guia # 6 resistividad
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Práctica N° 6 – Calculo de resistividad de Tierra mediante métodos de caída de potencia y WENNER
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UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR
FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA
ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
INSTALACIONES ELÉCTRICAS I
PROFESOR: Ing. Jorge Alberto Zetino.
INSTRUCTORES: Br. Carlos Enrique Cortez Méndez.
Br. Francisco Adalberto Antillón Hernández.
Br. Jorge Eduardo Gabriel Huiza Deras.
Br. Herberth Josué Palacios Arana.
PRACTICA DE LABORATORIO N° 6
“Cálculo de Resistividad de Tierra mediante métodos de Caída de Potencial y
WENNER”
Introducción: Con la siguiente práctica de laboratorio usted tendrá la oportunidad de llevar a cabo el
proceso de medición de la resistividad de un determinado terreno, así como también
conocerá dos métodos para llevar a cabo dicho proceso. A su vez podrá conocer y
operar el dispositivo que nos permitirá llevar a cabo dicha medición.
La resistividad del suelo es la propiedad que tiene éste, para conducir electricidad, es
conocida además como la resistencia específica del terreno. En su medición, se
promedian los efectos de las diferentes capas que componen el terreno bajo estudio,
ya que éstos no suelen ser uniformes en cuanto a su composición, obteniéndose lo
que se denomina como "Resistividad del Terreno".
La resistividad del terreno se mide fundamentalmente para encontrar los puntos
óptimos para localizar la red de tierras de una instalación eléctrica tal es el caso de
una subestación, planta generadora o transmisora en radiofrecuencia.
Objetivos:
Conocer los métodos de medición de resistividad de la tierra.
Determinar la resistividad de un determinado terreno.
Conocer el equipo y proceso para llevar a cabo la medición de la resistividad
de la tierra.
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Marco teórico:
El factor más importante de la resistencia a tierra no es el electrodo en sí, sino la
resistividad del suelo mismo, por ello es requisito conocerla para calcular y diseñar la
puesta a tierra de sistemas. La resistividad del terreno varía ampliamente a lo largo y
ancho del globo terrestre, estando determinada por:
Sales solubles
Composición propia del terreno
Estratigrafía
Granulometría
Estado higrométrico
Temperatura
Compactación
Efecto de la resistividad de la tierra en la resistencia de electrodos de tierra.
La resistividad de la tierra es un factor muy importante que nos permitirá determinar
cual será la resistencia de un electrodo de toma de tierra, así como también
determinar a que profundidad debe este estar enterrado para lograr obtener la
resistencia de tierra que se necesita. La resistividad de la tierra es determinada en
gran parte por su contenido de electrolitos, que consisten de humedad, minerales y
sales disueltas.
Tierra Resistividad (aprox.), Ω-cm
Min. Promedio. Max. Cenizas, Cinders, salmuera, desperdicio 590 2,370 7,000 Arcilla, barro, lodo firme 340 4,060 16,300 Mismo anterior solo con mayor proporción de arena y grava
1,020 15,800 135,000
Grava, arena, piedras con un poco de arcilla suelo firme
59,000 94,000 458,000
Tabla 1: Valores de resistividad para distintos compuestos.
Factores que afectan la resistividad de la tierra. Son muchos los factores que afectan la resistividad de un terreno, a continuación se
presentan las respectivas tablas en las cuales se muestran como afecta cada uno de
estos factores.
Contenido de Humedad % por peso Resistividad (Ω-cm)
Suelo-sup. Suelo firme arenosa
0 >109 >109
2.5 250,000 150,000
5 165,000 43,000
10 53,000 18,500
15 19,000 10,500
20 12,000 6,300
30 6,400 4,200
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Tabla 2: Factor de humedad.
A medida que desciende la temperatura aumenta la resistividad del terreno y ese
aumento se nota aún más al llegar a 0° C, hasta el punto que, a medida que es mayor
la cantidad de agua en estado de congelación, se va reduciendo el movimiento de los
electrolitos los cuales influyen en la resistividad de la tierra.
Temperatura Resistividad
C F (Ω-cm) 20 68 7,200 10 50 9,900 0 32(agua) 13,800 0 32(agua) 30,000 -5 23 79,000 -15 14 330,000
Tabla 3: Muestra el factor de temperatura.
Figura 1: Variación de temporada de la resistencia de tierra con un electrodo de tubo
3/4” de pulgada en tierra de arcilla con piedras. La profundidad del electrodo en la
tierra es de 3 piespara la Curva 1, y 10 pies para Curva 2.
Métodos involucrados en la prueba de resistencia de tierra
La resistencia de tierra de cualquier sistema de electrodos teóricamente puede
calcularse de las formas basadas en la formula general de resistencia:
(1)
Donde es la resistividad de la tierra en (Ω-m), L es longitud de la trayectoria de
conducción, y A es el área transversal. El profesor H.B Dwight del instituto tecnológico
de Massachusetts. Desarrollo formulas complejas para el cálculo de resistencia de
tierra para cualquier distancia. Tales formulas pueden simplificarse un poco
basándolas en la suposición que la resistividad de la tierra es uniforme a través del
volumen entero del suelo bajo consideración.
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Ya que las formulas son complicadas, y la resistividad de la tierra no es uniforme ni
constante, un método simple y directo de medir la resistencia de un electrodo
enterrado es necesario. Aquí es donde entramos con nuestro medidor de tierra
MEGGER DET5/4R. Con este equipo se puede verificar la resistencia del electrodo a
tierra mientras se instala; y con pruebas periódicas, observar algunos cambios con el
tiempo.
Figura 2: Principio de una prueba de resistencia de tierra.
Para entender el método de la prueba a tierra considere el diagrama esquemático de
la figura2. Debemos de tener en cuenta que a distancia cada vez mayores desde un
electrodo, las capas de tierra. Son de área de superficie mayor y por lo tanto de menor
resistencia como lo indica la ecuación 1.
Ahora suponemos que tenemos tres varillas enterradas en la tierra alguna distancia
aparte y con voltaje aplicado como se muestra en la figura 2(a). La corriente entre la
varilla 1 y 2 se mide con un amperímetro y la diferencia de potencial entre las varillas 1
y 3 con un voltímetro.
Si la varilla 3 se ubica en varios puntos entre las varillas 1 y 2, preferiblemente en línea
recta, puede obtener una serie de lecturas de voltaje. Por la ley de ohm ( ⁄ )
puede determinarse la resistencia de la tierra en cualquier punto medido. Por ejemplo,
si el voltaje medido V entre las varillas 1 y 3 es 30 volts y la corriente medida I es de 2
amperes, la resistencia de la tierra R en ese punto sería de 15Ω.
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La serie de valores de resistencia puede graficarse contra la distancia para obtener
una curva similar a la de la figura 2(b). observe que a medida que la varilla 3 se mueve
lejos de la varilla 1, los valores de resistencia se incrementan pero la cantidad de
incremento disminuye cada vez menos hasta que se alcanza el punto donde el valor
de incremento se vuelve tan pequeño que casi puede considerarse constante (20 Ω en
la figura 2(b)). Las capas de tierra entre las varillas (1-3) tienen un área de superficie
tan grande que añaden poco la resistencia total. Más allá de este punto, a medida que
la varilla 3 se acerca a las celdas de tierra de la varilla 2, la resistencia gradualmente
se eleva. Cerca de la varilla 2 los valores se incrementan de una manera creciente.
Ahora digamos que la varilla 1 es nuestro electrodo de tierra bajo prueba. De una
curva de resistencia tierra típica, como es la figura 2(b). ¿Cuál es la resistencia de
tierra de la varilla? Llamamos a la varilla 2 punta C de la corriente de referencia y a la
varilla 3, punta P de referencia de potencial, (simplemente por conveniencia para
identificación). La Resistencia correcta se obtiene usualmente si P (la varilla 3), se
coloca a una distancia del centro del electrodo a tierra (varilla 1) cerca del 62% de la
distancia entre el electrodo de tierra y C (la varilla 2).
Por ejemplo en la figura 2(b). la distancia D desde el electrodo de tierra a C es de 100
pies. Tomando el 62% de esta distancia, obtenemos 62 pies. De la figura 2(b), la
resistencia para esta distancia es de 20 Ω. Esta es la resistencia medida del electrodo
a tierra.
NOTA:
Esta regla funciona bien para electrodos sencillos, tales como varillas
enterradas. También funciona para un pequeño grupo de varillas. Pero se debe
conocer el centro eléctrico verdadero del sistema de electrodos con bastante
precisión. También la precisión de las lecturas es mejor si la resistividad de la
tierra entre los tres electrodos es razonablemente constante.
Por último, C debe estar lo suficiente mente lejos del sistema de electrodos a
tierra de modo que el 62% de la distancia este fuera de la “Esfera de Influencia”
del electrodo a tierra como se muestra en la figura siguiente.
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Figura 3: Efecto de localización de C en la curva de resistencia de tierra.
METODO 1: CAIDA DE POTENCIAL O PRUEBA DE TRES TERMINALES
Esta prueba de tres terminales es el método que se describe previamente en la figura
2, en nuestro caso como el probador que poseemos es de 4 terminales, las terminales
P1y C1 en el instrumento son puenteadas como se muestra en la figura 4. Y el
electrodo de tierra del electrodo bajo prueba. Si en caso poseemos un instrumento de
tres terminales se conecta X al electrodo a tierra.
Figura 4: Prueba de resistencia de la tierra por el método de “Caída de Potencial” o de “tres terminales”
METODO 2: MÉTODO DE LOS CUATRO PUNTOS O MÉTODO DE WENNER. Cuando un instrumento de cuatro terminales es empleado para conocer el valor de la
resistividad de la tierra, este utiliza cuatro electrodos de tamaño pequeño enterrados
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en la mínima cantidad y a distancias iguales entre ellos en una línea recta como se
muestra en la figura 5.
Figura 5: Prueba de resistencia de la tierra por el método de “Cuatro Terminales” o “Método de Wenner” Cuatro puntas de prueba separadas conectan a los electrodos a los cuatro terminales
del instrumento de aquí el nombre de esta prueba “Método de Cuatro Terminales”.
El Dr. Frank Wenner, desarrollo la teoría basada en esta prueba en 1915 y demostró
que si la profundidad del electrodo (B) se mantiene pequeña comparado con la
distancia entre los electrodos (A) se aplica la siguiente formula.
√
√
Dónde:
: Es la resistividad promedio del suelo a la profundidad A [Ω-m] A: Es la distancia entre los electrodos en [m] B: Profundidad del electrodo [m] R: Lectura del instrumento en [Ω] Si A > 20B:
NOTA: El valor para ser utilizado por es el promedio de la resistividad de la tierra a una profundidad equivalente a la distancia “A” entre dos electrodos. Material y Equipo. 1 MEGGER DET5/4R.
3 Electrodos de igual longitud.
1 amperímetro.
1 Cinta Métrica.
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DESARROLLO DE LA PRÁCTICA
PRÁCTICA I: Calcular el valor de la resistencia del electrodo conectado a
tierra, utilizando el método de caída de Potencial. PASOS:
1) Construir la conexión de la figura 4. 2) Tomar lectura de varios valores de Resistencia de la siguiente forma:
Resistencia [Ω] Distancia de electrodo intermedio (Varilla 3) [m]
1
2
3
4
5
Tabla 4: Recolección de datos de resistencia y distancia.
3) Tomar la lectura de Resistencia exactamente en el 62% de la distancia máxima “D”. (Ver figura 2)
PRÁCTICA II: Calcular el valor de la resistividad de la tierra por el método de
los cuatro puntos. PASOS:
1) Construir la conexión de la figura 5. 2) Medir la profundidad del electrodo B: ___________ 3) Tomar medida de la distancia entre electrodos A: _________ 4) Tomar lectura de resistencia del instrumento R:___________
Recomendación: La distancia entre cada uno de los electrodos puede asumirla de 3m y la profundidad del electrodo asumirla de 15cm-20cm.
ASIGNACIÓN
1) Con los datos obtenidos de resistencia y distancia de tabla 4, en el laboratorio graficar distancia Vrs resistencia. Y a partir del gráfico y según lo explicado en el marco teórico del laboratorio obtenga el valor aproximado de la resistencia de la tierra.
2) El valor de resistencia obtenido en el literal anterior, con el obtenido en el paso
3 de la primera práctica a 62% de la distancia D. son aproximadamente iguales, si son iguales o diferentes explique porque sucede esto.
3) Obtenga la Resistividad de la tierra utilizando los datos de la práctica número
dos y la formula (2), expuesta en el marco teórico.
4) Si se cumple la relación A > 20B, para la práctica numero dos calcule la resistividad de la tierra por medio de la formula (3), del marco teórico este valor se parece al del literal anterior explique.
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5) ¿Qué ventajas nos proporcionan el uso de múltiples electrodos en una Red de
tierra?
6) ¿Cuándo se encuentra que la resistencia de un electrodo a tierra no es suficientemente baja, existen varia formas para mejorarla cuáles son?
7) Definir y describir cada uno de los siguientes métodos para obtener la
resistividad de la tierra.
MÉTODO DE WENNER
MÉTODO DE SCHLUMBERGER
METODO DIRECTO
8) Cuál es el valor máximo de la resistencia de tierra en Ωque establece el NEC.
9) Qué valor de resistencia en Ω no deben exceder los siguientes locales:
Subestaciones de transmisión.
Subestaciones de distribución.
Oficinas de industria ligera o telecomunicaciones.
Protecciones contra rayos.
10) ¿Qué factores influyen en los requerimientos para un buen sistema de tierra?
11) Que se puede concluir de las siguientes curvas de la figura A1 y A2. ¿Explique brevemente?
Figura A1: Curva de Resistencia Vrs profundidad de la varilla.
Figura A2: Curva de Resistencia Vrs diámetro de la varilla.
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ANEXO
Figura A3: Muestra el medidor de tierra a utilizar MEGGER DET5/4R, es un instrumento capaz de medir resistencia de tierra de sistemas de electrodos simples y complejos.