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MEDIDAS ELECTRICAS Y ELECTRONICAS...

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La finalidad de poner a potencial de tierra, un equipo o estructura metálica es de extrema importancia, ya sea para su funcionamiento como para la prevención de accidentes fatales, puesto que en el caso de una falla del aislamiento de un equipo eléctrico, la descarga se produce a través de la conexión de puesta tierra y no a través de una persona que se encuentre en contacto con la instalación mencionada. En esta práctica el estudiante podrá medir la resistencia de un terreno y seleccionar el punto adecuado para la instalación antes mencionada.

Medir la resistencia eléctrica de un terreno por medio del telurímetro.

2.1 MEDICIÓN DE RESISTENCIA DE PUESTA TIERRA La medida del valor ohmico de una puesta tierra generalmente se efectúa por dos razones:

Para comparar el valor, antes y después de la instalación de puesta a tierra de un equipo eléctrico, con el valor especificado en su diseño.

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Para mantenimiento de la puesta a tierra y confirmar que su valor no ha aumentado ostensiblemente respecto al valor de diseño. El método más usual para la medición de resistencia puesta tierra es conocido como "método de caída de potencial", para este es necesario un medidor portátil de resistencias a tierra para pequeñas y medianas puestas a tierra. Para comprender mejor la medición de puesta a tierra, es necesario conocer la distribución de potencial entre dos electrodos enterrados y separados cierta distancia, como se ilustra en la figura 1 y la distribución en un solo electrodo enterrado, la cual se ilustra la figura 2. Figura 1. Distribución de potencial entre dos electrodos enterrados.

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Figura 2. Distribución de potencial en electrodo enterrado.

Si se toman los electrodos como semicirculares, las curvas de la figura 1 y 2 se pueden expresar como sigue:

V pt

I 1 1   2  x x

(Ec. 1)

La ecuación 1 es válida para la curva de la figura 1.

V pt

I 2 x

(Ec. 2)

La ecuación 2 es válida para la curva de la figura 2. Donde: Resistividad del terreno en I

m

Corriente a través de los electrodos en (A)

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x, x

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Distancias entre los electrodos en (m)

Como se observa en la figura 1, el potencial pasa por cero, lo cual no ocurre en la figura 2, donde el potencial cero se consigue a una distancia y idealmente infinita. 2.2 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UN TELURÍMETRO El telurímetro es el instrumento utilizado en la medición de resistencias de puesta a tierra, pueden existir diferentes estilos pero en esencia el circuito equivalente del aparato es el mismo para todos, con unas ligeras variaciones, el circuito equivalente es esencialmente el presentado en la figura 3. Figura 3. Circuito equivalente del telurímetro.

Si se varía la resistencia R x para que la tensión desde dada por el galvanómetro G sea nula se tiene:

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V

Rx

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pt

V pt nI

nIR

x

(Ec. 3)

(Ec. 4)

R pt

Donde:

V pt

Tensión de puesta a tierra.

R pt

Resistencia de puesta a tierra.

n Relación de transformación del transformador de intensidad. Entonces la resistencia fijada por R x , es la resistencia de puesta a tierra. Como se observa en la figura 1, si la distancia entre E y C es bastante grande, cerca del centro de esta distancia aparece una zona de bajo gradiente de potencial, pero sí se clava un electrodo p cerca del centro entre E y C, la caída de tensión será muy similar a la de la ecuación tres, pero variando Rx .

V pt

VEP ;

V EP

nIR x

(Ec. 5)

Por otro lado, si la distancia entre E y C no es suficiente, el área equipotencial no aparece como la curva de la figura 1, lo que dificulta la medición. Generalmente la distancia recomendada aproximada para electrodos de mayor tamaño deberá ser como mínimo 5 o más veces su longitud. Generalmente los telurímetros utilizan más fuentes de medición (V0 ) alternas (senoidal o cuadrada), para evitar la polarización entre los electrodos y la tierra (fenómenos electrolíticos) suministrando lecturas erróneas, por el uso de fuentes de corriente continua como V 0 , la resistividad del terreno es una de las variables más influyentes sobre la

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medición de la resistencia de puesta tierra, ésta usualmente debe ser baja. Existen casos donde la resistividad es muy alta, y es en estos donde se preparan tierras químicamente, para disminuir considerablemente la resistividad de los terrenos que servirán como emplazamiento de una puesta a tierra en particular. En la tabla 1, se muestran algunas resistividades específicas medias de distintos terrenos. Tabla 1. Valores medios de algunas resistividades específicas de la tierra. Clases de suelo Piso pantanoso

Piso arcilloso

Arena húmeda

Grava húmeda

Arena o grava seca

Piso rocoso

30

100

200

500

1000

3000

Resistividad específica

m

2.3 REQUISITOS PRELIMINARES

Conocimiento del manual de instrucciones del telurómetro (KYORITSU Mod 4102, ERASMUS ERT-1000) a utilizar, mostrado en la figura 4. Conocimiento de las resistividades de diferentes terrenos y tierras preparadas para puestas a tierra. 2.4 PRECAUCIONES Para el Telurómetro análogo: No toque con las manos las terminales E y C o E y P, puesto que entre estas se presenta un voltaje de 130 VDC durante la medición o cuando el botón “SIMPLIFIED MEAS” está presionado, también el voltaje se presenta entre P y C cuando el botón “BATT OFF CHECK” está presionado. Después de usar el medidor presione el botón“BATT OFF CHECK” para desactivar los demás botones y no causar daños posteriormente. Cuando se conecten los cables a las respectivas terminales, procure que éstos no estén entrelazados entre sí y que se mantengan separados durante la medición puesto que

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las medidas pueden verse afectadas por inducciones de voltaje o corriente. Utilicé guantes y zapatos aislantes (preferiblemente de suela de goma) y sea aún más estricto para mediciones en terrenos húmedos. Procure desconectar el electrodo del sistema eléctrico bajo prueba, y retirar toda clase de metales enterrados paralelamente a la dirección de prueba. Revise que el aislamiento de los cables de conexión al instrumento están en óptimas condiciones. Antes de utilizar las barras sírvase enseñar las conexiones al profesor de la asignatura. 2.5 AUTOEXAMEN a. ¿Por qué es necesaria la medición de resistencia de puesta tierra? b. ¿En qué consiste el método de caída de potencial para la medición de resistencia de puestas a tierra? c. ¿Qué quiere decir, bajo gradiente de potencial? d. ¿Qué fenómenos electrolíticos aparecen para uso de corriente continua con V0 ? e. ¿Qué es la resistividad específica de un terreno y cuáles variables incluyen en ella?

Tabla 2. Equipos. Cantidad 1 1

Elemento Telurímetro Análogo de tres terminales Telurímetro Digital de cuatro terminales

Observación KYORITSU Mod. 4102 ERASMUS ERT-1000

Tabla 3. Materiales. Elemento Cantidad 3 Barra o varilla delgada de cobre 1 Decametro 1 Martillo

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Observación 1.5 m de longitud

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4.1 MEDIDA DE LA RESISTIVIDAD APARENTE DEL TERRENO- MÉTODO WENNER1 1) Use el telurímetro digital, y realice el montaje de la figura 4, enterrando las cuatro picas separadas inicialmente a una distancia “a” de 1 m (un metro) entre ellas, con cuidado de no dañarlas si el terreno presenta piedras superficiales o está muy duro. Figura 4. Conexión del telurímetro- Método Wenner.

2) Una vez conectadas las picas, realice la inyección de corriente al sistema, manteniendo pulsado el botón “TEST”, del telurímetro, un tiempo prudente mientras se estabiliza la medida. 3) Consigne los datos en una tabla cuyo modelo es el de la tabla 4. 4) Separe las picas a distancias “a” de 2m, 3m, 4m, 5m, 6m, 7m. y repita el procedimiento descrito en lo numerales 2 y 3. 4.2 MEDIDA DE LA RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA 4.2.1 Telurímetro Digital 1

El Telurímetro análogo al ser un dispositivo de tres terminales solo va a permitir medir la resistencia de puesta a tierra 56

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1) Emplee el cable rojo de tres terminales, diseñado para unir los bornes de corriente y tensión, y realice el montaje de la figura 5, realizando una separación de los C1-P1 con C2, de 15 m. Figura 5. Conexión del Telurímetro.

2) Para construir la curva de caída de potencial, clave la pica de potencial 2P a distancias de 1 y tome las lecturas correspondientes a cada una de estas separaciones y consigne sus valores en una tabla cuyo modelo es la tabla 5. 3) Para la regla del 63%. Estime el 62% de la separación de los electrodos C1 -P1 con C2, entierre el electrodo P 2 a esta distancia y mida el valor de R pt 4) Para el método de la pendiente, entierre el electrodo P2 a las distancias correspondientes al 20% , 40% y 60% y a cada distancia, mida el valor de Rpt

, consígnelo en la tabla 6.

Obtenga el valor de µ y luego el valor de k de la tabla 39 suministrada por el docente. Entierre el electrodo P 2 a esta distancia y mida el valor de Rpt

4.1 Telurímetro Análogo: 1) Verifiqué las condiciones de uso de la batería del telurímetro a utilizar, presionando el botón “BATT OFF CHECK”, si la aguja se flecta hasta la posición “GOOD”, está en buenas condiciones, sino sucede, se deben reemplazar las baterías.

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2) Ajuste del cero de la aguja del medidor destapando el tablero plástico y girando el tornillo de ajuste con un destornillador, hasta lograr que la aguja se detenga justamente en el cero de la escala, como se observa en la figura 7. Figura 6. Telurímetro KYORITSU Mod 4102.

Fuente: INSTRUCTION MANUAL, KYORITSU EARTH RESISTANCE TESTER, MODEL 4102 Kyorytsu electrical instruments works, ltda. Tokyo, Japon.

Figura 7. Ajuste de cero del Telurímetro.

Fuente: INSTRUCTION MANUAL, KYORITSU EARTH RESISTANCE TESTER, MODEL 4102 Kyorytsu electrical instruments works, ltda. Tokyo, Japon.

3) Realice el montaje de la figura 5 (o bien la figura 8), y repita los procedimientos 2 a 4, realizados para el telurímetro digital. 4) Consigne los valores en las tablas indicadas.

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5) Para realizar las mediciones oprima el botón“BATT OFF CHECK”, si la bombilla “OK” se ilumina, las conexiones P y C están correctamente instaladas y la resistencia a tierra está dentro del límite de tolerancia de menos de 20 k , para este aparato. Si la bombilla no ilumina, el terreno puede estar por encima del nivel posible de medición o los cables de conexión, rojo y amarillo están dañados o mal instalados, si la resistencia en este terreno es mayor a la tolerancia cambie de escenario o humedezca el terreno y nuevamente conecte todo el sistema anteriormente descrito. Éste sistema no se debe conectar en terrenos asfaltados o demasiado pedregosos y/o arenosos.

Figura 8. Conexión del telurímetro a las barras e, p y c.

Fuente: INSTRUCTION MANUAL, KYORITSU EARTH RESISTANCE TESTER, MODEL 4102 Kyorytsu electrical instruments works, ltda. Tokyo, Japon.

6) El telurímetro análogo permite además determinar la tensión de puesta a tierra, cuando toda la instalación se encuentre en condiciones óptimas. Esto se hace presionando el botón “ACV”, éste voltaje es indicado por la aguja sobre la escala de voltios V y debe ser menor a 10 voltios para proceder a la medición de la resistencia de puesta tierra, de no ser así arrojaría mediciones erróneas. Para reducir dicho voltaje se debe aislar todo el sistema de prueba, de equipos eléctricos adyacentes a la misma o verificar que no se encuentren objetos metálicos extraños a lo largo de la dirección de las barras e, p, c.

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Luego que esto ocurra mida el voltaje para la distancia elegida y consigne los resultados en la tabla 4, pero adiciónele una columna de tensión.

Tabla 4. Lecturas de voltaje y resistencia de puesta tierra.

Longitud e-p (m)

Nº

Longitud e-c (m)

Rpt ( )

1 2 3 4 5

Tabla 5. Lecturas de voltaje y resistencia de puesta tierra. Nº

Longitud entre (m)

R pt ( )

1 2 3 4 5

Tabla 6. Lecturas de voltaje y resistencia de puesta tierra.

1

Longitud entre (m) 20% -

2

40% -

3

60% -

Nº

R

R1 R2 R3

60

Rpt ( )

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6.1 MEDIDA DE LA RESISTIVIDAD APARENTE DEL TERRENO- MÉTODO WENNER Con los valores obtenidos en el numeral 4.1, dibuje una curva de:

m ) vs. Distancia.

1) Resistividad aparente del terreno (

2) Obtenga el valor promedio de la Resistividad aparente del terreno y compárela con la tabla 1, y deduzca que tipo de terreno es.

6.2 MEDIDA DE LA RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA Con los valores obtenidos en el numeral 4.2, tanto para el telurímetro digital como para el análogo dibuje una curva de: 1) Caída de potencial ( Rpt

) vs. Distancia.

2) Obtenga el valor de R pt

, para la parte plana de la curva (variabilidad inferior

al 1%) 3) Para la regla del 62%, enuncie que valor se obtuvo. 4) Para le método de la pendiente, enuncie que valor se obtuvo. 5) Compare los tres valores obtenidos por los tres métodos mencionados y diga que tan cerca está Rpt 6) Construya una gráfica de

tensión de puesta a tierra vs distancia, para las

mediciones hechas con el telurímetro análogo, si este permitió hacer la medición.

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1. ¿Por qué es tan importante el cálculo de las tensiones de paso y de contacto en una malla de puesta a tierra? 2. Que norma técnica enuncia las técnicas de medición de puesta a tierra y las técnicas de diseño de mallas de tierras. 3. Describa las tierras preparadas químicamente, para puestas a tierra y suministre aplicaciones, ventajas y desventajas de cada una de ellas. ¿Realmente sirven? 4. ¿Cómo es la distribución de voltaje y resistencia de puesta tierra, según las curvas obtenidas? Justifique su respuesta. 5. ¿Cómo se podrían mejorar los resultados en las mediciones realizadas? 6. Si tuviese que realizar una puesta tierra de un equipo eléctrico en particular, ¿dónde clavaría el electrodo, cerca o lejos de dicho equipo?, ¿por qué? 7. Describa el procedimiento para determinar la resistividad específica de un terreno.

BOLTON, Bill. Mediciones y pruebas eléctricas y electrónicas. Barcelona, España : Maracaibo S.A., 1995. COOPER, W. HELFRICK, A. Instrumentación electrónica y técnica de medición, caps 1 y 2. New York : Englewood cliffis Prentice Hall, Inc, 1985. INSTRUCTION MANUAL, KYORITSU EARTH RESISTANCE TESTER, MODEL 4102 Kyorytsu electrical instruments works, ltda. Tokyo, japon. 12p. M, Richard. SMITH, F. WOLF, stanley. Guía para mediciones electrónicas y practicas de laboratorio. Mexico : Prentice Hall, 1992.

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