Diseño de una red de tierra en base a la norma IEEE Std 80 – 2000

Procedimiento de diseño de una red de tierras en base a la norma IEEE Std 80 – 2000

Criterios de diseño

El factor más importante de la resistencia a tierra no es el electrodo en sí, sino la resistividad del suelo mismo, por ello es requisito conocerla para calcular y diseñar la puesta a tierra de sistemas. La resistividad del suelo es la propiedad que tiene éste, para conducir electricidad, es conocida además como la resistencia específica del terreno. En su medición, se promedian los efectos de las diferentes capas que componen el terreno bajo estudio, ya que éstos no suelen ser uniformes en cuanto a su composición, obteniéndose lo que se denomina "Resistividad Aparente". La resistividad del terreno está determinada por:

a) 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.

b) 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.

c) 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.

d) 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 ésta es mayor que la arcilla.

e) 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. Puede tenerse el caso de que en tiempo de secas, un terreno llegue a tener tal resistividad que no pueda ser empleado en el sistema de tierras.

f) 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

g) 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.

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. En general, los lugares con resistividad baja tienden a incrementar la corrosión. En este punto es necesario 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. TELURÓMETRO Para medir la resistividad del suelo se requiere de un telurómetro de cuatro terminales llamado en algunas zonas de México como "terrómetro" o "Megger de tierras”.

Los telurómetros inyectan una corriente de frecuencia diferente a 60 Hz para evitar se midan voltajes y corrientes de ruidos eléctricos. Los telurómetros tienen cuatro terminales: 2 de corriente (C1, C2) y 2 de potencial (P1, P2) que están marcadas en el aparato C1 P1 P2 C2. Como la medición obtenida por un telurómetro es puntual, para obtener una lectura promedio del sitio, 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 el eliminar los valores que estén 50% arriba o abajo del promedio aritmético de todos los valores capturados. El estudio de resistividad de un terreno conlleva el obtener el perfil de resistividad del suelo en varios puntos y con esos valores se puede determinar la profundidad de nuestro sistema de puesta a tierra.

MÉTODO DE WENNER

El método de los 4 puntos de Wenner, es la técnica más utilizada comúnmente. Consiste básicamente en 4 electrodos enterrados dentro del suelo a lo largo de una línea recta, a igual distancia A de separación, enterrada a una profundidad B. La tensión entre los dos electrodos interiores de potencial es medido y dividido entre la corriente que fluye a través de los otros dos electrodos externos para dar un valor de resistencia mutua R en Ω. Existen 2 variaciones de este método:

a)  Electrodos igualmente espaciados o arreglo de Wenner.

Donde:

A = Separación entre varillas adyacentes en m.

B = Profundidad de los electrodos en m.

C = Electrodo de corriente.

P = Electrodo de potencial.

Si la relación A/B es menor a 20 entonces se utilizará la siguiente fórmula para calcular la resistividad del terreno:

Si “A” y “B” se miden en cm o en m y la resistencia R en Ω, la resistividad estará dada en Ωcm o en Ω-m respectivamente. Si la longitud “B” es mucho menor que la longitud “A”, es decir cuando la relación A/B sea mayor o igual a 20, puede suponerse B=0 y la fórmula se reduce a:

ρ = 2πAR

Con estas fórmulas se obtiene la resistividad promedio del terreno, también conocida como resistividad aparente. Las lecturas obtenidas en campo pueden graficarse en función de su espaciamiento indicándonos en donde existen capas de diferente tipo de suelo con sus resistividades y profundidades respectivas.

a)  Electrodos no igualmente espaciados o arreglo de Schlumberger - Palmer Una desventaja del método de Wenner es el decremento rápido en la magnitud de la tensión entre los 2 electrodos interiores cuando su espaciamiento se incrementa a valores muy grandes. Para medir la resistividad con espaciamientos muy grandes entre los electrodos de corriente, puede utilizarse el arreglo mostrado en la siguiente figura:

La corriente tiende a fluir cerca de la superficie para pequeños espaciamientos entre los electrodos, considerando que la mayor parte de la corriente que penetra depende del espaciamiento entre los electrodos. Así se asume que la resistividad medida para un espaciamiento entre electrodos “A” representa la resistividad aparente del suelo a una profundidad “B”. La información de las mediciones de resistividad puede incluir datos de temperatura e información sobre las condiciones de humedad del suelo en el tiempo en que se realizó la medición.

Los conductores desnudos enterrados que se encuentren en contacto con el suelo pueden invalidar lecturas realizadas por el método descrito si están bastante juntos de manera que alteren la trayectoria del flujo de la corriente.

En tales casos una lectura poco aproximada deberá ser tomada a corta distancia fuera de la rejilla para tierra, con los electrodos de prueba en tal posición que minimicen el efecto de la rejilla para tierra sobre las trayectorias de flujo.

Los electrodos de potencial se localizan lo más cerca de los correspondientes electrodos de corriente, esto incrementa el potencial medido. La fórmula empleada en éste caso se puede determinar fácilmente. Si la profundidad de los electrodos es pequeña comparada con la separación “d” y “c", entonces la resistividad aparente puede calcularse como:

MÉTODO DE CAÍDA DE POTENCIAL PARA MEDICIÓN DE RESISTENCIA ÓHMICA EN UN SISTEMA DE TIERRA

El método que se utiliza es el de caída de potencial; este procedimiento involucra la utilización de dos electrodos auxiliares: uno de potencial y otro de corriente. Consiste en hacer que circule una corriente de magnitud conocida (I) a través de tierra o electrodo baja prueba (E) y un electrodo de corriente (C), y medir el efecto de esta corriente en términos de la diferencia de potencial (P); la relación V / I da el valor de resistencia.

Procedimiento del diseño de una red de tierras en base a la normatividad La normatividad actual indica que el diseño de una red de tierras de una subestación debe tener presente los potenciales de paso y de contacto que salvaguarden la vida de las personas {250-156, 921-18}. Existen métodos de cálculo de redes de tierras basados en manuales de diseño y en el estándar IEEE Std 80-2000. Las ecuaciones simplificadas de dichos manuales nos son útiles cuando la resistividad del terreno se puede representar mediante el modelo de suelo homogéneo.

  

VALORES ACEPTABLES DE RESISTENCIA A TIERRA DE SUBESTACIONES

Para subestaciones, la NOM menciona:

921-25

b) Resistencia a tierra del sistema: La resistencia eléctrica total del sistema de tierra incluyendo todos los elementos que lo forman, deben conservarse en un valor menor que lo indicado en la tabla siguiente:

Hay que recordar que la resistencia a tierra del Sistema determina la relación entre la tensión de falla y la corriente a tierra, y la configuración de los electrodos determina la distribución del potencial en la superficie de la tierra, y esa distribución del potencial es de importancia ya que en el suelo puede ser tan alto que puede ser letal para una persona.

Esa distribución del potencial se controla usando las mallas de tierra, las cuales disminuyen la resistencia de tierra y las inductancias que se generan con corrientes de alta frecuencia.

Las mallas las forman normalmente conductores enterrados unidos entre sí con soldadura exotérmica o con conectores junto con varillas verticales.