Resistividad Del Terreno PDF

 

CURSO SPT CIMEMOR - RESISTIVIDAD

  RESISTIVIDAD RESISTIVIDA D DEL TERRENO

Generalidades La resistividad eléctrica del suelo en la vecindad de los elementos que integran los sistemas de puesta a tierra, constituye uno de los parámetros más críticos en su operación. Esto se debe a la gran influencia de la resistividad del terreno sobre el valor de la resistencia de puesta a tierra y, en consecuencia, sobre las variaciones del potencial del suelo en la vecindad de las instalaciones al momento de circular la corriente anómala o indeseable. El objetivo central del análisis de los sistemas de puesta a tierra es limitar estos dos parámetros parámetro s a valores seguros. La resistividad eléctrica o resistencia específica del suelo, es la resistencia de un volumen que tenga un área con sección transversal y longitud unitarias. Figura 1.

FI GURA 1 ARRE GLO BÁSICO PARA LA MED I CIÓN DE DE RE SISTIVI D AD

Dr. Arturo Galván Diego.

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De la ecuación:  R

=  ρ

 L  A

 

Despejando ?: ρ

=  R  A = ohms longxlong    = ohms ⋅ long    L

long 

En el sistema métrico: ?= R=  A = L=

Resistividad del terreno en Ohms Ohms-metro -metro (Ωm) Resistencia en Ohms (Ω) Área de la sección transversal en m2  Longitud en m.

La resistividad del terreno, para propósito de diseño y evaluación de los sistemas de puesta a tierra, debe ser determinada a partir de mediciones en campo, las que requieren una interpretación adecuada. Considerando que la resistividad del terreno varía significativamente tanto en el sentido lateral como en la profundidad, los valores que se miden en campo para una condición particular, se designan como “resistividad aparente” y son característicos de cada sitio del área bajo estudio. Consecuentemente, para propósitos de diseño, es necesario adoptar un modelo práctico, simple o complejo, el cual permita evaluar en forma confiable los parámetros que definen el comportamiento de los sistemas de puesta a tierra (resistencia de puesta a tierra y variaciones del potencial del terreno en la vecindad de los sistemas de puesta a tierra).

Composición del suelo La composición geológica del suelo a profundidad es usualmente compleja y diferente de un sitio a otro. En particular la composición del suelo cercano a la superficie de la tierra está determinada por una mezcla de elementos de sílice como son el cuarzo, las arenas, la arcilla y la graba combinados con alguno o varios metales. Los silicatos son el principal elemento constitutivo del suelo y en particular éste es un elemento con buenas propiedades aislantes. Por tanto, la conductividad del suelo proviene de sales minerales y de la cantidad de agua que complementa la composición del suelo. Otro factor importante en las propiedades conductoras del suelo es el volumen, particularmente si consideramos que aun los semiconductores Dr. Arturo Galván Diego.

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pueden permitir el paso de grandes cantidades de corriente, siempre que la sección transversal por la que circula sea lo suficientemente grande, y dentro de este contexto, la tierra, debido a sus dimensiones, es prácticamente ilimitada. Conociendo la naturaleza de la composición del suelo a profundidad, es posible evaluar a partir de estudios geotécnicos la composición del terreno y el nivel del manto freático, y de una forma aproximada mediante clasificaciones genéricas la conductividad del suelo. Desafortunadamente, los tipos de suelo no se pueden definir claramente. Por ejemplo, la palabra arcilla puede involucrar tipos de suelo con resistividad del terreno variable en una amplia gama. Debido a esto, no es recomendable determinar las características de conductividad del terreno exclusivamente a partir de clasificaciones genéricas como la indicada en la Tabla 1.

FI GURA 2 COMPO COMPOSICI SICI ÓN TÍPI CA DEL SUELO

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Tabla 1 VALORES GENÉRICOS DE LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO PARA  ALGUNOS TIPOS DE SUELO. Tipo de suelo

Resistividad Resistiv idad ( Ωm)

Tierra vegetal

5 a 50

 Arcillas

10 a 100 1 00

 Arcillas mezcladas mezcl adas con arena y/o graba

100 a 1000

Roca Ro ca

200 a 10000

Variaciones de la resistividad del suelo La resistividad del suelo se eleva considerablemente cuando el contenido de humedad se reduce a menos del 15% del peso de éste. La cantidad de agua en el suelo depende del tamaño de las partículas y de su compactación. Sin embargo, como se muestra en la Figura 3, curva 2, la resistividad se afecta muy poco una vez que el contenido de humedad excede ex cede el 22%. La curva 3 de la Figura 3 muestra la variación típica de la resistividad del suelo, con respecto a la temperatura para un terreno arcilloso que contenga 15.2% de humedad por peso. El efecto de la temperatura sobre la resistividad del suelo, puede considerarse despreciable despreciab le para atemperaturas del punto de congelación. A 0ºC el agua en el suelo se empieza congelar y laarriba resistividad se incrementa rápidamente. La composición y la cantidad de sales solubles, ácidos o alkalis presentes en el suelo, pueden afectar considerablemente su resistividad. La curva 1 de la Figura 3, ilustra el efecto típico de la sal común (Cloruro de Sodio), sobre la resistividad del suelo al contener 30% de humedad por peso.

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FI GURA 3 PARÁMETROS QUE AFE CTAN LA RESI ST STII VI DAD

Otro elemento que afecta en forma importante la resistividad del terreno esta formado por la no homogeneidad del suelo, lo que explica el hecho de tener valores diferentes de resistividad en direcciones diferentes sobre la superficie y a diferentes profundidades sobre una misma dirección.  A partir de este planteamient planteamiento, o, resulta claro que la representación de la resistividad del sueloa para un análisis de riguroso de la circulación de corriente es complicada, debido la multiplicidad situaciones que determinan la composición y el comportamiento del suelo como conductor. Sin embargo, el conocimiento de la composición del suelo y su representación mediante un modelo característico de su comportamiento ante la circulación de corriente transitoria, resulta de gran utilidad para establecer las condiciones de operación de los sistemas de protección contra tormentas eléctricas como c omo parte integral de su trayectoria.

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Efecto del gradiente de tensión La resistividad del suelo no se afecta por el gradiente de tensión, a menos que éste exceda un cierto valor crítico. El valor, algunas veces varía con el tipo de material del suelo, generalmente tiene una magnitud de varios var ios kV/cm. Una vez excedido, se desarrollará un arco en la superficie del electrodo que avanzará hacia tierra a fin de incrementar el tamaño efectivo del electrodo, hasta que los gradientes son reducidos redu cidos a valores que el material del d el suelo pueda soportar. Debido a que el sistema de puesta a tierra, para el caso de una subestación, se diseña para cumplir con criterios más rigurosos de límites de tensión de paso y de contacto, el gradiente puede suponerse que está por debajo del valor crítico.

Método de medición Considerando las limitaciones que plantea la clasificación de la resistividad del terreno a partir de aproximaciones genéricas (Tabla 1), se han desarrollado procedimientos para caracterizar la conductividad del terreno con el propósito de evaluar en forma más adecuada la oposición a la circulación de la corriente eléctrica a través del suelo. Entre los métodos planteados destaca por su simplicidad y eficacia el de Frank Wenner, el cual es también conocido como método de los cuatro electrodos. Existen instrumentos comerciales adecuados para la ejecución de las mediciones de la resistivida resistividad d del terreno, mediciones que deben realizarse dentro del área de interés inter és para la instalac instalación ión en evaluación o dis diseño. eño. El procedimiento de medición utiliza cuatro electrodos auxiliares enterrados sobre una línea recta y a una distancia uniforme entre ellos como se ilustra en la Figura 4. Una fuente de corriente, entre los produce electrodos inyecta una corriente a tierra. El flujo de conectada esta corriente a tierra unaexternos, variación del potencial en el terreno, dando como resultado, que sobre la posición de los electrodos internos exista una diferencia de potencial diferente de cero, debido a la corriente inyectada por la fuente del instrumento de prueba. La relación entre la diferencia de potencial de los electrodos internos y la corriente inyectada inyectada,, corresponde con la resistividad del suelo.

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I

P a

a

a

I I I

P

 

P

 

I  b

 

a a a

FI GURA 4 M É TODO DE LOS CUATRO E LE CTRODOS

En forma práctica, el método se puede resumir en lo siguiente: i)

Seleccionar un eje de referencia sobre el suelo para efectuar las mediciones.

ii) ii )

Colocar los cuatro electrodos auxiliares como se indica en la Figura 4.

iii) ii i)

Inyectar una corriente a tierra a través de los dos electrodos externos.

iv) iv)

Medir y obtener la relación entre la diferencia de pot potencial encial de los dos electrodos interiores y la corriente inyectada a través de los electrodos exteriores.

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  v)

Repetir los puntos ii, iii y iv para distancias diferentes entre electrodos de prueba. pru eba.

Para este arreglo y procedimiento de medición, la resistividad del terreno esta dada por:

ρ

4π aR

= 1+

2a a

2

+ 4b 2

−

 

2a 4a

2

= 4πaR   n

+ 4 b2

En donde: donde : a = distancia entre los electrodos, (m) b = profundidad de los electrodos, (m) R  =  = resistencia resultante del cociente V/I, (Ω ) 

erreno (Ωm) ρ = resistividad del tterreno Para condiciones prácticas en las que se mantiene la desigualdad b < a/20, la distancia entre electrodos auxiliares es mucho mayor que la profundidad a la que se entierran, por lo que la ecuaci ecuación ón anterior puede sim simplificarse plificarse de la siguiente manera:

ρ = 2 π a R Para b = a/5 , el denominador de la fórmula es igual a 1.8763, lo que implica un error de menos del 5% para el cálculo de la resistividad. El valor de la resistencia resultante del cociente de V   e I , usualmente se obtiene directamente en los instrumentos utilizados para este tipo de mediciones. El método se complementa al realizar varias mediciones para pa ra diferentes distancias entre elec electrodos. trodos.

Resistividad aparente del suelo La interpretación de las mediciones de la resistivida resistividad d del terreno obtenidas en campo constituye uno de los problemas importantes dentro del conocimiento de los sistemas de puesta a tierra. En la práctica es poco usual encontrar una recta horizontal como curva de resistividad del suelo en función de la separación entre electrodos, debido a la presencia de diferentes materiales que constituyen las capas para diferentes Dr. Arturo Galván Diego.

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profundidades, cada una de ellas con valores diferentes de resistividad y con variaciones laterales. Con base en este comportamiento físico de las características del terreno, es común en la práctica utilizar, para representar la variación de la resistividad con la distancia entre electrodos de prueba, el concepto de resistividad aparente del suelo, teniendo como resultado, una curva de la resistividad en función de la separación entre entr e electrodos de prue prueba. ba. La representación, para propósitos de análisis, de los resultados de las mediciones de resistividad del terreno, considerando los casos típicos encontrados, conducen a adoptar modelos conocidos como de resistividad homogénea y de resistividad heterogénea . Resistividad homogénea homogéne a

Si la curva de la resistividad aparente presenta variaciones dentro de una banda de