MEDIDA DE PARAMETROS ELECTRICOS APLICADOS A PUESTAS A TIERRA PUNTUALES

Cuarta Parte: Métodos de Medida de la Resistencia de Puesta a Tierra (RPT)

RESUMEN

Se toma como fundamento los criterios básicos del principio de Caída de Potencial (ELECTROREDES 2001-I, Título 8b), en relación al comportamiento del suelo, que formando parte de un circuito de Corriente, es la sede de espectros de Potencial que reproducen los fenómenos del Campo Eléctrico conservativo, examinados con miras a la medida de la Resistencia de Dispersión de un electrodo de Puesta a Tierra, mediante principalmente el uso del método clásico, con sus condicionantes de aplicación, reafirmando para todos los casos de PATs puntuales la preferencia por su uso en la forma de medida aproximada que considera suelo homogéneo, por su sencillez y confiabilidad, indicando asimismo las alternativas de su aplicación en la forma de medida precisa

TERMINOS USUALES

•Puesta a Tierra Puntual: Es una instalación de Puesta a Tierra, formada por electrodos simples o mixtos generalmente simétricos concentrados y con mínima área de cobertura en el suelo, cuya finalidad aparte de la protección de las personas es de proveer la referencia de potencial cero.

•Corriente de Medida de la RPT: Determina el alcance y la eficacia de las medidas de los parámetros eléctricos del suelo, los instrumentos de medida portátiles inyectan hasta decenas de miliamperios (corto alcance), los sistemas de medida con fuente autónoma inyectan decenas de amperios (gran alcance).

•Potencial de Medida de la RPT: Aparece en el suelo al circular la corriente de medida, su magnitud es la diferencia entre el potencial que adquiere la Puesta a Tierra y el potencial cero de la Tierra Remota, que es localizado en un punto intermedio de la superficie del suelo que cumple con dicha condición eléctrica.

•Resistencia de Puesta a Tierra: Es la resistencia que oponen un electrodo de Puesta a Tierra y el suelo que le circunda, al paso de una corriente de medida que es recogido en otro punto del suelo, suficientemente alejado, en presencia de la d.d.p. neta respecto de la Tierra Remota representada por un punto intermedio.

•Potencial Máximo de Dispersión (PMD): Es el máximo voltaje que una Puesta a Tierra puede adquirir con respecto al potencial de referencia cero de la tierra remota, cada vez que dispersa en el suelo una corriente de falla a Tierra del sistema; su magnitud se limita estrictamente a 5 KV.

•Circuito de Retorno por Tierra: Permite el retorno de las corrientes del sistema o de falla, hacia la fuente propia; está formado por el electrodo de Puesta a Tierra o por el punto de Falla a Tierra, luego el suelo y subsuelo u otro medio conductor y finalmente la Puesta a Tierra de la fuente o las Capacitancias parásitas Fases (sanas)-Tierra.

•Conexión a Tierra de Usuario Final: Es la conexión única que corresponde a la baja tensión de un usuario; está conformada por un conductor exclusivo, que partiendo del borne de salida del Tablero de Distribución, baja con el mínimo recorrido hacia la Puesta a Tierra a la cual se conecta sólidamente.

•Sistema Interior de Conexión a Tierra: Se desarrolla aguas arriba de las cargas fijas o de los tomacorrientes de una instalación de usuario final, está conformado por los conductores de Tierra (protección) que convergen en la barra equipotencial del Tablero de Distribución, acompañando a los conductores de Fase o Fases.

•Carga del Circuito de Bajada a Tierra: Está conformada por las Capacitancias parásitas de todo el circuito de conexión de bajada a Tierra, se evidencian durante la medida de RPT captando la carga eléctrica que suministra la fuente del instrumento, ocasionando una menor d.d.p. que conduce a valores erróneos bajos.

1.- INTRODUCCION


La medida desde la superficie del suelo de la Resistencia de Puesta a Tierra de un electrodo metálico desnudo, enterrado en íntimo contacto eléctrico con el suelo, está relacionada a la aptitud de dicha instalación de permitir la circulación de la corriente de medida que se le inyecta directamente, de modo que después de su tránsito por el suelo, se le recoge en otro punto conocido y suficientemente apartado, mientas se mide la diferencia de potencial respecto de un tercer punto intermedio singular, situado a una distancia definida.

En este caso, el modelo analítico básico (Fig 1), que se basa en el principio de Caída de Potencial, presenta dos formas o esquemas de medida denominados Clásico y Alterno que se aplican según la magnitud de la Corriente inyectada y de las distancias de medidas, considerando el suelo inicialmente como un medio homogéneo es decir de estrato único de Resistividad (r).

Fig 1.- Disposición de Medidas de RPT Clásica y Alterna - Método de Caída de Potencial

• Esquema de Medidas Clásico. Que se aplica con el electrodo de Potencial (b) ubicado sobre la misma directriz del electrodo de Corriente (c), o bien haciendo con ésta un ángulo cualquiera de hasta 90º; dicho despliegue da resultados muy confiables cuando se miden PATs puntuales con instrumentos portátiles cuya corriente de medida es de hasta decenas de Miliamperios.

• Esquema de Medidas Alterno. Que se aplica con el electrodo de Potencial (b) haciendo con la prolongación de la directriz del electrodo de Corriente (c), un ángulo superior a 90º hasta 180º; dicho despliegue da resultados confiables cuando las medidas se hacen a PATs de gran cobertura, con corrientes de decenas de Amperios que de otro modo pueden ocasionar imprecisiones por acoplamiento.

Cabe mencionarse que para el diseño de una Puesta a Tierra Puntual, la Resistencia de Dispersión del electrodo es calculada con cierta aproximación, a partir de las expresiones analíticas clásicas, que relacionan de un lado la Resistividad del suelo que debe ser previamente determinada con los datos de las medidas de campo, y de otro lado la geometría del armado del electrodo elegido; en todos los casos se considera que éste se halla directamente enterrado sin ningún relleno o preparado conductivo de interfase con el suelo, por lo que siempre habrá una diferencia favorable entre el valor calculado bajo dichas premisas y el resultado de la medida en la instalación ya ejecutada.

2.-  REPRESENTACION ELECTRICA Y DESEMPEÑO DE UNA PUESTA A TIERRA

El parámetro óhmico que caracteriza a las PATs es la Impedancia, pero dada la dificultad práctica de reducir la componente resistiva y el hecho que durante fallas a tierra se involucran corrientes a Frecuencia Industrial, sobre todo en el caso de PATs puntuales, se le interpreta normalmente como una Resistencia de Dispersión.

a.- Esquema Eléctrico de una Puesta a Tierra

Se debe recordar que los armados de electrodos de Puesta a Tierra destinados a ser recorridos por corrientes que se evacúan a través del suelo, tienen una configuración eléctrica en la que están presentes (Fig 2), la Resistencia (que depende de las Resistividades del electrodo, del relleno y del propio suelo), la Inductancia (que depende de la longitud del conductor enterrado), y la Capacitancia (que depende de la forma del armado del electrodo); componentes que conforman una Impedancia intermedia entre el punto de conexión de la instalación eléctrica y la Tierra Remota donde el Potencial y la Resistencia o Impedancia son por definición cero.

Fig 2.- Representación y Desempeño Eléctrico de un Electrodo Instalado de PAT

b.- La Dispersión de Corrientes en el Suelo.

Ocurre a través de la Impedancia de la Puesta a Tierra, parámetro que se expresa en (Ohm), al igual que una Resistencia pura, donde el tránsito de la Corriente inyectada ocasiona tres caídas de tensión antes de llegar a la Tierra Remota; en el propio electrodo (con un valor despreciable), en el relleno (con un valor bajo) y en el suelo natural (su valor depende de la Resistividad del suelo estratificado); en ese sentido, el desempeño dispersor de una PAT estará supeditado al tipo y al régimen de la Corriente.

• Dispersión de Corriente Continua. Se trata de un parámetro de magnitud no variable en función del tiempo y de régimen permanente, en cuya dispersión sólo participa la componente resistiva, por lo que no impone restricciones de longitud ni forma del electrodo enterrado.

• Dispersión de Corriente Alterna. Se trata de parámetros de magnitud variable en forma periódica y de régimen permanente, en cuya dispersión predomina la componente resistiva y participan en menor grado la componente inductiva y muy poco la componente capacitiva, las limitaciones de longitud y forma del electrodo son mínimas.

• Dispersión de Corrientes Oscilatorias. Se trata de parámetros de magnitud variable en forma aperiódica y de régimen transitorio (Rayos, Maniobras), en cuya dispersión inicialmente se impone la componente inductiva, limitando el tránsito de la corriente con una velocidad de amortiguación que depende de la Constante de Tiempo del circuito (L/R), por lo que exigen pequeñas longitudes de conductor enterrado y en lo posible la presencia de la componente capacitiva.

La interpretación del desempeño dispersor de las PATs, se puede hacer en forma aproximada, a partir de las medidas convencionales de la Resistencia de Dispersión en baja frecuencia, indicando que toda magnitud (R > 1 ohm) indicará un comportamiento resistivo, mientras que cuando (R < 0.5 ohm), predominara el carácter inductivo de la Impedancia.

c.- Radio Eléctrico Equivalente de una PAT

Según se desprende de los parámetros derivados de la corriente en el suelo, expuesto en la Primera Parte (ELECTROREDES 2002-I, Título 6), la corriente inyectada es dispersada en todo el volumen del suelo de Resistividad uniforme (r), configurando rápidamente una sucesión de hemisferios con densidades de corriente decrecientes al incrementar la distancia de alejamiento; dicho concepto permite estimar que todo electrodo de Puesta a Tierra especialmente aquellos de geometría regular podrá ser representado en su lecho, a partir de un hemisferio conductor equivalente de radio (r0), el cual puede ser inferido tomando en consideración las expresiones de su Resistencia Absoluta (R0), y de su Resistencia de Dispersión (RT)determinada en forma analítica.

Fig 3.- Esquema del Radio Eléctrico Equivalente de una PAT Vertical

Sea el caso de un electrodo vertical con longitud (l) y diámetro (d), enterrado en un pozo de idéntica longitud y diámetro medio (dp), en un suelo de Resistividad Uniforme (r); se tendrán las expresiones:

Resistencia Absoluta :

Resistencia de Dispersión:

Igualando R0 = RT , y despejando (r0), resulta.

Radio Eléctrico Equivalente:

Según se observa en la expresión de (r0), la geometría del electrodo determinará dicho valor, en el caso de tener un diámetro (d) y estar directamente clavado en el suelo, (r0) será mucho menor que si dicho electrodo ha sido instalado en un pozo rellenado con una mezcla conductiva, cuyo diámetro (dp) participa como parámetro representativo.

3.- METODOS DE MEDIDA DE LA RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA


Existen varios métodos que se basan en la medida de una corriente inyectada y la respectiva d.d.p. entre la PAT y un punto de referencia, valores que se procesan con la ley de Ohm para obtener la Resistencia de Dispersión; cabe mencionar que sólo el denominado Método Clásico es de aplicación irrestricta a cualquier instalación de Puesta a Tierra en cualquier tipo de suelo.

a.- Método Indirecto o de Tres Puntos

Es aplicable especialmente a PATs puntuales en suelos de baja Resistividad (Fig 4), se requiere formar un triángulo sobre el terreno, con el uso de dos electrodos de medidas cuyas Resistencias de Dispersión se denominan (R2 y R3) y que deben estar separados entre sí y de la Puesta a Tierra, distancias grandes (=50 r0); se considera que el Electrodo de Puesta a Tierra tendrá una Resistencia de Dispersión (R1) que es la que se desea conocer.

Fig 4.- Despliegue de Conexiones de Medida de RPT - Método Indirecto de Tres Puntos

Determinación de la Resistencia de Puesta a Tierra en el Electrodo (R1)

El procedimiento consiste en determinar la Resistencia Total de las combinaciones en pares de las Resistencias Originales sin tomar en consideración las Resistencias mutuas que aparecerían en forma significativa en caso de no cumplirse la condición de tener que existir una gran separación entre los puntos de medida; la solución como ecuaciones simultáneas permite obtener la Resistencia de Dispersión (R1).

Primera Medida : R12 = R1 + R2

Segunda Medida : R13 = R1 + R3

Tercer Medida : R23 = R2 + R3

Aplicación del Métodos de Tres Puntos

No obstante la simplicidad del Método, se debe remarcar que cuando los electrodos de medidas presentan una Resistencia mucho mayor que la de la Puesta a Tierra lo cual ocurre con frecuencia, los errores de las medidas individuales se reflejarán decisivamente en el resultado final, haciéndolo no confiable.

b.- Método Clásico de Caída de Potencial

Requiere del uso de dos electrodos auxiliares de medida bien distantes de la PAT (Fig 5), uno de ellos destinado a cerrar el circuito de Corriente hallándose efectivamente fuera de la influencia de la PAT, por lo que su interfase de contacto con el suelo debe tener baja Resistencia, y el otro que se consagra al circuito de Potencial que mide la caída de tensión hasta el punto de Potencial cero que representa la Tierra Remota; en este caso la exigencia del contacto del electrodo con el suelo es mínima (< 3000 w), no obstante en dicha localización la densidad de líneas de de corriente debe ser muy baja.

Fig 5.- Disposición Clásica de Medidas de RPT

La medida consiste en hacer circular una Corriente ( I ) generada por una fuente, entre el electrodo de PAT (a) y el electrodo más lejano con el que se cierra el circuito de Corriente (a,c), registrando la caída de Tensión (V) entre la PAT y el electrodo más cercano que corresponde al circuito de Potencial (a,b), de modo que éste último se halle localizado en un punto que cumpla con ser identificado por su Potencial cero.

Determinación de la Resistencia de Puesta a Tierra del Electrodo (Raa)

El método se basa en la medida de la Resistencia que existe entre cada dos de los electrodos clavados en los puntos (a, b, c) del suelo, cada uno con una Resistencia de Dispersión propia (Raa, Rbb y Rcc), teniendo en consideración que manteniendo la corriente ( I ) con el mismo valor se producen Resistencias mutuas en ambos electrodos (Fig 6), p.e. (Rab y Rba) resultan al medir la Resistencia entre los electrodos (a, b).

Fig 6.- Esquema de Principio - Medida de la Resistencia Total entre Dos Puntos del Suelo

Procediendo idénticamente entre los puntos (a-c) y (b-c) de la (Fig 5), sumando y luego sustrayendo resulta:

Como el electrodo (b) está conectado a un voltímetro de alta Impedancia se infiere que no fluirá corriente por dicho punto de medida, entonces, reemplazando

se obtiene

Según lo cual, la Resistencia de Dispersión (Raa), será obtenida cuando el término entre paréntesis sea cero .

Determinación de las Distancias de los Circuitos de Medida

Tratándose de un suelo homogéneo de Resistividad única (r), la condición establecida para la determinación de (Raa) es examinada teniendo en consideración que los potenciales entre cada dos puntos, varían en forma inversamente proporcional a sus distancias; luego:

Resultando una ecuación de segundo grado cuya solución de raíz positiva permite establecer la relación general de las distancias de medida de los circuitos de Corriente (d) y de Potencial (p)

p = 0,618 x d p.u.

Lo cual quiere decir que el electrodo de Potencial (b), para representar el valor cero de la Tierra Remota (Fig 7), debe estar ubicado exactamente a la distancia (p), dado que en otro punto, aún dentro de la misma trayectoria representaría un potencial diferente de cero que se sustraería o añadiría a la medida.

Fig 7.- Corrientes y Potenciales de Medida del Método Clásico de Caída de Potencial

Potencial Sustraído: Ocurre cuando el electrodo (b) se halla más próximo a la Puesta a Tierra (a), dando resultados de medidas (optimistas) de menor Resistencia que la real.

Potencial Añadido: Ocurre cuando el electrodo (b) se halla más próximo al Electrodo de Corriente (c), dando resultados de medidas (pesimistas) de mayor Resistencia que la real.

Aplicación del Método Clásico de Caída de Potencial - Aproximado

El método de medidas descrito para suelo homogéneo, impone un despliegue de distancias de medida (d, p) propio para cada PAT, lo cual depende de la cobertura de ésta; en todos los casos, los resultados que se obtienen también dependerán de la correcta relación de dichas distancias y de la ubicación y buen contacto con el suelo de los electrodos de medidas, que son colocados en las extremidades de las trayectorias rectas que parten desde la Puesta a Tierra, ya sea en una misma dirección o en forma divergente, haciendo un ángulo inferior a 90°.

Aplicación del Método Clásico de Caída de Potencial - Preciso

El principio y las condiciones básicas de ejecución de las Medidas son idénticas a las del procedimiento aproximado, la diferencia se establece al considerar en este caso la estratificación del suelo que en la práctica para el uso eléctrico, corresponde mayormente a un esquema de dos estratos, lo cual quiere decir que la relación de distancias (p y d) será cada vez diferente dependiendo de las Resistividades de dichos estratos, y por tanto cada medida precisa requerirá una nueva relación de distancias (p/d) para la ubicación exacta del punto (b) de Potencial cero; para ello hay dos procedimientos algo laboriosos.

a.- Medidas Punto por Punto (Fig 8)

En los casos en los que se tienen suelos con estratos superficiales gruesos y especialmente con mucho contraste de Resistividades, o cuando se desea establecer analíticamente en forma exacta el valor de la Resistencia de Dispersión de una PAT, teniendo en consideración la conformación del suelo, se opta por determinar primero una característica de puntos de valor aparente medidos sobre el terreno.

Fig 8.- Características de Puntos de Medida de Resistencia de Puesta a Tierra Aparente

La distancia (d) se divide en 10 segmentos iguales, para la progresión del juego de medidas de (R), con las correspondientes distancias (p), los puntos obtenidos se grafican (R contra p), se lisa la curva con una regresión matemática y se halla la Cónica o Función Continua f(p)

El valor preciso de la Resistencia de Dispersión (RT) es determinado en la proyección del Punto de Inflexión de la Cónica en el Eje de Ordenadas, después de haber sido localizado con el valor de abscisa que resulta cuando f’’(p) = 0, o cuando f’’(p) no está definida; la diferencia con la Medida aproximada se puede visualizar proyectando también en el eje de Ordenadas la abscisa (p = 0.618 d), normalmente la diferencia es mínima .

b.- Medida de un Sólo Punto

Se tiene en consideración que las Resistividades del suelo en modelo de dos estratos influyen en la corriente inyectada (I), en función de su Coeficiente de Reflexión (K), por lo que se debe contar con los parámetros del suelo en modelo de dos estratos (r1, r2, h1).

A partir de las condiciones (d > 20 r0 y h1 > 5 r0), se resuelve la ecuación de los Potenciales del método de medidas clásico, considerando las relaciones de la distancia de medida (d) con la distancia del electrodo de Potencial (p/d) y con el espesor del estrato superficial (h1/d), teniendo como parámetro de la familia de curvas, el coeficiente de reflexión (k).

Para la medida precisa, habiendo determinado (d) a partir de (r0), se deberá hallar la distancia (p), entrando en abscisas con la relación (h1/d) interceptando la curva cuyo factor de reflexión es (k) desde donde se proyecta hacia ordenadas para obtener la relación (p/d) con la que se ejecuta una única medida.

4.- CONDICIONES PARA LA PRECISION DE LAS MEDIDAS


La forma aleatoria de la conformación del suelo estratificado, así como las características y coberturas de las instalaciones de Puesta a Tierra que se deben medir bajo idéntico procedimiento, indican que el rango de Resistencias puede ser amplio y como tal proclive a errores o distorsiones inducidas por diversas fuentes que participan en el proceso de medidas.

La Corriente de Medida

La necesidad de utilización de la fuente de alimentación de un instrumento portátil o de un grupo generador, está relacionada a la cobertura del electrodo de Puesta a Tierra; los instrumentos comparadores clásicos (Telurómetros, Geómetros) que normalmente tienen alcances mínimos, están destinados a la medida en Puestas a Tierra Puntuales, libres de toda conexión de bajada, mientras que las fuentes autónomas de potencias en el orden de los KW, se utilizan para aterramientos extensos.

La corriente de medida deberá circular exclusivamente por el circuito que involucra al electrodo de puesta a tierra (a) con el electrodo auxiliar de corriente (c); es decir, la Puesta a Tierra deberá estar totalmente desprovista de cualquier otra conexión que signifique un consumo de energía no sostenible por la capacidad de la fuente; tal es el caso de las «bajadas» de conexión (Fig 9) desde los bornes de masa o desde la barra equipotencial del tablero, cuyos circuitos involucran Capacitancias parásitas hacia tierra, creando caídas de Tensión adicionales que el instrumento registra entregando valores inferiores a la Resistencia realmente existente.

Fig 9.- Esquema de Medida de RPT incluyendo el circuito de bajada para conexión

De otro lado considerando que por el suelo circulan corrientes erráticas del sistema a frecuencia industrial, no es recomendable utilizar para las medidas, la misma baja frecuencia del servicio, será preferible una frecuencia mayor o menor no armónica de la FI, o si no corriente continua con un dispositivo de conmutación durante el proceso de medida, para evitar la polarización del suelo.

Los Circuitos de Medida

La precisión de las medidas depende de la distancia (d) que se determine para el circuito de Corriente, en relación a la cobertura de la PAT que se representa por su Radio Eléctrico Equivalente (r0); según lo cual si el alcance del cableado del instrumento portátil según Catálogo, es menor que dicha distancia requerida (d), las medidas incrementarán mucho más el error, dando siempre Resistencias más bajas que las reales.

En la Fig 10, para una Puesta a Tierra de Radio Eléctrico Equivalente (r0), cada curva de puntos (R contra p), corresponde a una distancia también fija (d); se observa entonces que los resultados conllevan menores errores cada vez que se toman mayores distancias (d).

Fig 10.- Características de Medida en Función del Parámetro de Error por Distancia (d)

La correlación de ambos parámetros fijos (d/r0), al ser establecidos los respectivos márgenes de error que representan, permiten identificar la proporción correspondiente al rango considerado admisible, que tratándose de una magnitud de variación logarítmica en la que inciden diversos factores aleatorios durante las medidas de campo podría ser:

Error = 3.3 %, cuando

En tal sentido, el Estándar IEEE-81, recomienda para (d) un mínimo de 50 m (d « 125 r0), y la Norma IEC un mínimo de 40 m (d « 100 r0), para asegurar una mayor precisión; no obstante, es difícil de cumplir con los instrumentos portátiles convencionales que son de menor alcance.

En la práctica al medir en Puestas a Tierra Puntuales, el error aceptable podría ser de hasta (5%), que conduce a establecer la mínima distancia de medidas aplicable sobre el terreno con instrumentos portátiles.

La diferencia de potencial entre el electrodo de Puesta a Tierra y el punto representativo de la Tierra Remota (V=0), deberá ser establecida correctamente a partir del circuito de medidas, lo cual quiere decir que la cobertura de la Puesta a Tierra no debe tener influencia en el electrodo de medidas que se utiliza como sonda de potencial (no deben cerrarse líneas de corriente a través de dicho electrodo).

5.- CONCLUSIONES

a. Se ha examinado en lo fundamental, la aplicación del principio de Caída de Potencial, a la medida de la Resistencia de Puesta a Tierra de electrodos puntuales instalados, considerando la ubicación representativa de la Tierra Remota dentro del esquema de medidas.

b. Se han abordado los métodos más usuales de medida de RPT, habiéndose enfatizado en las pautas de interpretación y adopción del Método Clásico de Caída de Potencial, debido a la mayor aproximación o precisión que puede lograse en función de los parámetros tanto eléctricos como físicos que se aplican en la medida.

c. Se ha mostrado que para las medidas confiables de RPT en cualquier tipo de suelo estratificado, la modalidad del Método Clásico de Caída de Potencial - Aproximado, es la más recomendable por su sencillez, buena resolución y mínimo error.

Ing. Justo YANQUE M.
Lima, 2002