RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA

I. OBJETIVO

Determinar experimentalmente la resistencia de puesta a tierra con el

mtodo de cada de potencial.

II. FUNDAMENTO TERICO

Medida de la Resistencia de Tierra

Un Sistema de Puesta a Tierra (SPAT) es aquel que se utiliza en una

instalacin elctrica para evitar el paso de corriente hacia un lugar no

deseado. El SPAT consiste en una unin metlica directa entre

alguna parte de la instalacin y un electrodo vinculado al suelo. El

electrodo se dimensiona de tal manera que la instalacin est al

mismo potencial que la tierra en ausencia de corriente elctrica y a un

potencial cercano a ste en presencia de dicha corriente.

Un buen SPAT es necesario para mantener buenos niveles de

seguridad personal, operacin de los equipos y niveles de los

mismos. Asimismo, es primordial que cumpla con los siguientes

objetivos:

Resguardar a los usuarios de los peligros de fallas de aislamiento en equipos elctricos.

Contribuir en el mejor desempeo de los sistemas de proteccin.

Prevenir incendios en las plantas industriales. Evitar daos por sobre-tensiones en equipos e instalaciones

elctricas interiores e industriales.

Ayudar en el buen funcionamiento de los equipos.

Segn su finalidad, los SPAT se pueden clasificar como:

De servicio.- Conducen corriente en condiciones normales de funcionamiento.

De proteccin.- Empleados para la prevencin de accidentes personales.

Para equipos electrnicos.- Adems de brindar proteccin, permiten referir a potencial de tierra las masas de los

equipos.

Para descargas de sobre-tensiones.- Utilizados en los circuitos de pararrayos y descargadores de lneas y equipos.

El SPAT est compuesto de tres partes fundamentales:

a. Conductor de unin: Cable con la seccin adecuada para la

corriente que pueda llegar a circular por l, para que no se

produzcan calentamientos ni cadas de tensin admisibles.

Debe ser continuo

b. Electrodo de Tierra: Debido a que la resistencia del conductor

de unin (muy baja) y la de Tierra (muy alta) son funcin de la

seccin en la unin de ambos, se intercala un electrodo con la

seccin suficiente para garantizar baja resistencia. Adems el

electrodo se construye para que resiste la corrosin al estar

en contacto con la humedad y las sales del suelo.

c. Tierra propiamente dicha: Es definida por los componentes

naturales y artificiales del terreno, as como la humedad y la

temperatura del mismo.

Existen dos parmetros importantsimos a la hora de disear o dar

mantenimiento a un SPAT: Resistividad del suelo y Resistencia del

SPAT. La resistividad es medida en Ohm-m y la resistencia en Ohm.

La resistencia de tierra esta referida a un Sistema de Puesta a Tierra

en Particular y no a todo el terreno en si.

La medicin de la resistencia o impedancia de Puesta a Tierra (as

como los gradientes de potencial en la superficie de la Tierra debido a

corrientes de tierra) tiene como propsitos principales:

Determinar la resistencia actual de las conexiones de Puesta a Tierra.

Verificar la necesidad de un nuevo Sistema de Puesta a Tierra.

Determinar cambios en el Sistema de Puesta a Tierra actual. Se verifica si es posible o no incorporar nuevos equipos o

utilizar el mismo Sistema de Puesta a Tierra para proteccin

contra descargas atmosfricas y otros.

Determinar los valores de voltajes de paso y toque y su posible aumento que resulta de una corriente de falla en el

Sistema.

Disear protecciones para el personal y los circuitos de potencia de comunicacin.

Segn el CNE, para que un Sistema de Puesta a Tierra pueda ser

utilizado, la resistencia del electrodo no debe ser mayor que 25

ohmios ( ) 25R . Adems, segn la resistencia de Puesta a Tierra, dichos sistemas se pueden clasificar de la siguiente manera:

Cuadro 1

Mtodo de la Cada de Potencial

Este mtodo requiere del uso de dos electrodos auxiliares de medida

distantes de la Puesta a Tierra, uno de ellos destinado a cerrar el

circuito de corriente (electrodo de corriente) y el otro que est

asociado al circuito de potencial que mide la cada de tensin hasta el

punto de potencial cero (electrodo de potencial). Esto se observa en

la siguiente figura:

Figura 2.1 Esquema del Mtodo de la Cada de Potencial.

El mtodo consiste en hacer circular una corriente a travs del

electrodo de corriente y medir el alza de potencial mediante el

electrodo de potencial. Conocido el valor de tensin y corriente se

podr hallar mediante la ley de Ohm la resistencia. Los tres

electrodos se mantienen en una lnea recta y se va corriendo el

electrodo de potencial para hacer sucesivas mediciones de

resistencia.

Para hallar la distancia de separacin entre el electrodo de prueba y

el de corriente, esta debe ser lo suficientemente grande, de lo

contrario se producir el fenmeno de solapamiento de gradientes de

potencial generado por cada electrodo; resultando una curva en la

cual el valor de la resistencia medida se incrementar con respecto a

la distancia, tal como se muestra en la figura 2.2:

Figura 2.2 Solapamiento de gradientes de potencial de cada

electrodo.

Por ello es recomendable escoger la distancia entre el electrodo de

prueba y el de corriente como cinco a diez veces la longitud mxima

del electrodo de prueba. Con esto se evitara el fenmeno de

solapamiento y se producira la siguiente curva:

Figura 2.3 Distancia aceptable para evitar el solapamiento.

Se observa que existe una porcin de la curva en la cual el valor de la

resistencia es casi constante. El valor de resistencia asociado a este

sector de la grfica ser el correcto valor del Sistema de Puesta a

Tierra. Este punto se denomina punto de equilibrio y generalmente

est ubicado al 62% de la distancia del electrodo de prueba y el de

corriente. Esto lo podemos observar en las siguientes figuras:

Figura 2.4 Distribucin de electrodos en un determinado terreno.

Figura 2.5 Cada de potencial a lo largo de toda la zona medida (en el

punto de equilibrio la diferencia de potencial es cero)

Figura 2.6 Ubicacin del punto de equilibrio (aproximadamente a 62%

de la distancia entre el electrodo de prueba y el de corriente)

Por lo tanto, para determinar el valor ms preciso de la resistencia de

un Sistema de Puesta a Tierra, con una sola medicin. Debemos

ubicar el electrodo de potencial a una distancia de 62% de la

distancia entre los otros dos electrodos, y tomar el valor que nos da

nuestro instrumento de medicin.

III. ELEMENTOS A UTILIZAR

1 Telurmetro.

Figura 3.1 Telurmetro digital AEMC.

2 Electrodos.

Figura 3.2 Electrodo de medicin.

Conductores.

Figura 3.3 Cables de conexin.

IV. PROCEDIMIENTO

1. Ubicar la posicin del pozo de tierra a ser medido y armar el circuito de la figura 4.1.

Figura 4.1 Circuito para medir resistencia de puesta a Tierra.

2. Colocar el electrodo C a una distancia de 8 metros del pozo, el cul se une al borne E del instrumento.

3. Verificar que la batera del instrumento se encuentre en buenas condiciones y conectar los cables largos a los bornes C y P del instrumento.

4. Tomar una lectura de la resistencia del pozo de tierra para cada posicin del electrodo P, que deber ser ubicado a 1, 2, 3, 4, 5, 6, y 7 metros del pozo de tierra.

5. Repetir el proceso anterior, pero ubicando el electrodo C a 16 metros del pozo de tierra. Tomar lecturas en este caso, para posiciones del electrodo P de 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 y 15 metros a partir del pozo de tierra.

6. Tomar nota de las condiciones ambientales.

V. CUESTIONARIO

1. Tomando para cada caso la distancia E-C como en 100% graficar la medida en cada caso, en funcin de la distancia E-P expresada como porcentaje de E-C.

Primer caso

Para este caso, se tiene que la distancia E-C (figura 4.1) es de 8

metros. Los datos tomados fueron los siguientes:

Tabla 1

E-P (m) R ()

1 2.36

2 4.75

3 7.07

4 11.08

5 14.57

6 24.6

7 41.5

E-C = 8m

Con estos datos, realizamos una grfica R vs E-P, expresando

previamente E-P como porcentaje de E-C.

Grfica 1

RESISTENCIA VS E-P

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

E-P (%)

R (o

hmio

s)

Segundo caso

Para este caso, se tiene que la distancia E-C (figura 4.1) es de 16

metros. Los datos tomados fueron los siguientes:

Tabla 2

E-P (m) R ()

1 2.34

2 3.82

3 4.88

4 6.1

5 6.82

6 7.69

7 8.39

8 9.04

9 9.83

10 10.49

11 11.3

12 12.1

13 13.5

14 15.1

15 19.2

E-C = 16m

Con estos datos, realizamos una grfica R vs E-P, expresando

previamente E-P como porcentaje de E-C.

Grfica 2

RESISTENCIA VS E-P

0

5

10

15

20

25

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

E-P (m)

R (o

hmio

s)

2. Explicar las curvas obtenidas en el paso anterior.

Vemos que conforme aumentamos la distancia del electrodo de

potencial, es decir lo acercamos al electrodo de corriente, el valor

de la resistencia se incrementa, lo que ocurre debido al traslape

de reas de influencia es que el electrodo de corriente influye

sobre el electrodo de potencial. Est influencia deforma la lectura

de la resistencia de puesta a tierra con respecto a la real.

Podemos decir que ambas graficas son similares, pero donde se

pueden observar apreciar ms detalles es en la Grfica 2, donde

EC fue de 16 metros, aqu puede observarse que los valores de la

resistencia varan en los extremos donde a una rpida variacin

de tensin, mientras que en la regin intermedia permanece

aproximadamente 10 ohmios que sera la resistencia de el pozo a

tierra analizado.

3. Explicar en que forma se calcula la resistencia de una puesta a tierra, en funcin de la resistividad del terreno y de las dimensiones fsicas (dimetro y largo) de un electrodo tubular enterrado verticalmente en el suelo.

Para modelar dicha resistencia debemos tener en cuenta que en

un electrodo enterrado verticalmente, la resistencia para pasar de

una superficie equipotencial a la siguiente disminuye en funcin

del cuadrado de la distancia al electrodo. Por lo tanto, es en la

seccin ms pequea, la comprendida entre el electrodo y la

primera superficie equipotencial, donde se localiza la mayor

resistencia.

En la prctica, la resistencia de una toma de tierra es la

correspondiente al terreno inmediatamente circundante al

electrodo, hasta una distancia en la que los aumentos de capas

sucesivas de terreno ya no producen incrementos apreciables de

resistencia; en resumen, hasta una distancia en la que el potencial

ya no vara.

Adems, para evitar la influencia recproca entre los electrodos,

se recomienda mantener un distanciamiento mnimo equivalente a

2 veces la longitud de los electrodos, para terrenos de alta

resistividad y hasta de 5 veces para terrenos de baja resistividad.

Veamos la siguiente figura que nos ayudar a deducir la frmula

de la resistencia de la puesta a tierra en funcin de la resistividad

del terreno (), la longitud del electrodo (L) y su radio (r):

Figura 5.1 Electrodo de puesta a tierra.

Como sabemos la resistencia de un objeto est dado por la

expresin:

ALR =

Del grfico podemos reformular dicha ecuacin como:

rLdrdR 2=

Ya que en este caso la variable dr nos definir la longitud de toda

la zona de influencia del electrodo, mientras que el rea de la

primera superficie equipotencial es casi igual al rea de la varilla,

como vemos el valor del rea cambiar ya que est en funcin de

la distancia de la superficie equipotencial a la varilla.

Considerando la resistividad del terreno constante, podemos

integrar:

=

=

=

rLLnL

R

rLnLR

rdr

LdR

Lr

L

r

R

22

2

2

2

2

0

De dicha ecuacin podemos deducir que para disminuir la

resistencia de la puesta a tierra variando alguno de los

parmetros considerados debemos:

Cambiar a un terreno de menor resistividad. Aumentar el radio del electrodo. Aumentar la longitud del electrodo.

Con la ecuacin anterior tambin podemos hallar la resistividad

del terreno, sabiendo los dems datos.

VI. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

CONCLUSIONES

La Grfica 1 tiene una forma ms inclinada debido al fenmeno explicado en la figura 2.2, segn el cual los

gradientes de potencial de los electrodos estn lo

suficientemente cerca como para sumarse y distorsionar la

medicin.

Para determinar la resistencia de la puesta a tierra es conveniente utilizar la Grfica 2, debido a que en esta la

medicin es ms precisa.

La resistencia del sistema de puesta a tierra obtenida es de 10 ohmios segn la Grfica 2, por lo tanto, segn el Cuadro 1 el

sistema es considerado aceptable en baja tensin y regular en

alta tensin.

La resistencia de puesta a tierra debe tener un valor bajo para que las corrientes de falla se deriven directamente al electrodo

protegiendo a los usuarios de posibles descargas.

Para no afectar las lecturas que da el medidor de resistencia de puesta a tierra, la profundidad a la cual se debe enterrar el

electrodo debe ser constante para cada punto medido ya que

como demostramos, la resistencia depende de la longitud de

la varilla.

La resistencia de puesta a tierra puede ser disminuida variando algunos parmetros como la resistividad del terreno,

la longitud y el radio del electrodo. Para producir una mayor

disminucin se recomienda colocar electrodos en paralelo.

La puesta a tierra de una instalacin elctrica es sumamente importante en cualquier instalacin elctrica, tanto

industrialmente como en una vivienda, ya que esta sirve de

proteccin en caso de que ocurra una falla de los elementos

de aislamiento de la instalacin elctrica que ponga en peligro

la integridad de las personas.

RECOMENDACIONES

Verificar las bateras del telurmetro no estn bajas, ya que en esa situacin las lecturas tomadas nos dan un valor mucho

mayor que el valor real.

VII. BIBLIOGRAFA

CIRCUITOS MAGNTICOS Y TRANSFORMADORES MIT. MQUINAS ELCTRICAS Jess Fraile Mora. zeus.dci.ubiobio.cl/~cidcie/jcorrales/sprotecciones/recurs

os/Apuntes/Transformadores%20de%20Medida.doc