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11/12/2014 1 [email protected] Unidad II RESISTIVIDAD DEL TERRENO [email protected] Contenido 1. 2. 3. 4. Valores típicos de Resistividad Influencias en el comportamiento eléctrico del suelo. Métodos de medición de la Resistividad. Determinación de Resistividad de los estratos y sus espesores 5. Aplicación. 6. Medición de resistividad en campo (Laboratorio)
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Unidad II
RESISTIVIDAD DELTERRENO
Contenido
1.2.
3.
4.
Valores típicos de ResistividadInfluencias en el comportamiento eléctrico del suelo.
Métodos de medición de la Resistividad.
Determinación de Resistividad de los estratos y susespesores
5. Aplicación.
6. Medición de resistividad en campo (Laboratorio)
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Resumen
En esta unidad se define laresistividad y sus unidades, se describe alterreno desde su característica deconductor de la electricidad y suresistividad, así como los diferentesfactores que influyen directamente en elaumento o disminución de estaresistividad y se exponen finalmenteformas de obtener la resisitividad.
La resistividad de los suelos.
La resistividad de los suelos seexpresar en –m, –cm ó –mm, quecorresponde a la resistencia que presentaun cubo de 1 metro cúbico de suelo oaguas, entre sus paredes laterales(aristas) y se representa por la letragriega .
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DistriLuz
Resistividad de un cubo de terrenoDonde: de 1m de arista
S = Sección en (m2)
RESISTIVIDADES TÍPICAS
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Naturalezadelterreno resistividadOhmios-m
Terreno pantanosoLimoHumosTurba HúmedaArcilla PlásticaMargas y arcillas compactasMargas de jurásicoArena arcillosaArena silíceaSuelo pedregoso cubierto de céspedSuelo pedregoso desnudoCaliza blandaCaliza compactaCaliza agrietadaPizarraRocas de mica y cuarzoGranito y gres procedentes de alteraciónGranito y gres muy alterados
Hasta 3020 a 10010 a 1505 a 100
50100 a 20030 a 4050 a 500
200 a 3000300 a 500
1500 a 3000100 a 300
1000 a 5000500 a 100050 a 300
8001500 a 10000
100 a [email protected]
Naturaleza del terreno Valor medio de laresistividad
Ohm-m
Terrenos cultivables y fértiles,Terraplenes compactos y
Húmedos
Terrenocultivables pocofértiles, terraplenes en general
Suelos pedregososdesnudos,arenas secas permeables
50
500
3000
Los valores medios de resistividad de terrenosse muestran en el siguiente cuadro:
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Influencia en el comportamientoeléctrico del suelo.
• La tierra representa generalmente unmal conductor (gran contenido de oxidode silicio y óxido de aluminio que sonaltamente resistivos) pero gracias alamplio volumen disponible, se puedelograr a través de ella los nivelesconductivos necesarios para suutilización auxiliar.
Factores que determinan laresistividad de los suelos
Naturaleza de los suelos.La humedad.La temperatura del terreno.La concentración de sales disueltas.La compactación del terreno.La estratificación del terreno.
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Tipodesuelooagua
ValortípicodeResistividad(-m)
Aguademar 2
Arcilla 40
Aguassubterráneas 50
Arena 2000
Granito 25000
Hielo 100000
Naturaleza de los suelos
Los suelos son buenos,regulares o malosconductores de laelectricidad en función de sunaturaleza. El análisis yconocimiento de estanaturaleza es el primer pasopara la instalación adecuadadel sistema de puesta atierra.
La humedad
La resistividad que presenta un terrenoesta en relación directa a los porcentajes dehumedad contenida en él; es decir, depende desu estado hidrométrico, al aumentar lahumedad disminuye la resistividad y aldisminuir la humedad aumenta la resistividad.En todo caso siempre que se añade agua a unterreno disminuye su resistividad respecto alque tendría en seco.
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Rho
(Ohm
-m)
% Humedad
15%
DistriLuz
Variación de la resistividad en función alporcentaje de humedad.
La Humedad
DistriLuz
La temperatura del terreno
La resistividad de los suelos,también depende de la temperatura,esta característica térmica del terrenodepende de su composición, de su gradode compactación y del grado dehumedad.
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Rho
(Ohm
-m)
Temp. ( ° C )
0°C
hielo
agua
4 10 50 90 100-20 -10
DistriLuz
Variación de la resistividad del terreno enfunción de la temperatura.
La Temperatura
DistriLuz
La Concentración de sales disueltas
Al presentarse una mayorconcentración de sales disueltas en unterreno, mejora notablemente laconductividad y por lo tanto laresistividad.
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Rh
o(O
hm
-m)
% de Sal
2%
DistriLuz
Variación de la resistividad del terreno enfunción del % de sal.
Concentración De Sales
Infuencia de la compactación
• La Compactación del terreno:
• En el siguiente gráfico se muestracualitativamente la influencia de lacompactación del suelo , en la variaciónde la resistividad
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Rh
o(O
hm
-m)
La Compactación del terreno:
% Humedad
W1
W2
W3
Compactación
2%
Influencia De LaEstratificación
• El suelo esta formado por capas(estratos) quetienen diferentes resistividades y profundidadesdebido a la formación geológica son generalmentehorizontales y paralelos a la superficie
• Existen estratos que se presentan en formainclinada o verticales debido a fallas geológicaspero para los estudios se asumen horizontales
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Influencia De LaEstratificación
I I
I I
h
21
21
21
21
DistriLuz
OTROS FACTORES
• El efecto de gradiente de potencialelevados.
• El calentamiento del suelo aconsecuencia de la circulación decorrientes de puesta a tierra elevadas ode forma prolongada
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DistriLuz
El efecto de gradiente de potencialelevados.
Un contacto no perfecto entre unelectrodo y el terreno, establese “encondiciones de circulación de corriente de fallay a partir de un cierto valor” pequeñasdescargas que originaran perforaciones en lasuperficie del electrodo. La resistencia delsistema de puesta a tierra arrojaría, en estascondiciones, valores diferentes a los que sehubieran obtenido cuando no se producía elfenómeno.
DistriLuz
CALENTAMIENTO DEL SUELO POR LACIRCULACIÓN DE CORRIENTES ELEVADAS
El calentamiento del suelo tiende aincrementar su conductividad mientras no estéacompañado de desecación. La resistividad deuna capa de terreno puede disminuir en unarelación de 2 a 1 para temperaturas entrealgunos grados y 20 a 25°C, y en una relacióndel mismo orden entre 20 y 80°C.
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DistriLuz
MEDICIÓN DE LARESISTIVIDAD
DistriLuz
Un estrato superficial
Generalmente de tierra limosa y/otierra arenosa, con un espesor variableentre 0,3 y 1,2 m, normalmente seco enla costa y húmedo en la sierra y selva
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DistriLuz
Un estrato subyacente
Constituido por conglomerados finosy pedregosos en la costa, así comorocosos y pedregosos en la sierra y selvaalta.
DistriLuz
Modelo de suelo de dosestratos (capas)
SUPERFICIEDELSUELO
h1
2
TIERRA LIMOSAO ARENOSA
CONGLOMERADOTIERRA FINA
PIEDRA MENUDAY GRUESA
ESTRATOSUPERFICIAL
ESTRATOSUBYACENTE
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DistriLuz
Finalidad de la medición de laresistividad.
• Obtener la resistividad de cada estratoo capa.
• Encontrar la profundidad de los estratoso capa.
• Ubicación óptima de las instalacionesde puesta a tierra.
DistriLuz
Flujo de dispersión de la corriente enun terreno de dos estratos.
En la Fig. se puedeobservar el flujo dedispersión de la corrienteen un terreno de dosestratos en la que seindica los espesores quetiene cada estrato y surespectiva resistividad.
h
2
21
1 I
I
2
21
1 I
I
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DistriLuz
SELECCIÓN DE LOS EQUIPOS DEMEDICIÓN
• Componentes del instrumento
• Requisitos mínimos de los instrumentos
• Ensayos tipos.
DistriLuz
Componentes del
instrumento
• Fuente de potencia• Dispositivos para eliminar corrientes
electrolíticas y de inducción.• Sistema de medida
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DistriLuz
Fuente de potencia
• Recomendable alterna o alterna pulsante,capaz de vencer la resistencia propia delcircuito y del terreno, tensión entre 50 y 500V. a una frecuencia diferente de 60 Hz.,ejemplo 111Hz.
• Debido a la probabilidad de electrólisis no esrecomendable fuente de tensión continua.
• En el caso de instrumentos a batería deberádisponer de rectificador estático DC/AC.
DistriLuz
Dispositivos para eliminar corrienteselectrolíticas y de inducción:
• Cuando la fuente es un generador manual,un rectificador mecánico será capaz derectificar las corrientes electrolíticas y deinducción, de manera que la corriente netapor el circuito de medida sea cero.
• Cuando la fuente de potencia es una bateríaoperada por un convertidor o transistor, elrectificador estático rechazará las corrientesde frecuencia diferente al de la corriente deprueba.
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DistriLuz
Sistema de medidaBásicamente se conocen tres sistemas de medida:
Sistema voltímetro: amperímetro o sistema ohmimétrico; ventaja: laresistencia de los electrodos de corriente no afectan la lecturadel instrumento.
Sistema comparador: de resistencias, ofrece relativa facilidad en lalectura directa.
Sistema de balance nulo: debido al uso de electrodos de resistencia bajano afecta la lectura del instrumento.
Existen sistemas combinados entre sistema ohmimétrico y el sistema debalance nulo, mejorándose la medición de resistencias bajas.
DistriLuz
•
•
••
•
Requisitos mínimos de losinstrumentos
Compactos y de fácil traslado y permitir almacenamiento deinformación.Interfase para PC, accesorios, manual, medición multipolo(2,3,4) controlados por microprocesador.Opción para medición con pinzas y sin estacas.
Al usar transductores de medición deben ser de similarclase de precisión.Deben tener certificaciones de los siguientes ensayostipos: ensayo de aislamiento, ensayo de compatibilidadelectromagnética, ensayos climáticos, ensayos mecánicos,ensayo de clase de precisión.
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-
-
-
-
-
-
-
Ensayos tiposCertificaciones de los siguientes ensayos tipos
Aislamiento: IEC 61000 – 4 – 2, IEC 61010 – 1
Compatibilidad electromagnética: IEC 1000 – 4 – 2, IEC 61326 – 1
Climáticos: DIN 40040
Mecánicos: IEC 529, DIN 40050
Clase de precisión: (+/-2%)
Medición de RE: IEC 61557 – 5
Fabricación: DIN ISO 9001
DistriLuz
CONSIDERACIONES PARA LAMEDICIÓN
• Precauciones para la medición.
• Casos no recomendables para lamediciones.
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DistriLuz
Precauciones para lamedición
Las mediciones deben efectuarse en épocas apropiadas en la sierra en estiajey en la costa en verano.
••
•
•
•
••
Los electrodos de exploración deben tener un buen contacto con el terreno.Si el terreno es deslizable remover el material suelto hasta encontrar tierrafirme.Si el suelo tiene capa gruesa de arena verter agua en el punto de clavadode los electrodos.Verificar el punto de contacto de la bornera de los instrumentos y la tomade los electrodos.Verificar los conductores gastados para evitar puntos de degradación delaislamiento.Verificar la presencia de corrientes inducidas.La resistencia de los electrodos auxiliares y conductores deben ser tal queno influyan en las mediciones.
DistriLuz
Casos no recomendables parala mediciones.
Estas recomendaciones son producto de la experiencia práctica ysirven si se desea un resultado bueno.• Las recomendaciones a tomar en cuenta son:• Después de una lluvia.
• Durante alta humedad ambiental.• Cuando hay conductores pelados y no se logran buen contacto en elconexionado.• Durante horas de tormenta.• Durante horas de humedad, en la que se escucha chisporroteo en losaisladores.• Durante la ejecución de trabajos de mantenimiento sobre lainfraestructura en las proximidades.
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DistriLuz
Métodos de medida de laresistividad
• Por el tipo de fuente:
- Método Volt – amperímetro.- Uso de instrumento específico.
• Por el número de electrodos utilizados:
- Método de tres electrodos.- Método de cuatro electrodos.
DistriLuz
Métodos de medición de resistividad
POR LA SIMETRIA DE ESPACIAMIENTO DE ELECTRODOS
• Método de Lee• Método de Schlumberger-Palme• Método de Frank Wenner (1915)
El método de Lee tiene inconvenientes de influencia dela barra de prueba en la resistividad del terreno, para elmétodo de Schulumberger se requiere equipos de mayorsensibilidad.
El más usado es el método de los 4 electrodos oconfiguración de Dr. F. WENNER
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Naturalezadelterreno Valor medio de laresistividaden-m
•Terrenos cultivables y fértiles,Terraplenes compactos y húmedos•Terraplenes cultivables poco fértiles,terraplenesengeneral.•Suelos pedregosos desnudos, arenasSecas permeables.
50
500
3000
DistriLuz
Recomendación práctica
Se puede prescindir medir la resistividad si:1. En instalaciones de Un < 30 kV.2. Cuando la ICC a tierra es a 16 kA.En este caso se identifica el tipo de terreno visualmente y la resistividad se
obtiene de la siguiente tabla.Valores Medios de Resistividad de Terrenos
Tabla 3-III (CNE T-I)
DistriLuz
Método de tres electrodos para lamedición de resistividad
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・・ ・ ・1・
r4・・
DistriLuz
Medición de la resistividad por elmétodo de los cuatro electrodos.
El principio de estemétodo está basado en lamedición de la diferenciade potencial entre dos delos electrodos, luego dehaber inyectado al terrenouna corriente a través delos otros dos.
V
I
r1 r2
r3 r4
・1
2 VI
DistriLuz
Configuración de Wenner
Para estaconfiguración, loscuatro electrodosse colocan enuna línea recta,con igualseparación yprofundidad depenetración en elterreno.
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DistriLuz
Arreglos para la configuración deWenner
En la configuración de Wenner, los electrodos decorriente (C) y los electrodos de Potencial (P) puedentener 3 arreglos alternativos, sin alterar el resultadode la resistividad que se va a medir, siempre y cuandose aplique la expresión adecuada. Estos arreglos sonmostrados en la siguiente tabla, siendo el másfrecuente utilizado para las mediciones el arreglo
C – P – P – C.
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DistriLuz
Arreglos para la configuración deWenner
ARREGLOS ALTERNATIVOS EN LA CONFIGURACIÓNWENNER
C–P–P–C
P–C–C–P
C–C–P–P
P–P–C–C
C–P–C–P
P–C–P-C
1 = 2 a R1
2 = 6 a R2
3 = 3 a R3
DistriLuz
L
a=20L
I -I
Procedimiento práctico de WENNER
A
a=20L
V
a=20L
c1 p1 p2 c2
a 2 a R m
a: Separación entre electrodos de exploración.
L: Profundidad de enterramiento del electrodo de referencia. a:Resistividad aparente.R=V/A resistencia medida.
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DistriLuz Medición de parámetros
a 2 a R m
IV
CPPC1122
naana
DistriLuz
Configuración de Schlumberger
Para esta configuración loscuatro electrodos se colocan también enlínea recta, manteniendo la separaciónentre electrodos centrales o depotencial (a) constante; mientras quelos electrodos exteriores varían suseparación a partir de los electrodosinteriores, a distancias múltiplos (na) dela separación base de los electrodoscentrales (a).La ecuación fundamental para este casoes:
asch = R.n(n+1) a
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DistriLuz
RECOMENDACIÓN
PRÁCTICA
• Parámetros de diseño con medidasWenner.
• Parámetros de Diseño – MedidaIndirecta.
DistriLuz
Parámetros de diseño conmedidas Wenner.
Siendo restringido elespacio útil disponiblepara las medidas deresistividad aparente yriguroso el procesamientoformal de las magnitudesobtenidas para este casoparticular se opta por unprocedimiento expeditivoque permite la estimacióngruesa de la resistividadde diseño.
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DistriLuz
Sondeos de medida Wenner enreducido espacio útil
Sea un suelo de alta resistividad,típico en las ciudades de la costa(ejemplo).El espacio útil para medidas deberátener por lo menos un radio de 3,0m1° sondeo: Se obtiene ( 1ª = 326-m) para una distancia (a=1,0 m)2° sondeo: se obtiene ( 2ª = 288
a a
-m) para una distancia (a=2,0 m)1 1
2 2
La resistividad de diseño a (1,5 m)de profundidad se estima en:
307 m
326 2882
a 1 1
a
2
DistriLuz
Parámetros de Diseño –Medida Indirecta.
Considerando idénticas restricciones deespacio útil, se puede aplicar la medidade la resistencia de dispersión (R) de unelectrodo
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DistriLuz
Clavado del electrodoexplorador
Explorador defierro clavado a 1,0 mde profundidad paraevaluar la resistividadde diseño en valorequivalente. Estaalternativa muchasveces no se posibilitapor la dificultad delclavado.
PENETRACIONMINIMA
1m
MARTILLOPESADO
ELECTRODOEXPLORADOR
ESTRATO SUAVEPENETRACIONFACIL
ESTRATO DUROPENETRACIONDIFICIL
DistriLuz
Esquema de medida indirecta
Aplicando el método de caída depotencial se harán dos medidas (Ri)al electrodo explorador (C1) condos despliegues de electrodos (P2,C2) clavados en suelo firme (a 0,15m de profundidad) ambos en línearecta radial con la que se calculafinalmente:
i = 1,10 Ri
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DistriLuz
Despliegue de medidasindirectas
Procedimiento y Ejemplo
Tomando el mismo caso anterior:El espacio útil para medidas
deberá tener al menos (6,0 m) de largo.
1a. Medida: se calcula ( a = 295 - m) para(d = 5,0 m, p=3,0 m y Ra = 236 )2da. Medida: se calcula ( b = 305 - m)para (d= 6,0 m, p=3,7 m y Rb = 244 )
La resistividad de diseño a (1,5 m) deprofundidad resultará:
300 - m295 305
2 a b
2
DistriLuz
Estructura equivalente del suelo.
• Suelo homogéneo
El valor de la resistividad aparente medida para cualquier separación entrelos electrodos se va a mantener constante y coincide con el valor de laresistividad del suelo.
1
3
Suelo homogéneo a =
a (m)
2
1
2 > 1
2 < 1
Punto de inflexión
2
1
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DistriLuz
INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS
• Suelo estratificado de dos capas
En este modelo de suelo, existen dos tipos posibles de combinaciones,cuyas características principales son:-
-
Tendencia asintótica al comienzo y fin de la curva.
Un solo punto de inflexión en la gráfica de toda la curva.
1
a
2
2 1
a
2
a
1
a
1 2
DistriLuz
INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS
• Suelo estratificado de tres capas
En el modelo de tres capas, existen cuatro tipos posibles de combinacionesdonde se puede observar que las curvas correspondientes a este modeloposeen puntos de inflexión. En general, una curva de n capas puede tener2(n-1) tipos de combinaciones y (n – 1) puntos de inflexión.
a
1
1 2 3
a
a
1
a
1 2 3
a
1
1 2 3
a
a
1 2 3
(a) (b)
(c) (d)
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DistriLuz
Métodos de Interpretación de lasmediciones de campo.
--
-
-
Método de los Quiebres.Método acumulativo de Moore.Método de Barnes.Método de interpretación analítica mediante unprograma numérico.
- Método de interpretación mediante curvas patrón.
DistriLuz
INTERPRETACIÓN MEDIANTECURVAS PATRÓN
Este método se basa en lacomparación de los gráficos obtenidos enlas mediciones de campo con curvaspatrón, construidas para diferentes casosde combinaciones de capas.
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an00・
14 ・ 1 n1 ・ ・ 2nH ・
・・
・
・ 2nH ・ ・
・ A ・ ・・ 2 1
DistriLuz
INTERPRETACIÓN MEDIANTECURVAS PATRÓN
Consiste en comparar los gráficos obtenidos en lasmediciones de campo con curvas patrón. En la práctica,existen curvas patrón para las configuraciones de Wenner ySchlumberger, siendo más utilizadas las primeras, cuyafamilia de curvas ha sido obtenida a partir de la ecuación deTagg.
A DETERMINADA:RESISTIVIDAD APARENTE,POR EL MÉTODODE W ENNER (OHMIOS – METRO)
2 1
1 :RESISTIVIDAD DE LA PRIMERA CAPA(OHMIOS – METRO) 2 :RESISTIVIDAD DE LA SEGUNDA CAPA(OHMIOS – METRO)H :PROFUNDIDAD DE LA PRIMERA CAPA(METROS)A :ESPACIAMIENTO ENTRE ELECTRODOSUSADO EN EL MÉTODO
de W enner (metros)
K : Factor de reflexión K
・
2 ・2Kn ・
4・ ・
Ecuación deTagg
・
・ Kn
1・ ・・ A ・
DistriLuz
INTERPRETACIÓN de la resistividad del suelopara un modelo de dos capas (configuración
Wenner)
1.Teniendo como base los datos de campo, graficarlas curvas de resistividad aparente en función delalejamiento de los electrodos ( VS a en papel log –log idéntico al de las curvas de patrón) tratando enlo posible que sea transparente. Se recomienda unmínimo de cuatro puntos para la obtención de cadacurva.
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DistriLuz
Interpretación de la resistividad del suelo paraun modelo de dos capas (configuración Wenner)
2. Superponer el papel logarítmico con la curvaobtenida experimentalmente sobre el papel con lascurvas patrón (conviene utilizar una ventana omesa luminosa).
DistriLuz
INTERPRETACIÓN de la resistividad del suelopara un modelo de dos capas (configuración
Wenner)
3. Deslizar el papel con la curva experimental sobreel papel con las curvas patrón, hasta obtener unacoincidencia la más perfecta posible entre la curvaexperimental y una de las curvas patrón. Duranteeste proceso deben mantenerse paralelos los ejesde ambos gráficos. Si es posible un calce en tansólo una parte de la curva experimental, es señalque el modelo de suelo analizado corresponderá amás de dos capas.
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DistriLuz
INTERPRETACIÓN de la resistividad del suelopara un modelo de dos capas (configuración
Wenner)4. Marcar en el papel con la curva experimental una cruz enel punto correspondiente al origen (1.0) del gráfico patrón.
5. La ordenada de la cruz marcada en el gráfico de la curvaexperimental indicará el valor correspondiente a laresistividad de la capa superior 1; mientras que la abscisaindicará el valor del espesor de la capa superior h1.
6. Leer el valor de 2/ 1 de la curva patrón que calza conla curva experimental, a partir del cual se calcula 2
conociendo 1 encontrado en el paso 5.
7. El espesor de la segunda capa h2 se supone que esinfinito
a(m) 1 2 4 8 12
R() 35,6 18,9 7,84 4,7 2,65
a
(-m)224 238 197 236 200
a(m) 1 2 4 8 12
R() 587 253 80,1 15,8 5,61
a
(-m)3688 3179 2013 794 423
DistriLuz
Ploteo de datos obtenidosGrafico de campo
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DistriLuz
Procedimiento:
1=3600 -mh1=3,0 mK= 2/ 1=1/12 2=3600/12=300-m
DistriLuz
Curvas patrónresistividad Vs.
distancia deseparación
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DistriLuz
Resultados demediciones deresistividad en
subestaciones ytorres de AT
