Guía de diseño de sistemas de puesta a tierra en plantas industriales (8ª PARTE)

Ver 7ª PARTE

Medición de la resistencia de tierra

La resistencia de tierra es la resistencia óhmica  entre el electrodo de tierra y un electrodo de tierra remoto de resistencia cero. Así, la resistencia de tierra es la resistencia del suelo al paso de la corriente eléctrica desde el electrodo a la tierra circundante.

La resistencia del sistema de tierra, expresada en ohmios, sería medida después de que el sistema se instale en intervalos periódicos. Usualmente no se requiere precisión en la medición. La medición de la resistencia de tierra es necesaria para verificar la adecuación de un nuevo sistema de tierra con el valor calculado, y detectar cambios en el sistema de tierra existente. Es importante que se obtenga una resistencia baja, ya que todos los cálculos para la seguridad del personal y equipo se basan en la resistencia de tierra especificada. El margen de seguridad se reducirá si la resistencia excede el valor especificado.

Tres componentes constituyen la resistencia de un sistema de tierra:

a)      La resistencia del conductor del electrodo de tierra y la conexión del conductor de tierra al electrodo.

b)      Resistencia de contacto entre el electrodo de tierra y el suelo adyacente.

c)       La resistencia del cuerpo a tierra inmediatamente rodeando el electrodo.

Los electrodos de tierra tienen usualmente una sección de tierra suficiente, y las conexiones de tierra hacen usualmente mediante grapas o soldadura, así su resistencia es una parte despreciable de la resistencia total. Si el electrodo de tierra está libre de pintura o grasa y la tierra está  firmemente comprimida al electrodo, la resistencia de contacto es también despreciable. El óxido en un electrodo de hierro tiene poco o ningún efecto.

Cuando la corriente fluye desde un electrodo de tierra a tierra, radia la corriente en todas direcciones. Se considera que la corriente fluye a través de una serie de esferas concéntricas como capas de tierra, todas de igual espesor, rodeando el electrodo de tierra. La Shell inmediatamente rodeando el electrodo tiene una sección pequeña y así ofrece una mayor resistencia. Cuando la distancia desde el electrodo se incrementa, cada capa llega a ser correspondientemente más grande en sección y ofrece menos resistencia. Finalmente, se alcanza una distancia desde el electrodo donde capas no añaden significativamente a la resistencia de tierra total. Por lo tanto, la resistencia de tierra alrededor es el componente más grande de la resistencia de un sistema de tierra.

Para mejorar la conexión a tierra y reducir la resistencia a tierra, se sugiere el uso de dos varillas. La distancia entre las dos varillas debe ser la profundidad de la primera varilla más la profundidad de la segunda.

Es posible calcular la resistencia de cualquier sistema de electrodos de tierra. Varios factores pueden afectar el valor calculado debido a una considerable variación en la resistividad del suelo en una localización y tiempo dados. La resistividad depende del material del suelo, el contenido de humedad, y la temperatura. Si se consideran todos los factores, las fórmulas para calcular el rendimiento de los sistemas de puesta a tierra llega a ser muy complicado e implica tantos factores indeterminados que son de poco valor. Muchas fórmulas se han desarrollado, pero son sólo guías generales. La resistencia de tierra actual de un sistema de tierra puede solamente ser determinada por medición.

Métodos para medir la resistencia de tierra

En los siguientes apartados hablamos de los métodos usados para medir la resistencia de tierra. El valor óhmico medido se llama resistencia; sin embargo hay un componente reactivo que se considerará cuando el valor óhmico de la tierra bajo el suelo sea menor que 0,5 ohmios. Este componente de reactiva tiene poco efecto en tierras con una impedancia mayor que 1 ohmio.

Equipo y material

El equipo y material requerido para las mediciones de resistencia de tierra son los siguientes:

1.  La resistencia de tierra puede ser medida mediante instrumentos auto-contenidos, que dan lecturas directas en ohmios. Estos instrumentos son pequeños y muy fáciles de usar ya que no requieren fuente de potencia externa. Están equipados con baterías o un generador. Si es necesario, pueden obtenerse resultados aproximados con un amperímetro ac portátil y un voltímetro donde está disponible la alimentación y transformador en la localización donde se harán las mediciones. Sin embargo, no es necesario obtener resultados exactos con amperímetro y voltímetro en estaciones energizadas.
2.  Dos electrodos de ensayo auxiliar adicionalmente al electrodo de tierra bajo ensayo.
3. Cable conductor flexible.
4. Pinzas para conectar los terminales de prueba.
5. Guantes de  Lineman.

Métodos de medición

Los cuatro métodos más comunes de medición y ensayar la resistencia de tierra son los siguientes:

a)  Caída de método de potencial. Esto implica el paso de una corriente de magnitud conocida a través del electrodo de tierra (o red de tierra) bajo ensayo y un electrodo de corriente auxiliar, y midiendo la influencia de esta corriente en términos de voltaje entre el electrodo bajo ensayo y un segundo electrodo potencial auxiliar.

Para redes de tierra grandes, tanto la corriente como los electrodos de potencial deben colocarse lejos de la red de tierra bajo ensayo cuando sea practicable (dependiendo de la geografía de los alrededores), así que están fuera de la influencia de la tierra ensayada. Una distancia de 225 a 300 m. Una distancia de 210 a 300 m. Esto es requerido para obtener mediciones de exactitud adecuada. El electrodo de potencial, para grandes redes de tierra (tierra de baja resistencia), será drive at en varios puntos. Las lecturas de resistencia se trazan para cada punto como una función de la distancia de la red de tierra, y luego se dibuja una curva. El valor en ohmios en los que la curva aparece estabilizado se toman como la resistencia de la red de tierra bajo ensayo. Cuando se encuentra que la curva no está estabilizado, el electrodo de corriente se moverá lejos del electrodo de tierra bajo ensayo. Sin embargo, para una tierra de alta resistencia, no hay una colocación preferida de los electrodos, y se elegirá la más práctica.

La resistencia entre la red de tierra (electrodo) bajo ensayo y los electrodos auxiliares deben ser medidos. La resistencia medida no será superior a 500 ohmios para una exactitud incrementada en la medición de una red de tierra de baja resistencia. Para obtener la resistencia del electrodo auxiliar más baja posible, los electrodos se localizarán en localizaciones húmedas, tales como canales de drenaje o charcas, o se colocarán dos o más varillas separadas entre 90 y 120 cm. Las sondas de ensayo se colocarán a 30 – 60 cm de tierra.

Después de controlar la resistencia de los electrodos auxiliares, se conectarán las sondas de ensayo al instrumento para medir la resistencia de tierra de la red de tierra bajo ensayo.

Ese método se usará en grandes subestaciones, plantas industriales, y estaciones de generación donde la resistencia de tierra es usualmente menor que 1 ohmio.

Para una pequeña malla de tierra o un electrodo de una sola varilla, la influencia de tierra ensayada se asume despreciable entre 30 y 37,5 m de la varilla bajo ensayo. El electrodo de corriente puede colocarse a alrededor de 30 y 37,5 m de la varilla de tierra bajo ensayo.

Este método se usará para un electrodo de varilla simple o pequeña malla de tierra y donde el electrodo de tierra bajo ensayo puede estar separado del sistema de tuberías de agua, que usualmente tiene una resistencia de tierra despreciable.

b)      Método de dos puntos: El método de dos puntos se usa habitualmente para determinar la resistencia de una varilla de tierra simple colocada cerca de una resistencia donde es necesario conocer sólo que la resistencia del electrodo de tierra a tierra está por debajo de un valor estipulado, por ejemplo, 25 ohmios o menos. En este método, se miden la resistencia total de la varilla de tierra de una varilla auxiliar y de la desconocida, usualmente un sistema de tubería de agua existente (sin juntas aislantes). Ya que la resistencia del sistema de tuberías de agua se considera despreciable, la resistencia medida por el medidor será la del electrodo de tierra bajo ensayo.

Este método está sujeto a grandes errores para redes de tierra de baja resistencia pero es muy útil y adecuado en muchas ocasiones.

c)       Método de tres puntos. Este método implica el uso de dos electrodos auxiliares como en el caso del método de caída de potencial. La resistencia entre cada pareja de electrodos de tierra en serie se mide y se designan como R_1-2, R_1-3 y R_2-3, donde R_1-2 es la resistencia del electrodo de tierra bajo ensayo y un electrodo auxiliar. La resistencia del electrodo bajo ensayo puede obtenerse resolviendo R₁.

Si dos electrodos auxiliares son de alta resistencia respecto al electrodo de tierra bajo ensayo, pequeños errores en las mediciones individuales pueden dar como resultado un gran error. Para este método los electrodos deben estar separados al menos 6 m, u obtendremos resultados incoherentes, tales como resistencia cero o negativa. Puede usarse corriente alterna de frecuencia comercial o corriente directa. Cuando se usa corriente directa, el efecto de la corriente alterna se elimina aunque la corriente directa perdida puede dar una falsa lectura. Si se usa corriente alterna, la corriente alterna perdida de la misma frecuencia que la corriente de ensayo puede introducir un error; sin embargo, las corrientes directas no tienen efecto. Estos efectos pueden ser minimizados tomando una lectura con la corriente fluyendo en una dirección, luego invirtiendo la polaridad y tomando una lectura con corriente fluyendo en la otra dirección. Un promedio de las dos lecturas dará un valor exacto.

Este método no es conveniente para tierras de grandes subestaciones, y el método de caída de potencial es recomendado.

d)      Método del ratio. Este método usa dos electrodos auxiliares como en el método de la caída de potencial. La resistencia del electrodo bajo ensayo es comparada con la resistencia conocida de los electrodos auxiliares. Este método no se usa comúnmente ya que tiene limitaciones en la medición de redes de tierra de baja resistencia de áreas grandes. Es necesario usar el método de la caída de potencial para mediciones exactas.

Es preferible medir la resistencia de la red de tierra antes de energizar la estación. Cuando esto no es posible, se usarán instrumentos diseñados para uso en estaciones energizadas se usarán y se tomarán precauciones necesarias cuando se conecten o desconecten los terminales de ensayo. En la práctica, se evitarán localizaciones que causen que los terminales de ensayo estén paralelos a las líneas de transmisión.

Bibliografía:

·         IEEE Recommended Practice for Electric Power Distribution for Industrial Plants. IEEE Std 141-1993

Palabras clave:

·         Ionization lightning conductor technology