NACIONAL
ESCUELA DE INGENIERÍA
ANÁLISIS DE PUESTAS A TIERRA DE PRIMARIOS URBANOS
DE 22.8 kV Y 6.3 kV DE LA EEQ S.A.
PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO ELÉCTRICO
GAIBOR DELGADO ALVARO PATRICIO VALDIVIESO BURBANO ALVARO FERNANDO
DIRECTOR: Ing. LUIS TAPIA
Nosotros, Alvaro Patricio Gaibor Delgado y Alvaro Fernando Valdivieso Burbano, declaramos bajo juramento que ei trabajo aquí descrito es de nuestra autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que hemos consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.
A través de la presente declaración cedemos nuestros derechos de propiedad intelectual correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normatividad institucional vigente.
Alvaro Patricio Gaibor Delgado
Alvaro Fernando Valdivieso Burbano
Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Alvaro Patricio Gaibor Delgado y Alvaro Femando Valdivieso Burbano, bajo mi supervisión.
x Jngr*£Tuis tapia DIRECTOR DE PROYECTO
Nuestro agradecimiento especial al Ing. Luis Tapia, por la ayuda brindada para la culminación de este trabajo, a nuestros padres por su apoyo incondicional, a la EEQ S.A. por las facilidades prestadas, a nuestros profesores y amigos.
CAPITULO I 1 1.- INTRODUCCIÓN 1 1.1.-ANTECEDENTES 1 1,2.-OBJETIVOS 2 13.-ALCANCE 3 CAPITULO H 4 2.- CONCEPTOS GENERALES 4 2.1.-INTRODUCCIÓN 4 2.2.- CARACTERÍSTICAS GENERALES DE UN SISTEMA DE PUESTA A TIERRA. 5 23.- CONCEPTOS BÁSICOS 6 2.3.1.-EFECTOS DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA EN EL ORGANISMO 6 2.3.1.1.-Efectos de la corriente 7 2.3.2.-FACTORES QUE INFLUYEN EN EL RIESGO ELÉCTRICO 7 2.3.2.1.-Intensidad de la corriente 7 2.3.2.2.-Duración del contacto eléctrico 10 2.3.2.3.-Irapedancia del cuerpo humano 11 2.3.2.4.-Voltaje aplicado y Voltajes de seguridad 13 2.3.2.5.- Frecuencia de la comente alterna, 15 2.3.2.6.- Recorrido de la comente a través del cuerpo 17 2.4.- MATERIALES CONDUCTORES EMPLEADOS EN SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA 18
2.4.1.-INTRODUCCIÓN 18 2.4.2.-COBRE 19 2.4.3.-BRONCES 20 2.4.4.-CARACTERÍSTICAS INTERNAS DE LOS MATERIALES 21 2.4.4.1.-Enlaces Químicos 21
2.4.4.1.1.-Enlace metálico 21 2.4.4.1.2.-Enlace iónico 22 2,4.4.1.3.~ Enlace covalenie 22
2.4.4.2.-Potencial de Ionización y Afinidad Electrónica 23
2.4.4.2.1.-Potencial de ionización 23 2.4.4.2.2.-Afinidad electrónica (EA) 23
2.5.-SUELOS 25 2.5.1.-TIPOS DE SUELOS 26 2.5.2.- PROPIEDADES DE LOS SUELOS 29 2.5.2.1.-Resistividad del terreno 29 2.5.2.2.-Efecto del pH 32 2.5.2.3.-Potencial red-ox 33 2.5.3.-CORROSIÓN 33 2.5.3.1.-Protección contra la corrosión 34
2.5.5.-TRATAMIENTO QUÍMICO DEL SUELO 41 2.6.- COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA 45 2.7.-PERTURBACIONES ELECTROMAGNÉTICAS 47 2.7. l.-FLICKER (parpadeo) 47 2.7.2.-ARMÓNICAS 48 2.8.- ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DE UN SISTEMA DE PUESTA A TIERRA 49
2.8.1.-ELECTRODOS DE PUESTA A TIERRA 49 2.8.2.-CONDUCTORES DE TIERRA 50 2.8.3.-CONECTORES DE PUESTA A TIERRA 50 2.9.- RÉGIMEN DE NEUTRO 54
CAPITULO III 57 3.- TÉCNICAS DE MEDICIÓN DE PUESTAS A TIERRA 57 3.1- MEDICIÓN DE RESISTENCIA DE PUESTAS A TIERRA 57 3.1.1.-MÉTODO INDIRECTO DE TRES PUNTOS 57 3.1.1.1.-Determinación de la Resistencia de Puesta a Tierra en el Electrodo Rl.
58
3.1.2.-MÉTODO CLÁSICO DE CAÍDA DE POTENCIAL 59 3.1.2.1.- Determinación de la Resistencia de Puesta a Tierra del Electrodo (Raa)
60
3.1.2.2.-Determinación de las Distancias délos Circuitos de Medida 61 3.2.- MEDICIÓN DE RESISTIVIDAD 63 3.2.1.-MÉTODO DE WENNER 63 3.2.2.- MEDICIÓN DE LA RESISTIVIDAD UTILIZANDO MUESTRAS DE
SUELO ; 64
3.2.3.- MEDICIÓN DE LA RESISTIVIDAD POR EL MÉTODO DE LOS DOS PUNTOS 65 3.3.- MEDICIONES DEL VOLTAJE DE TOQUE 65 3.4.- MEDICIONES DEL VOLTAJE DE PASO . 66 3.5.- INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN 67 3.5.1.-ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL AEMC 3711M 68 3.5.2.- ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL UNILAP GEOX NORMA GOER LEM 70 3.5.3.-ESPECIFICACIONES TÉCNICAS HANDYGEO 71 3.5.4.- PRINCIPIO DE OPERACIÓN DE LOS EQUIPOS DE MEDICIÓN 72
CAPITULO IV 77 4.- ANÁLISIS DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA DE LA EEQ S.A 77 4.1.-INTRODUCCIÓN.. 77 4.2.- DESCRIPCIÓN DEL ESTADO OPERATIVO DE ALIMENTAD ORES. 79
4.4.-NIVELES CERAUNICOS 83 4.5.- NORMATIVA VIGENTE DE LA EEQ S.A. PARA PUESTAS A TIERRA
84 4.6.- ANÁLISIS ESTADÍSTICO PARA LA OBTENCIÓN DE LA MUESTRA
92
4.6.1.-TEORÍA BÁSICA DEL MUESTREO 92 4.6.1.1.-Métodos deselección demuestras 93 4.6.1.2.-Determinación de parámetros 94 4.6.2.- DETERMINACIÓN DEL UNIVERSO 96 4.6.3.-MÉTODO PARA LA SELECCIÓN DE LA MUESTRA 97 4.6.4.-DETERMINACIÓN DEL ESPACIOMUESTRAL 97
4.7.-MEDICIONES . 99
4.7.1.-PROBLEMAS PREVIOS A LA MEDICIÓN .100 4.7.1.1.- Contrastación de ios equipos de medida 101 4.7.1.2.-Resultados de las pruebas 109 4.7.2.- EQUIPO A UTILIZAR 110 4.7.3.-ANÁLISIS DE LAS MEDICIONES DE RPT 111 4.7.3.1.-Mediciones en el sector Norte. 113 4.7.3.2,-Mediciones en el sector Sur 114 4.7.3.3.-Mediciones en el sector Este 115 4.7.3.4.-Mediciones en el sector Oeste 116 4.7.4.-ESTADO DE LAS PUESTAS ATIERRA 117 '4.7.5.- MEDICIONES DE RESISTIVIDAD 118
CAPITULO V 121 5.- DIAGNÓSTICO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA DE LA EEQ S.A.
121 5.1.-INTRODUCCIÓN, .„.. 121 5.2.-CÁLCULOS.. 121
5.2.1.-CALIBRE DEL CONDUCTOR DE PUESTA A TIERRA 121 5.2.1.1.-Comentes de Cortocircuito en Baja potencia 122 5.2.1.2.- Calibre del Conductor 124 5.2.2.-RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA 126 5.2.2.1.-Valores Característicos de sistemas de puesta a tierra simples 127
5.2.2.1.L- Varilla Vertical 127 5.2.2,1.2.-Electrodos en línea Recta (disposición vertical) 128 5.2,2,1.3.-Cable horizontal 129
5.2.2.2.- Evaluación Y Propuestas De Mejoramiento De Sistemas De Puesta A Tierra De La EEQ S.A 131
5.2.2.2.1.-Disposición ITipo Tl-1 131 5.2.2.2.2.-Disposición II Tipo TI-2 132 5.2.2.2.3.-Disposición III Tipo Tl-3 137 5.2.2.2.4..- Costos asociados con las propuestas de mejoramiento 141
5.4.- VALOR DE RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA 147 5.5.- INFLUENCIA DE LA PUESTA A TIERRA EN PARARRAYOS 149 5.6.- CONEXIONES EQUIPOTENCIALES 153 5.7.- INFLUENCIA DE LAS PUESTAS A TIERRA EN PERTURBACIONES.
158
CAPÍTULO VI 162 6.- PROCEDIMIENTOS PARA EL DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA 162
6.1.- NORMATIVA DE REFERENCIA PARA PUESTAS A TIERRA 162 6.1.1.-IEEE Std 80-2000 162 6.1.2.-REGLAMENTO DE SEGURIDAD NEC 163 6.1.3.- REGLAMENTO TÉCNICO DE INSTALACIONES ELÉCTRICAS (RETTE) COLOMBIA CAPÍTULO n ARTÍCULO 15 "PUESTAS A TIERRA" 169 6.1.4.- OTRAS PUBLICACIONES 170 6.2.- PROPUESTA DE PROCEDIMIENTO DE DISEÑO E INSTALACIÓN DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA 171
6.2.1.-SISTEMAS DE PUESTA ATIERRA 171 6.2.1.2.-Diseño 171 CAPÍTULO VII 183 7.- CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES „ 183 7.1.-CONCLUSIONES ...183 7.2,-RECOMENDACIONES 186 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 183 ANEXOS 192 ANEXO N°l.- Recorrido de alimentad ores seleccionados para las mediciones
ANEXO N°2.- Mediciones de resistencia de puesta a tierra. ANEXO N°3.- Mediciones de resistividad.
ANEXO N°4.- Curvas patrón de resistividades
ANEXO N°5.- Distribución de zonas en función de resistividad. ANEXO N°6.- Tablas de materiales.
ANEXO N°7.- Disposiciones tipo propuestas ANEXO N°8.- Fotos de mediciones.
ANEXO N°9.- Datos obtenidos del analizador de redes Memobox (Tierras independientes).
En el capítulo 1 del presente proyecto se presenta los antecedentes, objetivos y alcances, los cuales están encaminados a mejorar los sistemas de puesta a tierra.
En el capítulo 2 se tiene una recopilación de información concerniente a los conceptos generales de un sistema de puesta a tierra.
En el capítulo 3 se hace un estudio de técnicas de mediciones de resistencia de puesta a tierra y resistividad, describiéndose los instrumentos de medición que se utilizarán.
El capítulo 4 contiene el análisis del sistema de puesta a tierra de la EEQ S.A., se describe el procedimiento para la obtención del tamaño de la muestra, su distribución en zonas, la selección del equipo a utilizar, resumen de las mediciones de resistencia de puesta, resistividad, y un análisis de su estado actual.
En el capítulo 5 se realiza el diagnóstico de ios sistemas de puesta a tierra de la EEQ S.A., donde se evalúan sus disposiciones tipo, y se presentan propuestas para su mejora.
En el capítulo 6 se desarrolla una propuesta para el diseño y construcción de sistemas de puesta a tierra, en base a estándares internacionales aplicables a nuestro medio.
Finalmente en el capítulo 7 se presentan las conclusiones y recomendaciones obtenidas en el desarrollo del presente proyecto.
1.- INTRODUCCIÓN
1.1.-ANTECEDENTES.
El Sistema de Puesta a Tierra tiene primordial importancia en los sistemas eléctricos especialmente en el Sistema de distribución, debido a que la Instalación incorrecta de la misma implica un alto grado de riesgo en la seguridad de las personas, así como operaciones incorrectas, y daños a los distintos equipos e instalaciones.
El crecimiento de las redes eléctricas y el desarrollo de los equipos eléctricos y electrónicos exige un estudio más detallado de los sistemas de puesta a tierra que permitan garantizar la seguridad en la operación y la continuidad en el suministro de energía eléctrica.
Los sistemas eléctricos de distribución presentan un comportamiento variable debido principalmente a los siguientes aspectos:
• Fenómenos de resonancia. • Energizaciones.
» Maniobras.
• Inserción de transformadores.
• Conmutación del flujo de maquinas eléctricas rotativas. • Cortocircuitos.
• Oscilaciones por conmutación.
• Inducción electrostática y electromagnética. • Arcos.
• Interrupción.
• Propagación de ondas viajeras. • Descargas atmosféricas.
Ante ello, y la ausencia de regulaciones específicas en la normativa vigente de la EEQ se ha considerado oportuno desarrollar una guía que permita sugerir procedimientos para el diseño y la construcción de sistemas de puesta a tierra de tal forma que puedan ser seguidas por la empresa y contratistas.
La normatividad actual indica que el diseño de un sistema de puestas a tierra debe tomar en cuenta la revisión de los siguientes parámetros:
» Medición de la Resistividad del suelo en el sitio de instalación de las puestas a tierra
• Medición de las Resistencias de puesta a tierra de los equipos conectados a los alimentadores primarios.
• Verificación de voltajes de contacto y paso que salvaguarden la vida de las personas.
• Compatibilidad entre los materiales utilizados para la construcción. • Evaluar las propiedades del suelo, que influyen en las puestas a
tierra.
• Calcular las corrientes máximas de falla a tierra.
El presente proyecto, pretende tomar en cuenta todos estos parámetros y resumirlos en una guía práctica que sea de utilidad tanto para empresas eléctricas de distribución e ingenieros contratistas.
1.2.- OBJETIVOS
General:
• Establecer una guía con procedimientos necesarios para el diseño y dímensionamiento de las puestas a tierra en un Sistema de Distribución.
Específicos:
* Efectuar mediciones en alímentadores ubicados en zonas que presenten diferencias de resistividad y nivel ceráunico, realizando un
Quito.
Realizar una guía para e! diseño y construcción de sistemas de puesta atierra con las respectivas justificaciones técnicas.
1.3-.r. ALCANCE
• Se procederá a revisarlas metodologías de diseño y construcción de puestas a tierra en sistemas de distribución.
• Estudiar y analizar normas y reglamentaciones estandarizadas que puedan.seraplicadas en nuestro medio.
• Identificar las condiciones actuales de los equipos, realizando un estudio aleatorio de diferentes primarios.
• Obtener una muestra del número total de alimentadores urbanos existentes en el sistema de distribución de la EEQ, basándose en un estudio estadístico, que permita establecer condiciones generales del sistema.
• Realizar mediciones de resistencias de puesta a tierra y de resistividad e inspecciones del estado actual de las conexiones de puesta a tierra de La muestra a obtener,
• Implementar procedimientos estandarizados necesarios para diseñar e instalar puestas a tierra.
CAPITULO II
2.- CONCEPTOS GENERALES
2.1.- INTRODUCCIÓN
Los Sistemas de Puesta a Tierra constituyen un soporte fundamental del sistema eléctrico, ya que permiten una correcta distribución de potenciales y corrientes hacia el suelo debidas a descargas atmosféricas, fallas en el sistema, cargas estáticas, etc. Además permite tener un nivel de voltaje referencial en el sistema.
Un sistema de puesta a tierra debe poseer capacidad de dispersión y disipación de las fallas, sin que se presenten potenciales peligrosos en la superficie, garantizando así seguridad a la integridad física de las personas, y al estado operativo de los equipos.
En una instalación, la puesta a tierra constituye la unión eléctrica de elementos conductores en contacto eléctrico con el suelo o una masa metálica de referencia común, que permiten mantener un mismo nivel de potencial.
El sistema de puesta a tierra tiene relación con la operación de protecciones en caso de fallas de ahí que la finalidad de las puestas a tierra, es despejar la falla en el menor tiempo posible, reduciendo las probabilidades de lesiones o danos, lográndose esto mediante una baja resistencia de puesta a tierra, la cual se la puede obtener instalando varillas, mallas de puesta a tierra, etc., dependiendo de las características del suelo y el tamaño de la instalación,
"Con las puestas a tierra se busca que las corrientes de falla a tierra encuentren un camino más fácil, que el que ofrecería el cuerpo de una persona que tocara la carcasa metálica con voltaje".
Las principales características que permiten definir un Sistema de Puesta a Tierra son:
• La finalidad para los cuales se construye un sistema de puesta a tierra. • La funciones que realiza.
• Los parámetros que debe cumplir para una correcta operación.
En breves palabras podemos empezar diciendo que el propósito de un sistema de puesta a tierra se simplifica en dos aspectos generales:
• Seguridad de las personas: Reduciendo las diferencias de potencial entre las partes que no transportan corriente y tierra.
• Protección de Equipos: Permitiendo operar los dispositivos de sobrecorriente durante una falla a tierra.
• Control de sobrevoltaje.
Por requerimientos del NEC Art 250, un sistema de puesta a tierra debe ser capaz de limitar el voltaje a tierra, y facilitar la operación de dispositivos de protección contra sobrecargas y los interruptores del circuito.
Bajo esta perspectiva, se debe señalar las funciones generales que debe realizar dicho sistema, para cumplir con los objetivos señalados:
• Permitir un despeje de fallas inmediato por medio de los equipos de protección.
• Mantener un nivel de referencia para el sistema eléctrico.
• Presentar trayectorias por donde se pueda disipar las corrientes de falla a tierra.
• Estabilizar el voltaje durante operaciones normales.
Los factores adecuados de un sistema de puesta a tierra, en general son los siguientes:
• Valor de la resistencia de puesta a tierra según el tipo de instalación. • Alta tolerancia ante la corrosión.
• Vida útil de la instalación alta.
• Permitir accesibilidad para su mantenimiento.
2.3.-CONCEPTOS BÁSICOS.
2.3.1.- EFECTOS DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA EN EL ORGANISMO1'1.
La instalación de un sistema de puesta a tierra permite la protección de las personas y los bienes contra los efectos de las caídas de rayos, descargas estáticas, señales de interferencia electromagnética y comentes de fugas a tierra. Por lo tanto, la ejecución correcta de la misma brinda importantes beneficios al evitar pérdidas de vidas.
En este punto se tratará los efectos ocasionados por el paso de la corriente eléctrica a través de nuestro organismo.
En vista de la gran dependencia actual de la energía eléctrica y los riesgos que conlleva la utilización y manipulación de la misma se han realizado estudios que permiten hacernos una idea de los efectos que produce el paso de la electricidad por el cuerpo de personas en condiciones fisiológicas normales.
El paso de la comente por el cuerpo pueden ocasionar desde lesiones físicas secundarias (golpes, caídas, etc.), hasta la muerte por fibrilación ventricular.
Una persona se electrocuta cuando la comente eléctrica circula por su cuerpo, es decir, cuando la persona forma parte del circuito eléctrico, pudiendo, al menos, distinguir dos puntos de contacto: uno de entrada y otro de salida de la corriente.
La fibrilación ventricular consiste en el movimiento alterado del corazón, el cual, deja de enviar sangre a los distintos órganos y, aunque esté en movimiento, no sigue su ritmo normal de funcionamiento.
La tetanización es el movimiento involuntario de ios músculos como consecuencia del paso de la energía eléctrica,
El paso de la corriente eléctrica por el organismo puede afectar al centro nervioso alterando la función respiratoria lo que ocasiona la asfixia, y consecuentemente el paro respiratorio.
Además pueden producirse otros factores ftsiopatológicos como contracciones musculares, aumento de la presión sanguínea, dificultades de respiración, parada temporal del corazón, etc.
2.3.2.- FACTORES QUE INFLUYEN EN EL RIESGO ELÉCTRICO^
2.3.2,1.- Intensidad de la corriente
Es uno de los factores que más inciden en los efectos y lesiones ocasionados por el accidente eléctrico.
Umbral de percepción: es el valor mínimo de la corriente que provoca una sensación en una persona. En corriente alterna esta sensación de paso de la corriente se percibe durante todo el tiempo de paso de la misma; sin embargo, con corriente continua solo se percibe cuando varía la intensidad, se considera un valor de 0,5 mA en corriente alterna y 2 mA en corriente continua, cualquiera que sea el tiempo de exposición.
Umbral de reacción: es el valor mínimo de la corriente que provoca una contracción muscular
Umbral de no soltar: cuando una persona tiene sujetos unos electrodos, es el valor máximo de la comente que permite a esa persona soltarlos. En corriente alterna se considera un valor máximo de 10 mA , cualquiera que sea el tiempo de exposición.
En corriente continua, es difícil establecer el umbral de no soltar ya que solo el comienzo y la interrupción del paso de la corriente provoca el dolor y las contracciones musculares.
Umbral de fibrilación ventricular: es el valor mínimo de la corriente que puede provocar la fibrilación ventricuiar. En comente alterna, el umbral de fibrilación ventricular decrece considerablemente si la duración del paso de la corriente se prolonga más allá de un ciclo cardíaco.
La figura 2.1, muestra las curvas de soportabiüdad para seres humanos a corriente de tipo industria! en función del tiempo de exposición, normalizado por IEC.
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Según la curva se diferencian cuatro zonas en función de la gravedad que produce el paso de la corriente eléctrica por el organismo
- Zona 1: habitualmente ninguna reacción.
- Zona 2: habitualmente ningún efecto fisiológico peligroso. - Zona 3; habitualmente ningún riesgo de
fibrilación-- Zona 4: riesgo de fíbrilación ventricular.
Sobre !a base de que trabajamos con CA. en bajo voltaje, hasta 1000 Vea y frecuencia de línea comprendidas entre 15 y 100 Hz, teniendo en cuenta contactos eléctricos entre ambas manos o entre una mano y los pies, vemos sintéticamente ios efectos producidos;
Umbral de corriente >(mA) 0.5 10 20 30 Efectos fisiológicos Percepción-Cosquilleo Tetanización - Contractura muscular Asfixia
Fibrilación Ve ntricular Fatal
Reversibilidad del efecto Espontánea Espontánea Espontánea (A) No espontánea (B)
Tabla 2.1.- Efectos fisiológicos a diferentes niveles de circulación de comente eléctrica:1*
Notas sobre reversibilidad del efecto:
(A): Si bien la reversibilidad puede ser espontánea, se necesita una rápida y eficiente atención debido a los graves efectos que produce la falta de oxígeno cerebral.
(B): La atención debe ser inmediata con masaje cardíaco o mediante impulsos externos, desfíbrilador.
2.3.2.2.- Duración del contacto eléctrico
Junto con la intensidad es el factor que más influye en el resultado del accidente. Por ejemplo, en corriente alterna y con intensidades inferiores a 100 mA, la ftbrilación puede producirse .si el tiempo de exposición es superior a 500 ms.
En estudios recientes el ingeniero Biegelmeier estableció la relación entre I2.ty los
Energía específica A2.s.(10^J 4 a 8 10 a 30 15 a 45 40 a 80 70a 120 Reacciones fisiológicas
Sensaciones leves en dedos y en tendones de los pies Rigidez muscular suave en dedos muñecas y codos
Rigidez muscular en dedos muñecas, codos y hombros. Sensación en las piernas
Rigidez muscular y dolor en manos y piernas
Rigidez muscular, dolor y ardor en brazos, hombros y piernas
Tabla 2.2- Relación entre energía específica y efectos fisiológicosu
2.3,2.3.- Impedancia del cuerpo humano
La ¡mpedancia del cuerpo humano depende de los siguientes aspectos: - Voltaje de contacto.
- Frecuencia.
- Duración del paso de la corriente. - Temperatura.
- Grado de humedad de la piel. - Superficie de contacto. - Presión de contacto.
- Dureza de la epidermis, etc.
Durante el paso de la electricidad la impedancia de nuestro cuerpo se comporta como una suma de tres impedancias en serie:
- Impedancia de la piel en la zona de entrada. - Impedancia interna del cuerpo.
- Impedancia de la piel en ía zona de salida.
La impedancia interna del cuerpo puede considerarse esencialmente como resistiva, con la particularidad de ser la resistencia de los brazos y las piernas
mucho mayor que la del tronco. Además, para voltajes elevados la impedancia interna hace prácticamente despreciable la impedancia de la piel.
La impedancia interna del cuerpo varía en función de la trayectoria que toma la corriente a! pasar por el mismo, la figura 2.2, muestra el porcentaje del total de la impedancia interna del cuerpo.
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I
U 25%Figura 2.2.- Impedancia interna del cuerpoLZ
En las tablas 2.3 y 2.4 se Indican unos valores de la Impedancia total del cuerpo humano en fundón del voltaje de contacto, tanto para corriente alterna y continua, respectivamente. Voltaje de Contacto (V) 25 50 75 100 125 220 700 1000 Valor asintótico
Trayectoria mano-mano, piel seca, c.alterna,firecuencía50-60Hz, superficie de contacto 50-1 00 cm2
Impedancia total(Q) de cuerpo humano que no son sobrepasados por el 5% de las personas 1750 1450 1250 1200 1125 1000 750 700 650
50%de las personas 3250 2625 2200 1875 1625 1350 1100 1050 750 95% de las personas 6100 4375 3500 3200 2875 2125 1550 1500 850
Voltaje de Contacto (V) 25 50 75 100 125 220 700 1000 Valor asintótico
Trayectoria mano-mano, piel seca, c.continua superficie de contacto 50-1 00 cm2
Impedancia total(Q) de cuerpo humano que no son sobrepasados por el 5% de las personas 2200 1750 1510 1340 1230 1000 750 700 650
50%de las personas 3875 2990 2470 2070 1750 1350 1100 1050 750 95% de las personas 8800 5300 4000 3400 3000 2125 1550 1500 850
Tabla 2.4.- Impedancia de cuerpo humano frente a la comente continua1-2
2.3.2.4.- Voltaje aplicado y Voltajes de seguridad.
a) Voltaje aplicado
El voltaje aplicado resulta peligrosa cuando la ¡mpedancía de! cuerpo humano es tan baja que produce una corriente elevada.
La relación entre la intensidad y e! voltaje no es lineal ya que la impedancia del cuerpo humano varía con el voltaje de contacto.
b) Voltajes de segundad
Los principales voltajes que se producen en una instalación y que pueden resultar peligrosos para ¡asegundad de seres humanos son:
- Voltaje de contacto. - Voltaje de Paso.
Voltaje de contacto.- Es la diferencia de potencial que se produce durante una falla entre una estructura metálica puesta a tierra y un punto de la superficie del terreno a una distancia de 1 metro. Esta distancia horizontal es equivalente a la máxima que se puede alcanzar al extender un brazo.
tierra
Figura 2.3.~ Voltaje de contacto1
Según los diferentes organismos reguladores se ha propuesto los siguientes valores de voltaje que puede soportar el ser humano sin daños mayores en función del tiempo de exposición.
5 kV
0.5
O.H
0.1
0.06 0.1. 0,5 1 seg
Símbolo 1 2 a 2 b 3 a 3 b 4 Organismo IEEE (70 kg) VDE(<110kV) VDE(>110kV) Finlandia (<110kV) Finlandia (>110kV) Suecia
Tabla 2.5.-Valores máximos de voltaje de contacto según diferentes organismos1-1
• Voltaje de paso.- Es la diferencia de potencial que se produce durante una falla entre 2 puntos de la superficie del terreno, separados por un paso (aproximadamente 1 metro), en la dirección del gradiente de voltaje máximo.
Figura 2.5.- Voltaje de pasoL1
2.3,2:5.- Frecuencia de la corriente;alterna
Expenmentalmente se han realizado medidas de las variaciones de impedancía total del cuerpo humano con voltajes comprendidos entre 10 y 25 Voltios en corriente: alterna, y variaciones de frecuencias entre 25 Hz y 20 kHz.
A partir de estos resultados se han deducido las curvas representadas en la figura 2.6, para voltajes de contacto comprendidos entre 10 y 1.000 Voltios y para un trayecto de la corriente mano-mano o mano-pie.
IMPEOANCI A-TOTAL DEL CUERPO <K<T¿}
' "O" .-,. —
Figura 2.6.- I m pe dañe ¡a total en función del voltaje y la frecuencia1-2
Para voltajes de contacto de algunas decenas de voltios, la ¡mpedancía de la piel decrece proporclonalmente cuando aumenta la frecuencia. Por ejemplo, a 220 V con una frecuencia dé 1.000 Hz la ¡mpedancía de la piel es ligeramente superior a la mitad de aquella a 50 Hz. Esto es debido a la influencia del efecto capacitivo de la piel.
Sin embargo, a muy altas frecuencias disminuye el riesgo de fibrilación ventricular pero prevalecen los efectos térmicos. Con fines terapéuticos, es usual, en medicina el empleo de altas frecuencias para producir un calor profundo en el organismo. A partir de 100.000 Hz no se conocen valores experimentales que definan ni los umbrales de no soltar ni los umbraies de fibrilación; tampoco se conoce ningún incidente, salvo las quemaduras provocadas por intensidades de algunos amperios y en función de la duración del paso de la corriente.
2.3.2.6.- Recorrido de la corriente a través del cuerpo
La gravedad del accidente depende del recorrido de la corriente a través del cuerpo. Una trayectoria de mayor longitud tendrá, en principio, mayor resistencia y por tanto menor intensidad; sin embargo, puede atravesar órganos vitales (corazón, pulmones, hígado, etc.) provocando lesiones mucho más graves. Aquellos recorridos que atraviesan el tórax o la cabeza ocasionan los mayores daños.
La figura 2.2 indicaba los efectos de la intensidad en función del tiempo de aplicación; con respecto a una trayectoria de mano izquierda a los dos pies.
Para otros trayectos es necesario considerar el factor de corriente de corazón F, que permite calcular la equivalencia del riesgo de las corrientes que teniendo recorridos diferentes atraviesan e¡ cuerpo humano.
1.5 1.3,
ft ti
0.71.0
f"1!mffl
J0.: Q.8A
0.7.11 Fi.ia
0.3Figura 2.7.- Factor de corriente de corazón " F« L2
La mencionada equivalencia se calcula mediante la expresión: Ih =_fref
F
Donde:
lh = comente que atraviesa el cuerpo por un trayecto detenninado. Iref^ corriente mano izquierda-pies.
2.4.- MATERIALES CONDUCTORES EMPLEADOS EN SISTEMAS
DE PUESTA A TIERRA.
2.4.1.-
INTRODUCCIÓN--Al momento de realizar un trabajo de ingeniería se debe considerar la selección del materia! adecuado capaz de satisfacer ciertas condiciones requeridas por una aplicación específica.
En la aplicación de la ingeniería eléctrica, es de suma importancia establecer la utilización de materiales conductores y sus aleaciones, específicamente en sistemas de puesta a tierra donde se requiere una alta conductividad en sus elementos constitutivos, con la finalidad de drenar a tierra las corrientes de falla.
La principal característica que permite discriminar entre un material y otro es su estructura interna, es así que se define como materiales metálicos a aquellos que poseen una estructura cristalina. Muchas de las propiedades de los metales tales como conductividad eléctrica y calorífica están relacionadas con el tipo de enlace.
Para el caso particular; el cobre y sus aleaciones como el bronce son los materiales mas usados para la elaboración de varillas conductores y conectores utilizados en sistemas de puesta a tierra, por lo cual es conveniente realizar un breve estudio de su estructura interna, enlaces y propiedades que lo caracterizan.
2,4.2.- COBRE li3
El cobre es el metal más utilizado en aplicaciones de electricidad debido a que sus características físicas y mecánicas son óptimas y las eléctricas y de conducción del calor son sólo superadas por las de la plata, sin embargo su costo es más conveniente.
El cobre no es atacado por el agua, sometido a los agentes atmosféricos, humedad, calor e impurezas, forma en su superficie una película verdosa de impurezas que avanza muy lentamente (1 p /año). Sometido a calor se oxida a partir de los 120 °C superficialmente; en ia totalidad de la masa el fenómeno se generaliza a partir de los 500 °C.
El cobre se emplea bajo diferentes formas originadas por procedimientos de elaboración logrando que así se produzca una oxidación menos agresiva.
El óxido aumenta la superficie de contacto, para evitarlo se los protege con un plateado.
La principal aplicación del cobre en sistemas de puesta a tierra está en la elaboración de varillas y conductores.
Cobre electrolítico
Obtenido por refinado electrolítico. Se alcanza un 99,9 % de pureza (resistencia a la tracción 15 a 20 kg/mm2)
Cobre recocido
Se utiliza para la fabricación de conductores eléctricos que no estén sometidos a grandes esfuerzos mecánicos (resistencia a la tracción 22 a 28 kg/mm2).
Cobre semiduro
Se utiliza en líneas aéreas (resistencia a la tracción 28 a 34 kg/mm2).
11
http:/Avww.efn.unaedu.ar/departamentDS/elBctrQtecnia/cat/eye.htm (Unidad N° 3 "CONDUCTORES AISLADOS")
Cobre duro
Se obtiene por trabajado en frío y se emplea para conductores en lineas eléctricas exteriores sometidas a esfuerzos mecánicos elevados (resistencia a la tracción 35 a 45 kg/mm2).
2.4.3.- BRONCES1-3
Con esta denominación genérica se caracterizan ias aleaciones de cobre con estaño (Sn), haciéndose extensiva esta denominación a todas las aleaciones de cobre con metales (excepto zinc - latón), y admitiendo la incorporación de mas componentes en menores proporciones (temarios, complejos), tales como los bronces fosforosos, silícosos.
La gran diversidad de posibilidades de aleaciones de cobre con otros componentes hacen de los bronces una enorme gama de posibilidades de empleo, así tenemos:
• Bronces silicosos: 80% Cu, 8% Sn, 2% Zn, 4% Si, 0,8%, Piezas mecánicas portaescoblllas.
• Bronces fosforosos: 89% a 98% Cu, 1% a 11% Sn, 0,03% a 0,3% P. • Bronces al manganeso (manganina): 80% Cu, 12% Win, 2% Ni. Se usa
para la fabricación de resistencias por su buen comportamiento mecánico y a ia oxidación, además posee una baja variación de la resistencia con la temperatura.
• Bronces al níquel (comercia I mente alpaca): 55% Cu, 45% Ni o 60% Cu y 40% Ni. Se lo utiliza para resistencias.
• Bronces al berilio (llamado constantán): Posee excelentes propiedades mecánicas, sobre todo un elevado módulo de elasticidad.
La principal aplicación del bronce en sistemas de puesta a tierra es en la elaboración de conectores.
2.4.4.- CARACTERÍSTICAS INTERNAS DE IX>S MATERIALES."
Debido a que en los sistemas de puesta a tierra se usan materiales de cobre y bronce, los cuales tienden a sufrir un proceso de corrosión cuando están interactuando con el suelo, surge la necesidad de conocer ciertas características internas de materiales que determinen el grado de corrosividad.
A continuación presentaremos los distintos tipos de enlaces con la finalidad de ver la disposición que toman los átomos de [os materiales, y las propiedades que influyen en el proceso corrosivo como el potencial de ionización y afinidad electrónica,
2.4.4.1.- Enlaces Químicos1"'*
Al interactuar diferentes materiales se producen reacciones, originando un cambio en sus configuraciones electrónicas debido a la formación de enlaces químicos.
Cuando dos o más átomos se acercan lo suficiente, se puede producir una fuerza de atracción entre los electrones de los átomos individuales y el núcleo de otro u otros átomos.
2.4.4.1.1.-Enlace metálico.
El cobre, un metal típico, consiste en una formación regular de átomos de cobre que han perdido cada uno un electrón para formar un ion cobre. Los electrones negativos se distribuyen por todo el metal formando enlaces no direccionales o deslocalizados con los iones cobre positivos. Esta estructura, conocida como enlace metálico, explica las propiedades características de los metales: son buenos conductores de la electricidad a! estar los electrones libres para moverse de un sitio a otro, y resultan maleables porque sus iones positivos se mantienen unidos porfuerzas no direccionales.
En metales en estado sólido, los átomos se encuentran empaquetados relativamente muy juntos en una ordenación sistemática o estructura cristalina.
Por ejemplo la disposición de los átomos de cobre en el cobre cristalino consiste que los átomos están tan juntos que sus electrones externos de valencia son atraídos por los núcleos de sus numeroso vecinos.
2.4.4'J.2.-Enlace iónico
Los enlaces iónicos se pueden formar entre elementos muy electropositivos (metálicos) y elementos muy electronegativos (no metales). En el proceso de ionización los electrones son transferidos desde los átomos de los elementos electropositivos a los átomos de los elementos electronegativos, produciendo cationes cargados positivamente y aniones cargados negativamente.
Las fuerzas de enlace son debidas a la fuerza de atracción electrostática o culombiana entre iones con carga opuesta.
Los enlaces iónicos se forman entre Iones opuestamente cargados por que se produce una disminución neta de la energía potencial para los iones enlazados
2.4.4.1.3.- Enlace covalente
En un enlace covalente, los dos átomos enlazados comparten electrones. Si los átomos de! enlace covaiente son de elementos diferentes, uno de ellos tiende a atraer a los electrones compartidos con más fuerza, y los electrones pasan más tiempo cerca de ese átomo; a este enlace se le conoce como covalente polar. Cuando los átomos unidos por un enlace covalente son iguales, ninguno de los átomos atrae a los electrones compartidos con más fuerza que el otro; este fenómeno recibe el nombre de enlace covaiente no polar o apolar
2.4.4.2.- Potencial de Ionización y Afinidad Electrónica
Los materiales utilizados en sistemas de puesta a tierra con determinadas características de potencial de ionización y afinidad electrónica reaccionan con los componentes del suelo dando origen a la corrosión galvánica cuando ínteractúan en un medio electrolítico activo.
2.4,4.2.1.-Potencial de ionizador^5
El potencia! de ionización es el trabajo o energía de ionización standard de un átomo o potencial eléctrico.
La energía de ionización de un átomo de un elemento metálico es la energía que un átomo gaseoso debe absorber para que un electrón sea arrancado dé! átomo. También se puede definir como la tendencia del elemento a pasara solución en forma de catión.
El potencial de ionización del cobre es de 746 kJ /mol
2.4.4.2.2.-Afinidad electrónica
La afinidad electrónica es una medida del cambio de energía que ocurre cuando un, átomo gaseoso gana un electrón:
Por ejemplo:
VF( EA=-328kJ/mol
(el ^igno .negativo denota que el proceso es exotérmico, que se desprende energía)
En estado gaseoso incluso los metales pueden ganar electrones:
EAl=-59,6kJ/moll
Considerando la ganancia de un segundo electrón por un átomo no metálico encontramos afinidades electrónicas positivas. Aquí el electrón se acerca a un anión y sufre una fuerte repulsión. Cuando el electrón es atrapado la energía del sistema aumenta:
O^ -he' -»OV EAl=-141kJ/mol O"® + e' -» O=(e) EA2 = + 744 kj/mol
Ei valor positivo tan alto de EA2 hace muy improbable que exista Oz gaseoso.
En general, los diferentes valores de electronegativldad de los átomos determinan el tipo de enlace que se formará en la molécula que los combina. Así, según la diferencia entre las electronegatividades de éstos se puede determinar (convencional mente) si el enlace será, según la escala de Pauling:
- Iónico (diferencia superior o igual a 2) - Covalente polar (diferencia entre 2 y 0.4) - Covalente no polar (diferencia inferior a 0.4)
Cuanto más pequeño es el radio atómico, mayor es la energía de ionización y mayor la electronegativldad.
La afinad electrónica de! cobre es de 1.9 Pauling.
De este breve análisis se deduce que al reaccionar elementos que poseen bajo potencial de ionización (como el cobre) y alta afinidad electrónica (como e! bronce) en un medio electrolítico (como él suelo) hace que la corrosión galvánica sea inevitable, factor que tomaremos en cuenta en las siguientes secciones cuando se hable de corrosión.
2.5.- SUELOS.*
El suelo procede de la interacción de dos mundos diferentes, la litosfera y la atmósfera, y biosfera.
El suelo resulta de la descomposición de la roca madre, por factores climáticos y la acción de los seres vivos. Esto implica que el suelo tiene una fracción mineral y otra biológica.
De acuerdo con el origen de sus elementos, los suelos se dividen en dos amplios grupos; suelos cuyo origen se debe a la descomposición física o química de las rocas, o sea de los suelos inorgánicos, y los suelos cuyo origen es principalmente orgánico.
Si en los suelos inorgánicos el producto del ¡ntemperísmo de las rocas permanece en el sitio donde se formó, da origen a un suelo residual; en caso contrario, fonma un suelo transportado, cualquiera que haya sido el agente transportador.
• gravedad: talud;
• agua: aluviales o lacustres; • viento: eólicos;
• glaciares: Depósitos glaciares
En cuanto a los suelos orgánicos, ellos se forman casi siempre in situ. Muchas veces ia cantidad de materia orgánicas, ya sea en forma de humus o de materia no descompuesta o en estado de descomposición, es tan alta con relación a la cantidad de suelo inorgánicos que las propiedades que pudiera derivar de la porción mineral quedan eliminadas. Esto es muy común en las zonas pantanosas en las cuales los restos de vegetación acuática llegan a formar verdaderos
I ft
depósitos de gran espesor, conocidos con el nombre genérico de turbas. Se caracterizan por su color negro o café oscuro por su poco peso cuando están secos y su gran compresibilidad y porosidad. La turba es el primer paso de la conversión de la materia vegetal en carbón.
2.5.1..- TIPOS DE SUELOSLfí
A continuación se describen los suelos más comunes con los nombres generalmente utilizados por el profesional, para.su identificación.
Gravas
Las gravas son acumulaciones sueltas de fragmentos de rocas, y que tienen mas de dos milímetros de diámetro. Dado el origen, cuando son acarreadas por las aguas las gravas sufren desgaste en sus aristas y son, por lo tanto, redondeadas. Como material suelto suele encontrársele en los lechos, en los márgenes y en los conos de deyección de los ríos, también en muchas depresiones de terrenos rellenadas por el acarreo de los ríos y en muchos oíros lugares a los cuales las gravas han sido retransportadas. Las gravas ocupan grandes extensiones, pero casi siempre se encuentran con mayor o menor proporción de cantos rodados, arenas, limos y arcillas. Sus partículas varían desde 7.62 cm (3") hasta 2.0 mm.
La forma de !as partículas de las gravas y su relativa frescura mineralógica dependen de la historia de su formación, encontrándose variaciones desde elementos rodados a los poliédricos.
Arenas
La arena es el nombre que se le da a ios materiales de granos finos procedentes de la denudación de las rocas o de su trituración artificial, y cuyas partículas varían entre 2 mm y 0.05 mm de diámetro.
El origen y la existencia de las arenas es análoga a la de las gravas; las dos suelen encontrarse juntas en el mismo depósito. La arena de río contiene muy a
menudo proporciones relativamente grandes de grava y arcilla. Las arenas estando limpias no se contraen al secarse, no son plásticas, son mucho menos compresibles que la arcilla y si se aplica una carga en su superficie, se comprimen casi de manera instantánea.
Limos
Los limos son suelos de granos finos con poca o ninguna plasticidad, pudiendo ser limo inorgánico como el producido en canteras, o limo orgánico como el que sueSe encontrarse en los ríos, siendo en este último caso de características plásticas. El diámetro de las partículas de ios limos esta comprendido entre 0.05 mm y 0.005 mm. Los limos sueltos y saturados son completamente inadecuados para soportar cargas por medio de zapatas. Su color varía desde gris claro a muy oscuro. La permeabilidad de los limos orgánicos es muy baja y su compresibilidad muy alta. Los limos, de no encontrarse en estado denso, a menudo son considerados como suelos pobres para cimentar.
Arcillas
Se da el nombre de arcilla a las partículas sólidas con diámetro menor de 0.005 mm y cuya masa tiene la propiedad de volverse plástica a! ser mezclada con agua. Químicamente es un silicato de alúmina hidratado, aunque en pocas ocasiones contiene también silicatos de hierro o de magnesio hidratados. La estructura de estos minerales es, generalmente, cristalina y complicada y sus átomos están dispuestos en forma laminar. De hecho se puede decir que hay dos tipos clásicos de tales láminas: uno de ellos del tipo silíceo y el otro del tipo alumíníco.
El tipo sílice se encuentra formada por un átomo de sílice rodeado de cuatro átomos de oxigeno. La unión entre partículas se lleva a cabo mediante un mismo átomo de oxigeno. Algunas entidades consideran como arcillas a las partículas menores a 0.002 mm.
El tipo alumínico esta formada por un átomo de aluminio rodeado de seis átomos de oxígeno y de oxígeno e hidrógeno.
Caliche
El término caliche se aplica a ciertos estratos de suelo cuyos granos se encuentran cementados por carbonates calcáreos. Parece ser que para la formación de ¡os caliches es necesario un clima semiárido. La marga es una arcilla con carbonato de calcio, más homogénea que el caliche y generalmente muy compacta y de color verdoso.
JLoess
Los Ioess son sedimentos eólícos uniformes y cohesivos. Esa cohesión que poseen es debida a un cementante del tipo calcáreo y cuyo color es generalmente castaño claro. El diámetro de las partículas de los Ioess esta comprendido entre 0.01 mm y 0.05 mm. Los Ioess se distinguen porque presentan agujeros verticales que han sido dejados por raíces extinguidas. Los Ioess modificados son aquellos que han perdido sus características debido a procesos geológicos secundarios, tales como inmersión temporaria, erosión y formación de nuevos depósitos. Los Ioess son colapsables, aunque disminuye dicha tendencia al incrementársele su peso volumétrico.
Diatomita
Las diatomitas o tierras diatomaceas son depósitos de polvo silícico, generalmente de color blanco, compuesto total o parcialmente por residuos de díatomeas. Las diatomeas son algas unicelulares microscópicas de origen marino o de agua dulce, presentando las paredes de sus células características silícicas.
Cumbo
Es un suelo arcilloso fino, generalmente libre de arena y que parece cera a la vista; es pegajoso, muy plástico y esponjoso. Es un material difícil de trabajar.
Teapete
Es un material pulvurento, de color café compuesto de arcilla, limo y arena en proporciones variables, con un cementante que puede ser la misma arcilla o el
carbonato de calcio. La mayoría de las veces el origen deriva de la descomposición y alteración, por ¡ntemperismo, de cenizas volcánicas basálticas. También suelen encontrarse lentes de piedra pómez dentro del teapete.
Turba
La turba es un material orgánico compacto, de color pardo oscuro y muy rico en carbono, que se forma como resultado de la putrefacción y carbonización parciales de la vegetación en el agua acida de las turberas.
La vegetación formadora de turba está compuesta en su mayoría por musgos. La formación de turba constituye la primera etapa del proceso por el que la vegetación se transforma en carbón.
Tiene excelentes propiedades de retención de agua, y se usa mucho en jardinería para cubrir y mejorar suelos
Suelos cohesivos y no cohesivos
Una característica que hace muy distintivos a diferentes tipos de suelos es la cohesión. Debido a ella los suelos se clasifican en "cohesivos" y " no cohesivos". Los suelos cohesivos poseen la propiedad de la atracción intermolecular, como las arcillas. Los suelos no cohesivos son los formados por partículas de roca sin ninguna cementación, como la arena y la grava.
2.5.2.- PROPIEDADES DE LOS SUELOS?7
2.5.2.1.-Resistividad del terreno
Uno de los factores más relevantes al momento de diseñar un sistema de puesta a tierra es la resistividad del terreno; por eso es importante considerar que tipo de suelo existe en el sitio de instalación, y que características de conducción posee. Si bien es cierto e! tipo de suelo es un factor importante; la temperatura, la
humedad y otros factores ambientales condicionan el valor de resistividad del suelo; teniéndose el caso de que en tiempo de sequía, un terreno puede tener tal resistividad que no pueda ser empleado en ei sistema de tierras. Por ello, el sistema debe ser diseñado tomando en cuenta la resistividad en las peores circunstancias climáticas.
E! suelo presenta una composición de capas no uniformes; teniéndose que con la longitud de una varilla típica, se encuentran al menos dos capas diferentes de suelos. Generalmente ia capa superior puede ser más conductora si existe suficiente humedad durante todo el año, pero también puede ser lo contrario.
La base de un buen sistema de puesta a tierra comienza con el ensayo del suelo que rodeará a la toma, y la elección del lugar ideal de instalación, procurando localizar el área con la más baja resistividad.
El tipo de suelo, la temperatura, la humedad, etc.., son parámetros que determinan la resistividad del terreno, pero además existe una estrecha dependencia entre el valor de resistividad y la corrosívidad de un suelo. Se ha constatado en numerosas ocasiones una relación directa entre esta propiedad y la corrosión, de tal forma que la corrosión es mayor cuanto menor sea ia resistividad, como se puede observar en la tabla 2.6.
Aumento de Temperatura Salinidad Humedad Porosidad Resistividad Baja Baja Baja Aumenta Corrosión Aumenta Aumenta Aumenta Baja
Tabla 2.6.- Relación entre Resistividad y Corrosión en función del estado del suelo Ls.
Lfl
Dependiendo de los valores de resistividad que tome un terreno, se establecen unas equivalencias de corrosividad, que se muestran en la tabla 2.7, al mismo tiempo se Indica la necesidad de protección catódica en dichas instalaciones enterradas o sumergidas y revestidas:
RESISTIVIDAD Qx m < 9 9 a 23 23 a 50 50 a 100 100a250 >250 CORROSIVIDAD DEL SUELO Severa Alta Significativa Moderada Leve Baja PROTECCIÓN CATÓDICA SI SI SI SI Depende Depende Tabla 2.7.- Equivalencias de corrosividad y resistividad.'L7
Se puede observar que para valores de resistividad en él orden de hasta 10OO.m, es necesario realizarla protección catódica para evitarla corrosión del sistema de puestas a tierra.
En la tabla 2.8, se muestra los niveles de resistividad correspondientes a la naturaleza de suelos.
NATURALEZA DEL TERRENO Terrenos pantanosos
Limos Humus Turba húmeda Arcilla plástica
Margas y arcillas compactas Margas del Jurásico
Arena arcillosa Arena silícea
Suelo pedregoso cubierto de césped Suelo pedregoso desnudo
Piedras calizas blancas Piedras calizas compactas Piedras calizas agrietadas Pizarras RESISTIVIDAD (Q.m) 2 a 30 20 a 100 10a 150 5 a 100 50 100a200 30 a 40 50 a 100 200 a 3,000 300 a 500 1.500 a 3.000 100 a 300 1.000 a 5.000 500 a 1 .000 50 a 300
Rocas de mica y cuarzo
Granitos y areniscas poco alterados Granitos y areniscas muy alterados Agua de mar
Mineral conductor
Aluviones con agua dulce Aluviones secos
Aluviones con agua salada
800 1.500a 10.000 100 a 600 1 0,1 20 a 200 50a 100 1 a5
Tabla 2.8.- Resistividad de Suelos17 2.5.2.2.- Efecto del pHL7
La naturaleza del suelo no sólo depende de la composición de la roca original, sino de otros factores tales como presencia de materia orgánica, abonos químicos, contaminación Industrial o doméstica, etc., con lo cual las características primitivas de un suelo pueden cambiar extraordinariamente.
En muchos casos su presencia condiciona una alta corrosividad, como por ejemplo un suelo pantanoso, ácido, con mucha materia orgánica, o bien suelos muy alcalinos que atacan metales como Zn, Al, Pb. Por todo ello, la medida del pH del suelo también proporciona un criterio de selección de su agresividad.
La tabla 2,9 indica la relación entre el pH y la corrosividad:
PH <4,0 4,0-4,5 4,5 - 5,0 5,0 - 6,0 6,0 - 6,5 6,5 - 7,5 7,5-8,5 > 8,5 Medio Acido muy fuerte
Muy ácido Ácido Moderadamente ácido Poco ácido Neutro Poco alcalino Muy alcalino CORROSIVIDAD Muy agresivo Muy agresivo Muy agresivo Muy agresivo Agresivo No Agresivo No agresivo Condicionado PROTECCIÓN CATÓDICA SI SI SI SI SI DEPENDE DEPENDE DEPENDE
Para valores de potencial hidrógeno menor a 6.5, es recomendable realizar la protección catódica para evitarla corrosión del sistema de puestas a tierra.
L7
2.5.2.3.- Potencial red-or
El potencial de oxídacíón-reduccíón (red-ox) de un suelo ha servido para predecir el riesgo de corrosión anaerobia que puede sufrir una estructura enterrada y especialmente para los casos de corrosión bacteriana, pero no para dictaminar sobre otros tipos de corrosión.
A continuación se indican los valores de potencial red-ox en función del posibie riesgo de corrosión anaerobia del suelo.
POTENCIAL RED-OX < 100 mV 1 00 - 200 mV 200- 400 mV > 400 mV CORROSIVIDAD SUELO Muy agresivo Moderadamente agresivo Débilmente agresivo No agresivo PROT. CATÓDICA SI Si SI DEPENDE Tabla 2.10.- Relación entre el Potencial Red-ox y la conrosividad17
Los suelos que requieren la instalación de protección catódica , son aquellos cuyo potencial red-ox Inferiores a 400mV.
2.5.3.- CORROSIÓN.LS
Los materiales, y en especial los metales, son obtenidos a partir de especies minerales estables en las condiciones naturales. Portante, al ser expuestos a las condiciones ambientales, una vez extraídos, tienden a estabilizarse química y energéticamente. El paso espontáneo de estos materiales a su estado natural combinado, es llamado corrosión.
Por consiguiente, este fenómeno, es el responsable directo de la destrucción de materiales constructivos, de los daños indirectos que esta falta provoca.
Por tanto, la corrosión es un proceso a veces inevitable, cuya prevención es difícil, y donde es posible y practicable un control y una protección contra el mismo.
En la mayoría de medios naturales, la presencia de agua es un factor destacable. Por tanto, el estudio de los procesos de corrosión naturales deberá centrarse en el de las reacciones en medios acuosos.
Una buena aproximación para el estudio del comportamiento de los distintos materiales en medio acuoso lo constituyen los diagramas de Potencial de reducción (En) contra Acidez (pH), o también llamados de Pourbaix, en honor a quien los introdujo. En éstos, se observan distintas zonas de estabilidad, entre las que cabe distinguir las de inmunidad, de corrosión activa y de pasividad.
La zona de inmunidad, o zona de predominio de las reacciones de reducción, corresponde a la zona donde el material se encuentra en condiciones estables.
La zona de corrosión activa se caracteriza por el predominio de las reacciones de oxidación, que causan la destrucción por combinación o disolución continuada del material. El fímíte entre la zona de inmunidad y la de corrosión activa es gradual, al igual que con la de pasividad»
La zona de Pasívación, corresponde a una zona de corrosión, donde la fase formada constituye una película protectora, que evita e! avance del proceso de corrosión. La formación de imperfecciones en la misma (pasivación imperfecta) conlleva ¡a aparición de corrosiones locales (por ejemplo, de picaduras).
2.5.3.1.- Protección contra la corrosión7'8
Son muchas las técnicas empleadas para la protección contra la corrosión, ya que se adaptan a la complejidad de las reacciones que intervienen en tales procesos.
Entre los principales tipos de protección contra la corrosión tenemos los siguientes:
a) Protección pasiva b) Protección activa c) Protección catódica
a) PROTECCIÓN PASIVA
Los sistemas más empleados para protección pasiva se basan en el aislamiento de los elementos constructivos a proteger mediante materiales dieléctricos, evitándoles entraren contacto con el medio conductor (agua, suelo, aire húmedo).
Este método, constituye el más empleado para la salvaguarda de materiales en cualquier medio, siendo prácticamente el único utilizado para evitar la corrosión ambiental.
Las pinturas, los recubrimientos plásticos, encintados, etc, son parte de estos innumerables sistemas de protección.
b) PROTECCIÓN ACTIVA
Dado que los procesos de corrosión constituyen procesos de intercambio de electrones, se pueden construir sistemas de protección basados en aportar corrientes de protección capaces de eliminar la corrosión.
La generación de una corriente a través de un ánodo de sacrificio, retomando por las estructuras a proteger, consigue modificar el potencial de éstas respecto a! medio, y situarlas en la zona de Inmunidad, eliminando las reacciones de corrosión, y por tanto, protegiéndolas catódicamente (se protege al cátodo de la pila).
c) PROTECCIÓN CATÓDICA
La protección catódica constituye el método más importante de todos los que se han intentado para conseguir el control de la corrosión.
La técnica genera una corriente eléctrica exterior que reduce vlrtualmente la corrosión a cero, pudiéndose mantener una superficie metálica en un medio corrosivo sin sufrir deterioro durante un tiempo indefinido. El mecanismo de protección se centra en la generación de la corriente externa suficiente que, entrando por toda la superficie del elemento a proteger, elimina la tendencia de los iones metálicos de éste a entrar en disolución.
En la práctica se puede aplicarla protección catódica para proteger metales como acero, cobre, plomo, latón, aceros inoxidables y aluminio, contra la corrosión en todos los tipos de suelos, y medios acuosos.
De la misma forma, e! método permite un control muy fácil de esta protección, mediante la medida de los potenciales naturales respecto a pilas de referencia estándares. Las pilas de referencia comúnmente empleadas se muestran en la tabla siguiente, al Igual que los potenciales recomendados de protección catódica para distintos materiales.
La protección catódica requiere una fuente de corriente continua y un electrodo auxiliar o ánodo por donde se inyecta la corriente al medio donde se encuentra la estructura a proteger.
Los sistemas de protección catódica contra la corrosión, pueden aplicarse para proteger las siguientes instalaciones:
- Elementos enterrados o sumergidos de sistemas eléctricos, como las armaduras de cables, puestas a tierra, etc.
- Exterior de tuberías enterradas o sumergidas, que transporten cualquier tipo de fluido o producto sólido, líquido o gaseoso.
En función del tipo de fuente de la corriente continua usada para la protección se pueden distinguir distintos sistemas:
• Protección por ánodos de sacrificio o • Protección por corriente impresa.
En manera general las condiciones para las cuales resulta indispensable la instalación de la protección catódica se resume en la tabla 2.11.
Resistividad Potencial Hidrógeno Potencial RED-OX
<loon.m
<6.5 <400mVTabla 2.11.-Condiciones para protección catódica
PROTECCIÓN POR ÁNODOS DE SACRIFICIO
La técnica consiste en añadir un ánodo cuyo potencial de reducción sea mucho menor al del elemento a proteger, y por un simple efecto de pila galvánica, se obtiene la protección de dicho elemento, al destruirse el ánodo (que se sacrifica).
Los metales más usados como ánodos de sacrificio son el Zinc y el Aluminio para el agua de mar, y el Magnesio o el Zinc para suelo o agua dulce.
Las principales ventajas del empleo de ánodos de sacrificio son:
• Funcionan independientemente de una fuente de energía eléctrica. • Su instalación es simple.
• Nunca pueden estar incorrectamente unidos a la estructura. • Difícilmente se dan problemas por sobreprotección.
• Es fácil obtener distribuciones uniformes de potencial en una estructura.
Las desventajas por contra radican en:
• Sólo se pueden emplear en medios de bajas resistividades.
• Son necesarios grandes cantidades de ánodos para proteger grandes superficies.
- En instalaciones enterradas, la sustitución al cabo de los años supone un elevado coste de obra civil.
- En general, los ánodos de sacrificio se emplean en instalaciones de reducidas dimensiones, en medios de resistividad baja (< 30 O.m), y en estructuras bien recubiertas que necesiten bajas corrientes de protección.
PROTECCIÓN POR CORRIENTE IMPRESA
La protección catódica por comente impresa consiste en obtener la comente eléctrica DC de protección, a partir de una fuente extema, ya sea de un suministro de energía eléctrica en AC, a través de un transformador-rectrficador, o ya sea de energía fotovoltalca o eólica.
Una instalación de protección por corriente impresa consta de:
- Un transformador-rectificador o unidad central de potencia (UCP).
- Un lecho de ánodos dispersor de la corriente en el medio conductor (suelo, agua).
- Unos conductores de unión para polo positivo del rectificador hasta el lecho de ánodos, y desde el polo negativo hasta tos elementos a proteger.
2.S.4.- DISTRIBUCIÓN DE POTENCIALES Y CORRIENTES EN EL SUELO.L1
La finalidad de instalar un sistema de puesta a tierra es drenar a tierra las corrientes consideradas de falla, que pueden dañar el equipo y ser peligrosas en una instalación.
Esto ocurre a través de la impedancia de la Puesta a Tierra parámetro representado en ohmios, cual si fuera una resistencia pura. La trayectoria tomada por la corriente produce tres caídas de tensión antes de llegar a tierra remota; en el electrodo de puesta a tierra (conductor conectado a tierra) ,en el relleno, y en el suelo natural por ser un elemento con propiedades conductoras
En el electrodo y el suelo natural se genera la mayor calda de potencial, dependiendo, de la resistencia del conductor, y la resistividad del suelo; en este sentido, la dispersión de corrientes en el suelo, de un sistema de puesta a tierra depende del régimen de la Corriente.
• Dispersión de Corriente Continua.- La corriente continua no varía con el tiempo por lo cual en su dispersión, solo se considera la componente resistiva, de tal forma que no existe restricciones en la forma del electrodo enterrado.
. Dispersión de Corriente Alterna, En esta caso la corriente es variable de forma periódica en régimen permanente, en cuya dispersión predomina la componente resistiva y tiene menor incidencia las componentes inductivas y capacitivas, siendo mínimas las restricciones del electrodo.
• Dispersión de Corrientes Oscilatorias. Las comentes oscilatorias poseen comportamiento variable asimétrico, originando en su dispersión una componente inductiva que amortigua la corriente con una velocidad de amortiguación de constante L/R , requiriendo longitudes pequeñas de conductor enterrado y si es posible una componente capacitiva.
Experimentalmente se han obtenido las siguientes aproximaciones relacionadas con el comportamiento de los dispersores, en función con la resistencia de dispersión en baja frecuencia:
- R>1 n prevalece un comportamiento resistivo.
- R<0.5 O prevalece el carácter inductivo de la impedancía.
En las siguientes figuras se puede observar como se distribuyen en el suelo las corrientes de falla.
•SUELOS MO. HOMOGÉNEOS.
Figura 2,8.- Distribución de corrientes en el sueloLl
Esta distribución presenta variaciones, las cuales se tienen desde la condición ideal hasta la interferencia, la cua¡ se produce cuando se tienen electrodos bastante cercanos.
La función de la tierra respecto a sistemas eléctricos, puede ser comparada a la desempeñada por e! mar en un sistema hidrográfico; que idealmente puede recibir cualquier caudal de agua sin elevar su nivel, puesto que su capacidad de carga eléctrica es del orden de 5200 culombios.
2.5.4.1.- Corrientes vagabundas
Comentes vagabundas o erráticas son aquellas corrientes eléctricas que circulan a través de un electrolito fuera de los circuitos previstos o por caminos no conocidos.
La fuente de las corrientes vagabundas puede ser natura! o generada por el hombre, siendo la de mayor agresividad la de corriente continua.
Es importante notar que donde la corriente entra en la estructura enterrada no se produce corrosión, pero en el punto donde retoma al electrolito o suelo sí la hay.
Para evaluar los criterios de corrosión por comentes vagabundas hay que conocer no sólo la presencia de éstas en el momento antes y después de la instalación de las estructuras enterradas, sino que también debe conocerse la presencia de posibles fuentes próximas ya que es normal que existan modificaciones en los pasos o caminos que estas corrientes vagabundas siguen entre antes y después del montaje de la instalación metálica enterrada, y durante su vida.
Tomando como referencia el electrodo de Cu/Cu(SO4) saturado, la tabla 2,12
muestra la clasificación de las comentes vagabundas de acuerdo con el gradiente de potencial que presentan.
Gradiente Potencial < 0,5 mV/m 0,5-5 mV/m > 5 mV/m Corriente Vagabunda Débiles Medianamente intensas Intensas ProtCatódica Depende Si Si
Tabla 2.12.-Clasificación de corrientes vagabundas1"7
Como se puede observaren la tabla 2.12, un valor de gradiente de potencial por encima de los 0.5mV/m, produce corrientes vagabundas cuya intensidad exige realizar la protección catódica.
2.5.5.- TRATAMIENTO QUÍMICO DEL SUELO1"9
El tratamiento químico del suelo surge como un medio de mejoras y disminución de la resistividad del terreno.
Existen varios tipos de tratamientos químicos para reducir la resistividad de un terreno como son:
Lfl
- Cloruro de sodio + carbón vegetal - Bentonita
- Compuestos químicos patentados (GEL)
Ninguna sal en estado seco es conductiva, por lo que los electrolitos de las sales se deben convertir en soluciones verdaderas o en seudo soluciones, (desde el punto de vista termodinámico, por ejemplo el cloruro de sodio en agua forma una solución verdadera).
a) Cloruro de Sodio + Carbón Vegetal
El cloruro de sodio forma una solución verdadera pero tiene como inconveniente que se precipita fácilmente junto con el agua por efecto de la precolación, capílaridad y evapotranspiración, otro inconveniente es la elevada corrosión a la que se expone el electrodo, reduciendo significativamente su tiempo de vida útil. SÍ bien es cierto que el cloruro de sodio disuelto en agua no corroe at cobre, no es menos cierto que la presencia de una corriente eléctrica convertirá al sistema Cu-solución cloruro de sodio en una celda electrolítica con desprendimiento de cloro y formación de hídróxído de sodio, en cuyo caso empieza la corrosión del cobre. El objetivo de la aplicación del carbón vegetal molido es aprovechar la capacidad de este para absorberla humedad del medio y retener junto a esta algunos de los electrolitos de! cloruro de sodio que se percolan constantemente.
b) Bentonita
Las bentonitas constituyen un grupo de sustancias arcillosas que no tienen composición mineralógica definida y deben su nombre al hecho de haberse descubierto el primer yacimiento cerca de Fort Benton en los estratos cretáceos de Wyoming en 1848; Aún cuando las distintas variedades de bentonitas difieren mucho entre si en lo que respecta a sus propiedades respectivas, es posible clasificarlas en dos grandes grupos:
Bentonita Sódica.- En las que el ¡on sodio es permutable y cuya característica mas importante es una marcada tumefacción o hinchamiento que puede alcanzar en algunas variedades hasta 15 veces su volumen y 5 veces su peso. Tiene una resistividad de 2.5 ohm-m con humedad de! 300%.
Bentonita Calcica.- En las que e! ion calcio es permutable, tiene menor capacidad para absorber agua y por consiguiente solo se hinchan en la misma proporción que las demás arcillas.
Las bentonitas molidas retienen las moléculas del agua, pero la pierden con mayor velocidad con la que la absorben debido a la contracción provocada por un pequeño aumento en la temperatura ambiente, al perder el agua pierden conductividad y restan toda compactación lo que deriva en la pérdida de contacto entre el electrodo y el medio, elevándose la resistividad de! suelo notoriamente.
c) Compuestos Químicos Patentados
Como ejemplo de compuesto químico patentado se citará el THOR-GEL Este es un compuesto químico complejo que se forma cuando se mezclan en el terreno las soluciones acuosas de sus dos componentes.
El compuesto químico resultante tiene naturaleza coloidal, formando una malla tridimensional micelar, cuyos espacios vacíos pueden ser atravesados por ciertas moléculas, pero, no por otras; esto lo convierte en una membrana semipermeable, que facilita el movimiento de ciertos iones dentro de la malla, de modo que puedan cruzarlo en uno u en otro sentido; convirtiéndose en un excelente conductor eléctrico.
Tiene una gran atracción por el agua, de modo que puede aprisionarla manteniendo un equilibrio con el agua superficial que la rodea; esto lo convierte en una especie de reservorio acuífero.
Esta condición se irá perdiendo con el tiempo (4 años) siendo posible reactivar e] suelo que se esta tratando, adicionalmente por disolución nuevamente los compuestos químicos que vienen en una dosis de thor-gel.
Este compuesto contiene sustancias anticorrosivas por lo que la vida medía de la puesta a tierra con este producto será de 20 a 25 años manteniéndola cada 4 años.
Método de
aplicación.-La cantidad de dosis por metro cúbico de tierra del suelo a tratarse, varía de 1 a 3 y esta en función a la resistividad natural del terreno, como se muestra en la siguiente tabla: Resistividad ohm.m 50 a 200 200 a 400 400 a mas Dosificación 1 dosis x md 2 dosis x md 3 dosis x md
Tabla 2.13.- Dosis recomendable para la aplicación de thor-gel.L9
La saturación en el tratamiento químico se presenta en la tercera dosis por m3.
En la siguiente tabla se muestra el porcentaje de reducción de la resistencia aplicado el compuesto thor-gel
% de Reducción de la Resistencia con THOR-GEL Resistencia Inicial (Q) 600 300 100 50 20 10 % de Reducción 95 85 70 60 50 40 Resistencia Final (Q) 30 45 30 20 10 6
