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Ing. ABEL C. CATAY BUITRON
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Ing. ABEL C. CATAY BUITRON UNCP - FIEE 1
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA
METROLOGIA E INSTRUMENTACION ELECTRICA
RESISTIVIDAD ELECTRICA DE SUELOS
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RESISTIVIDAD ELECTRICA DE LOS CUERPOSRESISTIVIDAD ELECTRICA DE
LOS CUERPOSLa resistividad elctrica de un material describe la
dificultadque encuentra la corriente a su paso por l.La resistencia
elctrica que presenta un conductor homogneoviene determinada por la
resistividad del material que loconstituye y la geometra del
conductor.As, para un conductor rectilneo y homogneo de seccin s
ylongitud l, la resistencia elctrica es:
Y la resistividad
La unidad de resistividad en el SI es el Ohm por metro ( .
m)
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En la realidad todo los cuerpos son elctricamente
conductores,porque permiten en mayor o menor medida, el paso
deportadores de cargas elctricas.Estos portadores pueden ser
electrones o iones (positivos onegativos). Entonces debemos
distinguir dos tipos deconductividad: electrnica e inica.Los
metales y semiconductores son cuerpos con
conductividadelectrnica.Los cuerpos con conductividad inica se
conocen comoelectrolitos, y se pueden presentar en forma gaseosa.
(enlacescovalentes)
Definicin de la Norma DGE:TERMINOLOGIA EN ELECTRICIDAD
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RESISTIVIDAD ELECTRICA DEL SUELO
Por su propia naturaleza la tierra podra ser considerada como
unperfecto conductor de la electricidad y su resistencia
vienedeterminada por la resistividad de su capa superior, es decir,
elsuelo.En la realidad, el suelo en s mismo es un buen aislante
(grancontenido de oxido de silicio y oxido de aluminio,
altamenteresistivos), solamente llega a hacerse conductor (con
pocasexcepciones) por el contenido de electrolitos, el cual
consiste deminerales y sales disueltas en agua (suelo hmedo).El
agua desmineralizada es un aislante y solamente esconductora cuando
contiene sales solubles en ella.Si se explica el tema desde el
punto de vista de la conductividad(1/), estamos ante un fenomeno
basicamente electroquimico oelectrolitico, entonces va a depender
de la cantidad de aguadepositada, nivel de humedad, y la cantidad
de sales.
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El efecto del agua en la resistividad del suelo depender de
lacantidad de sales disueltas. Y viceversa?Consiguientemente la
resistividad del suelo depender de lascondiciones climticas, de su
habilidad para retener el agua, desu compactacin, etc. La conduccin
del terreno es fundamentalmente electroqumica !
Los terrenos no son uniformes y presentan capas diferentes.
Porello cuando se mide la resistividad se esta midiendo
laresistividad aparente.La mejor evaluacin ser medir la
resistividad de cada capa susprofundidades y espesores.A medida que
aumenta el tamao de las partculas del terrenoaumenta la
resistividad. La grava tiene mayor resistividad que laarena, y sta
mayor resistividad que la arcilla.
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La resistividad de los suelos () se expresa en -m,
quecorresponde a la resistencia de 1 ohm de un cubo de 1 m3 desuelo
o aguas medidos entre sus paredes laterales.
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FACTORES QUE DETERMINAN LARESISTIVIDAD DE LOS SUELOS
Naturaleza de los suelos. La humedad La temperatura del terreno
La concentracin de sales disueltas. La compactacin del terreno. La
estratificacin del terreno.
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NATURALEZA DE LOS SUELOS
Los suelos pueden ser buenos, regulares o malos conductores de
lacorriente elctrica dependiendo de su naturaleza. Sin embargo,dado
los volmenes que entran en juego, es posible conseguir unaconduccin
aceptable. Suelos arcillosos, arenosos y rocososalgunas veces
tienen una resistencia elevada, por lo que puedenconsiderarse como
conductores pobres.La GRANULOMETRIA se relaciona con el tamao del
grano quecompone predominantemente el suelo y sus
caractersticashigroscpicas (absorcin) y retencin del agua.El efecto
de esta condicin es:
ResistividadVolumen grano
Grado de unin (Compactacin) Forma de cristales
Tamao de grano
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Para el diseo e instalacin de una sistema de puesta a tierrael
primer paso debe ser el conocimiento del terreno.La resistividad
del terreno define la resistencia de puesta atierra de un
electrodo.
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VALORES ORIENTATIVOS DE LA RESISTIVIDAD EN FUNCION DEL
TERRENO
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Fuente: MANUAL THOR-GEL
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VALORES MEDIOS APROXIMADOS DE LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO
FORMULAS SIMPLIFICADAS PARA ESTIMAR LA RPT EN FUNCION DE
LARESISTIVIDAD DEL TERRENO Y LAS CARACTERISTICAS DEL ELECTRODO
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LA HUMEDADLa resistividad de un terreno tiene relacin directa al
porcentajede humedad que ste presenta (estado hidromtrico).Al
aumentar la humedad disminuye la resistividad. Al disminuir
lahumedad aumenta la resistividad. Esta relacin no es linealporque
la resistividad presenta saturacion cuando el porcentajede humedad
aumenta.
Resistividad de un terrenoarcilloso en funcin de lahumedad del
suelo h.
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Debido a que la conduccin de corriente es
mayormenteelectroltica, la humedad facilita la disociacin de las
sales en ionespositivos y negativos; al haber ms humedad hay
mayorconductividad y por lo tanto menor resistividad.
Variacin de la resistividad en funcin de la humedad.
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Muchas veces, una manera de reducir la resistencia de puesta
atierra es humedeciendo el terreno a lo largo del tiempo,
lograndoas valores bajos de resistividad. Hay algunas instalaciones
quetiene prevista una tubera de agua, la que utilizan para
manteneruna concentracin de humedad en todas las pocas y
duranteaos; manteniendo valores bajos de resistividad.
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TEMPERATURAComo caracterstica de una resistencia, la
resistividad delterreno aumenta cuando se incrementa la
temperatura, perocuando se esta a 0 C y menos la resistividad
aumentabruscamente. El hielo se comporta como aislante.
Poca incidenciapara temperaturassuperiores al puntode
congelamiento !
En lugares fros oglidos se debeninstalar puestas atierra a
mayorprofundidad paraevitar temperaturasde congelamiento.
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La resistividad del suelo es aproximadamente independiente de
latemperatura hasta que alcanza el punto de congelamiento; en
esemomento la resistividad del suelo se incrementa muyrpidamente
pareciendo que no hay virtualmente ningn contactocon la tierra, la
razn de ello es debido a que no hay disociacinde sales.
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CONCENTRACION DE SALES DISUELTASLa mayor concentracin de sales
disueltas, mejora notablementela conductividad. La resistividad
disminuye.Las lluvias o riego excesivo lavan las sales contenidas
en la poza!
Tambin laconcentracin desales disueltas sesatura como lahumedad
y en stepunto un mayorincrementocontribuyemnimamente adisminuir
laresistividad delterreno.
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resistividad en funcin al contenido de sales.
El contenido de sales produce una menor resistividad nter
granular, lo cualpermite circular corrientes con mayor facilidad y
adems, la sal (NaCl) es unmaterial que absorbe con facilidad la
humedad (higroscopico) al igual que elcemento y el carbn vegetal,
pero..
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COMPACTACION DEL TERRENOCuando el terreno est mas compactado
disminuye la resistividad.Implica un mayor contacto entre el
electrodo y el terreno.El grado de compactacin altera el valor de
la resistividad, debidoa la unin de los granos.
Relacin directa alalmacenamiento deagua, y
Relacin inversa aintersticios de aire.
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ESTRATIFICACION DEL TERRENOEl suelo esta formado por estratos
(capas) a diferentes profundidadesy con diferentes resistividades.
Debido a la formacin geolgica,generalmente son paralelas a la
superficie.La instalacin de una puesta a tierra en una capa de
mayorresistividad conduce a una alta resistencia de puesta a
tierra.Para el conocimiento de las resistividades de las
capasnecesariamente debern realizarse mediciones para poder
determinarel valor de la futura puesta a tierra.Entonces la
resistividad del terreno depende de las caractersticas delas
capas.
Anisotropa o grado de desorden
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COMPORTAMIENTO DE LAS CAPAS DE UN TERRENO
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Otros factores del suelo que tienen una repercusin directaen lo
que respecta al diseo de SPAT:
Permitividad ()Tiene repercusin directa en el comportamiento
transitorio.
Factor de ionizacin (particular de cada tipo de suelo)Implica la
ionizacin de suelo (Efecto corona) por la aplicacin deuna alta
intensidad de campo elctrico.
PHInfluye significativamente en la vida til del SPAT por
corrosin.
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MEDICIN DE LA RESISTIVIDAD DEL TERRENOLa medicin de la
resistividad del terreno es la razn msimportante para los
electricistas al disear sistemas de puesta atierra.La resistividad
es un factor determinante en el valor deresistencia a tierra que
pueda tener un electrodo enterrado, sepodra determinar a que
profundidad debe ser enterrado elmismo para obtener un valor de
resistencia bajo.La resistividad puede variar ampliamente en
terrenos que tenganlas mismas caractersticas, su valor cambia con
las estaciones, elcontenido de electrolitos: humedad, minerales y
sales disueltas.Tambin es influenciada por la temperatura.Un suelo
seco tiene un alto valor de resistividad si no contienesales
solubles. (sales comerciales).
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CONSIDERACIONES PARA LA MEDICIONAl margen de otras
consideraciones, el instrumento de medidadeber ser de corriente
alterna por las siguientes razones:
A. La aplicacin de C.D. en el agua con sales disueltas podra
darlugar a fenmenos electrolticos que confundiran los
resultados.
B. En el suelo a veces estn presentes corrientes parsitas
ovagabundas (fugas a tierra) a frecuencia del sistema elctrico (60
50 Hz). Particularmente en las inmediaciones de instalacionesde
potencia, stas podran falsear la medida.Empleando corriente alterna
en la medida a una frecuenciadiferente a la industrial (60 Hz),
puede sintonizarse la respuestadel equipo de modo que resulte
improbable la influencia externa.Para la medicin de la resistividad
del terreno y la resistencia detierra ser conveniente realizar las
mediciones con el terrenoseco, por lo menos a una semana despus de
la ltima lluvia.
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El mtodo ms utilizado por los electricistas para realizar
lasmediciones es el de Wenner. (Desarrollado por Frank Wenner
en1915)Para la medicin se disponen 4 electrodos en lnea recta
yequidistantes una distancia "a", simtricamente respecto al puntoen
el que se desea medir la resistividad del suelo, posteriormente,el
equipo de medida es un telurmetro de cuatro terminales,
loselectrodos externos son los de inyeccin de la corriente y
loscentrales los encargados de medir la cada de potencial (en
funcinde la resistencia y la corriente inyectada).
A number ofmeasuringtechniques aredescribed indetail in IEEEStd
81-1983.
Wenner four-pinmethod
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Sinptico delmedidor de tierras
Disposicinhabitual del mtodode Wenner
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El valor obtenido con la medicin es sustituido en la
expresinobtenindose un valor promedio de resistividad aparente a
unaprofundidad equivalente a la distancia "a" entre los
electrodos:
Donde:a : Distancia entre electrodos en metrosb : Profundidad
del electrodo en metrosR : Valor de resistencia obtenido en la
medicin con eltelurmetro (R = V/I)Si a > 20b la expresin
anterior se puede aproximar a:
(con a en m )(con a en pies)
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OTRAS DISPOSICIONES DE LOS ELECTRODOS ENEL METODO DE WENNER PARA
OBTENER
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Mtodo de Schlumberger para la medicin deresistividad de
suelos.
En este mtodo las picas, varillas o barras tambin seubican en
lnea recta. Respecto del centro de la medicin,las varillas de
corriente y de tensin equidistan una longitudL y s
respectivamente.
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La longitud L representa, en este mtodo, la evaluacin dela
resistividad del suelo a la profundidad L.
Tambin este mtodo conduce a la determinacin de unaresistividad
aparente a que representara la de un terrenohomogneo.La siguiente
expresin calcula a en funcion a losparametros: resistencia medida
por el terrometro, y lasseparaciones entre picas de tensin y
corriente.
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Con este mtodo la medicin de resistividad es mas gil y esusado
en lugares donde no hay mayor espacio, ya que solo sevaria la
distancia entre las varillas de corriente.Se necesita contar con
instrumentos de mayor sensibilidad,porque a mayores profundidades
de evaluacin eltelurmetro medir pequeas resistencias (< 1
ohm).Otra configuracin que se debe confrontar con la anterior
es:
En este caso laresistividad resulta:
Generalmente la relacinb/a debe ser un numeroentero.
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Criterios prcticos a tener en cuenta almedir la resistividad del
terreno:
La profundidad de los electrodosno debe sobrepasar 30 cm. Es
conveniente que se realicenmediciones en diferentesdirecciones para
un mismo sondeo,por ejemplo de Norte a Sur y deEste a Oeste, debido
a lascaractersticas de anisotropa de lossuelos. Al elegir la
profundidad de exploracin no se recomiendanprofundidades mayores a
los 8 metros puesto que es muy difcilpoder llegar con las tomas de
tierra hasta esos niveles, estoimplica separaciones
interelectrdicas hasta 11 metros.
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No es conveniente que lasmediciones se realicen dondeexistan
tomas de tierra o tuberas.Se obtienen resultado errados.
Si se quiere conocer laresistividad existente en unapuesta a
tierra, es obligatoriorealizar la medicin en una zonacercana a la
misma, concaractersticas similares y con lamisma conformacin
geolgica.
Al realizar las mediciones endiferentes direcciones,
(norte-sur,este-oeste, etc.) los valores deresistencia obtenidos
para cadaseparacin entre electrodos apueden ser promediados,
nopueden ser promediados valoresobtenidos con diferentes a.
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Con estos valores obtenidos se traza la curva de resistividad,
porla cual se selecciona, a que profundidad deben ser enterrados
loselectrodos.
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Medidasrealizadas en elterrenoadyacente a laspozas de PT deIng.
Qumica
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MODELAMIENTO DE SUELOSInterpretacin de las medidas de
resistividad del suelo realizadasen el campo es la parte mas difcil
del proceso de determinacinde la resistividad. El objetivo
fundamental es obtener un modelodel suelo que sea aproximadamente
igual al suelo existente.Tngase en cuenta la anisotropa de los
suelos.Los modelos de suelo mas utilizados es el modelo de
suelouniforme y el modelo de suelo de dos capas. El modelo de
doscapas es un aproximado de muchas estructuras de suelo,
losmodelos de mltiples capas son utilizados para suelos
mascomplejos.Un modelo de suelo uniforme se utiliza solo cuando
existe unavariacin moderada en la resistividad aparente, que
raramenteexiste.Una representacin mas exacta de un suelo es el
modelo de doscapas que consiste en una capa superior de profundidad
finita yuna capa inferior de profundidad infinita, ambas de
diferenteresistividad.
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SUPOSICION DE SUELO UNIFORMEUn modelo de suelo uniforme se puede
utilizar en ves de uno dedos capas cuando no se tenga las
herramientas de calculo. Unaproximado de suelo uniforme se puede
tener tomando elpromedio aritmtico de las resistividades
aparentes.
Modelo de suelo a dos capas.
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Ejemplo de modelo de suelos: se modelar el suelo con las
resistividadesaparentes medidas.
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3258
41263607
4533
43054004
47525221
Resistividad(ohm-m)
Reparacin(m)
Suelo homogneo?