Mediciones de resistividad y resistencia a tierra

Introducción

Existen dos parámetros importantes a la hora de
diseñar y mantener las redes de puesta a tierra: la
resistividad del suelo y la resistencia de la red de electrodos
de tierra. El objetivo de este trabajo es presentar algunos
métodos para llevar a cabo las mediciones de resistividad y
resistencia, que permiten diseñar y verificar los sistemas
de puesta a tierra así como predecir los
mantenimientos.

Para realizar este trabajo se consultaron y analizaron
diferentes fuentes bibliográficas como: recomendaciones
prácticas de la IEEE, publicaciones y manuales de
instrumentos de medición de algunos de
fabricantes.

Generalidades Establecer un buen sistema de
puesta a tierra es de primordial importancia en cualquier
instalación eléctrica por razones de seguridad personal
y, en múltiples ocasiones, resulta imperativo tanto para el
correcto funcionamiento de los equipos eléctricos y
electrónicos como de las protecciones. Por lo tanto, el
sistema de tierra brinda importantes beneficios al evitar
pérdidas de vidas, daños materiales e interferencias
con otras instalaciones.

La puesta a tierra permite y se instala para lograr los
siguientes propósitos:

> Estabilizar las
tensiones de línea con respecto a tierra. La forma de
conexión a tierra puede tener un gran efecto en la magnitud
de las dichas tensiones tanto en condiciones normales como
transitorias.

> Asegurar la
rápida actuación de las protecciones basadas en la
detección de corrientes de fallos que circulan por la
misma.

> Reducir los
gradientes de potencial en la superficie de las subestaciones y
demás instalaciones durante las máximas condiciones de
falla a una magnitud que no sea peligrosa.

> Limitar la
diferencia de tensión que, en un momento dado, puede
presentarse entre estructuras metálicas y tierra a un valor
lo más bajo posible para resguardar al personal en el
área de cualquier choque eléctrico
peligroso.

> Asegurar que las
estructuras que no llevan corriente, tales como armazones de
equipos, estructuras metálicas, etc., estén siempre al
potencial de tierra, aún en el caso de falla del
aislamiento.

> Evitar incendios
mediante el establecimiento de un camino efectivo y seguro para
la circulación de corrientes de falla, rayos, descargas
electrostáticas, etc. eliminando así la posibilidad de
la formación de arcos o el desarrollo de temperaturas
elevadas en proximidades de materiales combustibles o
inflamables.

> Establecer el
potencial de referencia que requieren para su eficiente
operación los equipos y sistemas electrónicos que
integran un mismo sistema, si estos están conectadas entre
sí a tierra simultáneamente.

En las primeras fases de un proyecto tiene que elegirse
el emplazamiento más adecuado para la ubicación de la
red de puesta a tierra, pues de lo contrario se corre el riesgo
de que para lograrlo se requiera un costo de inversión
demasiado grande y quizá no resulte económicamente
práctico. Para ello se hace necesario efectuar la
medición de la resistividad del terreno en las inmediaciones
de la futura instalación.

Para examinar las características del terreno es
conveniente determinar, con un instrumento apropiado, la
resistividad a distintas profundidades o capas del mismo. El
resultado mostrará, por ejemplo, si es más ventajoso
colocar los electrodos de tierra verticales más profundos,
utilizar electrodos horizontales más largos o bien usar
electrodos adicionales.

Existen distintos tipos de electrodos de tierra (por
ejemplo: pletinas, varillas, mallas y placas) que tienen
diferentes resistencias de propagación. Según la
naturaleza del terreno, se seleccionará el tipo de electrodo
más adecuado.

La determinación de la resistividad del suelo
también es útil para otros propósitos como: la
estimación de las tensiones de paso y de contacto, el
cálculo del acoplamiento inductivo entre los circuitos de
potencia eléctrica y de telecomunicaciones y el diseño
de los sistemas de protección catódica.

El sistema de puesta a tierra debe tener una resistencia
total lo más pequeña posible respecto a la tierra de
referencia para que al circular la corriente de falla o del rayo
no se originen tensiones peligrosas que afecten la seguridad
tanto para los seres vivos como para el funcionamiento de las
instalaciones eléctricas. Sin embargo, para proteger una
edificación contra daños físicos la magnitud de
resistencia de la red de puesta a tierra tiene menor importancia.
Lo esencial es que la unión equipotencial a nivel del
terreno sea realizada sistemáticamente y que la corriente
sea distribuida de manera segura en éste.

La resistencia a tierra de una red de electrodos
depende, fundamentalmente, de tres factores: la resistencia de
los propios electrodos, la resistencia de contacto de los
electrodos con el terreno y la resistividad del terreno. La
resistencia de los electrodos es baja ya que son fabricados de
materiales de alta conductividad eléctrica. La resistencia
de contacto también es baja si se garantiza que los
electrodos estén libres de grasa, pintura y similares
así como que estén firmemente enterrados. La
resistividad del terreno es la que presenta el mayor valor de los
tres.

El electrodo está rodeado por semiesferas
concéntricas de terreno del mismo espesor. Las semiesferas
más próximas al electrodo poseen menor área y por
tanto mayor resistencia. Las semiesferas subsiguientes poseen
mayor área y contribuyen con menor resistencia. Habrá
una distancia, teóricamente situada en el infinito, donde
las semiesferas no implican un aumento de la resistencia total
del electrodo.

Supóngase un electrodo puntual situado
superficialmente en un terreno homogéneo de resistividad
p

Fig. 1

Se observa que la corriente va atravesando sucesivamente
capas o semiesferas cuyas resistencias decrecen con el cuadrado
de la distancia. Por ello, la resistencia depende esencialmente
de las capas de terreno más próximas al
electrodo.

Al concluir la instalación de una red de tierra se
debe verificar que su valor se corresponde con el de
diseño.

Con el tiempo, los suelos corrosivos con altos
contenidos de humedad y de sales y altas temperaturas degradan
los electrodos de tierra y sus conexiones. Por tanto, aunque la
red de electrodos cuando fue instalada inicialmente presentaba un
bajo valor de resistencia a tierra, ésta se incrementa si
los electrodos se han desgastado. Por ello, para las redes ya
instaladas, se recomienda comprobar periódicamente si la
resistencia a tierra sobrepasa el valor límite admisible y
si ha influido de alguna manera adversa la edad del sistema o la
naturaleza del terreno.

Resumiendo, en los sistemas de puesta a tierra hay que
manejar y medir correctamente dos parámetros eléctricos
que tienen significados diferentes: la resistividad y la
resistencia. La medición de resistividad es una
prueba al propio suelo. La medición de resistencia es una
comprobación a una red particular de electrodos de
tierra.

Resistividad Definición También llamada
resistencia específica. Es la propiedad de un material de
oponerse al paso de la corriente eléctrica a través de
este, o sea, la dificultad que encuentra dicha corriente al paso
por el material. Su unidad de medida es Ohm por unidad de
longitud [Oxm].

Su parámetro inverso es la conductividad que es la
facilidad que encuentra la corriente eléctrica para
atravesar el material. Este se expresa en Siemens por unidad de
longitud [Sxm].

Un conductor es un material en el que los portadores de
carga son libres de moverse bajo campos eléctricos
estacionarios. En el caso de los sólidos estos portadores
son los electrones.

El parámetro resistividad para el terreno equivale
a la resistencia que presenta un cuerpo del mismo de forma
cúbica o cilíndrica con un volumen de 1 m3 medida entre
dos caras opuestas.

Medición El conocimiento de la resistividad
del terreno es fundamental para el diseño de una red de
puesta a tierra, pues es el factor más importante en la
determinación del valor de resistencia que se desea obtener,
de la profundidad a la cual deben ser enterrados sus electrodos y
del impacto que tiene en la corrosión de los elementos
enterrados. La resistividad del terreno varía ampliamente a
través de las regiones geográficas y con las
estaciones, pues en buena proporción está determinada
por la temperatura y sus contenidos de sales minerales y humedad
que conforman el electrolito a través del cual se produce la
conducción eléctrica. La forma de determinarla lo
más exactamente posible es mediante mediciones directas en
el terreno donde se va a instalar. Por ello, el primer y más
importante paso del proceso de diseño es medir la
resistividad del suelo, pues permitirá llegar a una red de
puesta a tierra clave adecuado y preciso que ahorrará
dinero, esfuerzo y asegurará un comportamiento predecible.
Si no se realiza o es deficiente, el comportamiento del sistema
instalado y, por tanto, la protección de los equipos no
serán efectivos.

Deberá confeccionarse un perfil de resistividad del
suelo. Un perfil de suelo es una colección de mediciones de
resistividad a varias profundidades y direcciones del terreno. El
diseñador podrá entonces con mayor facilidad determinar
la longitud, profundidad y cantidad de electrodos necesarios para
lograr la resistencia del sistema de puesta a tierra
especificada.

Existen varios métodos de medición directa
para conocer la resistividad eléctrica del suelo:

> Por mediciones de
sondeo eléctrico vertical realizadas en la superficie del
terreno. Se analiza un volumen de suelo grande en su estado
natural.

> Por mediciones
efectuadas en el interior con sondeos mecánicos. Se estudia
el suelo con mayor detalle un volumen de suelo más
pequeño en su estado natural.

> En laboratorio
mediante muestras extraídas de afloramientos, sondeos
mecánicos, etc. Abarca un volumen pequeño de suelo
alterado y puede que no sea representativo de este.

Los métodos más utilizados son los de sondeo
eléctrico vertical de Wenner y Schlumberger.

Método Wenner o de 4
puntos

Este método fue desarrollado por Frank Wenner y
publicado en la Scientific Paper of the Bureau of Standars
Nº 258 de 11 de octubre de 1915, siendo el más
efectivo y utilizado en la actualidad para la medición de la
resistividad del terreno.

El método consiste en establecer la
circulación de una corriente conocida desde un generador de
corriente constante entre dos electrodos hincados en el suelo y
medir la caída de tensión presente, debida a esta
corriente, entre otros dos electrodos. Los cuatro electrodos son
equidistantes con separación a y en
línea recta.

La disposición habitual es con los dos electrodos
de corriente en los extremos, como se indica en la
figura.

Fig. 2

La resistencia medida resultante (R) permite
determinar la resistividad (>) buscada por la
fórmula: > = 2paR Otras disposiciones de los
electrodos permiten obtener (>) de acuerdo a la
siguiente tabla:

Tabla 1

Método simétrico o de
Schlumberger

Es una variante del método de Wenner que se utiliza
cuando los electrodos auxiliares no pueden clavarse a intervalos
regulares.

Los cuatro electrodos de referencia se hincan en el
terreno formando una línea recta, cada par (potencial y
corriente) se ubica de forma simétrica respecto al centro de
medición escogido. Los electrodos se separan a distancias
relativamente grandes respecto a la profundidad de enterramiento,
de modo que éstos funcionen como fuentes puntuales de
corriente.

Fig. 3

s es la separación entre electrodos
de potencial L es la distancia del centro de
medición a los electrodos de corriente.

El comportamiento de > con la separación de los
electrodos proporciona una guía para la determinación
de las características de resistividad del
terreno.

La relación entre la distancia L y la
profundidad del terreno (h) a la cual se está midiendo
es:

Adicionalmente, los instrumentos de medición
utilizados para efectuar los sondeos geoeléctricos del suelo
y para la planificación de puestas a tierra, casi siempre
permiten medir las resistencias óhmicas de conductores
sólidos y líquidos o las resistencias interiores de
elementos galvánicos, cuando estén libres de
inducción y capacidad.

RESISTENCIA Definición Es la caída de
tensión experimentada al circular la unidad de intensidad de
corriente a través del elemento de un circuito. La unidad de
medida es [ O].

La resistencia está determinada por la resistividad
del material y su geometría.

Medición

Tanto los fabricantes de equipos tecnológicos como
las agencias reguladoras prestan gran interés en las
mediciones de la resistencia de puesta a tierra del sistema
instalado antes de otorgar su aprobación de
operación.

En los sistemas ya existentes tiene que medirse y
evaluarse este parámetro con el objeto de determinar si se
requiere de su actualización para proteger a los equipos
instalados o a los nuevos que se instalarán.

Antes de comenzar las mediciones, es necesario
establecer cuál será el método más adecuado a
emplear, pudiendo ser: el de caída de potencial, la
regla del 61,8 %, el de la pendiente y de
intersección de curvas así como comprobar las
resistencias de los cables y de contacto de picas.

En el instrumento de medición existen bornes de
inyección de corriente (C) y de medida de potencial (P).
Para compensar la resistencia de los cables a utilizar se
unirán C1 con P1 y C2 con P2, se conectará el cable de
medida entre las uniones anteriores y se hace la lectura de la
resistencia del mismo. Este valor será el que habrá que
deducir de las lecturas de resistencia a tierra que se
obtendrán en las mediciones posteriores. El único que
interviene y afecta la medición es que va desde la
unión C1 – P1 hasta el punto de medición.

Para lograr que la resistencia de contacto de las picas
sea la mínima posible, será suficiente emplear unas
picas auxiliares redondas de acero de 400 mm de longitud y 14 mm
de diámetro. Aunque el valor de esta resistencia no influye
en la medición sí afecta a la sensibilidad del
instrumento.

Es prudente que el electrodo bajo prueba no esté en
conexión con el sistema que protege, puede ser peligroso en
caso de fallo.

Método de caída de
potencial

Este es el método clásico utilizado para la
mayoría de los sistemas de tierra y no se utilizará
cuando los mismos cubran una gran área. Para efectuar esta
medición se requiere hincar 2 electrodos auxiliares en el
terreno. La corriente generada por el instrumento es inyectada
entre el sistema bajo prueba y el electrodo auxiliar C. La
caída de potencial a través del suelo es medida entre
el sistema bajo prueba y el electrodo auxiliar P.

Fig. 4

a) Conectar el sistema bajo prueba (E) a los terminales
C1 y P1 del instrumento.

b) Llevar el electrodo auxiliar de corriente C tan lejos
como sea posible de E y conectarlo al terminal C2 del
instrumento.

c) Llevar el electrodo auxiliar de potencial (P) a mitad
de la distancia entre E y C, sobre la recta que les une y
conectarlo al terminal P2 del instrumento.

d) Realizar la medición, siendo ésta la
resistencia R1.

e) Poner el electrodo auxiliar (P) a una distancia igual
al 40% de E-C desde E y tomar una segunda lectura,
(R2).

f) Poner el electrodo auxiliar P a una distancia igual
al 60% de E-C desde E, y tomar una tercera lectura
(R3).

g) Calcular el valor medio de resistencia (Rmedia) a
partir de R1, R2 y R3.

h) Restar a R2 y a R3 el valor medio y expresarlo como
un porcentaje de la Rmedia.

i) Si el porcentaje es < 20 % que la precisión
requerida del resultado, entonces la Rmedia puede ser tomada como
la resistencia de tierra, con esta precisión.

j) Si no es así, entonces colocar C más lejos
de E o usar el método «de la
pendiente».

Para una medición más exacta de la resistencia
del sistema bajo prueba E, el electrodo de corriente auxiliar C
se coloca suficientemente alejado de éste de manera que el
electrodo auxiliar de potencial P esté fuera de las
áreas de resistencia efectiva de ambos electrodos. La mejor
manera de conocer si el electrodo P está fuera de las
áreas de resistencia efectiva es desplazarlo entre E y C en
ambas direcciones, tomar una lectura en cada sitio y trazar la
curva de resistencia provocada por la "caída de potencial".
La curva trazada debe tener una zona plana, la variación de
las lecturas es mínima y la verdadera resistencia se mide
ahí. Si el electrodo auxiliar de potencial P no está en
esta área de resistencia efectiva, al desplazarlo las
lecturas de resistencia de tierra tomadas variarán
notablemente; por tanto, se podrá determinar un valor exacto
de la misma.

Cuando se trata de medir un único electrodo de
tierra, el electrodo C puede normalmente ubicado a 15 m y el
electrodo P a 9.45 m del electrodo bajo prueba. Con una
pequeña red de dos electrodos, C puede ubicarse
aproximadamente entre 30.5 y 38 m y el electrodo P
aproximadamente entre 18.9 y 23.7 m de los electrodos bajo
prueba. Para sistemas de tierra más extensos compuestos de
varias varillas o placas en paralelo se requiere que la distancia
a C se aumente hasta 61 m y a P hasta 38 m. Sin embargo, para
sistemas grandes y complejos formados por una gran cantidad de
electrodos y placas que cubren una gran área refiérase
a la tabla. La dimensión máxima es la distancia
diagonal del área del sistema de electrodos.

Tabla 2

Método del 61,8
%

Si se conoce el centro eléctrico del sistema de
puesta a tierra, entonces se puede realizar la medición
utilizando este método.

Comprende el sistema de puesta a tierra a ser medido y
dos electrodos de auxiliares eléctricamente independientes.
Inicialmente, se sitúa el electrodo P al 61,8% de la
distancia E-C a partir de E. El instrumento hace circular una
corriente entre el electrodo C (exterior) y el sistema bajo
prueba E, mide la tensión entre éste y el electrodo P
(intermedio) y ofrece de una lectura de resistencia obtenida
mediante el cálculo de la relación
tensión-corriente (Ley de Ohm: R = U/I).

Cuando se realiza la medición, tiene que
posicionarse el electrodo C suficientemente alejado del sistema
bajo prueba E tal que el electrodo P descanse fuera de las
áreas de influencia de ambos. Si C está demasiado
cerca, las áreas de resistencia se solaparán y
habrá una variación de la R medida en función del
desplazamiento de P. Para comprobar si P ha sido correctamente
posicionado, deben hacerse dos mediciones adicionales: desplazado
P el 10% de la distancia en la dirección hacia el electrodo
C (72 %) y desplazado P el 10 % de la distancia en la
dirección hacia el sistema de tierra bajo prueba E (52 %).
Se registrarán los valores que resulten de cada una de las
tres mediciones de resistencia. El valor que determina la R
será el que se obtenga cuando para las mediciones
correspondientes a las diferentes posiciones de P resulten casi
iguales, o sea, inferiores a tolerancia porcentual definida por
el usuario; normalmente: ±2%, ±5% y ±10%. Esto
quiere decir que las lecturas caen en la región de
"meseta".

Desgraciadamente no hay una regla exacta para determinar
la distancia requerida entre electrodo de tierra bajo prueba y el
electrodo auxiliar de corriente. Esto se debe a que las
condiciones del suelo son muy variables. En general, basado en
numerosos estudios, se utiliza una distancia mínima de cinco
veces la dimensión máxima del electrodo de tierra (el
largo para el caso de los verticales o la diagonal para los casos
de placa o malla).

Fig. 5

Si la diferencia es pequeña, los electrodos se han
posicionado correctamente y R se obtiene promediando los tres
resultados. Si la diferencia es grande, los electrodos se han
posicionado incorrectamente (muy próximos al sistema de
tierra, muy próximos entre sí o muy próximos a
otras estructuras que interfieren) y, por tanto, hay que
reubicarlos nuevamente a una separación mayor o en una
dirección diferente y repetir las tres
mediciones.

Método de los tres puntos o
de triangulación

En este método existen influencias marcadas por
objetos metálicos enterrados y no existe forma de
eliminarlas. Tampoco es efectivo a la hora de evaluar valores
bajos de resistencia o valores muy altos de resistividad del
terreno donde la resistencia de contacto de los electrodos sea
apreciable. Por estas razones, este método es poco
utilizado; sin embargo, puede ser útil cuando existen
limitaciones de espacio por la existencia de obstáculos
intermedios que no permitan alejar suficientemente el electrodo C
y no se puede colocar los electrodos en línea recta para
realizar la medición con el método de caída de
potencial.

En este método se utilizan 2 electrodos auxiliares
con resistencias Ry y Rz, respectivamente. Estos electrodos se
colocan de forma tal que conformen un triángulo con el
electrodo de la PAT. Se miden las resistencias entre cada par de
electrodos y se determina la resistencia Rx de la PAT, mediante
la ecuación:

x 2 donde R1, R2 y R3 quedan
determinadas por las siguientes ecuaciones:

Rx + R y
+ 0 = R1

Rx + 0 + Rz = R2

0 + R y +
Rz = R3

Fig. 6

De manera práctica, este método de
medición puede emplear con el medidor de resistencia a
tierra procediendo del siguiente modo. Se coloca el electrodo
auxiliar P deslazándolo de manera ortogonal respecto al
centro de la línea virtual entre el punto de tierra a medir
E y el electrodo de referencia C, de manera que formen un
triángulo equilátero (si es posible). Al hacer esto, el
punto P se traslada fuera del área de influencia del
electrodo auxiliar C y del sistema de PAT a medir.

Los electrodos auxiliares se clavan en el terreno de
modo tal que queden lo suficientemente alejados entre sí y
no se solapen las áreas de influencia de cada
uno.

Fig. 7

Efectuar una primera medición con P1 en una
posición y una segunda medición con P2 en la
posición opuesta.

Si los valores son muy diferentes, el electrodo P se
encuentra en una zona de influencia y habrá que aumentar las
distancias y rehacer las mediciones. Si los valores están
próximos, la medición se considera correcta.

Método de la
pendiente

Cuando el método de la caída de potencial no
ofrece suficiente precisión, se trate de medir en sistemas
de puesta a tierra que cubren una gran área (como los de las
subestaciones eléctricas donde puede ser impráctico la
obtención de las distancias requeridas para los electrodos
auxiliares P y C y la curva de resistencia trazada no
tendría un área plana) o se desconoce la posición
del centro de la puesta a tierra, entonces podrá utilizase
el método de la pendiente.

La forma de conexión del equipo de medición es
como en el método de caída de potencial, con la
diferencia de que se hace un barrido más completo con el
electrodo auxiliar de potencial P entre el electrodo de tierra
bajo prueba E y el electrodo auxiliar de corriente C. Se realizan
tres mediciones y se calcula un valor mediante la inserción
de estos resultados en una fórmula.

a) Conectar C1 y P1 al electrodo bajo prueba
(E).

b) Tomar lecturas situando la electrodo auxiliar P a las
distancias: 20%, 40% y 60% desde el electrodo E. Estas lecturas
son los valores de R1, R2 y R3 respectivamente.

Para mayor exactitud se pueden hacer mediciones al 90%,
80%, 70% de E-C, obteniendo también los valores R1, R2 y
R3.

Los valores R2 y R3 son similares a los hallados en el
método de "caída de potencial". Sin embargo, ahora con
estos valores en lugar de calcular el promedio, se halla el valor
&µ.

c) Cálculo de:

R2 – R1 d) Multiplicar PT/C por E-C y obtener la
distancia EP. (Para el valor de &µ aparece un valor de
PT/C en la tabla).

e) Poner el electrodo auxiliar de potencial a la
distancia EP hallada y tomar la lectura. Esta es la resistencia
de tierra del sistema bajo prueba y será el resultado
final.

f) Repetir el procedimiento variando E-C. Comparar los
resultados de las dos pruebas.