CAPÍTULO 5.
MEDICIÓN Y MODELAMIENTO DEL SUELO
El suelo donde se
ubican los electrodos de puesta a tierra raramente posee una resistividad uniforme,
la variación de resistividades suele suceder en forma vertical u horizontal o
una combinación de las dos. Las pruebas de resistividad se realizan para
determinar si hay alguna variación importante con respecto a la profundidad del
suelo.
Los registros de
resistividad deben complementarse con datos de temperatura, pH, contenido de
humedad del suelo e inclusive el color. Al igual deben ser registrados todos
los datos disponibles acerca de objetos metálicos enterrados en el área bajo
estudio.
MEDIDAS DE
RESISTIVIDAD
En la norma IEEE
81-1983 se describen en detalle una serie de técnicas o métodos de medición de
resistividad del suelo, dentro de las cuales, el de los cuatro electrodos es el
más usado.
El número de
lecturas debe aumentarse cuando se presenten mayores variaciones de resistividad
tanto vertical como horizontal. Es aconsejable realizar mediciones en
diferentes puntos del área bajo estudio y en varias direcciones (normalmente
perpendiculares) con el fin de compararlas y poder identificar errores por la
presencia de objetos metálicos enterrados.
Si la resistividad
varía considerablemente con la profundidad, es aconsejable incrementar la distancia
entre los electrodos de prueba, con el fin de obtener valores precisos de las
capas más profundas. Esto debido a que a mayor separación, la corriente penetra
más capas de suelo tanto de forma vertical como horizontal.
Los objetos
conductivos grandes en contacto con el suelo, pueden invalidar las lecturas si están
lo suficientemente cerca para alterar el flujo de corriente del telurómetro.
Por esta razón, las medidas de resistividad se van a distorsionar en el área
donde haya conductores.
Método de los
Cuatro Electrodos
Conocido como
tetraelectródico. En este método, cuatro electrodos de prueba son enterrados en
línea recta, a una distancia de separación (a) y a una
profundidad (b). La tensión (V) entre los dos
electrodos más cercanos se divide por la corriente (I) que
circula entre los dos electrodos más lejanos para obtener un valor de
resistencia (R).
Existen tres
variaciones al método de los cuatro electrodos que son comúnmente usadas:
a) Método de Wenner:
En este método, todos los electrodos están espaciados uniformemente, y
usualmente son enterrados a una profundidad menor al 10 % de la distancia entre
dos electrodos adyacentes, como se muestra en la Figura 22 Así, cada electrodo
podrá parecer un punto con respecto a las distancias involucradas en la medida.
El valor de resistividad obtenido de la medición es el calculado por medio de la
siguiente ecuación:
En donde
ρa=
Es la resistividad del suelo en Ω-m
R = Es la
medida de resistencia en Ω
a = Es la
distancia entre electrodos adyacentes en m
b =
Es la profundidad de los electrodos más lejanos en m
Figura 22. Método de Wenner
Si (b) es
pequeño comparado con (a) (relación de b/a igual o menor a 1/20),
por ejemplo
cuando las
varillas son enterradas a una pequeña profundidad, la ecuación (1) puede ser
reducida a:
pa2aR (2)
Cuando los electrodos quedan a
poca distancia entre ellos, la corriente fluye de forma superficial. Por tanto,
a mayor separación, la corriente penetra las capas mas profundas del suelo.
Este método es el
más empleado debido a su fácil implementación y formulación matemática y en
algunas aplicaciones los equipos de medida traen incorporada internamente la
ecuación para el cálculo de resistividad.
Se recomienda
realizar dos mediciones perpendiculares entre si, teniendo como eje el mismo
punto que se está evaluando. Estas mediciones se deben realizar con las mismas
distancias de separación entre electrodos para poder realizar la comparación.
En la práctica se
recomienda promediar las dos mediciones y de esta forma tener un solo valor
para cada distancia entre electrodos.
Ventajas:
- Método de mayor
aplicación en puestas a tierra
- Ideal para pequeños volúmenes de
suelo
- Aplica también para grandes
volúmenes de suelo.
- Si b< 0,1a,
la resistividad es: ρ = 2aR
Desventajas:
- Para grandes
separaciones entre electrodos, el potencial decae rápidamente, lo
cual limita su
aplicación.
- Instrumentos comerciales no
miden correctamente estos potenciales.
b) El método de
Schlumberger:
En este método,
para lograr medidas a gran profundidad, los electrodos de corriente deben
quedar muy alejados (hasta kilómetros), mientras los electrodos de potencial
son dejados en la misma posición, como se muestra en la Figura 23. Por lo
tanto, la distancia entre los electrodos de potencial puede ser considerada
pequeña en comparación con la distancia entre los electrodos de corriente.
La formula que se usa en este caso
es la mostrada en la Ecuación (3).
Figura 23. Método de Schlumberger
Método Dipolo -
Dipolo: Conocido como método de A.L. Kinyon. En este tipo
de
arreglo los
electrodos de corriente AB y los de potencial MN mantienen la
distancia
constante,
variando la distancia entre los polos formado por cada par de electrodos,
como se observa en
la Figura 24. La distancia utilizada para los perfiles de resistividad es la BM.
Con este método se
obtiene el valor de resistividad de las capas profundas sin necesidad de
enterrar la varilla a dicha profundidad. No se requiere equipo pesado para realizar
la prueba. Los resultados no se alteran de manera significativa por los valores
de resistencia de las varillas de prueba o por su contacto.
Ventajas:
- Método seguro.
- De aplicación
para grandes volúmenes de suelo.
- d >c
- Si b <<d y b
<<c, la resistividad es: ρ = c (c + d) d
Útil para grandes
separaciones, cuando el potencial decae rápidamente.
Desventajas:
- Para
interpretación de medidas, se requiere gran trabajo matemático.
- Algunos equipos
comerciales de medida realizan internamente el cálculo con la ecuación de
Wenner y NO permiten usar este método.
La interpretación
de la resistividad aparente es tal vez la parte más difícil del proceso de medición.
El objetivo básico es deducir un modelo de suelo que sea una buena aproximación
del suelo real, puesta que cambia lateralmente y con respecto a la profundidad,
dependiendo de la estratificación del suelo. También se pueden tener variaciones
temporales por el clima. Se debe tener en cuenta que el modelo del suelo es
sólo una aproximación de las condiciones reales, por tanto, un perfecto modelamiento
del sistema es improbable.
CONEXIONES
¿Cómo se mide la
resistividad del terreno?
Para medir la resistividad del terreno,
conecte el comprobador de resistencia de tierra tal y como se muestra más
abajo.
Como puede ver, se
colocan en el terreno cuatro picas en línea recta equidistantes entre ellas. La
distancia entre las picas debe ser al menos el triple que el valor de
profundidad de la pica. Por lo tanto, si la profundidad de cada pica es de 30
cm, asegúrese de que la distancia entre las picas es como mínimo de 91 cm. El
Fluke 1625 genera una corriente conocida a través de las dos picas exteriores y
se mide la caída en el potencial de tensión entre las dos picas interiores.
Mediante la Ley de Ohm (V = IR), el comprobador Fluke calcula de forma
automática la resistividad del terreno.
Configuración de la medición de resistividad del terreno con el Fluke 1623 ó 1625.
Los
fabricantes recomiendan que para un área determinada y una profundidad definida a
la cual se desea conocer la resistividad del terreno, se realice un barrido como
el que se muestra en la FiguraN°2.
Figura
N°2.
Propuesta de
mediciones de resistividad de fabricantes del equipo de medición. En este
procedimiento sólo se toma enconsideración una distancia fija A, para
la ubicación de los electrodos de medición, los cuales tienen una longitud B, lo
que implica que los valores de resistividad se van a determinar a una
profundidad establecida previamente por el tamaño delos electrodos a utilizar en
el diseño, ya sean de 2,4 metros, 3 metros o de mayor longitud.
TIPO DE APARATOS
No todos los aparatos de medición de resistencia a tierra trabajan de la misma manera. Existen diferencias muy marcadas en el tipo de corriente empleada. A manera de ilustrar estas diferencias, los aparatos mas utilizados en nuestro medio son el Vibroground y el Megger de tierras. Ambos emplean corriente alterna para la medición pero el primero a una frecuencia de 25 Hz y el ultimo a 133 Hz. Y los voltajes en circuito abierto son respectivamente de 120 y 22 Volts.
Conductímetro mide la conductividad.
| humedad ambiental |
| medición ph |
| temperatura |
CUIDADOS
Cuando
tenga que trabajar en equipo eléctrico
con componentes expuestos, tome los
siguientes cuidados:
-
Otra persona con conocimiento del
sistema eléctrico deberá ubicarse cerca
de los controles de encendido y
apagado, para des energizar el equipo en
caso de ser necesario.
- No utilice joyería, cadenas ni anteojos de marco metálico pues en caso de un contacto accidental, usted se verá expuesto a una mayor corriente circulando por su cuerpo.
- Utilice solamente herramientas y equipo con agarraderas de material aislante.
- Utilice solamente una mano cuando trabaje en equipo o áreas energizadas. Mantenga la otra mano en un bolsillo
del pantalón o en la espalda. De esta forma
se previene la formación de un camino
para la corriente a través de órganos
vitales.
- Evite contacto con el potencial de tierra. Utilice de ser necesario, alfombras aislantes.
Medición
de energía eléctrica indirecta con dos elementos y tres elementos. Teorema
básico para medición de energía (Teorema de Blondel).
TEOREMA BÁSICO DE LA MEDICIÓN DE ENERGÍA (TEOREMA DE BLONDEL)
La potencia o la energía de un circuito de N fases puede ser medida por N elementos de medición monofásicos con los circuitos de tensión conectados en cada fase a cualquier punto común. Si el punto común es una de las fases, la energía puede ser medida por N - 1 elementos.
De acuerdo con la última parte del anterior párrafo, un circuito trifásico trifilar necesitará un medidor de dos elementos y un circuito trifásico tetrafilar requerirá de un medidor de tres elementos.
Algunas desviaciones de esta regla son comercialmente posibles cuando existen circuitos provistos de un excesivo desbalance.
Al probar la teoría, el siguiente análisis hace razonable el teorema de Blondel.
P = e1i1 + e2i2 + e3i3 (1)
Donde i y e representan las corrientes y tensiones de fase respectivamente.
Ahora, en cualquier sistema, las corrientes instantáneas sumadas vectorialmente son iguales a cero. Entonces:
I1 + I2 + I3 = 0 ó i2 = -(i1 + i3)
Sustituyendo en (1)
P = i1(e1 – e2) + i3(e3 – e2) (2)
Entonces, si un punto común de tensión se hace sobre la fase 2, adicionalmente si se usan las
tensiones con respecto a esta fase y las corrientes de dos o tres fases, un medidor con dos
elementos mide correctamente un circuito trifásico con tres hilos.
Esto comúnmente es llamado el método de los dos vatímetros (o conexión AARON) y resulta una correcta medida a no ser que existan desbalances desproporcionados en corrientes y voltajes.
Precauciones en la medida
Para la medida en 11,4 kV, 13,2 kV y 34,5 kV, se deberá tener en cuenta que cuando se alimentan transformadores de distribución conectados en estrella en el primario a esos niveles no se puede utilizar la medida en dos elementos. Es imprescindible la medida en tres elementos.
Es el caso de transformadores Y y 0 11400-208 V, en los cuales la medida es en 11,4 kV; se deberá utilizar medida en tres elementos.
