medicion de resistividad de suelos

CURSO CAPACITACION MALLAS DE TIERRA PAG.1

Autor: RENE MENDOZA V [email protected]

Medición resistividad de suelos y resistencia de mallas de tierra (temas complementarios) En este apunte se entregan recomendaciones de orden práctico conceptual, en relación a la medición de resistividades de suelos y medición de resistencias de mallas de tierra. Estas notas complementan los apuntes del curso.

Responde algunas preguntas más frecuentes relacionadas con la forma de medir una situación real, distancias y consideraciones topológicas a tener en cuenta, precauciones, cantidad de mediciones y métodos de medición más adecuados. Estos comentarios no son exhaustivos y no cubren la totalidad de las dificultades que podrían encontrarse en una situación práctica determinada.

Cualquier observación, comentario o consulta, puede ser efectuada a los correos indicados, para ser respondida e incluida en revisiones futuras de este documento.

Objetivo de medición de resistividad del suelo El objeto de medición de resistividad del suelo es obtener información de la resistividad de las capas subyacentes del suelo donde se planea ejecutar la malla de tierra, en un grado de precisión suficiente que permita efectuar un buen diseño, de acuerdo a las exigencias que debe tener la malla (valor de resistencia total, valores de tensiones de paso y contacto, etc).

El conocimiento de la estructura del suelo, permite además tomar decisiones respecto a la utilidad y conveniencia de considerar barras verticales adicionales a la malla misma (barras Copperweld) y otras consideraciones de optimización del diseño.

Instrumento de medición Estos instrumentos, están diseñados especialmente para medir resistividad de suelos y resistencias de mallas de tierra. Su principio de medición consiste en inyectar una corriente (continua u oscilante a baja frecuencia) mediante los electrodos de corriente (generalmente marcados en el instrumento con los códigos C1 y C2). Simultáneamente miden la caida de tensión que se produce en el suelo entre los electrodos de medición de potencial (generalmente marcados en el instrumento con los códigos 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 aislación de los cables utilizados, especialmente los de corriente. Es importante verificar la integridad de la aislación en todo la longitud de los cables utilizados y aislar convenientemente en caso de verificar peladuras o daños en la aislación. La buena aislación de los cables es una consideración esencial a tener en cuenta durante una medición, que muchas veces se descuida.



La razón de ello es que pequeñas fugas de corriente al suelo, en lugares diferentes a los electrodos de terreno C1 y C2 causan grandes distorsiones en la medida del instrumento, llegando a producir valores que si bien aparentemente son correctos, no tienen ninguna significación ni utilidad práctica.

Medición de resistividad Para la medición de resistividad de suelos se utiliza en la mayoría de los casos el método de Wenner o el método de Schlumberger (ver descripción en los apuntes).

Si bien el método de Wenner es más trabajoso, pues implica ir moviendo tres o cuatro electrodos por cada punto de medición, en vez de solo dos del método de Schlumberger, entrega resultados mas confiables para la interpretación de las características de capas mas profundas y es menos afectado por discontinuidades locales superficiales.

El método de Schlumberger, al mantener fijos los electrodos de medida de potencial, entrega una curva de resistividad aparente “mas suave”, dando la errónea impresión de ser una medida mas precisa. Sin embargo esta “precisión” es solo apariencia, por las siguientes razones:

En terrenos no homogéneos, la medida se verá afectada por la calidad del suelo en el entorno inmediatamente cercano a los electrodos de potencial. Si en las cercanías de estos electrodos, existiese un bloque rocoso localizado, este bloque disminuirá localmente la densidad de corriente, disminuyendo por lo tanto el potencial registrado por estos electrodos, con el resultado de indicar una resistividad aparente menor que la real promedio del suelo. Como estos electrodos permanecen fijos durante toda la medición, este efecto modificará la totalidad de las mediciones efectuadas a lo largo de ese eje. Por lo tanto la interpretación de capas posterior entregará resultados diferentes a la realidad.

En cambio, como el método de Wenner obliga a mover progresivamente los cuatro electrodos, las no homogeneidades locales tienen menos efecto, modificando solo algunos valores medidos, pero no afectando a la totalidad de la curva. El resultado es una curva en que los puntos se observan “mas dispersos” que en una curva obtenida mediante el método de Schlumberger, pero corresponden con mayor precisión a las caracteristicas reales del terreno “promedio”. Por otra parte la dispersión de los puntos respecto a la curva patrón que se aproxime por interpolación nos indica indirectamente la existencia de un terreno no homogéneo. Por lo tanto este método proporciona información adicional, útil para la interpretación de las mediciones.

Existe otro factor adicional que hace preferible el método de Wenner para el sondeo de resistividad y es que al mantenerse constante la relación de distancias entre los electrodos de potencial respecto a los de corriente, siempre medirán una caída de tensión en el suelo que es una fracción relativamente constante de la caida de tensión entre los electrodos de corriente. En cambio en el método de Schlumberger, al irse apartando los electrodos de corriente, el voltaje medido por los electrodos de potencial es progresivamente menor, disminuyendo por lo tanto la precisión de cada medida. Por lo tanto a medida que aumenta la distancia entre los electrodos de corriente, el error propio porcentual de cada medida va también aumentando progresivamente. En el método de Wenner, en cambio puede decirse que el error porcentual de cada medida se mantiene aproximadamente constante. Por lo tanto el método de Wenner dará mayor precisión en la estimación de la resistividad de las capas más profundas que el método de Schlumberger.

Si los datos de la medición de resistividad se utilizarán para el diseño de una malla de tierra de grandes dimensiones, la zona de influencia de esta malla también es mas amplia y mas profunda, por lo tanto tiene importancia la determinación más precisa de la resistividad de las capas mas profundas, por lo tanto el método recomendado en este caso es el método de Wenner. A modo de ejemplo si queremos diseñar una malla de tierra de 100x100m (por ejemplo una subestación de transmisión importante) el comportamiento de la malla estará determinado principalmente por las



resistividades del suelo hasta unos 150m, mientras que las capas superficiales (hasta unos pocos metros de profundidad) prácticamente no tendrán ningún efecto (excepto para la estimación de los voltajes superficiales). En cambio si la malla es de menores dimensiones (por ejemplo una malla de 3x3 m) tendrán importancia en la modelación, la resistividad de las capas hasta no mas alla de unos 5 m de profundidad, en cuyo caso el método de Schlumberger presta similar utilidad.

Esto nos trae a colación la pregunta ¿hasta que distancia entre electrodos debe efectuarse la medición?. La respuesta a esta pregunta viene dada por la comprensión de la “zona de influencia” de la malla que deba proyectarse.

Al inyectar corriente a una malla de tierra, esto tiene por efecto aumentar el voltaje en la malla misma y el terreno circundante. A mayores distancias de la malla, el voltaje en el suelo por efecto de la corriente inyectada va disminuyendo rápidamente con la distancia (aproximadamente en forma cuadrática si el suelo es de resistividad homogénea). A cierta distancia ya podemos considerar que la corriente inyectada a la malla tiene efectos despreciables sobre el voltaje en el suelo, decimos entonces que estamos fuera de la “zona de influencia” de la malla.

El tamaño de la zona de influencia es proporcional al tamaño de la malla. Como una aproximación meramente conceptual, podemos decir que la zona de influencia de la malla corresponde a un volumen semiesférico que contiene a la malla, con un radio aproximado equivalente a dos veces la mayor dimensión de la malla. Por ejemplo una malla de 100x50m, tendrá una “zona de influencia” correspondiente a una semiesfera con un radio aproximado de alrededor de 200m.

Por lo tanto para el diseño y modelación teórica adecuada del funcionamiento de esta malla, se requerirá conocer las características de resistividad del suelo contenido en esta “zona de influencia”, es decir hasta unos 200m de profundidad. Por lo tanto la medición de resistividad deberá efectuarse considerando distancias entre electrodos que permitan conocer las características del suelo hasta estas profundidades (en método de Wenner distancias entre electrodos hasta un orden de 100m por ejemplo). Una medición de resistividad de suelos con distancias máximas de 10m entre electrodos, no tendrá mucha utilidad para el diseño de esta malla.

Resumiendo, las distancias entre electrodos a considerar en una medición de resistividad de suelos, deben ser del orden del tamaño de la malla de tierra que se planea proyectar en dicho terreno.

Como la interpretación de los resultados (ya sea mediante el uso de curvas patrón o mediante análisis matemático) se hace sobre gráficas logarítmicas, lo óptimo es efectuar las mediciones siguiendo una secuencia de distancias correspondiente a una serie geométrica, el factor de multiplicación adecuado en la práctica es entre 1.5 y 2.

Por ejemplo si deseamos proyectar una malla del orden de 100x50m, una secuencia adecuada de distancias entre electrodos para el método de Wenner (distancia “a”) sería la siguiente: a= 1m, 1.5m, 2.3m, 3.5m, 5m, 7.5m, .....,130m, 190m, etc (factor multiplicativo aprox. 1.5). Con esto al graficar la curva resultante, los puntos contiguos aparecen a distancias aproximadamente iguales, facilitando la interpretación.

Por otra parte una medición debe efectuarse como mínimo sobre dos ejes. Si las curvas sobre ambos ejes son aproximadamente similares, esto sería suficiente. Si no son similares, indicaría la existencia de capas de diferente resistividad con clivaje lateral (capas inclinadas) o la existencia de elementos conductores enterrados (cañerías, etc). En este caso es necesario efectuar mediciones sobre ejes adicionales que cubran el área donde se piensa instalar la malla (reticulado de mediciones).



Medición en terrenos de muy alta resistividad En zonas desérticas, es frecuente encontrar terrenos con resistividades muy altas (1000ohm-m o superiores), lo que dificulta la medición usando el método e instrumentos habituales.

En este caso el problema mayor consiste en el alto valor de la resistencia de las estacas de corriente, que intercaladas en el circuito de inyección de corriente (tensión limitada al valor suministrado por el instrumento) limitan la corriente inyectada al terreno a valores insuficientes para efectuar una medición significativa.

Una solución entonces es reducir la resistencia de las estacas de corriente. Para ello es posible humedecer y salinizar el suelo en el entorno inmediato de las estacas de corriente. Si ello no fuera suficiente, es posible colocar estacas adicionales en paralelo para los electrodos de inyección de corriente. Estas estacas en paralelo deben disponerse sobre un eje perpendicular al eje principal de la medición, a distancias de alrededor de 70cm entre ellas. Ello debe registrarse en el protocolo de medición correspondiente.

Otra posible solución para terrenos de muy alta resistividad, es efectuar la inyección de corriente mediante un generador portátil, y si es necesario aumentando el voltaje mediante un transformador elevador (tensiones de alrededor de 1000 V son aceptables, considerando la aislación de los cables de corriente y tomando evidentemente las precauciones de seguridad a las personas, es evidente la conveniencia de disponer de un medio de desconexión rápida del generador para casos de emergencia). La tensión se mide directamente en los electrodos de potencial mediante un tester electrónico de buena calidad, la corriente inyectada se mide directamente mediante un amperímetro, y el valor de resistencia equivalente al que mediría el instrumento se calcula mediante el cuociente entre estos dos valores.

Materiales necesarios y otras observaciones prácticas. Si se va a efectuar mediciones en forma frecuente, si bien el uso del instrumento requiere de solo cuatro electrodos, es conveniente disponer de una cantidad mayor, lo que permite ir enterrando electrodos correspondientes a otras distancias, mientras se efectúan las mediciones, para luego sencillamente cambiar el conexionado de los cables a los nuevos electrodos. Se requiere de uno o dos ayudantes instruídos en ir cambiando la posición de los nuevos electrodos a las distancias que se requiere.

Es conveniente fabricar electrodos que sean cómodos de utilizar, para ello debe considerarse que al hincar los electrodos mediante un combo, el extremo superior se deteriora por los golpes (por lo tanto debe mantenerse disponible unos 20cm libres a este efecto), en terrenos muy compactos, es necesario golpear el electrodo desde abajo hacia arriba para extraerlo (por lo tanto se requiere soldarle una pieza lateral, donde sea posible golpear para extraerlo con mayor facilidad), finalmente es conveniente soldarle un perno (bronce o cobre entre ¼” a 3/8” con una tuerca de mariposa) para efectuar con mayor facilidad las conexiones de los cables. No es necesario que los electrodos sean de cobre o cobreados. Los de mayor duración son de acero o acero inoxidable.

Es conveniente disponer de una cinta métrica de al menos 50m (ideal 100m) de material aislante, para marcar en terreno la ubicación de las estacas durante las mediciones.

Los cables deben ser de buena calidad y aislación para al menos 1000V (mayor aislación si se planea efectuar mediciones con mayor voltaje, con generador auxiliar por ejemplo) y previo a su uso debe verificarse que están libres de peladuras o daños a la aislación, en cuyo caso deberán aislarse mediante cinta aislante compatible de buena calidad. Es conveniente disponer de los cables en carretes con manivela para facilitar su extensión sin que se produzcan cocas y su posterior enrrollado y recuperación.

Previo a las mediciones, es conveniente preparar una planilla de registro con los valores de distancias ya calculados, y espacios para anotar los valores de resistencia que se vayan midiendo.



Es deseable que esta planilla disponga de una gráfica log-log, donde pueda irse graficando simultáneamente los valores de resistividad en función de la distancia, de modo de analizar inmediatamente en terreno la calidad resultante de las mediciones, la existencia de elementos enterrados y/o clivajes en las capas del subsuelo. Es posible así tomar la decisión en forma inmediata de realizar o no mediciones adicionales.

Se debe efectuar un croquis con referencias a elementos topográficos evidentes (cercados, postes, torres, etc), indicando la ubicación exacta de los ejes de medición en relación a estas referencias. Ello facilita la redacción posterior de los informes necesarios.

Medición de resistencia de mallas construidas. La medición de mallas de tierra construídas, es aparentemente sencillo, pero su práctica debe contemplar a veces la solución de problemas específicos que dificultan las mediciones.

Como primer punto, es necesario indicar que los métodos simplificados que frecuentemente se indican en los manuales de los instrumentos, no siempre son los adecuados, y a veces entregan resultados sencillamente inútiles o irreales.

El método utilizado para la medición es el método de tres electrodos, como se indica en los apuntes correspondientes.

Para efectuar una buena estimación por medición de la resistencia de una malla de tierra, el único método considerado confiable, es ir dibujando la curva de resistencia medida en función de la distancia del electrodo de medida de potencial.

El valor de resistencia de la malla corresponde al valor de “meseta” de la curva, zona que nos asegura que el electrodo de potencial está suficientemente alejado de la “zona de influencia” de la malla medida. Si en la curva resistencia v/s distancia no aparece una “meseta” evidente, es señal clara que el electrodo de retorno (o electrodo de referencia) está demasiado cercano o dentro de la zona de influencia de la malla que se está midiendo.

Como lo que se busca con el electrodo libre de medida de potencial es una zona de suelo con voltaje aproximadamente cero (no influenciado por la corriente ni de la malla ni del electrodo de retorno) no necesariamente debe ubicarse este electrodo sobre el eje entre la malla y el electrodo de retorno. Se puede y es conveniente, efectuar mediciones adicionales, ubicando el electrodo de referencia de potencial (P2) alejado de la malla en varias direcciones. Estas medidas permiten verificar que la medida sobre el eje seleccionado, no está influenciada por elementos enterrados no observables a simple vista (cañerías por ejemplo).

Consideraciones adicionales deben efectuarse si en las vecindades de la malla a medir existen otras mallas, o existen lineas de ferrocarril. En estos casos pueden existir corrientes de retorno que afectan las mediciones, imposibilitando en muchos casos efectuar la medición. En la cercanía de líneas de ferrocarril, se encuentran corrientes de retorno en corriente continua (los rieles mismos son un conductor de retorno, pero como no están aislados intencionalmente, circula además una proporción de corriente directamente por el suelo).

Otro caso que presente complicaciones para una correcta medición es cuando en la subestación existen transformadores con neutro aterrizado con alimentadores que utilizan la tierra como retorno (por ejemplo alimentadores rurales). En estos casos existe una circulación permanente de corriente por el neutro y por lo tanto por la malla de tierra, imposibilitando la medición.

Finalmente debe considerarse el caso donde a la subestación que se requiere medir la resistencia de su malla llegan líneas con cable de guardia o conductores de retorno de tierra, en cuyo caso, la malla que queremos medir está conectada en paralelo con otras mallas. En este caso una medición directa, medirá la resistencia del circuito formado por la malla de la subestación y todas las otras mallas de tierra conectadas a través de estos conductores. En este caso la unica forma de medir la resistencia de la malla deseada, es desconectando todos los cables de retorno de



tierra que llegan a la subestación (en algunas subestaciones, se considera un aislador con un puente de conexión para todos los cables de guardia de llegada, lo que facilita dejar la malla en forma independiente).

Finalmente es importante hacer notar que medir resistencia de mallas de subestaciones energizadas, siempre considera un riesgo debido a la posibilidad de una falla con retorno por tierra en algunos de los alimentadore suministrados desde la subestación. Una falla de este tipo significa la elevación del voltaje de la malla y el suelo de la subestación sobre el voltaje del suelo en las inmediaciones, por lo tanto se creará un problema de potenciales transferidos (ver apuntes) a través de los cables y el instrumento utilizado para la medición. Algunos autores recomiendan instalar fusibles de bajo amperaje intercalados con los cables que salen del área de la subestación, sin embargo dados los altos voltajes que pueden aparecer, es poco probable que estos fusibles permitan proteger adecuadamente al instrumento de medición.

En estos casos, en que no es posible la desconexión de la subestación, debe por lo tanto minimizarse en lo posible el tiempo ocupado en la medición, programando adecuadamente los pasos a seguir, la instalación previa de las estacas, etc. Los cables en este caso deberán conectarse al instrumento solo en el instante en que se realizará la medición, de modo de minimizar el tiempo en que podría ocurrir la condición de riesgo de potencial transferido.

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