d r

roELEC TRO D O D E C O BR E

SU ELO N ATU RA L RELLEN O C O N D UC TO R

d = 2 ro

Fig. 3.12 Optimizacin del electrodo vertical con relleno en pozo.

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3.3.2.

ELECTRODOS HORIZONTALES Las pletinas de cobre, existen en el mercado a partir de 3,0 m de longitud, con secciones diferentes; la ms adecuada ser (0,003 m x 0,04 m); deber hacerse un hueco con un taladro de 0,013 m de dimetro en uno de los extremos. En caso de escasez se podr utilizar un conductor de cobre desnudo de 100 mm2 temple semiduro o blando. El modelo tambin puede ser optimizado con el relleno en una zanja (Fig. 3.13) considerando (ro R)

dR rp

dr r R dr = r = r dS 2 L rO

R rp =

r R Ln 2 L roradio del electrodo, (m). radio optimizado zanja, (m). longitud del electrodo, (m).

Donde: ro : R : L :

El suelo subyacente en las zonas habitadas del pas es pedregoso por su filiacin aluvial o diluvial, por tanto el clavado de electrodos verticales para puesta a tierra no es viable, para su instalacin nos obliga a excavar un pozo y para electrodos horizontales, una

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