MEDICIÓN DE RESISTENCIA E IMPEDANCIA DE PUESTA A TIERRA:
Las mediciones de resistencia de puesta a tierra deben realizarse antes de poner en funcionamiento un sistema eléctrico e incluirlas dentro de las actividades de mantenimiento preventivo para hacerle seguimiento, puesto que su valor es un indicador del estado del sistema de puesta a tierra.
Se habla de impedancia de puesta a tierra cuando en los sistemas de puestas a tierra se vuelve significativa la participación de los componentes inductivos y capacitivos en el comportamiento de la puesta a tierra, como sucede cuando las dimensiones de la mallas son de gran magnitud (cientos de metros o más).
A través de la evaluación de la impedancia, se puede tener una idea sobre el comportamiento de la puesta a tierra ante la inyección de descargas de alta intensidad de corriente y de muy corta duración, características típicas de los rayos.
En baja frecuencia la impedancia de puesta a tierra es esencialmente resistiva en la gran mayoría de los casos y muy frecuentemente las puestas a tierra son concebidas para manejar corrientes de frecuencia industrial, por lo que existe apreciable normatividad al respecto, dentro de la cual se incluyen técnicas de medición de resistencia a tierra separadamente de las de medición de impedancia.
Son varios los métodos que se utilizan para medir resistencia de puesta a tierra, algunos de ellos están descritos en la IEEE Std de 2012 “IEEE Guide for measuring earth resistivity, ground impedance, and earth surface potentials of a ground system” y en la NTC 6307 de 2018 “Sistemas de puesta a tierra (spt)”como por ejemplo:
· Método de los dos puntos
· Método de los tres puntos
· Método de la caída de potencial
· Método del 62%
· Método de la pendiente
· Medición de impedancia de puesta a tierra
· Método de medición con pinza
· Método de medición con pinza selectiva
A continuación de describirá de manera sencilla la aplicación de cada uno de los métodos señalados:
Método de los dos puntos: En este método la resistencia de puesta a tierra del electrodo de tierra que se quiere conocer, se mide en serie con la resistencia de un electrodo de tierra auxiliar, la cual se presume despreciable en comparación la resistencia del electrodo bajo prueba. El valor medido de su resistencia representa la resistencia de puesta a tierra del electrodo que se quería conocer.
Este método puede introducir grandes errores en la medición, en especial cuando la resistencia del electrodo auxiliar es comparable a la del electrodo que se quiere medir. Se utiliza generalmente para medir electrodos de puesta a tierra simples (una o dos varillas, un triángulo, etc.) que ocupan un área muy pequeña, mientras que por electrodo auxiliar se utiliza un electrodo de cubre un área importante como por ejemplo una tubería metálica de agua de gran longitud o la malla de puesta a tierra de una subestación de energía eléctrica.
Figura 1. Medición de resistencia de puesta a tierra aplicando el método de los dos puntos
Método de los tres puntos: Este método requiere de dos electrodos auxiliares con resistencias r2 y r3, siendo r1 la resistencia que se quiere conocer del electrodo bajo prueba. Se debe medir por el método de los dos puntos la resistencia entre cada par de electrodos y se designan como r12, r13 y r23, donde:
r12= r1 + r2 r13= r1 + r3 r23= r2 + r3
Obteniéndose que:
Figura 2. Medición de resistencia de puesta a tierra aplicando el método de los tres puntos
Se recomienda que las resistencias de los electrodos r1, r2 y r3 sean comparables. Si los dos electrodos auxiliares tienen resistencias substancialmente más altas que el electrodo bajo prueba, los errores de las medidas individuales elevarán los resultados finales. Además, este método puede dar valores erróneos, tales como resistencia cero o negativa, si los electrodos no son separados por una distancia suficientemente grande.
Es recomendable que las distancias mínimas entre electrodos sean de al menos 5 m, preferiblemente 10 m o más; no se recomienda para medición de electrodos de puesta a tierra que ocupan grandes áreas, pues puede ser impreciso y existen otros métodos de medición más confiables.
Método de la caída de potencial: Es el método más utilizado para medir resistencia e impedancia de puesta a tierra y presenta varias modalidades, también es el más difundido por su confiabilidad, si es bien aplicado.
Consiste básicamente en pasar (inyectar) una corriente desde electrodo bajo prueba hasta otro electrodo auxiliar (denominado de corriente) ubicado en tierra remota (distancia D) y medir la diferencia de potencial entre el electrodo objetivo y otro electrodo auxiliar (denominado de potencial) a una distancia “X”. Al hacer el cociente entre la diferencia de potencial medida y la corriente inyectada, se obtiene un valor de resistencia de puesta a tierra. Es importante mantener alineados la puesta a tierra a medir y los electrodos auxiliares de potencial y de corriente.
Figura 3. Medición de resistencia de puesta a tierra aplicando el método de la caída de potencial
(Adaptada de IEEE Std 81-2012)
Para iniciar la medida el electrodo de potencial se entierra cerca al electrodo bajo prueba (puesta a tierra a medir), se inyecta la corriente y se mide la diferencia de potencial, obteniéndose un valor de resistencia de puesta a tierra, luego se repite la medición desplazando el electrodo de potencial a lo largo de la línea entre los electrodos, tomando mediciones sucesiva hasta llegar al electrodo de corriente.
Posteriormente se grafican los valores medidos de resistencia de puesta a tierra contra las distancias de ubicación del electrodo auxiliar de tensión, obteniéndose una curva con una zona prácticamente horizontal (resistencia más o menos constante) en su zona central, en donde se ubica el valor verdadero de resistencia de puesta a tierra del electrodo bajo prueba.
Para tratar de obtener esa zona razonablemente plana de la curva, el electrodo auxiliar de corriente se debe ubicar a una distancia entre 5 (IEEE Std 81 de 2012) y 6.5 (RETIE de 2013) veces la mayor dimensión del electrodo de puesta a tierra a medir (en una malla de puesta a tierra cuadrada o rectangular es la diagonal principal), en caso de no encontrarse esa zona horizontal es necesario alejar más el electrodo de corriente. Es aceptado y se puede demostrar que en un terreno homogéneo, el valor de la resistencia sería el encontrado al ubicar el electrodo de potencial al 61.8% de la distancia entre la puesta a tierra bajo prueba y el electrodo de corriente, dando este origen al denominado método del 62%.
Cuando se aplica este método a torres de líneas de transmisión, se debe tener en cuenta que, si se hace con un telurómetro de baja frecuencia, deben desconectarse los cables de guarda, pero si se emplea un telurómetro de alta frecuencia (25 kHz) no se requiere desconexión.
Método del 62%: Es un método simplificado del método de la caída de potencial, consiste en tomar tres medidas de resistencia de puesta a tierra, ubicando el electrodo auxiliar de potencial al 62% de la distancia entre el electrodo bajo prueba y el electrodo auxiliara de corriente (distancia D), haciendo para cada una de las tres medidas verificaciones colocando el electrodo de potencial al 52% y al 72% de la distancia (D), el valor obtenido al 62% de D, debe ser un valor contenido (preferiblemente intermedio) de los medidos al 52% y al 72% de D y muy similares las tres medidas. El valor para reportar como resistencia de puesta a tierra será el valor promedio de tres medidas realizadas al 62% de D, sin mover los electrodos auxiliares.
Igualmente, el electrodo auxiliar de corriente se debe ubicar a una distancia entre 5 (IEEE Std 81 de 2012) y 6.5 (RETIE de 2013) veces la mayor dimensión del electrodo de puesta a tierra a medir.
Método de la pendiente: Es otra variante del método de la caída de potencial, descrito en la IEEE Std 81 de 2012 y se aplica cuando se desea medir grandes mallas de puesta a tierra en las cuales no es factible alejar el electrodo auxiliar de corriente según lo indicado cuando se usa el método de la caída de potencial.
A continuación se indica cómo se aplica este método:
Figura 4. Medición de resistencia de puesta a tierra aplicando el método de la pendiente
a) Elija un punto apropiado de conexión a la malla de puesta a tierra bajo estudio para hacer las mediciones conservando los electrodos alineados y seleccione una distancia CP de por lo menos 2 veces la diagonal de la malla (o su mayor longitud, si no es rectangular), para enterrar el electrodo auxiliar de corriente (C).
b) Mida las resistencias R1, R2 y R3 insertando el electrodo de potencial (P) a distancias del punto de partida de 0.2CP; 0.4CP y 0.6CP, respectivamente.
c) Calcule el coeficiente de variación de pendiente μ = (R3 - R2) / (R2 - R1).
d) Busque el valor de PPt / CP correspondiente al valor "μ" en la Tabla 1.
e) Mida la resistencia colocando la sonda de potencial a una distancia PPt del punto de partida (que se obtiene de multiplicar [(PPt / CP)*CP]. Ese valor medido es el de la resistencia real de puesta a tierra.
f) Como una forma de validar la medida, varíe (aumente) la distancia CP y repita el procedimiento. El nuevo valor de resistencia obtenido debe ser muy cercano al anterior. Si no, es necesario aumentar aún más la distancia CP y repetir el procedimiento.
Tabla 1. Coeficientes del método de la pendiente (Tomada de IEEE Std 81 de 2012)
Medición de impedancia de puesta a tierra: Es otra variante del método de la caída de potencial, se emplea cuando se desea medir la impedancia de puesta a tierra de torres de líneas de transmisión sin desconectar el cable de guarda, como lo indica el numeral 12.6 de la IEEE Std 81 de 1983 y exigido por el RETIE según lo descrito en el numeral 15.5.2 de este reglamento; se utiliza un telurómetro de alta frecuencia que hace una inyección de corriente a 25 kHz, para que por efectos inductivos desacople los cables de guarda. Se puede utilizar cualquiera de los tres métodos anteriores a este, pero utilizando un telurómetro de alta frecuencia.
Figura 5. Medición de impedancia de puesta a tierra utilizando telurómetro de alta frecuencia
ADVERTENCIA: Normalmente los telurómetros desde fábrica están diseñados para unas longitudes y calibres de cableado predeterminados, que presentan una resistencia ya compensada en el equipo, para evitar introducir resistencias adicionales en la medida; sin embargo, se ha venido imponiendo una práctica consistente en utilizar cableado de mayor longitud para poder medir sistemas de puesta a tierra más grandes, sin tener presente que pueden aparecer resistencias adicionales por la longitud del cableado, en especial con el que se conecta a la malla de puesta a tierra y que se hace más evidente según el método utilizado, introduciendo errores en la medida reportada; a continuación se muestra de manera gráfica tal situación:
Figura 6. Medición de resistencia de puesta a tierra utilizando Telurómetro con dos conductores conectados a la malla de puesta a tierra
Figura 7. Medición de resistencia de puesta a tierra utilizando Telurómetro con un conductor conectados a la malla de puesta a tierra
En el esquema de la figura 6 se puede apreciar, que la diferencia de potencial se mide entre el punto de conexión a la malla y el electrodo de potencial Ep, mientras que en la figura 7, la diferencia de potencial se mide entre el puente interno C1P1 del equipo y el electrodo de potencial Ep, quedando sin incluir la caída de potencial a través de la resistencia del conductor entre el puente y la malla, lo que, si se utiliza cableado diferente (generalmente de mayor longitud) al que trae originalmente el equipo, no quedará compensado en la medición, mostrando un valor incorrecto de resistencia de puesta a tierra.
Método de medición con pinza: Gran cantidad de mediciones que se realizan en la práctica, corresponden a electrodos de puestas a tierra que ya se encuentran en funcionamiento y por tanto interconectados con otros electrodos de puestas a tierra, lo que muy probablemente hace que la puesta a tierra de interés esté en serie con el “paralelo” de las de otras puestas a tierra del sistema. Esto hace difícil y peligroso desconectar la puesta a tierra para realizar la medición. Se puede entonces recurrir a la pinza de medición de resistencia a tierra (pinza de inducción).
Figura 8. Medición de resistencia de puesta a tierra utilizando pinza de inducción
Rx, es la resistencia de la puesta a tierra bajo estudio que, debido a que está conectada al sistema, se encuentra en serie con el paralelo de las demás puestas a tierra existentes en la red de distribución.
La función de la pinza es inducir una tensión V que produce una corriente I, como se ilustra en la figura 8, y desplegar, como valor de resistencia a tierra de interés, la que resulta de su relación. Se tiene, entonces:
En este caso, se supone que existe una gran cantidad de electrodos de puestas a tierra en paralelo cuyo equivalente en resistencias es un valor reducido (<< 1 Ω) comparado con el valor de resistencia de puesta a tierra a medir y por tanto despreciable. De lo contrario se tendría un error muy alto.
Finalmente la pinza mide dos resistencias en serie, la buscada y la equivalente del sistema, como se ilustra en la figura 9, lo cual se aproxima al valor de resistencia de la puesta a tierra.
Figura 9. Esquema equivalente de la medición con pinza
Uno de los errores más frecuentes cuando se hacen mediciones de puesta a tierra con pinza de inducción, es cuando hay presencia de bucles de tierra, estos pueden cerrar camino para la corriente inducida por la pinza y esta entonces no pasará por tierra y el medidor no mostrará la impedancia a tierra real; la figura 10, tomada de (IEEE 81, 2012) ilustra un ejemplo de este caso, frecuente en torres de comunicaciones, donde cada viento (cable de soporte) se pone a tierra mediante un electrodo vertical del tipo varilla de puesta a tierra y todas se interconectan con un bucle.
Figura 10. Esquema de medición en donde se evidencia bucle de tierra
(Adaptada de IEEE Std 81-2012)
Método de medición con pinza selectiva: Una de las dificultades más comunes en la medición de resistencia de puesta a tierra, está relacionada con la de conocer los valores individuales de resistencia de puesta a tierra en sistemas interconectados, para hallar el valor individual de la resistencia a tierra de un electrodo (o de uno de los sistemas interconectados) bajo estudio, se requiere conocer específicamente la cantidad de corriente de medición que está circulando por este, por tal motivo se hace necesario agregar una pinza de corriente para medir la porción de la corriente (a la frecuencia de inyección) que fluye en ese electrodo de interés, de modo que, con esa corriente, y conocida la diferencia de potencial entre el electrodo (o sistema de tierra) y el electrodo de potencial, el telurómetro muestre la resistencia de puesta a tierra de ese electrodo (o sistema de tierra).
Figura 11. Medición de resistencia de puesta a tierra utilizando pinza selectiva
(Adaptada de Guía de la medición de tierra de Chauvin Arnoux Group)
En este método se debe garantizar que la inyección de corriente por el electrodo “C” debe tener una frecuencia diferente de la frecuencia industrial (60 Hz o 50 Hz) y que la pinza seleccione la corriente a la frecuencia de medición, para evitar errores en la medida, debidos a corrientes circulantes por el sistema de puesta a tierra.
La diferencia en medición con el método que utiliza una pinza (o dos en algunos equipos) de inducción está en que, para ese caso (el de la pinza de inducción), la exactitud de la medida está influenciada por la cantidad de otras puestas a tierra en paralelo, mientras que para el de la pinza de corriente selectiva, no; su única desventaja es que utiliza electrodos de potencial y de corriente que deben hacer muy buen contacto con el terreno.
ADVERTENCIA DE SEGURIDAD: Siempre al aplicar cualquier método de medición de resistencia o de impedancia de puesta a tierra, se deben utilizar los equipos de protección personal (EPPs) y nunca realizar las medidas bajo condiciones atmosféricas adversas.
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