EL
MÉTODO DE CAÍDA DE POTENCIAL.
El
método de caída de potencial es el método “tradicional” de medida de la resistencia
de la toma de tierra, y es el que utilizan los equipos conocidos como
“telurómetros”.
Se debe recordar que para medir la resistencia de la toma de tierra empleando
este método, es necesario desconectar previamente el electrodo de puesta a
tierra de la instalación, maniobra que se ejecuta en el borne principal de
tierra que, generalmente, está ubicado en el cuarto de contadores de la
instalación.
DESCRIPCIÓN DEL MÉTODO DE CAÍDA DE
POTENCIAL.
El
telurómetro requiere tres conexiones para realizar la medida de la resistencia
de la
toma de tierra, si bien los medidores más precisos pueden requerir de una cuarta
conexión para eliminar del resultado de la medida la resistencia de los propios
cables de prueba. Las conexiones que se deben realizar se presentan en la
figura 4, y son:
Fig. 4. Esquema de
conexión del telurómetro.
·
E/C1:
conexión de la borna C1 del telurómetro al electrodo bajo prueba.
·
S/P2:
conexión de la borna S del telurómetro a la pica P2 llamada pica auxiliar de
referencia de potencial. Esta pica pertenece a la dotación del telurómetro y se
deberá clavar en la Medida tierra a cierta distancia del electrodo bajo prueba.
·
H/C2:
conexión de la borna H del telurómetro a la pica C2 auxiliar de inyección de
corriente. Esta pica también es un accesorio del telurómetro, y se deberá
clavar en la tierra a una distancia aún mayor.
La
figura 5 muestra el circuito eléctrico de la medida El telurómetro inyecta una
corriente alterna en la tierra a través de electrodo que se está comprobando,
E, y la pica de corriente C2; a continuación, mide la caída de tensión entre
las picas P2 y E y, por último, y mediante la Ley de Ohm, calcula la
resistencia entre P2 y E. Como se puede ver, la resistencia de conexión a
tierra de las picas auxiliares no afecta a la medida.
Fig. 2.5. Circuito eléctrico
de la medida
Para realizar la prueba, la pica C2 se coloca a cierta
distancia del electrodo que se desea verificar. Posteriormente, manteniendo la
pica C2 fija, se desplaza la pica P2 por la línea entre E y C2 para verificar
si hay variación de la impedancia en el trayecto.
La parte difícil de esta prueba es determinar el lugar en
el que se deben clavar las picas para obtener una lectura correcta de la
resistencia de la toma de tierra. ¿En qué punto la tierra que rodea al
electrodo deja de contribuir a la resistencia y se convierte en simple suelo, a
un potencial de cero voltios?
La corriente que circula entre el electrodo y la pica
auxiliar de inyección de corriente provoca una caída de tensión en las
proximidades tanto del electrodo como de dicha pica. Para que la medida de la
resistencia de la toma de tierra sea fiable, la pica auxiliar de referencia de
tensión debe estar fuera de estas dos áreas de influencia.
La curva de la figura 4 muestra la distribución de la
medida de impedancia en relación a la posición de la pica auxiliar de
referencia de tensión. Evidentemente, si esta pica esta en contacto con el
electrodo bajo prueba, la medida resultante será cero, mientras que si el
contacto lo hace con la pica de inyección de corriente, la medida corresponderá
a la suma de las resistencias del electrodo y de esta última pica. Se aprecia
en la gráfica de la figura 4 que para un determinado rango de posiciones de la
pica de referencia, el valor medido no varía. En todos estos puntos estamos
fuera de las mencionadas zonas de influencia, por lo que estos puntos nos
ofrecen la medida correcta de la resistencia del electrodo.
La prueba consiste entonces en la realización de varias
medidas para establecer una curva similar a la de la figura 4. En la parte más plana de la curva es donde se
mide la resistencia de la tierra. En realidad, la curva nunca se
aplana por completo, pero dibuja una pendiente muy suave en la que los cambios
de resistencia son pequeños.
El margen de influencia del electrodo depende de su
profundidad y su área.
Los
electrodos más profundos requieren un mayor alejamiento de la pica de corriente
(véase la tabla 1). En anillos, mallas o series de picas en paralelo, la influencia
del electrodo puede extenderse decenas de metros. La tabla 2 ofrece puntos de
inicio posibles para la colocación de las picas auxiliares de inyección de
corriente y de referencia de tensión.
Debido a la posibilidad de interacción entre los anillos,
mallas o series de picas en paralelo y las picas auxiliares de medida, se
deberá seguir estrictamente el gráfico de caída de potencial, sin ignorar
ningún paso, para garantizar que los resultados obtenidos son precisos.
Al comprobar una serie de electrodos en paralelo, la
resistencia combinada será inferior a la menor de las lecturas obtenidas de
cualquiera de los electrodos individuales. Si, por ejemplo, se trata de dos
picas de 2,5 m con una separación entre sí superior a los 5 m, se puede asegurar
que la resistencia combinada será sustancialmente inferior a la resistencia de
cada pica por separado.
La medida a tres hilos proporciona buenos resultados si
se utiliza un cable C1 corto o si se asume que en la lectura habrá una
imprecisión adicional de una fracción de ohmio por la resistencia del propio
cable. Para medidas de resistencia de tierra superiores a los 10 ohmios, el efecto
de la resistencia del cable C1 resulta inapreciable. Pero en situaciones en las
que las medidas deben ser muy precisas, es decir, dónde se esperan valores de
resistencia de tierra bajos, el método a cuatro hilos permite añadir un cuarto
cable para eliminar la resistencia debida al cable C1. De esta manera se elimina
la caída de tensión en el cable de medida C1, y por tanto su influencia en el
resultado de la prueba.
LA
REGLA DEL 62%
Es
posible reducir el número de medidas a realizar si:
- Se comprueba un electrodo simple
(no una malla ni una placa grande).
- Es posible colocar la pica de inyección de
corriente a una distancia igual o superior a 30 m desde el electrodo que se
está comprobando.
- El terreno es uniforme.
En estas condiciones, se puede colocar la pica de
inyección de corriente a una distancia igual o superior a 30 m del electrodo
que se está comprobando, y la pica de referencia de tensión al 62% de dicha
distancia. Se realiza una medida y, a modo de comprobación, se deben realizar
dos medidas adicionales: una con la sonda de referencia de tensión 1 m más
cerca del electrodo que se está comprobando y otra 1 m más alejada (véase la
figura 6). Si realmente se está en la parte plana de la curva, las lecturas
deben ser prácticamente iguales y se podrá registrar la primera lectura como
valor de la resistencia.
Fig. 6.
Posición de la pica para la regla de 62% y Curva para obtener la pendiente de
Tagg.
Medición de la resistencia de
dispersión
a tierra por el método
de los tres puntos.
El método de medición con el puente de Nippold requiere
el emplazamiento de dos tomas de tierras auxiliares, cuyas resistencias de
dispersión a tierra designaremos como R2 y R3, mientras que la resistencia de
la toma bajo ensayo se denominará R1. En estas condiciones, se miden las
resistencias R1-2, R2-3 y R1-3 comprendidas entre cada par de tomas, utilizando
preferentemente un puente de corriente alterna. Como R1-2 = R1 + R2, R2-3 = R2
+ R3 y R1-3 = R1 + R3; resulta: R1 = (R1-2 + R1-3 - R2-3) / 2 Las resistencias
de cada uno de los electrodos auxiliares deben ser del mismo orden que la
resistencia que se espera medir. Si las dos tomas auxiliares son de mayor
resistencia que la toma de tierra bajo ensayo, los errores en las mediciones
individuales serán significativamente magnificados en el resultado final
obtenido con la ecuación anterior. Para tal caso se recomienda colocar los
electrodos a una gran distancia entre sí. Para las tomas de tierra de áreas
extensas, las que presumiblemente tienen bajos valores de resistencia, se
recomienda que las distancias entre electrodos sean del orden de la mayor
diagonal del área a medir.
Este método resulta dificultoso para instalaciones de
puesta a tierra de grandes subestaciones y centrales generadoras, donde resulta
preferible el método de la caída de tensión.
Medición
de la resistencia de dispersión a tierra por el método de los dos puntos.
Este método resulta de una simplificación del expuesto
precedentemente. En este caso, se mide la resistencia total de la toma de
tierra bajo ensayo y de otra toma auxiliar, cuya resistencia de tierra se
presupone despreciable frente a la primera.
Como
es de esperar, el valor de resistencia que se obtiene de esta manera está
sujeto a grandes errores cuando se usa para medir resistencias pequeñas, pero
en algunas ocasiones es muy práctico para los ensayos "por sí o por
no".
Cuando
se emplea un instrumento de cuatro terminales, las terminales P1 y C1 se
conectan al electrodo a tierra bajo prueba; las terminales P2 y C2 se conectan
a un sistema de tubos de agua completamente metálico. Con un instrumento de
tres terminales, conecte X al electrodo a tierra, P y C al sistema de tubos.
(Figura 7). Si el sistema de agua es extenso (que cubre un área grande), su
resistencia sola debe ser una fracción de un ohm. Después puede tomar la
lectura del instrumento como la resistencia del electrodo bajo prueba.
Fig. 7. Método Directo o
Dos Terminales.
El método directo es la forma más simple de hacer una
prueba de resistencia a tierra. Con este método, la resistencia de dos
electrodos en serie se mide – la varilla enterrada y el sistema de agua.
Pero
existen tres limitaciones importantes:
1. El
sistema de tubos de agua debe ser lo suficientemente grande para tener una
resistencia despreciable.
2. El
sistema de tubo de agua debe ser metálico en su totalidad, sin ningunos acoplamientos
o flanges de aislamiento.
3. El
electrodo de tierra bajo prueba debe estar lo suficientemente lejos del sistema
de tubo de agua para quedar fuera de su esfera de influencia.
En algunos lugares, su electrodo a tierra puede estar tan
cerca del sistema de tubos de agua que no se puedan separar a los dos y dar la
distancia requerida para medición por medio del método de dos terminales. Bajo
estas circunstancias, si se cumplen las condiciones 1 y 2, se puede conectar al
sistema de tubos de agua y obtener un electrodo a tierra adecuado. Sin embargo
como precaución contra cualquier posible cambio futuro en la resistencia del
sistema de tubos de agua también se debe instalar un electrodo de tierra.
MEDIDA DE LA RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA MEDIANTE MEDIDOR TIPO
PINZA.
Este es un
método práctico que viene siendo ampliamente usado para medir la puesta a
tierra en sitios donde es imposible usar el método convencional de caída de
potencial, como es el caso de lugares densamente poblados, celdas subterráneas,
centros de grandes ciudades, etc .
El medidor tipo pinza mide la resistencia de
puesta a tierra de una varilla o sistema de puesta a tierra simplemente
abrazando el conductor de puesta a tierra o bajante como lo ilustra la figura
7.
Fig. 2.8. Medición de la Resistencia de Puesta a Tierra Utilizando
pinza.
El principio de operación
es el siguiente:
El neutro de
un sistema multiaterrizado puede ser representado como el circuito simple de
resistencias de puesta a tierra en paralelo (figura 8). Si un voltaje “E”
es aplicado al electrodo o sistema de puesta a tierra Rx, la corriente “I”
resultante fluirá a través del circuito.
Típicamente los instrumentos poseen un
oscilador de voltaje a una frecuencia de 1.6 kHz y la corriente a la frecuencia
generada es recolectada por un receptor de corriente. Un filtro interno elimina
las corrientes de tierra y ruido de alta frecuencia.
Fig. 2.9. Circuito
equivalente para un sistema multiaterrizado.
La relación entre el voltaje y la corriente
es determinada por el instrumento y desplegada en forma digital. El método está
basado en la suposición de que la impedancia del neutro del sistema
multiaterrizado, excluyendo el electrodo bajo medida, es muy pequeña y puede
ser asumida igual a cero. La ecuación es la siguiente:
Con esta
suposición, la lectura indicada representa la resistencia de puesta a tierra
del sistema o electrodo que se esta midiendo.
El método posee las
siguientes limitaciones:
• La aplicación es limitada a electrodos conectados a sistemas
multiaterrizados de baja impedancia.
• Conexiones corroídas o partidas del neutro del sistema (o cable
de guarda) pueden influenciar las lecturas.
• No es aplicable a sistemas de puesta a tierra aterrizados en
múltiples puntos (torres de transmisión o mallas de subestaciones).
• Ruido de alta frecuencia en el sistema podría influenciar las
lecturas.
Altas resistencias en las conexiones con el electrodo de puesta a
tierra.
MEDICIÓN
DE BAJA IMPEDANCIA DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA POR INYECCIÓN DE CORRIENTE.
El método de la caída de
potencial es el método fundamental para medir la impedancia de tierra en
sistema de puesta a tierra extensa. El método consiste en hacer en fluir una
corriente eléctrica entre el electrodo bajo estudio y el electrodo auxiliar de
corriente remota, C. Mientras que al mismo tiempo mide el voltaje, VS,
del sistema concerniente a un electrodo auxiliar de potencia, P, mostrado en la
Fig. 1.
Fig.
2.10. Esquema de conexión. Método de Inyección de Corriente.
El voltaje, VS, causado por la
corriente, IS, se mide por medio de un instrumento de alta
impedancia, entre el electrodo de corriente y el electrodo de potencial
alejados entre si a una distancia relativamente lejos. Preferiblemente, el
conductor de electrodo de potencial debe extender en ángulo de 90° con respecto
a la línea actual de la inyección para reducir al mínimo el acoplador mutuo
entre si.
La distancia
entre el electrodo de corriente y el electrodo de potencial debe estar
aproximadamente 6.5 veces la extensión del sistema de puesta a tierra bajo estudio
para obtener una exactitud en la medida de la resistencia del 95%. Bajo
condiciones ideales de la tierra perfectamente homogénea y de ningunas
conexiones de tierra extendidas, un espaciamiento de la punta de prueba
ampliado a 50 veces el máximo el sistema dará una exactitud prevista de la
medida de solamente 98.5%.
Con los electrodos corriente y potenciales en la tierra
alejada, y si se asume que las medidas no son influenciadas por el acoplador
mutuo u otra interferencia, la impedancia que pone a tierra se puede encontrar
por Ec 1.
Ec.
1
Las fuentes de inyección de corriente incluyen un
generador de señal más el amplificador de potencia, o un generador de potencia
portátil, o un transformador de impedancia energizado desde una subestación de
de una fuente de bajo voltaje. El rango de corriente se limita de 0.1 a 10 A.
La fuente generadora de señal y el amplificador de potencia permite que las
frecuencias de la prueba se extiendan a partir del 50 a 600 Hz. Los segundos y
terceros métodos permiten corrientes más altas (10 a 100 A o más) pero se
restringen a la frecuencia del sistema de potencia (50 a 70 Hz).
Debido a la gran complejidad que presenta el sistema de
puesta a tierra en las estaciones de pasajeros, se realizara la medida mediante
los siguientes métodos de inyección de corriente:
MÉTODO
DE LA FRECUENCIA AJUSTABLE.
Una de las técnicas más simples de la instrumentación
usadas para la medida de la impedancia, el cual utiliza los equipos encontrados
en la mayoría de los laboratorios de prueba, es el método de la frecuencia
ajustable. En este método, una corriente de CA (0.1-10A) con una frecuencia
cerca de la frecuencia del sistema de potencia se utiliza para medir la
impedancia, Mostrado en la figura 2, el equipo de prueba puede consistir en un
transformador aislado 1:1, Un generador de frecuencia, un amplificador de
potencia, un potenciómetro, M, un voltímetro, y una Resistencia Shunt, RS.
La corriente de prueba se puede medir por un amperímetro, A, o usando un
voltímetro a una frecuencia determinada usando una Resistencia Shunt, RS,
o una punta de prueba corriente que convierta miliamperios a los milivoltios. Medir la corriente con el voltímetro es
particularmente útil para asegurar que las frecuencias del generador de señal y
del voltímetro no sean distintas. También se puede mejora la exactitud usando
el mismo instrumento para medir la corriente y el voltaje. Los requerimientos
de potencia de la fuente de corriente son determinados por la intensidad corriente
de la prueba, la impedancia del cable de prueba de corriente, y la resistencia
del electrodo de corriente remoto (punta de prueba). Para una corriente de
prueba dada, los requerimientos de potencia pueden ser bajados directamente por
la reducción de la resistencia cable. Generalmente, con una fuente de 100 W, de
50-70 Hz serán suficientes. Sin embargo, en la mayoría de los casos, las
corrientes a 10A se pueden obtener con un amplificador de 1.5 kW clasificación
que están disponibles en los comercio.
Figura
2.11. Método de la Frecuencia Ajustable para medir la impedancia.
La magnitud de Vs e Is,
permiten el cálculo solamente de la magnitud de Zg, y no da
ninguna información sobre el ángulo de la fase de la impedancia. Cuando una
corrección para los errores mutuos de la impedancia se requiere, el ángulo de
la fase entre Vs y Is se puede determinar por la técnica
del tres-voltímetro mostrada en el figura 3. El error de medida en esta
determinación puede ser reducido al mínimo seleccionando el valor de la
resistencia Shunt, Rs, para el cual da los valores son aproximadamente
iguales Vs y Vr.
|
Figura 2.12. Diagrama fasorial para el método de los
Tres Voltímetro para la determinación del ángulo de la impedancia.
Si las condiciones lo permiten, se recomienda que la
impedancia sea medida en una frecuencia de prueba tanto por encima y por debajo
de la frecuencia del sistema de potencia. Entonces por la interpolación, la
impedancia del sistema de puesta a tierra la frecuencia del sistema de potencia
puede ser determinada. Después de que una disposición de prueba similar a la
figura 2 se termine, y con la punta de prueba de corriente de la prueba en la
tierra alejada, se recomiendan siguientes:
1)
Explore
la banda de frecuencia sobre y debajo (+/- 10Hz) de la frecuencia del
sistema de potencia para encontrar una ventana de poco ruido de ambiente.
Algunos usuarios de este método han encontrado tal ventana en el rango de 65 -
68 Hz.
2)
Fije
la frecuencia del generador de señal en la frecuencia seleccionada. Afine el
filtro pasa banda a la frecuencia del generador de señal.
3)
Ajuste
la salida del amplificador a la corriente seleccionada (mida el potencial de la
punta 1 a la punta 2 con el voltímetro; una corriente de 0.5 A es a menudo
conveniente). Para obtener la capacidad del amplificador de salida, puede ser
necesario utilizar un Potenciómetro (M en el figura 2) entre el
amplificador y el circuito corriente de la prueba.
4)
Mida
el potencial entre el sistema de puesta a tierra (malla) y el electrodo
potencial alejado, es decir, entre las puntas 3 y 4.
NOTA - un filtro del rechazamiento de la potencia de la
frecuencia se puede requerir delante del voltímetro sintonizable si la malla y
los terminales de componente de potenciales alejados tienen altos voltajes
ambiente del sistema de potencia.
5)
Si
se requiere un ángulo de la impedancia, los voltajes a través de puntas 1-2,
3-4, y 3-1 (los figuras 2 y 3) se pueden
medir durante los pasos de progresión (3) y (4) y el ángulo de la fase Øs en medio contra
y se calculan con Eq 2.