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MEDIDA
DE PARAMETROS ELECTRICOS APLICADOS A PUESTAS A TIERRA
PUNTUALES
Con
este artículo técnico se da inicio a una secuencia de
publicaciones en las que se desarrollan en forma sencilla,
las técnicas de Medida de Parámetros Eléctricos del
Suelo para a Puestas a Tierra Puntuales, asimismo el
procesamiento de los datos y la interpretación de los
resultados, para su aplicación al Diseño y a la etapa de
ejecución.
RESUMEN
El presente artículo
técnico, tiene la finalidad de establecer la ubicación del
tema, dentro del contexto de las Técnicas de Puesta a
Tierra, para ello es necesario compenetrar inicialmente al
lector con el significado de algunos términos comúnmente
utilizados y acepciones equivalentes, enseguida se exponen
los criterios fundamentales en torno al concepto de Puesta a
Tierra, así como su finalidad y su funcionamiento; luego se
evocan los criterios básicos del modelo analítico que
permite inferir el cumplimiento de los fenómenos del Campo
Eléctrico en el suelo y el establecimiento del Principio de
las medidas de los Parámetros eléctricos asociados.
TERMINOS
USUALES
•Puesta a Tierra (PAT) o Aterramiento.-
Instalación de seguridad eléctrica en la que un conductor
eléctrico desnudo simple o armado es enterrado en el suelo
con la finalidad de dispersar corrientes eléctricas y captar
el Potencial de Referencia cero.
•Conexión a la Puesta a Tierra.- Unión
sólida con una Puesta a Tierra, mediante un conductor
eléctrico; desde una Barra Equipotencial, desde el terminal
de Conexión a Tierra o desde un punto accesible de la Masa de
un aparato eléctrico.
•Barra Equipotencial.- Barra colectora
conductora, sólidamente conectada a la Puesta a Tierra, que
provee la condición de equipotencialidad a todos los
conductores de bajada a Tierra que convergen y al Conductor
Neutro, que se le conectan para ser puestos a Tierra.
•Conductor Neutro.- Conductor exclusivo
para el retorno de las corrientes de operación normal de los
equipos eléctricos de una instalación; se le conecta a
Tierra en un solo punto.
•Terminal de Conexión a Tierra.- Es un
punto propio de la masa o carcasa de un aparato que está designado para ser conectado sólidamente, ya sea a la Barra
Equipotencial o al circuito colector, que a su vez está
conectado a la Puesta a Tierra.
•Masa o Carcasa.- Es la caja metálica
exterior o el chasis que contiene o soporta a un aparato
eléctrico, que presenta un punto, denominado terminal o Borne
de tierra, desde el cual se realiza la conexión a Tierra
según corresponda.
•Electrodo de Puesta a Tierra.- Es un
conductor metálico que proporciona el contacto eléctrico
íntimo con el suelo. Se instala embutido, ya sea directamente
en el suelo natural o en el relleno de una excavación. Puede
tener diferentes formas.
•Electrodos de Medidas.- Son varillas
rígidas de metal en forma de estacas de pequeñas
dimensiones, que se clavan en el suelo en los puntos
terminales de los circuitos de medida, de Corriente y de
Potencial, asegurando la mínima Resistencia eléctrica de
contacto durante las medidas.
•Circuitos de Medida.- Son las
trayectorias de medida eléctrica, que se establecen tendiendo
conductores entre los terminales del instrumento de medidas
(Telurómetro, Geómetro) y el suelo, a diferentes distancias
preestablecidas.
1.-
PUESTA
A TIERRA PUNTUALES
Electrodos
diseñados según el desempeño eléctrico requerido,
para ser instalado enterrado en suelo firme, al cual se
conectan según el Reglamento de Instalaciones
Eléctricas en cada caso (menciones referenciales):
a.-
Si la Puesta a Tierra es de Servicio Particular
• La Barra Equipotencial del Tablero de distribución.
• La Bajada del Pararrayos de Protección contra
descargas atmosféricas.
• Los armados de acero de las estructuras de concreto
del edificio.
• Las tuberías y ductos metálicos (agua y otros)
excepto tuberías de combustibles.
b.-
Si la Puesta a Tierra es de Servicio Público
•
El Punto Neutro de los Transformadores y Sistemas
Eléctricos.
• Las bajadas de Tierra de los Apartarrayos y
descargadores.
•
Las estructuras, carcasas y masas de todas las máquinas
y equipos eléctricos.
•
Los Soportes Metálicos de los aislamientos de Líneas y
Sistemas Eléctricos.
•
Las masas de los instrumentos y aparatos manuales.
2.-
INFLUENCIA
DEL SUELO (TIERRA)
Cualquiera
que sea el regimen del Neutro de los sistemas
eléctricos, siempre estarán referidos indirecta o
directamente a Tierra; es decir, que el suelo siempre
forma parte de su desempeño.
a)
Sistemas con Neutro Aislado
Las tensiones ( Vn ) de los alimentadores
están directamente referidas al potencial de Tierra, a
través de sus apacitancias parásitas ( Xc ). De modo que
cuando se produce una falla Fase-Tierra, a falta de Puesta
a Tierra en el lado de la fuente, la corriente ( If )
retorna por el suelo al circuito, pasando a través de
dichas capacitancias y aunque es de baja magnitud siempre
será muy peligrosa.
b)
Sistemas con Neutro Puesto a Tierra
Las
tensiones (Vn) de los alimentadores están directamente
referidas al potencial de Tierra mediante la conexión
sólida del punto Neutro (N) con la Puesta a Tierra. De
ese modo cuando se produce una falla Fase-Tierra, la
mayor parte de la corriente ( If ) retorna por el suelo
directamente a la fuente, atravesando la Puesta a Tierra
hasta el punto Neutro, siendo muy peligrosa.
Las
Puestas a Tierra de servicio particular, es decir
aquellas que se instalan en el lado de la utilización
(doméstica, comercial, industrial), contribuyen a
formar el circuito que canaliza las corrientes de falla
evitando el peligro para las personas; consecuentemente
el Código Nacional de Electricidad - (CNE) y todos los
reglamentos similares en el mundo, disponen la
obligatoriedad de contar con Puesta a Tierra en todo
tipo de instalación eléctrica que funcione con más de
50 Voltios.
3.-
FINALIDAD
DE LAS PUESTAS A TIERRA
Las Puestas a Tierra (Rs) en general constituyen una parte fundamental en las instalaciones eléctricas e todo tipo y permiten cumplir con las exigencias técnicas de seguridad humana y de las propias instalaciones así como con la confiabilidad de la operación, mediante el desempeño de las siguientes prestaciones:
3.1
Unión sólida entre un Sistema Eléctrico y la Tierra
Proporcionando
el Potencial de Referencia (V = 0) en la Barra
Equipotencial, o según el caso en el punto Neutro y en
las Masas que se le conectan. De modo que durante el
funcionamiento normal o durante fallas asegura:
a)
La protección de las personas contra la energización
accidental de las masas por acumulación de Carga
estática o por falla ( If ) directa o indirecta.
b)
El correcto funcionamiento del propio sistema y sus
periféricos de Protección, Comunicaciones, Control,
Automatismos, Flujo y Procesamiento de Datos, así como
de todas las cargas conectadas a él.
Protección en caso de
energización de las masas
3.2
Control de Potenciales Anormales en el Suelo (Gradientes
Peligrosos)
Cuando
se prevé por Diseño, limita los Potenciales en el
Suelo y entre el Suelo y Partes Metálicas de las
instalaciones eléctricas y a proximidad de éstas,
brindando durante las fallas:
a)
Protección a las Personas: Asegurando
que las Tensiones de Toque ( Vt ) y Paso ( Vp ) de la
instalación sean menores o iguales que las similares
admisibles por el cuerpo humano.
b)
Protección a Equipos de Baja Tensión:
Espe- cialmente los equipos e instrumentos electró-
nicos, evitando elevadas Diferencias de Potencial y
descargas inversas desde la masa a los circuitos
internos.
Potenciales Peligrosos
de toque y de paso
en Subestación de Media y Baja Tensión
3.3 Evacuar, Conducir, Derivar a Tierra y Cerrar el Circuito
De Corrientes Eléctricas ocasionales o permanentes del sistema eléctrico, a través del suelo, asegurando la circulación de éstas con mínima Resistencia
Eléctrica y su Dispersión.
a)Elevadas Corrientes; Senoidales (corto circuito) e impulsionales (rayo, maniobra).
b)Corrientes de Régimen Permanente; Por desbalance de carga, procesos continuos.
c)Corrientes Inducidas; Por formación de anillos, por carga estática, etc.
Conexión de Cargas en Sistemas Estrella con Neutro
a Tierra
Conexión de Cargas en Sistema Delta o Estrella sin Neutro a Tierra
4.-
FUNCIONAMIENTO
DE LAS PAT´s DE CORRIENTE ALTERNA
De acuerdo a su aplicación y características físicas y de instalación, las Puestas a Tierra (PATs) de Corriente Alterna normalmente se diseñan para funcionamiento permanente con corrientes de pequeña o limitada magnitud y solamente para funcionamiento breve con elevadas corrientes como las de falla o Rayo; en este último caso, su comportamiento «en transitorio» depende de su geometría.
a)Cuando son Puestas a Tierra de Seguridad generalmente en Alta Tensión.
• Controlan los gradientes peligrosos (Tensiones de Toque y Paso).
• Detectan bajas Resistencias de Dispersión.
• Los Interruptores (o Reconectadores) definen el tiempo de conducción.
b)Cuando son Puestas a Tierra de Referencia de Potencial, generalmente en Baja Tensión
• No tienen como objetivo el Control de los gradientes peligrosos.
• Pueden tener moderadas o bajas Resistencias de Dispersión.
• Los Fusibles, Interruptores Termomagnéticos o Diferenciales definen el tiempo de conducción.
Dispersión
de Corrientes a Frecuencia Industrial en el suelo -
Hemisferios Concéntricos
5.-
MODELO
DE CONDUCTOR BASICO-SUELO
Se
trata de determinar las condiciones eléctricas bajo las
cuales ocurre la conducción de corriente electrónica
(convencional) en el suelo, para lo cual se establece un
modelo matemático a partir de:
• Un segmento volumétrico de
Suelo de sección (Ds),
longitud (Dr)
y Resistividad (r).
• Una diferencia de potencial (DV)
en sus extremos, que hace circular una corriente (DI).
Modelo Analítico de suelo conductor de Resistividad (Dr)
Homogénea
La
Resistencia (R) de un segmento de suelo (Dr)
que se toma como conductor, al ser recorrido por una
corriente (DI)
está dada por la siguiente relación en función de su
Resistividad (r).
De
otro lado, según la Ley de Ohm la resistencia (R)
para el mismo segmento, también estará dada por:
Igualando
ambas expresiones de (R) e intercambiando términos se
tiene:
Se
obtiene por identificación, que la intensidad del Campo
Eléctrico (E) en la dirección (r) del suelo se cumple de
idéntica forma que en el aire o en el vacío; es decir es
conservativo y por lo tanto inversamente proporcional a la
superficie de dispersión (ds) de la corriente (dI).
Consecuentemente,
el análisis eléctrico aplicado al comportamiento de los
Aterramientos seguirá en principio las mismas pautas que
para un Campo Conservativo.
6.-
PARAMETROS DERIVADOS DE LA CORRIENTE EN EL SUELO
La
dispersión de la corriente en el suelo permite determinar
el Potencial de Electrodo y su Resistencia de Dispersión
Absolutos; a partir de las siguientes hipótesis:
•
Un suelo considerado homogéneo con una Resistividad
(r).
• Un Electrodo que en el punto
(C), inyecta una Corriente
(I) en al Suelo.
• La
Corriente (I) se dispersa formando hemisferios de área, (S
= 2pr2).
Según
lo cual, la Densidad ( d ) de Corriente dispersada ( I ) a
una distancia ( r ) cualquiera desde el punto ( C ) donde
se halla la Puesta a Tierra puntual será:
Variación
del potencial (V) en el suelo (
r)
respecto
de la dispersión de una corriente (I)
Reemplazando
( J ) en la expresión del Campo ( E ) ya deducida:
|
|
,
e integrando dV, entre (a,r),
|
se
obtiene el Potencial a partir de (C) respecto del
infinito, expresión básica que permite hallar el
Potencial Absoluto a una distancia cualquiera (r)
del eje de abcisas.
Si
la Puesta a Tierra puntual (C) tuviere un radio ( ro
), la diferencia de potencial en
la superficie del suelo respecto de un punto (p) será:
Si
(p) tuviere Potencial (Vp
= 0), ( rp )
se hallaría en el infinito, luego ( =V0 ), y con la ley
de Ohm (Ro = Vo / I), se tendrá en el punto (C), (Vo) y
(Ro) absolutos.
7.-
PRINCIPIO DE CAIDA DE POTENCIAL
Si
a la corriente (I) inyectada en el punto (C1) se la hace
circular en el suelo cerrando el lazo por el punto (C2) a
través del circuito externo, se pueden determinar:
•
Las expresiones del Potencial absoluto en un punto (p) del
suelo, inducidos desde (C1) y desde (C2).
•
El Potencial Total en un punto cualquiera (p) que
pertenece a una superficie equipotencial que intercepta la
superficie del suelo en (P1).
Circuito
cerrado de corriente en el suelo
para la medida de los parámetros
Los
Potenciales en un punto (p) del suelo inducidos desde (C1)
y (C2) serán:
El
Potencial Total (Vp) en dicho punto (p) estará dado por
la suma algebraica: Vp = Vp(1) + Vp(2)
Idénticamente
entre otros dos puntos cualesquiera del suelo; tales como
(P1) con distancias (r1,
r2), y (P2)
con distancias (R1,R2). La diferencia de potencial entre
ambos será (Vs), cuya expresión sustenta el «Principio
de Caída de Potencial» para la medida de los parámetros
eléctricos asociados al suelo, con instrumentos
convencionales será:
Conociendo
los parámetros ( I ) y ( Vs
) o la resistencia R = Vs
/ I, que se mide con un Telurómetro, se halla la
Resistividad del suelo (r);
también conociendo la Resistividad del Suelo, se puede
hallar la Resistencia de Dispersión (R).
8.-
APLICACION DEL PRINCIPIO DE MEDIDAS
La
evaluación directa de los parámetros eléctricos en el
suelo se puede hacer a partir de la medida de la Corriente
y del Potencial, según el principio establecido, una vez
que se ha resuelto el Factor de Forma del esquema de
medidas F(rn).
Conociendo
( I ), será suficiente determinar la diferencia de
potencial (Vs) entre dos puntos intermedios (P1) y (P2)
cuyas distancias respecto de (C1) y (C2) sean conocidas.
•
Una fuente, instrumento convencional o grupo electrógeno,
inyecta en (C1) una corriente (I) en un suelo considerado
homogéneo (r)
o estratificado (ra).
•
Los puntos de contacto entre los circuitos de medida
(Corriente y Potencial) y el suelo, se logran mediante
electrodos de medida clavados.
•
La Diferencia de Potencial (Vs) se obtiene midiendo entre
dos puntos del suelo, al estar circulando la corriente
(I), pueden darse dos casos:
Esquema de medidas de corriente y potencial
para
resistividad y resistencia de puesta a tierra.
a.
Medida de la Resistividad del Suelo (r)
El
Método de Frank WENNER que se adecua mejor a la
evaluación del suelo superficial de uso eléctrico,
simplifica el Factor de Forma F(rn) de la expresion del
principio de caída de Potencial considerado para cada
medida, la equidistancia entre los electrodos de medida de
Corriente y de Potencial colocados en línea recta a
distancias (a) según lo cual resulta:
|
|
,
donde |
|
b.
Medida de la Resistencia de Dispersión (R)
Inyectando
(I) por el electrodo de Puesta a Tierra coincidente con
(C1), se determinará la diferencia de potencial (Vs)
entre (C1) y un punto del suelo (P2) en el que la suma de
los Potenciales absolutos (V1) y (-V2) debidos a (+I) y
(-I), sea cero.
El
método general supedita las distancias de los circuitos
de corriente (d) y de Potencial (p), a la cobertura
de la Puesta a Tierra mediante la relación entre el Radio
hemisférico equivalente de ésta (ro
) y la distancia del circuito de
corriente (d).
9.-
CONCLUSIONES
a) Mediante un
modelo analítico que considera un suelo homogéneo de
Resistividad ( r), se deduce que los fenómenos de Campo
Eléctrico (E) que ocurren al inyectar una corriente (I),
se cumplen de modo conservativo idénticamente que en el
aire o en el vacío, permitiendo todas sus aplica- ciones.
b) El avance de
la dispersión de las corrientes (I) inyectadas en un
punto del suelo se aproximan a hemisferios que crecen con
la distancia (r), con densidades inversamente
proporcionales a (r2)
y un espectro de equipotenciales perpen- dicular a la
superficie del suelo que permite medir la diferencia de
potencial (Vs).
c) El principio
de «Caída Potencial» que se aplica en forma universal a
la medida de los parámetros eléctricos asociados al
suelo, se relaciona mediante un Factor de Forma a las
distancias del arreglo de medidas utilizado, cuya
geometría simplifica o define los Métodos de Medida de
Resistividad del suelo y Resistencia de Dispersión.
Ing.
Justo YANQUE M.
Lima, 2001
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