Curso Basico Mallas de Tierra - Rene Mendoza

CURSO BASICO MALLAS DE TIERRACURSO BASICO MALLAS DE TIERRACURSO BASICO MALLAS DE TIERRACURSO BASICO MALLAS DE TIERRA

CONCEPTOS FUNDAMENTALESCONCEPTOS FUNDAMENTALESCONCEPTOS FUNDAMENTALESCONCEPTOS FUNDAMENTALES

RENE MENDOZA V

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2001

CURSO CAPACITACION MALLAS DE TIERRA PAG.2 Autor: RENE MENDOZA V [email protected]

CONTENIDO CONTENIDO ...................................................................................................................................................... 1

Conceptos generales de mallas de tierra .............................................................................................................. 3

Que es una malla de tierra? ............................................................................................................................ 3

Problema bsico .............................................................................................................................................. 3

Condiciones generales de peligro a las personas ............................................................................................. 3

Conceptos errados ........................................................................................................................................... 4

La malla como parte del sistema elctrico ........................................................................................................... 5

Voltaje de malla y voltajes superficiales ............................................................................................................. 6

Voltaje de malla ............................................................................................................................................... 6

Lmites permisibles de circulacin de corriente .............................................................................................. 8

Tolerancia del cuerpo en caso de reconexin automtica ................................................................................ 8

Voltajes tolerables por el cuerpo humano........................................................................................................ 8

Voltajes tolerables en la malla ............................................................................................................................. 9

Voltaje de paso .................................................................................................................................................. 10

Criterio de aceptacin de voltaje de paso ...................................................................................................... 10

Voltaje de contacto ............................................................................................................................................ 12

Criterio de aceptacin de los voltajes de contacto ......................................................................................... 12

Casos especiales de voltaje de contacto ......................................................................................................... 13

Voltaje transferido ............................................................................................................................................. 14

Resistencia de malla .......................................................................................................................................... 15

Factores que inciden en la resistencia de una malla ....................................................................................... 15

Suelos ................................................................................................................................................................ 16

Resistividad de suelos y modelacin ............................................................................................................. 16

Medidor de resistividad de suelos ..................................................................................................................... 16

Medicin de resistividad .................................................................................................................................... 17

Mtodo de Schlumberger................................................................................................................................... 18

Mtodo de Wenner ............................................................................................................................................ 19

Interpretacin de resistividad de suelos ............................................................................................................. 19

Interpretacin tradicional de resistividades de suelos .................................................................................... 19

Interpretacin de resistividad por optimizacin matemtica.......................................................................... 20

Modelo de suelo de resistividad uniforme ..................................................................................................... 20

Modelo de suelo biestratificado ..................................................................................................................... 20

Mtodo de medicin usando el medidor de resistividad de suelos ................................................................ 21

Ejemplo de medicin incorrecta de una malla ............................................................................................... 22

Recomendacin ANSI / IEEE Std. 80 ............................................................................................................... 23

Limitaciones del clculo de acuerdo a mtodo IEEE Std. 80 ........................................................................... 23


Conceptos generales de mallas de tierra

Que es una malla de tierra? Una malla de tierra es un conjunto de conductores interconectados entre s y enterrados a cierta profundidad y que tiene por objetivo disipar al suelo magnitudes relativamente grandes de corriente elctrica (normalmente corrientes de falla) asegurando que los voltajes en las cubiertas de las instalaciones protegidas por la malla de tierra y sobre el suelo mismo estn dentro de lmites que no representen un riesgo a las personas.

Problema bsico Precisando y extendiendo lo anterior, en principio una puesta a tierra en un sistema elctrico tiene tres objetivos:

Proveer un medio para entregar corriente elctrica al suelo bajo condiciones normales y de falla sin exceder lmites operativos, lmites de los equipos, ni afectar en forma adversa la continuidad de servicio.

Asegurar que una persona en la vecindad de una instalacin puesta a tierra no quede expuesta al riesgo de una descarga elctrica que signifique un peligro a su integridad.

Garantizar un valor suficientemente bajo de resistencia en el circuito de falla de modo de asegurar la adecuada operacin de las protecciones de deteccin de falla a tierra.

Condiciones generales de peligro a las personas Durante una condicion de falla, la corriente circulando por el suelo desde la malla produce gradientes de voltaje dentro y alrededor del rea cubierta por la malla. A menos que se tomen las precauciones adecuadas en la etapa de diseo, pueden aparecer peligrosas diferencias de voltajes entre puntos cercanos del suelo o entre estructuras o carcazas de equipos conectadas a la malla y puntos cercanos del suelo. Las condiciones que hacen posible un accidente por shock elctrico son:

Corrientes de falla a tierra relativamente altas en relacin a la superficie del sistema de tierra y su resistencia respecto a la tierra remota.

Resistividad del suelo y distribucin de corrientes por el suelo tales que aparecen altos gradientes de potencial.

Presencia de un individuo en un lugar, instante y posicin tal que su cuerpo queda haciendo puente entre dos puntos con una alta diferencia de potencial entre ellos.

Ausencia de suficiente resistencia de contacto u otra resistencia en serie para limitar la corriente circulando por el cuerpo a un valor seguro bajo las circunstancias indicadas.

Duracin de la falla y del contacto del cuerpo entre los puntos energizados (y por lo tanto duracin del flujo de corriente a travs del cuerpo) un tiempo suficiente para esa magnitud de corriente, tal que que pueda causar dao.

Si bien es baja la probabilidad de ocurrencia simultnea de estas condiciones y por lo tanto que ocurra un accidente de este tipo, ello no es argumento para no disear adecuadamente una malla tomando todas la precauciones necesarias.


Conceptos errados

Las siguientes tres opiniones comunes son erradas: Cualquier objeto puesto a tierra puede ser tocado en forma segura.

Una baja resistencia de puesta a tierra es suficiente garanta de seguridad de una instalacin.

No es posible obtener una instalacin segura sin lograr antes una baja resistencia de puesta a tierra.

La realidad es otra:

Dependiendo de los valores de corriente, del voltaje de la instalacin y de la disposicin fsica de la puesta a tierra, un objeto puesto a tierra puede ser altamente peligroso en caso de contacto con l durante una falla (incluso an ms que si no estuviese conectado a tierra).

Un bajo valor de resistencia de puesta a tierra no es garanta de seguridad a las personas ni a los equipos e instalaciones. La seguridad a las personas depender de que los potenciales a que stas pueden quedar sometidas en caso de una falla estn siempre dentro de lmites seguros en toda la instalacin.

Existen instalaciones con bajos valores de resistencia de puesta a tierra que no son seguras, e inversamente existen instalaciones con altos valores de resistencia pero que estn adecuadamente diseadas por lo tanto aseguran condiciones de seguridad a las personas e instalaciones.


La malla como parte del sistema elctrico En una subestacin de transformacin, se conectan a la malla de tierra las cubiertas y carcazas de los equipos de la subestacin y los neutros de los devanados en estrella de transformadores de poder que alimentan circuitos externos de distribucin. Pueden ocurrir dos casos en que la malla pasa a formar parte de un circuito de corriente de falla:

Caso a) Cuando al haber una falla en el circuito de alimentacin a la subestacin, ste se va a tierra a travs de la malla, cerrando un circuito en que la fuente de alimentacin est ubicada en forma remota a las instalaciones sobre la malla. En este caso la malla actuar como electrodo de emisin de la corriente de falla al suelo.

Caso b) Al haber una falla a tierra en algn punto remoto (fuera de la malla) de uno de los circuitos que son alimentados desde la subestacin y cuyo neutro est conectado a la malla de tierra. En este caso circular la malla actuar como electrodo de recepcin de la corriente de la falla.

En ambos casos, la corriente que entra o sale de la malla se distribuir por el suelo en una forma aproximadamente como la indicada en el esquema grfico creando gradientes de potencial en el terreno dentro y fuera de la zona cubierta por la malla. Estos gradientes sobre la superficie del terreno pueden llegar a ser tan altos que signifiquen una condicin de peligro para una persona que pudiese estar ubicada en ese lugar.


Voltaje de malla y voltajes superficiales En caso de una falla la corriente que entra o sale de la malla se distribuir por el suelo distribuyndose para retornar cerrando el circuito de falla. Esta distribucin de corrientes en el suelo crea gradientes de potencial en el terreno dentro y fuera de la zona cubierta por la malla. Estos gradientes sobre la superficie del terreno pueden llegar a ser tan altos que signifiquen una condicin de peligro para una persona que pudiese estar ubicada en ese lugar.

La corriente de falla fluyendo desde la malla al suelo circundante, producir gradientes de voltaje en todo el terreno circundante y sobre la superficie. Evidentemente este efecto ser mayor en el entorno ms cercano a la ubicacin de la malla y se ir atenuando a mayor distancia de ella, anulndose a medida que la distancia a la malla se haga infinito. Si se toma como referencia el voltaje en un punto remoto muy lejano (tericamente en el infinito), la tensin en la superficie del suelo sobre la malla, tendr un perfil como se indica en la figura siguiente :.

Voltaje de malla La tensin respecto a infinito tendr mximos locales en el suelo directamente sobre los elementos metlicos que conforman la malla. Sin embargo los conductores de la malla misma (y por ende todas aquellas partes metlicas directamente conectadas a la malla) estarn a un potencial aproximadamente constante (despreciando las cadas de tensin a lo largo de los conductores, como comnmente se hace, debido a su pequea magnitud). Este potencial es conocido como "Voltaje de malla".


Lmites tolerables por el cuerpo humano

Lmites permisibles de circulacin de corriente De acuerdo a los estudios clsicos de Dalziel, la corriente mxima tolerable por el cuerpo humano de una persona de 50 kg est dada por la frmula:

Donde: Icuerpo50 = corriente mxima que puede circular por el cuerpo humano [A] t = es el tiempo durante el cual circula dicha corriente [s]. De acuerdo a Dalziel, un 99.5% de las personas de un peso igual o superior a 50 kg pueden sobrevivir un shock elctrico de la magnitud indicada. De acuerdo a esta ecuacin, podran soportar por ejemplo 116 mA por 1s, o 367mA por 0.1s. En el estudio de Dalziel tambin se calcula el valor tolerable en el caso de una persona con un peso de 70 kg, en cuyo caso, la corriente tolerable est dada por:

Dalziel C.F., Dangerous Electric Currents, AIEE Transactions, vol 65, 1946, 99 579-585, 1123-1124 Dalziel C.F. and Lee R.W., Reevaluation of Lethal Electric Currents, IEEE Transactions on Industry and General Applications, vol IGA-4, N5, Oct 1968, pp467-476

Tolerancia del cuerpo en caso de reconexin automtica En el caso frecuente en que se utiliza reconexin automtica rpida en caso de falla (uso de reconectadores), la persona puede quedar sometida a varios shocks sucesivos. No se ha investigado totalmente el efecto acumulativo de varios shocks sucesivos y por lo tanto el verdadero lmite tolerable en estas condiciones. Sin embargo una consideracin razonable es usar en el clculo el tiempo acumulado de las reconexiones (suma de los tiempos de operacin del reconectador).

Voltajes tolerables por el cuerpo humano Los voltajes tolerables por el cuerpo estn determinados por los lmites de corriente indicados. Por lo tanto dependiendo de diversas condiciones como ser la aislacin adicional de que disponga el ser humano, la resistencia de contacto de la piel, los puntos entre los cuales se conecte al potencial peligroso, la existencia de una capa superficial aislante sobre el suelo, etc, el voltaje tolerable por el cuerpo variar en un amplio rango. Sin embargo las normas, y en especial ANSI / IEEE Std. 80 - 1986, establece ciertas condiciones de verificacin que en la prctica ya son aceptadas en forma casi universal en el tema.


Voltajes tolerables en la malla Corresponden a los valores mximos que pueden alcanzar las tensiones de paso y contacto para una duracin de falla determinada, tales que las corrientes que circularan por el cuerpo humano estn bajo los lmites peligrosos. El valor de estas tensiones permisibles depende de varios factores, entre los cuales son importantes :

la resistencia del cuerpo humano

la resistencia de contacto de la piel

la resistividad y espesor de la capa superficial sobre el suelo original (en algunos casos se coloca gravilla, en otros asfalto, etc).

La norma ANSI / IEEE Std. 80 - 1986, asume valores para varios de estos parmetros de modo de poder calcular valores de tensiones permisibles que puedan utilizarse en la etapa de diseo de la malla. De acuerdo al desarrollo establecido en esta norma, las tensiones mximas de paso y de contacto tolerables por el cuerpo humano, pueden estimarse de acuerdo a las siguientes ecuaciones:

El factor Cs considera el efecto protector sobre el ser humano al existir una capa de gravilla o asfalto sobre el suelo. Su clculo requiere la estimacin de una sumatoria infinita, la cual se detalla en la norma ANSI / IEEE Std. 80 - 1986. En caso de no existir una capa superficial de mayor resistividad (como es usual en mallas de subestaciones de distribucin de media tensin) debe considerarse para el clculo Cs=1 El diseo adecuado de una malla tiene por objeto asegurar que las tensiones que se produciran en la malla real, al estar sta sometida a corriente de falla son inferiores a estos valores, por lo tanto asegurando un bajo riesgo a la personas.


Voltaje de paso Es la diferencia de potencial entre dos puntos del terreno separados por una distancia de 1 metro (representativa de la distancia entre los pies de una persona al dar un paso) en el sentido del mayor gradiente de potencial. Generalmente los mayores gradientes y por lo tanto los mayores potenciales de paso ocurren en la periferia inmediata de la malla. Evidentemente los voltajes de paso en cada punto son proporcionales a la corriente de falla.

Cuando se calcula el voltaje de paso en un punto sobre la superficie del terreno debe buscarse la mayor diferencia de voltaje existente entre puntos opuestos diametralmente sobre un crculo de dimetro de 1m con centro sobre dicho punto. La norma ANSI / IEEE Std. 80 - 1986, efecta tan solo una estimacin (aproximada) del mayor potencial de paso que se encontrara sobre la malla. En la etapa de diseo, debe verificarse que el potencial de paso en cada punto sobre la superficie de la malla estar bajo los niveles tolerables por el cuerpo humano.

Criterio de aceptacin de voltaje de paso En la etapa de diseo debe calcularse previamente los voltajes de paso mximos tolerables, sobre el terreno normal y considerando gravilla superficial (V paso max tolerable, V paso max gravilla) Es importante observar que estos voltajes no dependen del diseo de la malla, puesto que corresponden a lo tolerable por el ser humano para una condicin dada. En una malla real se deber calcular y visualizar los potenciales de paso sobre el rea (especialmente en el entorno inmediato de la malla que es donde aparacen los mayores voltajes de paso) El criterio de aceptacin ser el siguiente:

Si el voltaje de paso de la malla en todo punto accesible es inferior a V paso max tolerable


(sin gravilla), la malla es aceptable desde el punto de vista de voltaje de paso.

Si el voltaje de paso en algn punto accesible es superior a V paso max tolerable (sin gravilla), pero es inferior a V paso max gravilla, entonces existe dos opciones: 1.- Refinar el diseo de la malla de modo de reducir los potenciales de paso en dicha zona. 2.- Considerar el agregado de gravilla u otro recubrimiento superficial de alta resistividad en dicha zona.

Si el voltaje de paso en algn punto accesible es superior a V paso max gravilla, entonces el diseo de la malla no es aceptable, y deber modificarse de modo de disminuir los potenciales de paso en dicha zona.

Se entiende por accesible a todos aquellos lugares en que por alguna circunstancia puede haber una persona caminando en dicho lugar.


Voltaje de contacto Es la diferencia de voltaje entre algn elemento metlico (estructura, cubierta de equipo, etc) conectado directamente a la malla y un punto de la superficie del terreno a una distancia horizontal de 1 metro de este elemento. La definicin anterior corresponde a la norma ANSI / IEEE Std. 80 - 1986 y se supone la distancia de 1 metro como representativa del alcance de una persona con su brazo extendido. Es importante hacer notar que en este caso el equipo o elemento metlico, por el hecho de estar conectado directamente a la malla, estar al mismo potencial de ella.

La norma ANSI / IEEE Std. 80 - 1986, considera para la verificacin de una malla, el clculo solamente en un punto, representativo de la peor condicin sobre toda el rea cubierta por la malla. No considera el clculo de este potencial fuera del rea cubierta por la malla. En la etapa de diseo, debe verificarse que el potencial de contacto sobre la superficie de la malla estar bajo los niveles tolerables por el cuerpo humano.

Criterio de aceptacin de los voltajes de contacto Existen dos criterios diferentes de aceptacin de los voltajes de contacto entregados por una malla de tierra para una determinada corriente de falla y tiempo de despeje.

Verificar que sobre toda la superficie cubierta por la malla, las tensiones de contacto que aparecen son inferiores a los valores mximos tolerables por el cuerpo humano.

Verificar solo que en la cercana de instalaciones que quedarn conectadas a la malla de tierra (como en el dibujo) las tensiones de contacto que aparecen son inferiores a los valores mximos tolerables por el cuerpo humano. Este criterio considera que si en el futuro se instalan equipos o estructuras adicionales en la subestacin, debern revisarse los potenciales de contacto en sus cercanas y efectuar las


correcciones necesarias. Este criterio debe ser usado cuidadosamente y no es aplicable en el caso de instalaciones industriales o similares, donde con frecuencia se instalan y remueven extensiones de alimentacin, ductos o elementos mtalicos, que quedan en zonas de la malla que no ofrecen garantas de seguridad a las personas desde el punto de vista de tensin de contacto.

En la etapa de diseo debe calcularse previamente los voltajes de contacto mximos tolerables, sobre el terreno normal y considerando gravilla superficial (V contacto max tolerable, V contacto max gravilla) Luego se deber calcular los potenciales de contacto sobre las reas a verificar, (especialmente en el entorno cercano de equipos o estructuras metlicas accesibles al contacto directo) El criterio de aceptacin ser el siguiente:

Si el voltaje de contacto de la malla en todo punto accesible es inferior a V contacto max tolerable (sin gravilla), la malla es aceptable desde el punto de vista de voltaje de contacto.

Si el voltaje de contacto en algn punto accesible es superior a V contacto max tolerable (sin gravilla), pero es inferior a V contacto max gravilla, entonces existe dos opciones: 1.- Refinar el diseo de la malla de modo de reducir los potenciales de contacto en dicha zona. 2.- Considerar el agregado de gravilla u otro recubrimiento superficial de alta resistividad en dicha zona.

Si el voltaje de contacto en algn punto accesible es superior a V contacto max gravilla, entonces el diseo de la malla no es aceptable, y deber modificarse de modo de disminuir los potenciales de contacto en dicha zona.

Por punto o lugar accesible se entender aquellos lugares en que es posible la circunstancia de una persona trabajando o transitando.

Casos especiales de voltaje de contacto La norma ANSI / IEEE Std. 80-1986, considera para el clculo de potenciales de contacto solamente el rea rectangular cubierta por la malla. Sin embargo existen casos especiales que se deben tomar en cuenta, en los cuales es posible que un elemento metlico conectado elctricamente a la malla quede accesible fuera de la zona cubierta por la malla. Un ejemplo de ello, es por ejemplo un portn metlico de una subestacin, con apertura hacia el exterior, el caso de ferrova ingresando a la subestacin, etc. Estos casos especiales de voltaje de contacto reciben el nombre de voltajes transferidos, y se analizan en el punto correspondiente.


Voltaje transferido Corresponde a un caso especial de la tensin de contacto y ocurre cuando una persona de pie dentro del rea cubierta por la malla est en contacto con un conductor puesto a tierra en un punto remoto, o cuando una persona en un punto remoto entra en contacto con un conductor conectado directamente a la malla. El valor de tensin transferido de este modo puede alcanzar valores muy altos, pudiendo llegar a ser iguales al voltaje total de la malla. Por ello es de importancia primordial tomar las adecuadas precauciones con elementos mtalicos o conductores que entren o salgan del rea cubierta por la malla, como por ejemplo; lneas telefnicas, ductos de agua potable, bandejas portacables, ductos diversos, ferrovas, etc, todos los cuales deben evitarse en lo posible. Tambin pueden aparecer potenciales transferidos en el caso de conectar herramientas a los servicios auxiliares de una subestacin (en cuyo caso, el neutro queda directamente conectado a la malla a travs del neutro del transformador correspondiente) y trabajar con ellas fuera del permetro cubierto por la malla.

La norma ANSI / IEEE Std. 80-1986, si bien menciona e indica tomar precauciones en relacin a la posible existencia de voltajes transferidos, no ofrece una forma sencilla de clculo de ellos en cualquier punto. La posible existencia de voltajes transferidos en caso de una falla en media tensin es la razn por la cual es recomendable que el neutro secundario de transformadores de distribucin se conecte a una malla de tierra alejada al menos 20m respecto a la malla de media tensin de acuerdo a las normas nacionales.


Resistencia de malla Al circular una corriente de falla desde la malla hacia el suelo, todos los conductores de la malla alcanzarn un potencial respecto a un punto remoto (referencia remota a potencial cero) conocido como "Voltaje de malla". A la relacin entre el voltaje de malla y la corriente total de falla, se le conoce como "resistencia de malla". Como se observar, este valor de resistencia corresponde esencialmente a la resistencia impuesta por el material del suelo mismo al paso de la corriente de falla y por lo tanto depender del valor de la resistividad del suelo y de la configuracin geomtrica de la malla.

Factores que inciden en la resistencia de una malla Una malla de mayores dimensiones distribuir la corriente de falla en un rea ms amplia y por lo tanto tendr menor resistencia. Conductores de mayor dimetro, ofrecern mayor superficie equivalente para entregar corriente al suelo circundante, por lo tanto resultarn en una malla de menor resistencia. Tambin tendr efecto sobre la resistencia de la malla su configuracin geomtrica (menor resistencia mientras ms extendida est la malla) y la profundidad de enterramiento (menor resistencia a mayor profundidad). La resistividad del suelo circundante a la malla, sin duda tiene un efecto muy importante tanto en los voltajes superficiales como en la resistencia de la malla. Si el suelo no es homogneo, es decir tiene capas de distintas resistividades, un clculo adecuado debe considerar este efecto no despreciable. Existen mtodos simplificados para reducir un conjunto de capas a una resistividad equivalente, pero estos mtodos son solo aproximaciones. En general para mallas de gran tamao es de importancia considerar un modelo de resistividad de suelos que considere este efecto.


Suelos

Resistividad de suelos y modelacin Previo al diseo de mallas de tierra, se requiere conocer la resistividad del suelo en la cual se har la instalacin. Es sabido que los suelos no son homogneos, es decir no tienen las mismas resistividades en todos sus puntos. Para un buen diseo de la malla de tierra, se requiere conocer la estructura del suelo en la que se instalar la malla. Normalmente se asume que el suelo tiene una estructura de capas horizontales de diferente resistividad, modelo conceptual que si bien no siempre es representativo de la realidad, ha mostrado ser suficientemente exacto para la enorme mayora de los casos de clculo de mallas de tierra. Es posible mostrar que el clculo de mallas de tierra usando un modelo de solo dos capas del suelo, entrega resultados con errores menores al 3% para todos los terrenos encontrados en la prctica respecto a efectuar un clculo con tres o ms capas. Por otra parte la determinacin exacta de las resistividades del suelo para un modelo de tres o ms capas de suficiente precisin requiere un enorme cantidad de mediciones, por lo que solo tiene sentido prctico en trabajos de prospeccin petrolera o estudios geolgicos, pero es un trabajo innecesario para el objetivo de clculo de mallas de tierra. Por otra parte, an efectuando el esfuerzo de una gran cantidad de mediciones, esto no asegura una determinacin exacta de las resistividades subyacentes, pudiendo haber varios modelos de suelo que arrojaran aproximadamente las mismas mediciones superficiales (teorema de equivalencia o de supresin, de Dar Zarrouk).

Es importante mencionar que la publicacin ANSI/IEEE Std. 80-1986, "IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding" en su ltima versin del 1986 (considerada como la principal referencia prctica sobre el tema) considera aceptable los clculos y verificacin de la malla haciendo uso de un modelo simplificado de resistividad uniforme (es decir suelo homogneo de una sola resistividad).

Medidor de resistividad de suelos Estos instrumentos, estn diseados especialmente para medir resistividad de suelos y resistencias de mallas de tierra. Su principio de medicin consiste en inyectar una corriente (continua u oscilante a baja frecuencia) mediante los electrodos de corriente (generalmente marcados en el instrumento con los cdigos C1 y C2). Simultneamente miden la caida de tensin que se produce en el suelo entre los electrodos de medicin de potencial (generalmente marcados en el instrumento con los cdigos P1 y P2) En base a estas variables el instrumento indica directamente un valor de resistencia (en ohms) correspondiente al cuociente entre estos valores.


Al efectuar las mediciones en terreno, debe tenerse especial cuidado en la calidad de la aislacin de los cables utilizados, especialmente los de corriente. La razn de ello es que pequeas fugas de corriente al suelo, en lugares diferentes a los electrodos de terreno C1 y C2 causan grandes distorsiones en la medida del instrumento. Estos mismos instrumentos se utilizan adems para medir el valor de resistencia total de una malla ya construida.

Medicin de resistividad Para la medicin de las resistividades del terreno donde se instalar la malla, el nico mtodo exacto sera efectuar varias excavaciones e ir midiendo las resistividades del suelo encontrado, trabajo evidentemente lento y de gran costo. Por ello es habitual efectuar mediciones solo desde la superficie, haciendo uso de instrumentos diseados exclusivamente para ese objeto (medidores de resistividad de suelos de cuatro electrodos), los que permiten estimar las resistividades del suelo subyacente en base a mediciones solamente sobre la superficie del terreno. Este proceso de medicin en base a cuatro puntos, se efecta colocando los electrodos de medicin de corriente y de voltaje en varias disposiciones, de las cuales para el uso de clculo de mallas de tierra, dos son las habituales; conocidas como mtodo de Wenner y mtodo de Schlumberger, en honor a los geofsicos que por primera vez las aplicaron. Existen una amplia diversidad de otros mtodos de medicin haciendo uso de estos instrumentos, mtodos desarrollados en el mbito de la prospeccin petrolera, los cuales se analizan en diversa y excelente literatura especialmente trabajos de Ernesto Orellana, Harold Mooney, Kalenov, IU Iakubovskii y L. Liajov, entre otros). Sin embargo para el uso de clculo de mallas de tierra, por su simplicidad se utiliza alguno de los dos mtodos indicados en casi la totalidad de los casos.


Mtodo de Schlumberger El mtodo de Sclumberger, es un mtodo de sondeo electrico vertical que permite determinar un modelo en capas horizontales de diversas resistividades del subsuelo. Para su uso se requiere el uso de 4 electrodos (C1-P1-P2-C2), los que se instalan sobre una lnea recta de medicin, manteniendo fijos los dos electrodos centrales de potencial (P1-P2) y variando la distancia de los electrodos de inyeccin de corriente. En la versin generalmente utilizada, los electrodos externos (C1-C2) inyectan una magnitud definida de corriente y se mide el potencial que aparece entre los electrodos internos (P1-P2). A partir de estos valores se calcula una resistividad aparente que es utilizada por RP-MALLAS para la estimacin del modelo de suelo ptimo. El mtodo se efecta midiendo el valor de la resistividad aparente de acuerdo a lo indicado para

varios valores de distancia [na] entre electrodos. En la versin original del mtodo, n deba ser un nmero entero, pero cuando se utiliza un metodo numrico de optimizacin esta restriccin no es necesaria.

Al igual que en el mtodo de Wenner, se requiere al menos 4 mediciones para tener valores significativos. Es recomendable al efectuar la medicin ir escalando la distancia [na] mediante una progresin geomtrica, hasta un valor aproximadamente correspondiente a 1.5 veces el tamao que se estima tendr la malla. Es comn usar valores de [a] de 1m, 1.5m, 2m, pero puede usarse cualquier valor a decisin del usuario. Usualmente la medicin se inicia con los electrodos de corriente a una distancia [na] del orden de 1.5 veces la distancia [a], distancia que se va escalando en forma geomtrica con factor 1.5 Por ejemplo una serie adecuada de valores de [a] para una malla que se estima tendr 10m de largo mximo, sera: [a] = 1.0m [na] = 1.0m , 1.5m , 2.25m , 3.4m , 5.0m , 7.6m , 11.4m , etc.


Mtodo de Wenner El mtodo de Wenner, es un mtodo de sondeo electrico vertical que permite determinar un modelo en capas horizontales de diversas resistividades del subsuelo. Para su uso se requiere el uso de 4 electrodos (C1-P1-P2-C2), los que se instalan siempre equiespaciados sobre una lnea recta de medicin. En la versin generalmente utilizada, los electrodos externos (C1-C2) se usan para la inyeccin de una magnitud definida de corriente y se mide el potencial que aparece entre los electrodos internos (P1-P2). A partir de estos valores se calcula una resistividad aparente que es utilizada por RP-MALLAS para la estimacin del modelo de suelo ptimo. El mtodo se efecta midiendo el valor de la resistividad aparente de acuerdo a lo indicado para varios valores de distancia [a] entre electrodos.

Para poder hacer un anlisis estratigrfico se requiere al menos 4 mediciones. Con menos valores es posible solo estimar un valor del resistividad media. Es recomendable al efectuar la medicin ir escalando la distancia [a] mediante una progresin geomtrica, hasta un valor aproximadamente correspondiente a 1.5 veces el tamao que se estima tendr la malla. Usualmente la medicin se inicia con valores de [a] del orden de 1m, los que se van escalando en forma geomtrica con factor 1.5 Por ejemplo una serie adecuada de valores de [a] para una malla que se estima tendr 10m de largo mximo, sera: [a] = 1.0m , 1.5m , 2.25m , 3.4m , 5.0m , 7.6m , 11.4m , etc. El mtodo tradicional consiste en comparar la grfica resistividad v/s distancia contra un conjunto de curvas patrn previamente calculadas y seleccionar la que muestre un ajuste con menos errores en forma visual. Los mtodos modernos hacen uso de mtodos matemticos de optimizacin numrica (generalmente por mnimos cuadrados) para obtener la curva correspondiente al modelo terico con menos errores. En ambos casos debe tenerse cuidado en identificar anomalas y errores en las mediciones previo a su contrastacin con curvas patrn o anlisis numrico. Las causas frecuentes son elementos metlicos enterrados, fugas de corriente al suelo en cables usados en la medicin, errores de lectura, etc. Un operador experimentado puede detectar estas anomalas y eliminar los puntos que contienen errores evidentes.

Interpretacin de resistividad de suelos

Interpretacin tradicional de resistividades de suelos Es necesario tener claridad en que ni el mtodo de Wenner ni el de Sclumberger mide directamente las resistividades de las capas inferiores del suelo, por lo que una vez obtenido un conjunto de


mediciones, es necesario proceder a su interpretacin. La forma tradicional de interpretar las mediciones obtenidas por alguno de estos mtodos consiste en dibujar los puntos medidos sobre un papel log-log semitransparente, para luego contrastar la curva resultante contra un conjunto de curvas patrn (de las cuales hay que disponer de un juego de buena calidad previamente) buscando aquella que ms se aproxima al conjunto de mediciones. Este proceso es tedioso, requiere experiencia en la interpretacin y los resultados logrados tienen un grado variable de precisin que no puede garantizarse.

Interpretacin de resistividad por optimizacin matemtica Los mtodos numricos permite ingresar directamente los datos obtenidos de las mediciones en forma de resistividad aparente, y no requiere en absoluto el uso de curvas patrn. En base a los valores medidos ingresados (hasta 40 puntos), los mtodos matemticos calculan un modelo optimizado del suelo. El mtodo que ofrece mejores resultados es el procedimiento iterativo de Levenberg-Marquardt, el cual por refinamientos sucesivos asegura que el modelo resultante corresponde al modelo de dos capas mejor adaptado a los puntos ingresados. Para ello busca el modelo de dos capas que minimiza la suma del error cuadrtico de las mediciones respecto al valor calculado, asegurando as un modelo ptimo para ese grupo de mediciones. Adems durante el proceso de clculo este mtodo es capaz de identificar aquellos puntos medidos que tienen un error estadsticamente excesivo, lo que podra ser indicador de un error de ingreso de datos al programa o de un error de las mediciones, permitiendo su eliminacin o correccin con objeto de mejorar la estimacin.

Modelo de suelo de resistividad uniforme Este modelo considera que todo el suelo en el cual se disear la malla tiene caractersticas homogneas, bastando para su modelacin solamente un valor de resistividad. En este caso las resistividades aparentes que entregan las mediciones de Wenner y Schlumberger son constantes (independientes de la distancia entre electrodos) y de igual valor al verdadero valor de la resistividad del suelo. El clculo realizado para mallas reticuladas uniformes de acuerdo al mtodo IEEE Std. 80, hace uso de un modelo de resistividad uniforme.

Modelo de suelo biestratificado Este modelo de suelo considera la existencia de dos capas horizontales con resistividades diferentes. La determinacin de las resistividades puede hacerse haciendo ingresando los valores medidos de resistividad aparente por algn mtodo de sondeo elctrico vertical (mtodos de Wenner o Schlumberger), tras lo cual es necesario estimar los parmetros de este modelo de suelo en forma ptimizada. Sin embargo no existen mtodos sencillos que permitan calcular manualmente una malla en un terreno biestratificado, requiriendose para ello el uso de un computador. Exite un mtodo conocido como de reduccin de capas, el cual convierte un modelo de varias capas a un modelo de resistividad uniforme. Sin embargo este mtodo no es ms que una aproximacin y su uso requiere factores de seguridad altos para un diseo real.


Medida de resistencia de una malla

Mtodo de medicin usando el medidor de resistividad de suelos Una vez diseada y construda una malla de tierra, es necesario verificar el valor de resistencia total que alcanza, lo que permite confirmar las hiptesis de clculo utilizadas y validar la confiabilidad de las estimaciones de voltajes peligrosos. Por otra parte muchas veces es necesario medir la resistencia de sistemas de puesta a tierra antiguos o no documentados, muchas veces como una forma simple de evaluar el estado de conservacin de la malla y su cumplimiento del valor exigido por las normas. El mtodo utilizado para ello consiste en inyectar a la malla un valor determinado de corriente (con el instrumento conectado como se indica en la figura) y estimar su elevacin de potencial respecto a un punto remoto (tericamente en el infinito). El mtodo usual es instalar un electrodo de corriente suficientemente alejado de la malla a medir, de modo de separar sus "zonas de influencia", lo suficiente como para que la zona intermedia quede a un potencial similar al de la tierra remota. Luego se va tomando una serie de valores de resistencia sobre la recta de medicin (como se indica en la figura) los que se van de inmediato graficando en funcin de la distancia respecto a los electrodos C1-P1. Cuando se logra una zona de meseta en la medicin, esta zona es representativa del suelo con un voltaje similar al de la tierra remota (casi cero), por lo tanto indicando directamente el valor de resistencia de la malla a medir. Este mtodo debe ser usado con cuidado, repitiendo las mediciones en varias orientaciones de la recta de medicin, con objeto de descartar la influencia de posibles electrodos pasivos enterrados en las cercanas (ductos, caeras metlicas, etc). En figura siguiente se muestra una medicin correcta de la resistencia de una malla


Ejemplo de medicin incorrecta de una malla Por ser una situacin frecuente se muestra a continuacin el resultado de las mediciones cuando el electrodo C2, de emisin de corriente est demasiado cercano a la malla a medir. En este caso no es posible detectar la zona de meseta que indique un valor confiable de resistencia de la malla.


Recomendacin ANSI / IEEE Std. 80 El Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) ha venido actualizando un conjunto de recomendaciones y mtodos de clculo que permiten asegurar la seguridad de las instalaciones en subestaciones de poder.

Limitaciones del clculo de acuerdo a mtodo IEEE Std. 80 Evidentemente el clculo de acuerdo a este mtodo implica las siguientes limitaciones a la malla por calcular:

La malla debe ser rectangular

El reticulado de la malla debe ser uniforme, o sea los conductores de la malla deben estar dispuestos paralelos y a distancias regulares entre ellos en cada sentido del rectngulo.

Todos los conductores elementos de la malla deben ser del mismo dimetro.

Se permiten estacas, las cuales pueden estar distribudas uniformemente en su permetro o sobre toda el rea de la malla. Las estacas se caracterizan por un dimetro y una longitud.

Si bien RP-MALLAS admite ingresar un modelo de suelos de dos capas, el clculo de la malla se hace considerando un suelo de resistividad uniforme, por lo que en el caso de dos capas del suelo, se reducen stas a un modelo de suelo con resistividad equivalente.

La estimacin de los potenciales de paso y contacto de la malla, corresponden a la estimacin conservativa para el peor caso de acuerdo al mtodo desarrollado en la norma, por lo tanto en la mayora de los casos resultar en el diseo de una malla algo sobredimensionada.

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Curso Basico Mallas de Tierra - Rene Mendoza