2016 Mediciones de Resistividad de los suelos para Diseño
Es importante tener un conocimiento de la aplicación de los métodos de medición de la resistividad del suelo, cuando se desea calcular en forma apropiada un buen sistema de puesta a tierra. El desconocimiento de estos nos puede conducir a una mala interpretación de los datos obtenidos, dando lugar a sobre costos en el diseño del mismo o cálculos erróneos que se traducen en un valor final por fuera de las reglamentaciones.
Yanmir Silva Silyanher S.A. 20-6-2016
Edición original publicada por SILYANHER, S. A., Barcelona, España ISBN: 84-267-0799-8 © Derechos reservados
Las puestas a tierra son sistemas que en la actualidad revierten gran importancia en la protección y normal operación de los diversos sistemas eléctricos y electrónicos, y principalmente en la seguridad de las personas que están en contacto o en áreas de influencia de sistemas eléctricos. Para el correcto diseño de un sistema de puesta a tierra inicialmente es necesario la medición de la resistividad del suelo del lugar donde se implementará el sistema de puesta a tierra, parámetro que influirá sustancialmente en el diseño. Luego del diseño, se debe hacer la construcción y verificación del sistema de puesta a tierra, para lo cual es necesario medir el valor de resistencia, y de paso corroborar que el sistema construido cumpla con las diferentes normas y guías nacionales e internacionales, dando paso a la certificación respectiva.
© 1999 ALFAOMEGA GRIPO EDITOR, S.A. de C.V. Pitágoras 1139, Col. Del Valle 03100, Venezuela. Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Registro No. 2317 ISBN 970-15-0486-0 Derechos reservados. Esta obra es propiedad intelectual de su autor y los derechos de publicación en lengua española han sido legalmente transferidos al editor. Prohibida su reproducción parcial o total por cualquier medio sin permiso por escrito del propietario de los derechos del copyright.
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Tabla de contenido LA TIERRA Y LA RESISTIVIDAD ................................................................................................................1 MEDICIÓN DE LA RESISTIVIDAD DEL SUELO.........................................................................................................2 Métodos y dispositivos para la medición de resistividad del suelo ........................................................3 PERFIL DE RESISTIVIDAD .......................................................................................................................4 DATOS TÍPICOS DE RESISTIVIDAD DE LOS SUELOS ................................................................................................5 Programa RESAP-Soil Resistivity Analysis ..............................................................................................5 Consideraciones prácticas sobre la medición de resistividad del terreno…………………………………………………………………………………………………………………………………………….5
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La Tierra y la Resistividad La resistividad del suelo es la propiedad que tiene éste, para conducir electricidad, es conocida además como la resistencia específica del terreno.
La resistividad del terreno varía ampliamente a lo largo y ancho del globo terrestre, estando determinada por: Sales Solubles La resistividad del suelo es determinada principalmente por su cantidad de electrolitos; esto es, por la cantidad de humedad, minerales y sales disueltas. Como ejemplo, para valores de 1% (por peso) de sal (NaCl) o mayores, la resistividad es prácticamente la misma, pero, para valores menores de esa cantidad, la resistividad es muy alta. Composición Del Terreno La composición del terreno depende de la naturaleza del mismo. Por ejemplo, el suelo de arcilla normal tiene una resistividad de 40-500 ohm-m por lo que una varilla electrodo enterrada 3 m tendrá una resistencia a tierra de 15 a 200 ohms respectivamente. En cambio, la resistividad de un terreno rocoso es de 5000 ohm-m o más alta, y tratar de conseguir una resistencia a tierra de unos 100 ohm o menos con una sola varilla electrodo es virtualmente imposible. Estratigrafía
El terreno obviamente no es uniforme en sus capas. En los 3 m de longitud de una varilla electrodo típica, al menos se encuentran dos capas diferentes de suelos. Granulometría Influye bastante sobre la porosidad y el poder retenedor de humedad y sobre la calidad del contacto con los electrodos aumentando la resistividad con el mayor tamaño de los granos de la tierra. Por esta razón la resistividad de la grava es superior a la de la arena y de que ésta sea mayor que la de la arcilla. Estado Higrométrico El contenido de agua y la humedad influyen en forma apreciable. Su valor varía con el clima, época del año, profundidad y el nivel freático. Como ejemplo, la resistividad del suelo se eleva considerablemente cuando el contenido de humedad se reduce a menos del 15% del peso de éste. Pero, un mayor contenido de humedad del 15% mencionado, causa que la resistividad sea prácticamente constante. Y, puede tenerse el caso de que en tiempo de secas, un terreno puede tener tal resistividad que no pueda ser empleado en el sistema de tierras. Por ello, el sistema debe ser diseñado tomando en cuenta la resistividad en el peor de los casos. Temperatura A medida que desciende la temperatura aumenta la resistividad del terreno y ese aumento se nota aún más al llegar a 0° C, hasta el punto que, a medida que es mayor la cantidad de agua en estado de congelación, se va reduciendo el movimiento de los electrolitos los cuales influyen en la resistividad de la tierra. Compactación La resistividad del terreno disminuye al aumentar la compactación del mismo. Por ello, se procurará siempre colocar los electrodos en los terrenos más compactos posibles. 1
Medición de la resistividad del suelo La resistividad del terreno se mide fundamentalmente para encontrar la profundidad y grueso de la roca en estudios geofísicos, así como para encontrar los puntos óptimos para localizar la red de tierras de una subestación, sistema electrónico, planta generadora o transmisora de radiofrecuencia. Asimismo puede ser empleada para indicar el grado de corrosión de tuberías subterráneas. En general, los lugares con resistividad baja tienden a incrementar la corrosión. En este punto es necesario Megger de cuatro terminales aclarar que la medición de la resistividad del terreno, no es requisito para hacer una malla de puesta a tierra. Aunque para diseñar un sistema de tierras de gran tamaño, es aconsejable encontrar el área de más baja resistividad para lograr la instalación más económica. Para medir la resistividad del suelo se requiere de un terrómetro (llamado en otros países: telurómetro) o Megger de tierras de cuatro terminales. Los terrómetros deben inyectar una corriente de frecuencia que no sea de 60 Hz para evitar que se midan tensiones y corrientes que no se deban al aparato sino a ruidos eléctricos. Por ejemplo, si estamos cerca de una subestación o de una línea en servicio, y vamos a realizar mediciones de resistividad y resistencia de tierra, con un aparato de 60 Hz, dichos sistemas van a inducir corrientes por el suelo debido a los campos electromagnéticos de 60 Hz y darán una lectura errónea. Los terrómetros son analógicos o digitales y deben contener 4 carretes de cable calibre 14 AWG normalmente. Para enrrollamiento rápido se recomienda construir un sistema devanador que permita reducir el tiempo de la medición. También traen 4 electrodos de material con la dureza suficiente para ser hincados en la tierra con marro. Son de una longitud aproximada de 60 cm y un diámetro de 16 mm. Además de lo anterior se hace necesario contar con una cinta no metálica de 50 m aproximadamente. Estos deben estar certificados y probados en el campo con una resistencia antes de realizar las mediciones. Como la medición obtenida por un ellos es puntual, se deben hacer mediciones en un sentido, en otro a 90 grados del primero, y, en el sentido de las diagonales. En la medición de resistividad de un terreno, es común encontrar valores muy dispares, causados por la geología del terreno, por lo que es una práctica común de una tabla con lecturas, el eliminar los valores que estén 50% arriba o debajo del promedio aritmético de todos los valores capturados. Cuando los electrodos de prueba están mal conectados o tienen falsos contactos, darán señales falsas de corriente y voltaje. Si hay corrientes distintas a las que envió el aparato, éste leerá otras señales de voltaje y corriente que no son las adecuadas. También estos aparatos de repente tienen oscilaciones en sus lecturas y no es posible leerlas. Un aparato inteligente, lleva conductores blindados, coaxiales, tiene sistemas de filtraje, de Análisis y mide lo que halla, pero esa información la analiza, la filtra y luego la deduce. 2
Métodos y dispositivos para la medición de resistividad del suelo Dispositivo simétrico de Wenner. Este dispositivo consta de cuatro electrodos, A, B de emisión y M, N de medición, dispuestos en línea recta , cada electrodo está separado a una distancia “a”, la cual es la misma entre todos electrodos. Para poder determinar la simetría entre los diferentes electrodos, se debe escoger un punto de referencia “ 0” del sistema, este punto también es denominado “punto de exploración”, puesto que dependiendo de las condiciones del terreno, la distancia entre los electrodos de emisión, la frecuencia del equipo de medición, etc., este punto llegará a ser el punto de máxima exploración.
Método Wenner Dispositivo simétrico de Schlumberger. En este dispositivo al igual que en el de Wenner, los electrodos de emisión y medición están situados en línea recta y ubicando un punto de referencia; la variante de este dispositivo está en que la distancia entre los electrodos de medición M y N debe ser menor que un tercio de la distancia entre los electrodos de emisión A y B rAB rM N , para mayor
entre
los
rAB
rM N 5
electrodos
de
emisión
.
Método Schlumberger Dispositivo de Lee. Es una variante del dispositivo de Wenner, en la cual se dispone en el punto de referencia “O” del dispositivo un electrodo adicional de medición, en el cual el valor del potencial es cero. Las diferencias de potencial son medidas primero entre los electrodos M y 0, y después entre los electrodos N y 0. Partiendo de las diferencias de potencial ΔV1 y ΔV2 entre el electrodo central y cada uno de los electrodos de medición, se obtienen dos resistividades aparentes, dadas por: 1 4. .a.
1 , 2 4. .a. 2 I I
Las cuales pertenecen a las respectivas mitades del espacio de ambos lados del plano medio. Obviamente si omitimos el electrodo del centro el valor de la resistividad será el mismo que obtuvimos en el método de Wenner. Si los resultados de las mediciones entre los electrodos M – 0 y N – 0 son diferentes podemos decir con seguridad que el área del suelo en estudio es no homogénea.
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seguridad se adopta que la distancia entre los electrodos de medición M y N debe ser la quinta parte de la distancia 3
prácticamente homogéneo. El coeficiente del dispositivo aunque tenga los electrodos de medición fuera de la línea creada por A y B es el mismo de Wenner y el valor de la resistividad es, por supuesto, el mismo hallado para Wenner.
Método Lee Dispositivo rectilíneo. En este dispositivo, llevamos uno de los electrodos de emisión (por ejemplo B) a una distancia tal que la diferencia de potencial creada por dicho electrodo entre los electrodos de medición sea pequeña en comparación con la diferencia de potencial creada por el segundo electrodo de emisión. En este caso, el campo del electrodo alejado puede despreciarse. El dispositivo, en el que uno de los electrodos de emisión está alejado a gran distancia (traslado al infinito) se denomina trielectródico.
Método no rectilíneo
Perfil de resistividad El perfil de la resistividad del suelo determinará el valor de la resistencia a tierra y la profundidad de nuestro sistema de puesta a tierra. Para obtener el perfil de resistividad en un punto dado, se utiliza el método de Wenner con espaciamientos entre electrodos de prueba cada vez mayores. Por lo general, para cada espaciamiento se toman dos lecturas de resistividad en direcciones perpendiculares entre sí. La gráfica resultante de trazar el promedio de las mediciones de resistividad (R) contra distancia entre electrodos (a) se denomina perfil de resistividad aparente del terreno.
Método rectilíneo Método no rectilíneo. En este método, los electrodos medición, se sitúan a lo largo de rectas paralelas a la línea AB, dentro de los límites de un cuadrado cuyo lado no debe exceder de AB/3. En la superficie limitada de esta forma, el campo normal de los electrodos A y B es 4
Datos típico de Resistividad de los Suelos
Consideraciones prácticas sobre la medición de resistividad del terreno
Planeación. En todas las etapas de un trabajo de mediciones, y aún más en las de este tipo, en ocasiones no son hechas en zonas urbanas, y debido a esto se deben tomar las precauciones necesarias para conseguir la máxima calidad en los resultados finales. Independientemente de esto debe procurarse, por motivos económicos, reducir al mínimo la duración y costos de una medición o campaña de mediciones. Las etapas principales de que se compone una medición básica es:
Programa RESAP-Soil Resistivity Analysis Existen programas para elaborar modelos del terreno con los datos de las mediciones. La figura de ejemplo es del programa RESAP-Soil Resistivity Analysisde la compañía Safe Engineering Services and Technologies Ltd.
1. Planteamiento del problema: Recopilación de datos geológicos y de otra índole sobre la zona de trabajo. 2. Elección del modelo de medición: Esto se hace en función del objetivo que se quiere alcanzar y sus circunstancias. 3. Programación detallada del trabajo de campo. 4. Ejecución del trabajo de campo. 5. Recopilación y elaboración de los datos recopilados: Comprende la interpretación de los datos y resultados anteriores, seguida de las conclusiones y recomendaciones pertinentes. 6. Informe final y certificación de la medición. Protocolos de Medición. La correcta anotación de las observaciones del trabajo de campo es uno de los factores que más influyen en la calidad de los resultados finales. La importancia del protocolo de mediciones se constituye en que es un documento fiel del trabajo de campo y en últimas en el quedan constatados los datos obtenidos de las 5
mediciones en el terreno, de nada serviría realizar una gran campaña de mediciones o buenas mediciones si no quedan constatados para que puedan ser utilizados en el futuro. Tanto la persona que realiza las mediciones como el interpretador deben tener claro que los datos obtenidos de la medición son correctos o no, para poder así evitar errores y gastos innecesarios para la persona que diseña el sistema de puesta a tierra y luego la persona que aplica los trabajos de construcción de dicho sistema. Los datos necesarios para un protocolo de medición de resistividad de suelos deben ser: 1. Sitio de aplicación 2. Ciudad 3. Proyecto 4. Fecha 5. Estado del terreno 6. Color del suelo 7. Tipo de suelo 8. Método de Medición 9. Ubicación de la línea de electrodos 10. Separación de los electrodos 11. Valor de la resistencia 12. Resistividad 13. Curva de la resistividad 14. Responsable de la medición 15. Asistentes a la medición 16. Recomendaciones 17. La firma del protocolo
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