guia # 6 resistividad

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Práctica N° 6 – Calculo de resistividad de Tierra mediante métodos de caída de potencia y WENNER IEE 115 1 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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Práctica N° 6 – Calculo de resistividad de Tierra mediante métodos de caída de potencia y WENNER

IEE 115

1

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.