Lab 4 Medidas Electricas ML313 B PDF

Preview

Summary

DIAZ ZAMORA ANDRES 20172502I ESPINOZA LUDEÑA LUIS GERMÁN 20171190C ABAD ANTIALON JOHN HAILE 20141252K APONTE VILCA DANIEL ROLANDO 20170289F SECCION : B DOCENTE: ING. GUADALUPE GOÑAS EDGARDMEDIDAS ELECTRICAS ML3 13UNIVERSI DAD NACIONAL DE INGENIERIAFACULTAD DE INGENIERIA MECANICAInforme N° 42020DzMed...

Description

UNIVER UNIVERSIDAD SIDAD N NACIONAL ACIONAL DE INGENIE INGENIERIA RIA FACUL FACULTAD TAD DE INGENIE INGENIERIA RIA MECA MECANICA NICA

MEDIDAS ELECT ELECTRIC RIC RICAS AS ML313 “Medida de la Re si stivida d del Terreno” Resi sistivida stividad Informe N° N°4 4 DIAZ ZAMORA ANDRES ESPINOZA LUDEÑA LUIS GERMÁN ABAD ANTIALON JOHN HAILE APONTE VILCA DANIEL ROLANDO SECCION : DOCENTE:

20172502I 20171190C 20141252K 20170289F B ING. GUADALUPE GOÑAS EDGARD

2020

I.

Objetivos Para el desarrollo del presente laboratorio tenemos como principal objetivo calcular la resistividad del terreno, usando para ello uno de los distintos métodos estudiados en la teoría. Para la medición de la resistividad del terreno usamos el método de Schlumberger debido a que el lugar donde se iba a realizar la medición era muy pequeño como para utilizar el método de Wenner.

II.

Introducción El conocimiento de la resistividad del terreno es necesario para determinar el diseño de la conexión a tierra de instalaciones nuevas para poder satisfacer las necesidades de resistencia de tierra. Lo ideal sería que encontrase un lugar con la menor resistencia posible. Pero, como hemos dicho anteriormente, las malas condiciones del terreno pueden superarse con sistemas de conexión a tierra más elaborados. El terreno es rara vez homogéneo y, la resistividad del mismo varía geográficamente y a diversas profundidades.

III.

Desarrollo del articulo 1. Método de los cuatro electrodos Es el más utilizado para determinar la resistividad del terreno. En este procedimiento, se establece la resistividad, en función de la profundidad, en la vertical de un punto, O (Figura 1), haciendo circular una corriente, I, −con ayuda de un generador, G −entre dos electrodos puntuales, de pequeñas dimensiones, hincados en el suelo, A y B.

En terreno homogéneo de resistividad, ρ , el valor del campo eléctrico, E, en el punto O, debido a la presencia de las cargas eléctricas de signos contrarios procedentes de A y B, tiene por valor: Si el punto O está situado en la mitad de AB, de tal forma que AO = OB = x, queda:

De donde se reduce la fórmula siguiente de la resistividad del suelo bajo el punto O:

Puesto que el suelo es raramente homogéneo, realmente la fórmula expresa la resistividad aparente de las cargas existentes en el suelo bajo el punto O, justo hasta la profundidad alcanzada por el filete de intensidad de corriente media que circula entre los electrodos A y B. Prácticamente, el campo eléctrico, E, se determina por el cociente entre la diferencia de potencial UC – UD que existe entre dos sondas de tierra, C y D, dispuestas simétricamente con relación a O y su separación, L (figura 2).

Y, por tanto, la resistividad aparente, ρ, de las capas acumuladas del terreno debajo del punto O será:

Que es la fórmula general para la medida de la resistividad aparente del terreno, cualesquiera que sean las longitudes existentes entre los electrodos, despreciando la profundidad de enterramiento de las picas de medida. El término (UC – UD)/I es la resistencia, R, en , que proporcionan directamente los instrumentos de 4 bornes comúnmente utilizados, cuyo circuito voltimétrico se conecta a las tomas C y D y el amperimétrico, a las A y B. En el caso de que el suelo sea homogéneo, la resistividad aparente es idéntica a la resistividad real. 2. Método de Wenner En 1915, el Dr. Frank Wenner del U.S. Bureau of Standards desarrolló la teoría de este método de prueba, y la ecuación que lleva su nombre. Con objeto de medir la resistividad del suelo se hace necesario insertar los 4 electrodos en el suelo. Los cuatro electrodos se colocan en línea recta y a una misma profundidad de penetración, las mediciones de resistividad dependerán de la distancia entre electrodos y de la resistividad del terreno, y por el contrario no dependen en forma apreciable del tamaño y del material de los electrodos, aunque sí dependen de la clase de contacto que se haga con la tierra. El principio básico de este método es la inyección de una corriente directa o de baja frecuencia a través de la tierra entre dos electrodos C1 y C2 mientras que el potencial que aparece se mide entre dos electrodos P1 y P2. Estos electrodos están enterrados en línea recta y a igual separación entre ellos. La razón V/I es conocida como la resistencia aparente. La resistividad aparente del terreno es una función de esta resistencia y de la geometría del electrodo.

En la figura se observa esquemáticamente la disposición de los electrodos, en donde la corriente se inyecta a través de los electrodos exteriores y el potencial se mide a través de los electrodos interiores. La resistividad aparente está dada por la siguiente expresión:

Si la distancia enterrada (B) es pequeña comparada con la distancia de separación entre electrodos (A). O sea, A > 20B, la siguiente fórmula simplificada se puede aplicar:

La resistividad obtenida como resultado de las ecuaciones representa la resistividad promedio de un hemisferio de terreno de un radio igual a la separación de los electrodos. Como ejemplo, si la distancia entre electrodos A es de 3 metros, B es 0.15 m y la lectura del instrumento es de 0.43 ohm, la resistividad promedio del terreno a una profundidad de 3 metros, es de 8.141 ohmm según la fórmula completa y de 8.105 ohm-m según la fórmula simplificada. Se recomienda que se tomen lecturas en diferentes lugares y a 90 grados unas de otras para que no sean afectadas por estructuras metálicas subterráneas. Y, que con ellas se obtenga el promedio. El punto O, de la medida de la resistividad se encuentras en el medio de un sistema simétrico, entre los electrodos de potencial, llamándose base de medida a la distancia “a” entre dos electrodos adyacentes y línea de emisión a la distancia entre los electrodos extremos (igual a “3 a” en este método). En estas condiciones, la fórmula general anterior queda simplificada en:

3. Método de Schlumberger El método de Schlumberger es una modificación del método de Wenner, ya que también emplea 4 electrodos, pero en este caso la separación entre los electrodos centrales o de potencial (a) se mantiene constante, y las mediciones se realizan variando la distancia de los electrodos exteriores a partir de los electrodos interiores, a distancia múltiplos (na) de la separación base de los electrodos internos (a). La profundidad de enterramiento “b” de los electrodos no será mayor que 10 cm. En el caso que “L (longitud entre C1 y C2)” sea igual o menor que 10 m. Para los valores de “L” mayores de 10 m, la profundidad de enterramiento “b” debe ser mayor que 10 cm, no sobrepasando los 20 cm. La configuración, así como la expresión de la resistividad correspondiente a este método de medición se muestra en la figura.

Con este método, la resistividad está dada por: El método de Schlumberger es de gran utilidad cuando se requieren conocer las resistividades de capas más profundas, sin necesidad de realizar muchas mediciones como con el método Wenner. Se utiliza también cuando los aparatos de medición son poco inteligentes. Solamente se recomienda hacer mediciones a 90 grados para que no resulten afectadas las lecturas por estructuras subterráneas.

4. Método De Schlumberger – Palmer En este arreglo, al igual que en el de Wenner, los electrodos de emisión (corriente) y medición (tensión) están situados en línea recta. La variante de este arreglo radica en que la separación entre electrodos es, aunque simétrica, desigual para la correspondiente entre los electrodos de tensión y entre éstos y los de corriente. En este método, los electrodos de medición deben ubicarse cerca a sus correspondientes de emisión, incrementado así la tensión leída por el equipo, lo cual es una fortaleza del método, debido a que los valores muy reducidos, propios de la aplicación de métodos como el de Wenner en separaciones grandes, disminuyen la confiabilidad del valor arrojado por el instrumento, pues en algunos casos tiende a aproximarse a su propia precisión. Así, en mediciones en las que se planee una exploración a grandes profundidades, es recomendable la utilización del método Schlumberger, ya que frecuentemente los instrumentos comerciales son inadecuados para la medición de los bajos valores que se presentan.

ρ : Resistividad del suelo (Ohm - m) R: Valor leído en el telurómetro. (Ohm) C: separación entre el electrodo de corriente y su correspondiente de tensión, (m) D: separación entre los electrodos de tensión.

5. Método de Dipolos En la configuración de 2 dipolos, llamada configuración dipolo – dipolo los electrodos de corriente usualmente están en distancia larga con respecto al par de los electrodos de potencial.

Si el espaciamiento de los electrodos de corriente a es igual al espaciamiento de los electrodos de potencial b y la distancia entre los centros de los pares de los electrodos es (n + 1) x a, la resistividad aparente determinada por esta configuración se obtiene a través de la formula siguiente: ρ1 = n x (n+1) x (n + 2) x p x a x (∆V/I) El producto (n x a) entrega la distancia entre los dos pares de electrodos y ((n +1) x a) es la distancia entre los centros de los dos pares de electrodos.

6. Método de Polo -Dipolo

En otra configuración colineal, en la configuración polo-dipolo se asume una distancia grande entre los dos electrodos de corriente, es decir el segundo electrodo de corriente (electrodo infinito) se ubica en una distancia muy grande con respecto al primero electrodo de corriente. Para tal configuración vale la formula siguiente: ρa = 2p x a x n x (n+1) x (∆V/I) IV.

Desarrollo del experimento A. Materiales •

1 Termómetro.

•

1 Medidor de temperatura y humedad ambiental.

•

2 Electrodos de potencial P.

•

2 Electrodos de corriente C.

•

1 Cinta métrica.

•

1 Comba.

•

Conductores para conexiones.

B. Procedimiento 1. Desconecte la lámina de cortocircuito de los terminales X y Xv. 2. Disponer los electrodos en línea recta. Asegurarse que las distancias entre electrodos son idénticos e igual a 2 m. 3. La distancia entre los postes es proporcional a la profundidad media de la muestra de suelo que se va a medir. 4. Los electrodos deberían colocarse a una profundidad de 0.15 m, de manera que la profundidad sea aproximadamente 1/20 de la distancia entre electrodos. 5. Use los conductores para conectar los electrodos X, Xv, Y, y Z a los terminales respectivos del instrumento. 6. Presio nar el botón “Medir”. 7. Leer el valor de la resistencia indicado en la pantalla. 8. Aplicar la siguiente ecuación para calcular la resistividad (ρ): ρ=2∙π∙R∙A A= distancia entre electrodos en metros. ρ = resistividad en Ω. R = Ohmios lectura obtenida del teluro metro. 9. Trasladar los electrodos X y Z a nuevas posiciones, alejándolos 2 m de su posición anterior y manteniendo la línea recta. 10. Repetir los pasos 6, 7, 8 y 9 hasta que la distancia entre los electrodos X y Z sea de 30 m. 11. Tomar nota de las condiciones ambientales. V.

Cuestionario 1) Fundamentar el método de los cuatro electrodos para la medida de la resistividad del terreno

En terreno homogéneo de resistividad, ρ, el valor del campo eléctrico, E, en el punto O, debido a la presencia de las cargas eléctricas de signos contrarios procedentes de A y B, tiene por valor: Si el punto O está situado en la mitad de AB, de tal forma que AO = OB = x, queda: 𝐸 = ρ∗I/Π∗𝑥2 De donde se reduce la fórmula siguiente de la resistividad del suelo bajo el punto O: ρ = Π ∗𝑥2∗𝐸/𝐼* ρ Puesto que el suelo es raramente homogéneo, realmente la fórmula expresa la resistividad aparente de las cargas existentes en el suelo bajo el punto O, justo hasta la profundidad alcanzada por el filete de intensidad de corriente media que circula entre los electrodos A y B. Prácticamente, el campo eléctrico, E, se determina por el cociente entre la diferencia de potencial UC – UD que existe entre dos sondas de tierra, C y D, dispuestas simétricamente con relación a O y su separación, L (figura 2).

𝐸=

𝑈𝑐 − 𝑈𝑑 𝐿

Y, por tanto, la resistividad aparente, ρ, de las capas acumuladas del terreno debajo del punto O será:

2) Deducir la ecuación del método de Wenzer.

En la figura se observa esquemáticamente la disposición de los electrodos, en donde la corriente se inyecta a través de los electrodos exteriores y el potencial se mide a través de los electrodos interiores. La resistividad aparente está dada por la siguiente expresión:

Si la distancia enterrada (B) es pequeña comparada con la distancia de separación entre electrodos (A). O sea, A > 20B, la siguiente fórmula simplificada se puede aplicar:

El punto O, de la medida de la resistividad se encuentras en el medio de un sistema simétrico, entre los electrodos de potencial, llamándose base de medida a la distancia “a” entre dos electrodos adyacentes y línea de emisión a la distancia entre los electrodos extremos (igual a “3 a” en este método). En estas condiciones, la fórmula general anterior queda simplificada en:

3) Deducir la ecuación del método de Schlumberger.

X

Xv

Y

Z

De la ecuación de la resistencia: R= ρL/S, ρ =RS/L Donde: R=resistencia(Ω) ρ = resistividad (Ω-m) L = separación (m) S = área (m2)

4) Graficar el perfil de la resistividad aparente del terreno, resistividad – profundidad. resistencia (Ω)

Profundidad (m)

8.98 3.67 1.5 0.77 0.54 0.39 0.25

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.2

resistividad (ρ) 338.538 230.593 131.947 87.085 74.644 63.711 47.124

Resistividad Vs Profundidad 400.000 350.000 300.000 250.000 200.000 150.000 100.000 0

5

10

15

20

25

30

35

Profundidad (1m + valor en cm)

Resistencia Vs separación 35 30

25 20 15 10

5 0

2

4 6 Profundidad (dm)

8

10

5) Según el perfil de la resistividad obtenido, estime las clases de capas que forman el suelo. Para obtener el perfil de resistividad en un punto dado, se utiliza el Método de Wenner con espaciamientos entre electrodos de prueba cada vez mayores. Por lo general, para cada espaciamiento se toman dos lecturas de resistividad en direcciones perpendiculares entre sí. La gráfica resultante de trazar el promedio de las mediciones de resistividad (R) contra distancia entre electrodos (a) se denomina perfil de resistividad aparente del terreno. En la curva obtenida anteriormente se puede observar que posee un perfil de resistividad

decreciente, esto se presenta mayormente en suelos con una capa superficial muy seca y una capa inferior del tipo arenosa. VI.

Conclusiones La puesta a tierra de una instalación eléctrica es sumamente importante en cualquier instalación eléctrica, tanto industrialmente como en una vivienda, ya que esta sirve de protección en caso de que ocurra una falla de los elementos de aislamiento de la instalación eléctrica que ponga en peligro la integridad de las personas.

VII.

Observaciones y Recomendaciones •

Se observa que en ambas graficas la medida de la resistencia de puesta de tierra crece conforme aumenta el área sometida a la diferencia de potencial, la cual se mantuvo constante.

•

La resistencia de puesta a tierra puede ser disminuida variando algunos parámetros como la resistividad del terreno, la longitud y el radio del electrodo. Para producir una mayor disminución se recomienda colocar electrodos en paralelo.

•

Para no afectar las lecturas que da el medidor de resistencia de puesta a tierra, la profundidad a la cual se debe enterrar el electrodo debe ser constante para cada punto medido ya que como demostramos, la resistencia depende de la longitud de la varilla.

•

También se observó cuáles son los valores de las resistencias más recomendables para distintas distancias del electrodo Z.

VIII.

Referencias •

Ing. Guadalupe. G. (2019). Guía de laboratorio de Medidas Eléctricas (ML-313). Lima, Perú....