|
MEDIDA
DE PARAMETROS ELECTRICOS APLICADOS A PUESTAS A TIERRA
PUNTUALES
Quinta
Parte: Ejecución de Medidas de Resistencia de Puesta a
Tierra (RPAT)
RESUMEN
A
partir de la base conceptual sobre los métodos de medida de
la Resistencia de Puesta a Tierra (RPAT) aplicados a Puestas a
Tierra (PATs) puntuales y su utilización mediante la
adopción del método clásico de Caída de Potencial
(ElectroRedes 2002-2), contando con las definiciones técnicas
ya precisadas a manera de Términos Usuales desde los
anteriores fascículos, se resumirán en éste artículo las
modalidades de ejecución de las medidas sobre el terreno, con
la descripción previa de los condicionantes del esquema
necesario y de los circuitos de corriente y potencial así
como de su disposición más conveniente con los electrodos de
medidas para el logro de la mejor interfase conductiva con el
suelo, tanto para medidas aproximadas como para medidas
exactas; ilustrando la vigencia de los criterios resultantes
con ejemplos de realización práctica.
TERMINOS
USUALES
•Sistema
con Neutro Conectado a Tierra: El neutro del transformador
es conectado directamente a Tierra en forma sólida; mientras
que cuando la conexión se hace a través de una Impedancia,
esta tiene la finalidad de moderar las corrientes de falla y
los transitorios.
•Sistema con Neutro Aislado de Tierra: El Neutro del
Transformador aún siendo accesible no tiene conexión física
con Tierra, excepto para dispositivos de muy alta impedancia
ya sea para indicación, medida o protección.
•Sistema con Conexión Resonante a Tierra: El Neutro
del Transformador en previsión de fallas intermitentes se
conecta a Tierra a través de una bobina cuya Reactancia
neutraliza la corriente Capacitiva de la falla recurrente y
extingue el respectivo arco.
•Factor de Falla a Tierra o Factor de Sobretensión
Temporal: Es la relación entre la Tensión desde una
Fase sana a
Tierra medida durante la falla y la Tensión desde la misma
Fase a Tierra, medida en ausencia de falla en el mismo sitio
de la instalación, depende de la RPAT.
•Puesta a Tierra Temporal o de Trabajo: Conexión
provisional a tierra, mediante accesorios de manejo a
distancia, que se conectan de un lado a una Puesta a Tierra
existente o instalada para el efecto y del otro lado al
conductor o parte electrizable o energizable, permaneciendo
mientras dure el permiso de trabajo.
•Puesta a Tierra Antiestática: Sistema de Puesta a
Tierra diseñado para evacuar la Carga estática acumulada, y
evitar la formación de Potenciales con riesgo de incendios en
ambientes peligrosos o daños a equipo electrónico.
•Puesta a Tierra de Alta Frecuencia: Red de Puesta a
Tierra Auxiliar Local instalada en piso sobre suelo firme o
piso elevado, diseñada para evitar su funcionamiento como
antena de alta frecuencia, se le conecta sólidamente al
sistema de PAT.
•Puesta a Tierra de Pararrayos: Aterramiento puntual
concentrado, de baja Impedancia, destinado a dispersar en el
suelo con mínima sobretensión, las corrientes de Rayos
directos en los terminales receptores Franklin que se le
conectan directamente.
•Armado de Electrodos de Puesta a Tierra: Conductores
desnudos filiformes simples, de sección sólida o cableado de
hebras gruesas instalados en el suelo como dispersores en
forma vertical, horizontal o mixta con el menor número de
uniones y empalmes de alta eficacia y durabilidad.
•Puesta a Tierra Puntual: Nombre genérico que se da
a las instalaciones de Puesta a Tierra de pequeña área de
cobertura conformadas por un armado de electrodos,
cualesquiera que sean sus prestaciones y los alcances de su
desempeño.
•Relleno de Puesta a Tierra: Mezcla terrosa
conduc-tiva, higroscópica, químicamente neutra y estable,
conformada por una matriz de tierra fina y una fase
aglutinante intersticial, destinada a servir de lecho a los
conductores dispersores de una Puesta a Tierra.
•Característica de Resistencias Aparentes: Directriz
de puntos de la ecuación con la que se calcula la RPAT
exacta, se la obtiene manteniendo fijo el electrodo de
corriente ( C2 ), con una sucesión de medidas para diferencia
de potencial crecientes entre el electrodo de Puesta a Tierra
( P1 ) y el electrodo de potencial ( P2 ).
•Familia de Distancias de Medida: Características
que relacionando el espesor ( h1 ) del estrato superficial del
suelo y la distancia del electrodo de medida de Potencial cero
( p ), con una distancia fija de medida ( d ), según el valor
del coeficiente de reflexión ( K ), permite realizar el
despliegue para la medida exacta de RPAT.
1.-
INTRODUCCION
Una Puesta a Tierra Puntual (Fig. 1) es un componente de
seguridad eléctrica al que se pueden conectar según
especificaciones del reglamento, partes pasivas o de
potencial cero de las instalaciones eléctricas. Consiste
en un conductor desnudo de forma diseñada en función de
las características conductivas del suelo firme en el que
es enterrado para brindar entre otras las siguientes
prestaciones permanentes.
Fig.
1 Modelo del Comportamiento Resistivo de una Puesta a
Tierra Puntual
-
Seguridad
de la salud y la vida de las personas, con respecto a la
electrización por acumulación de carga o accidentalmente
por falla del aislamiento, mediante la derivación y
dispersión de la corriente en el suelo y en casos
especiales, adicio-nalmente mediante la moderación de los
Potenciales en el suelo.
-
Seguridad
del correcto desempeño e integridad de los subsistemas,
equipos o componentes de una instalación que operan con
bajas tensiones, manteniendo el potencial de referencia
cero con respecto a la presencia en el suelo, de mayores
potenciales de dispersión o transferidos desde
instalaciones periféricas.
El
correcto desempeño de una puesta a tierra puntual, depende no
solamente de la idoneidad de su diseño e instalación, sino
en gran parte de su Resistencia de Dispersión y de la
estabilidad y durabilidad de dicho parámetro, que es
susceptible de ser medido en forma aproximada y también en
forma exacta.
El Código
Nacional de Electricidad no especifica el tipo de electrodos
ni los valores de la RPAT requeridos por las diferentes
instalaciones eléctricas, sin embargo fija una Resistencia
límite de 25 ohm por debajo de cuyo valor deberán justificarse
los diseños según las finalidades y prestaciones
correspondientes; en algunos casos, para el funcionamiento
confiable del equipo electrónico los proveedores exigen
valores muy por debajo de 5 ohm, ello no obstante puede ser
insuficiente si no se toma en consideración el tipo de
corriente a ser dispersada y el contexto de las instalaciones
periféricas de Puesta a Tierra que se desempeñan
independientemente.
2.-
ALCANCES DE LAS MEDIDAS DE RPAT
La
determinación ya sea por medidas directas o por medidas
indirectas y cálculo complementario, de la Resistencia de
Dispersión de una instalación de PAT puntual, constituye una
tarea de implicancias decisivas, de cuya idoneidad dependen
principalmente las siguientes apreciaciones técnicas que en
un proyecto generalmente comprenden a un gran número de
aterramientos de la misma condición.
-
En
relación al Diseño; Define la calificación de la
metodología del diseño, de la concepción del armado y
de las pautas de instalación, asimismo de la selección
del uso o no uso de las recetas de mejoramiento de la
dispersión de corrientes.
-
En
relación al Cronograma del Proyecto; Da lugar a la
aceptación y recepción de la obra de instalación para
su inmediata puesta en servicio, o bien el rechazo con los
reparos de corrección por el incumplimiento de la RPAT
objetivo.
-
En
relación a la Operación de las Instalaciones Conectadas;
Define el modo de seguimiento futuro de la variación de
la RPAT en función del tiempo, para la programación del
mantenimiento y para la proyección de su eventual
renovación.
Fig. 2
Variación de los Potenciales en el Suelo de Puestas a
Tierra (PATs) de idéntica resistencia de dispersión
En
suma, sólo puede esperarse que la medida de la Resistencia de
Puesta a Tierra sea correcta, según lo cual significa una
gran responsabilidad tener que realizar dichas medidas en la
seguridad de obtener resultados fidedignos, cuyo hecho
específico, aún así, no pasa de ser solo la constatación
de un parámetro que no autoriza al operador, a hacer otras
interpretaciones en función del resultado obtenido,
especialmente cuando se trata del desempeño respecto de los
potenciales de dispersión en el suelo, que dependen
principalmente de la forma del electrodo y del tipo de
instalación, al existir una relación condicional de éstos
con el valor de la RPAT que aún siendo muy baja sólo
constituye un dato concurrente para la evaluación.
Ej:
Supongamos dos PATs puntuales distintas (Fig. 2) pero con
idéntica baja Resistencia de Dispersión ( Rj = Ra ) una de
ellas con un electrodo vertical en forma de estaca y la otra
con un electrodo horizontal en forma de anillo, sus
respectivas características de potencial al dispersar una
corriente elevada muestran que la primera puede ser mucho más
peligrosa que la segunda.
3.-
EL METODO CLASICO DE MEDIDAS
De
acuerdo con las premisas del contexto técnico en torno a los
métodos de medida de la RPAT ya revisadas en el artículo
precedente, se debe hacer hincapié que las diferentes formas
de aplicación del principio de caída de potencial (Fig. 3),
tienen según el caso exigencias y/o limitaciones que a veces
les restan versatilidad o universalidad, ya sea por la
necesidad de tecnología especial, por la forma de ejecución
práctica de la medida, o bien por la influencia del
comportamiento propio del suelo, lo que en términos generales
exige un desarrollo más complicado de los instrumentos
convencionales de medida, que a veces junto a las funciones de
procesamiento que se les adiciona, complican su uso,
incrementan sus costos y limitan su adquisición, frente a la
simplicidad elemental y confiable que a falta de un
instrumento (Telurómetro, Geómetro, Terrámetro), representa
la ejecución básica de las medidas con una fuente de
alimentación portátil, un Amperímetro y un Voltímetro con
los circuitos tendidos para tales fines, siguiendo las pautas
de las Normas y de la práctica complementaria basada en la
experiencia de campo.
a.
El Principio de la Ejecución de Medidas
Es
aplicable a la medida de todo tipo de Impedancias
(Resistencia) de Puesta a Tierra, es decir de aterra-mientos
puntuales y de gran cobertura; la ejecución práctica
consiste en inyectar una corriente continua conmutable o
alterna de frecuencia diferente a 60 Hz, por el electrodo de
PAT (C1) que después de circular por el suelo es recogido en
un electrodo auxiliar distante (C2), de modo que los espectros
de superficies equipotenciales en torno a dichos puntos hacen
posible la medida sobre el terreno de la diferencia de
potencial entre el electrodo de PAT y la interfase de
potencial cero (P2) ubicada entre (C1 y C2), permitiendo
determinar la Resistencia de Dispersión (R).
Fig.
3 Esquema de Despliegue de circuitos del Mètodo Clásico de
Caída de Potencial
b.
La Representación del Electrodo de Puesta a Tierra
Las
Puestas a Tierra puntuales están conformadas normalmente por
electrodos filiformes simples o mixtos de pequeña cobertura,
varillas verticales (jabalinas) y/o pletinas horizontales
(contrapesos), y al igual que cualquier otra forma de armado,
su comportamiento eléctrico dispersor siempre tenderá a
difundir equipotenciales hemisféricos (Fig. 4) o
longitudinales de perfil hemisférico respectivamente, lo que
permite inferir su forma representativa eléctrica básica, es
decir como un hemisferio sólido dispersor de radio ( r0 ) en
función de sus dimensiones geométricas o de su cobertura del
suelo.
Fig.
4 Puesta a Tierra Puntual Mixta y su Representación
Hemisférica Equivalente
c.
El Despliegue del Cableado de Medidas
Los
circuitos que aseguran la circulación de la corriente de
medidas ( I ) y la toma de la diferencia de potencial ( V )
entre el electrodo dispersor y el punto de potencial cero, se
tienden en la trayectoria del suelo que comprende las
distancias de medidas ( d ) y ( p ) respectivamente; no
obstante deben hacer su recorrido separadamente en hileras
paralelas distantes como mínimo 1m o seguir directrices
divergentes formando un ángulo ( << 90º ), con el fin
de evitar la distorsión en el resultado, debido a la
inducción en el circuito de Potencial; las medidas alternas
con el electrodo ( P2 ) en oposición o formando un ángulo (
>>90º ) dan lecturas erróneas de menor Resistencia
debido a la deformación del espectro de los equipotenciales
en el suelo (Fig. 4).
- El
Circuito de Corriente de Medida
La
Corriente de medida debe recorrer por el suelo la mayor
distancia posible antes de ser recogida por el electrodo
auxiliar (C2), como única forma de minimizar la Resistencia
Mutua; para los aterramientos puntuales, las Normas
recomiendan una distancia mínima (d =40m) que no siempre es
posible aplicar con los Instrumentos de pequeño alcance, lo
cual obliga a hallar una distancia de medida ajustada en
función del Radio Hemisférico Equivalente (r0) de la Puesta
a Tierra.
Como
parte del cableado debe asegurarse que el electrodo auxiliar
(C2) tenga un contacto eficaz con el suelo, preferentemente
mediante clavado o enterrado.
- El
Circuito de Potencial de Medida
Los
espectros de superficies equipotenciales de polaridad opuesta
que se forman en la superficie del suelo en torno a la Puesta
a Tierra (C1) y al electrodo de Corriente (C2), configuran un
punto intermedio (P2) sobre la recta (d) que los une; la
distancia (p) de ubicación de dicho punto depende del
comportamiento resistivo del suelo que siendo uniforme será
(p = 0.618 d), y siendo estratificado podrá ser hallado en
función del coeficiente de Reflexión (K) del modelo de suelo
de dos estratos.
Fig.
5 Configuración de los Equipotenciales del Campor Eléctrico
en el Suelo
En
caso de no ser posible el clavado del electrodo auxiliar ( P2
), el contacto eficaz con el suelo se obtiene con un electrodo
plano de 200 cm² con 25 kg de tara.
- La
Resistencia de Interfase Suelo-Electrodo de Medida
El
Método admite sin menoscavo del resultado de las medidas, que
la Resistencia de Dispersión del electrodo de Puesta a Tierra
sea menor que la Resistencia de interfase de los electrodos
auxiliares ( C2 ) y ( P2 ), que se clavan en el suelo; no
obstante para las medidas, la capa delgada de material
deleznable que cubre la superficie del suelo (pedregosa,
arenosa, tierra seca) no es representativa, por lo que en
dichos puntos se la debe remover antes de clavar dichos
electrodos (Fig. 6) hasta hallar el suelo natural que se
presenta consolidado y firme.
Fig.
6 Capa de cobertura del suelo arenoso removido para clavar el
electrodo de medida
d.
El Esquema de Ejecución de las Medidas
Tratándose
de Puestas a Tierra concentradas y simétricas, el tendido de
los circuitos de medidas (I) y (V), podrá seguir la directriz
radial (d) sobre la línea de medida, o bien directrices
divergentes en las que el circuito de potencial (V) se abra en
un ángulo agudo (<<90º).
Si
la Puesta a Tierra es horizontal, todo tendido paralelo de los
circuitos (I) y (V) queda proscrito en resguardo de los
resultados correctos, en ambos circuitos de medida podrán
ubicarse en cualquiera de los extremos de la PAT para
continuar en el eje de dicho electrodo o para divergir en un
ángulo (<<90º); de otro modo, uno de los circuitos
podría tenderse perpendicularmente al eje de la PAT, es decir
hasta 90º del otro (Fig. 7).
Cuando
la Puesta a Tierra cubre una determinada área, los circuitos
de medida (I) y (V) deberán tenderse siempre en forma
perpendicular a los lados, ya sea siguiendo una misma
directriz o en directrices ortogonales.
Fig.
7 Esquemas de Tendido de Circuitos de Medida de Corriente (d)
y de Potencial (p)
4.-
EJECUCION DE LAS MEDIDAS SOBRE EL TERRENO
Teniendo
en consideración que deben cumplirse las mismas
recomendaciones del numeral 5 del artículo precedente
(ElectroRedes 2001-2), y la verificación previa de ausencia
de potenciales de falla de aislamiento, la ejecución de la
medida de Resistencia de Dispersión en el sitio, se hace
exclusivamente al electrodo de PAT, estando totalmente
desconectado de otros electrodos diferentes y de la bajada,
con los cuales forma la instalación del sistema de
aterramiento.
El
cumplimiento de ésta condición es fundamental para obtener
el resultado correcto, dado que las medidas pueden hacerse
indistintamente estando desenergizadas o energizadas las
instalaciones eléctricas (principal y subsistemas), de otro
modo se involucrarían
no solamente las Capacitancias parásitas y la Conductancia de
los aislamientos, sino los Potenciales provenientes de
eventuales defectos o fallas del aislamiento a través de alta
Resistencia.
Debe
quedar entendido y sin lugar a otra interpretación, que la
indicación de un instrumento convencional será siempre
viciada al hacer una medida sin los reparos indicados y sin
cumplir con las pautas de su manejo; para los casos en que no
es posible desconectar la PAT, existen actualmente
instrumentos que miden con corrientes de alta frecuencia o
bien toman como parámetro de base la corriente de fuga en la
bajada a la PAT.
a.
Determinación de los Parámetros de Medida
La
medida correcta de la Resistencia de Dispersión exige en cada
caso la determinación de los parámetros inherentes al
esquema de cableado a ser aplicado; según ello se elige el
instrumento adecuado, se selecciona las directrices de los
circuitos de medida, eventualmente se elige también el
electrodo auxiliar de potencial y el tipo de medida a
realizarse.
Ejemplo
1.- Se desea medir la Resistencia de Dispersión aproximada de
una PAT puntual, conformada por dos electrodos convencionales
(l = 2.45 m, a = 0.013 m), instalados a 2 m de distancia (S)
en pozos de D = 1 m; el instrumento de medidas utilizado
impone (p = 0.5 d)
Resulta
de igualar la expresión general de la Resistencia de
Dispersión ( R0 ) con la expresión analítica de la
Resistencia del Electrodo en función de su geometría.
R0=r/2pr0
, Rj=r/2(pi)l*Ln(2l/A) , A=√aS
r0=l/(Ln(2l/√aS))=1.54
m. (para a=D/2)
Considerando
que no se desea incurrir en un error significativo, la
correlación entre la distancia del circuito de (d) y el Radio
Hemisférico Equivalente (r0) que puede adaptarse para la
medida con un instrumento portátil es: 20 r0 < d < 30
r0 para un nivel de error (<3.3% ).
d
= 30 r0 = 30 x 1.54 = 46.2 m (se considera 45 m)
Queda
demostrado (ElectroRedes 2002-2), que la relación entre la
distancia del circuito de Potencial (p), respecto de la
distancia del circuito de Corriente (d) es para toda medida
en suelo homogéneo (que presenta un solo estrato).
p
= 0.618 d = 0.618 x 45 = 27.8 m
Este
parámetro sólo es necesario cuando se desea hacer la medida
precisa en una sola aplicación, su determinación requiere
los valores de la Resis-tividades Superficial (r1) y
subyacente (r2) del suelo, que se hallan mediante
procesamiento en forma conjunta con el espesor (h1) del
estrato superficial.
K=(r2-r1)/(r2+r1)=-0.33
(datos,
siguiente ejemplo)
b.
Medidas Aproximadas - Suelo Homogéneo
Se
relacionan habiendo asumido que el suelo tiene una
conformación monoestrato que es representada por una
Resistividad única cuya determinación no es necesaria para
la medida.
La
ejecución de este tipo de medidas es actualmente de
aplicación universal, dado que no hay discusión sobre la
localización del electrodo de potencial (P2) al 61.8% de la
distancia (d), al electrodo (C2), obtenida a partir de la
cobertura de la PAT representada por su Radio Hemisférico
Equivalente (r0), para un error admisible definido.
Para
el ejemplo resulta.
-
Medida con ( p = 0.618 d ) : RTL = 2.56 ohm
-
Medida con ( p = 0.50 d ) : RTI = 2.35 ohm
Se
trata de una variante de la medida única, destinada a cumplir
con la exigencia de algunas Normas de realizar dos medidas
adyacentes al electrodo ( P2) a intervalos de 10% a ambos
lados del punto de medida principal, que se halla al 61.8% de
la distancia ( d ), teniendo como resultado el promedio de las
tres lecturas.
-
Medida principal a ( 61.8% d ) : R1 = 2.56 ohm
-
Medida adyacente a ( 51.8% d ): R2 = 2.33 ohm
-
Medida adyacente a ( 71.8% d ): R3 = 2.72 ohm
Considerando
el ejemplo, el promedio resulta RTP = 2.53 ohm
c.
Medidas Exactas - Suelo Estratificado
La
única forma de obtener resultados exactos o de mayor
precisión en la medida de Resistencia de Dispersión de una
PAT puntual es, además de aplicar la correcta determinación
de los parámetros del esquema, haciendo participar la
composición del suelo estratificado en forma directa o
indirecta.
Ejemplo
2.- Se desea hacer la medida comprobatoria exacta de la
Resistencia de Dispersión de la Puesta a Tierra puntual del
ejemplo anterior conociendo los parámetros del suelo de dos
estratos: r1
=100 ohm.m, h1 = 2.1 m, r2 = 50 ohm.m, K = -0.33; así como los
puntos de medida progresiva de la Resistencia Aparente cuando
(d = 45 m).
| r(m) |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
35 |
40 |
| Ra(ohm) |
1.76 |
2.0 |
2.17 |
2.31 |
2.45 |
2.61 |
2.91 |
3.72 |
- Con
Medida Única, (P2) en Punto Fijo
Fig.
8 Familia de Distanciaa de Medida de RPAT en Suelos de Dos
Estratos
Se
requiere previamente contar con los parámetros del suelo en
modelo de dos estratos, para luego desarrollar el
procedimiento, que se simplifica con la gráfica de la Familia
de Distancias de Medida (Fig. 8), a la que se accede por
abscisas (1.66), hasta interceptar la curva (K = -0.33),
hallando en ordenadas la relación (p = 0.6 d) a ser aplicada
en la medida para obtener la Resistencia de Dispersión
exacta. Para el ejemplo se obtuvo: RTE = 2.46 ohm
Consiste
en realizar medidas sucesivas de Resistencia Aparente, para
valores crecientes de la distancia ( p ) al electrodo de
Potencial, dentro del intervalo que confina la distancia ( d )
al electrodo de corriente; los puntos obtenidos al ser
graficados, se procesan para obtener la función polinomial
del mejor ajuste de modo que igualando a cero su derivada
segunda, se obtiene la distancia a la que se halla la
Resistencia de Dispersión exacta.
y(x)
=0.000115x3 - 0.00651x2+0.139489x +1.18357
y’(x)
=0.000345x2 - 0.01302x+0.139489
y’’(x)=0.00069x
- 0.01302
y’’(x)=0
x = 18.86 => y (18.86) = 2.27 ohm
Para
el ejemplo se obtuvo: RTD = 2.27 ohm
Fig.
9 Característica de la Resistencia Aparente para el ajuste de
la Función Polinomial
Nota.-
Dicho resultado es solo 3.5% menor que el obtenido,
siguiendo las instrucciones de medida del instrumento
utilizado (RTI = 2.35 ohm).
5.-
CONCLUSIONES
a.
Queda establecido que la correcta aplicación del mé todo
de Caída de Potencial en la forma clásica permite:
-
La medida de la Resistencia de Puesta a Tierra que
conduce a la cabal obtención de resultados, tanto
aproximados como exactos, mostrando pequeñas
diferencias entre ellos, que favorecen la preferencia
por el método aproximado, debido a su simplicidad.
-
Afirmar que la única relación aproximada válida entre
las distancias de medidas ( p/d ) se define como ( p =
0.618 d ) en representación de la tierra remota ( V = 0
), para suelo uniforme toda otra relación no es
correcta, salvo indicación expresa para algunos
instrumentos de medidas, ya compensados.
b.
Queda establecido y sin lugar a dudas que para medidas
confiables de Resistencia de Puesta a Tierra con el
método de Caída de Potencial, estando las
instalaciones energizadas o no, es indispensable la
desconexión de la bajada de servicio a la PAT intervenida
y de cualquier otro aterramiento adyacente, en caso
contrario sólo es posible la medida con instrumentos
especiales.
c.
La única forma de verificar la medida de la Resistencia
de Dispersión de una PAT puntual es mediante la inmediata
ejecución de otra medida con diferentes directrices para
los circuitos (I) y (V), en tal caso el mayor valor de
RPAT obtenido será reconocido y aceptado como representativo, a menos que se haga una tercera
medida que dé
un mayor valor.
Ing.
Justo YANQUE M.
Lima, 2003
|
