UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y
ELECTRÓNICA
Escuela Profesional de Ingeniería Eléctrica Y Electrónica
Tesis
“ EVALUACIÓN DE LA EFICIENCIA DE ADITIVOS EN EL TRATAMIENTO DE PUESTAS DE TIERRA EN HUANCAYO”
Código CTI: 03030007 Uso eficiente de la energía en el sector industrial y residencial no comercial
Código Unesco: 330602 Aplicaciones eléctricas
Para optar el título profesional de:
Ingeniera Electricista
Presentado Por:
Cartolín León Ana Luisa
Huancayo 2021
I ASESOR Dr. Ing. Bartolomé Sáenz Loayza
II DEDICATORIA
A mi adorada abuelita Isabel.
III
AGRADECIMIENTOS
A mi familia por el apoyo incondicional en mi desarrollo profesional y personal.
A mi asesor, Dr. Bartolomé Sáenz Loayza por su apoyo y guía en el desarrollo de mi tesis.
A la Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Universidad Nacional del Centro del Perú, por la formación brindada.
IV ÍNDICE
ASESOR ... I
DEDICATORIA ... II
AGRADECIMIENTOS ... III
ÍNDICE... IV
ÍNDICE DE FIGURAS ... VI
ÍNDICE DE TABLAS ... VIII
RESUMEN ... X
ABSTRAC ... XI
CAPÍTULO I: PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ... 12
1.1. Tema de investigación ... 12
1.2. Planteamiento del problema ... 12
1.3. Formulación del problema ... 12
1.3.1. Problema general ... 12
1.3.2. Problemas específicos ... 12
1.4. Objetivos... 13
1.4.1. Objetivo general ... 13
1.4.2. Objetivos específicos ... 13
1.5. Justificación ... 13
CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO DE LA INVESTIGACIÓN ... 14
2.1. Antecedentes... 14
2.1.1. Antecedentes nacionales ... 14
2.1.2. Antecedentes internacionales ... 17
2.2. Resistividad eléctrica del suelo ... 20
2.3. Medición de resistividad eléctrica de suelo ... 23
2.4. Caja de Miller ... 26
V
2.5. Modelamiento de suelo a dos capas ... 27
2.6. Puesta a tierra ... 28
2.7. Elementos que conforman una puesta a tierra ... 29
2.7.1. Electrodo (varilla) ... 29
2.7.1. Aditivos comunes ... 29
2.8. Resistencia de puesta tierra ... 31
2.9. Calculo de la resistencia a tierra. ... 32
2.10. Medición de resistencia de puesta a tierra ... 33
2.10.1. Método de la caída de potencial ... 33
2.10.2. Método de la pendiente ... 34
2.11. Hipótesis ... 35
2.11.1 Hipótesis general ... 35
2.11.2 Hipótesis específica ... 36
CAPITULO III: METODOLOGÍA ... 37
3.1. Tipo de investigación ... 37
3.2. Nivel de investigación. ... 37
3.3. Población y muestra ... 37
3.4. Instrumento de recopilación de datos ... 38
3.5. Procedimiento de recopilación de datos ... 38
CAPITULO VI DE RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN ... 39
4.1. Presentación de datos. ... 39
4.1.1. Registro de mediciones en campo de la resistividad eléctrica ... 39
4.1.2. Modelamiento del suelo ... 44
4.1.3. Determinación de la resistividad y resistencia eléctrica ... 49
4.1.4. Medición de la resistencia de puesta a tierra de varillas tratadas con cemento conductivo y bentonita ... 51
4.1.4. Medición de aditivos en caja de Miller ... 64
VI
4.2. Evaluación de resultados ... 69
4.2.1 Evaluación de la resistencia ... 69
4.2.2. Evaluación de resultados con la caja de Miller ... 70
4.2.3. Comparación de resultados... 74
PROCESO DE PRUEBA DE HIPÓTESIS ... 78
DISCUSIÓN DE RESULTADOS... 79
CONCLUSIONES ... 82
RECOMENDACIONES ... 83
BIBLIOGRAFÍA ... 84
ANEXOS ... 87
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2.1 efectos de la humedad, la temperatura y la sal sobre la resistividad del suelo (IEEE-STD80 pág. 53) ... 22Fuente: STD80, pag 53 ... 22
Figura 2.2: Método de los cuatro electrodos ... 23
Figura 2.3: Método Wenner ... 24
Figura 2.4: Método Schulmberger ... 25
Figura 2.5: metodo de los cuatro puntos ... 26
Figura 2.6: suelo estratificado de dos capas ... 28
Figura 2.7 Método de la caída de potencial ... 33
Figura 2.8 Representación gráfica de los valores de resistencia al desplazar el electrodo central ... 34
Figura 4.1.: Obtención de la curva de resistividad aparente... 44
Figura 4.2.: Resultados del modelamiento a dos capas ... 44
Figura 4.3.: Obtención de la curva de resistividad aparente... 45
Figura 4.4.: Resultados del modelamiento a dos capas ... 45
Figura 4.5.: Obtención de la curva de resistividad aparente... 45
VII
Figura 4.6.: Resultados del modelamiento a dos capas ... 46
Figura 4.7.: Obtención de la curva de resistividad aparente... 46
Figura 4.8.: Resultados del modelamiento a dos capas ... 46
Figura 4.9.: Obtención de la curva de resistividad aparente... 47
Figura 4.10.: Resultados del modelamiento a dos capas ... 47
Figura 4.11.: Obtención de la curva de resistividad aparente ... 47
Figura 4.12.: Resultados del modelamiento a dos capas ... 48
Figura. 4.13.: Grafico del análisis de la bentonita ... 69
Figura 4.14.: Grafico del análisis del cemento conductivo ... 69
Figura 4.15.: Grafico del análisis de bentonita (resistividad eléctrica vs humedad) ... 70
Figura 4.16.: Grafico del análisis de bentonita (resistencia vs humedad) ... 70
Figura 4.17.: Grafico del análisis de bentonita (resistividad vs sales disueltas) 71 Figura 4.18.: Grafico del análisis de bentonita (resistencia vs sales disueltas) 71 Figura 4.19.: Grafico del análisis de cemento conductivo (resistividad vs humedad) ... 72
Figura 4.20.: Grafico del análisis de cemento conductivo (resistencia vs humedad) ... 72
Figura 4.21.: Grafico del análisis de cemento conductivo (resistividad vs concentración de sal) ... 73
Figura 4.22.: Grafico del análisis de cemento conductivo (resistencia vs sales disueltas) ... 73
Figura 4.23.: porcentaje de reducción de la bentonita ... 74
Figura 4.24.: porcentaje de reducción del cemento conductivo ... 74
Figura 4.25 comportamiento de la eficiencia del cemento conductivo, bentonita y aditivo químico ... 77
VIII
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 2.1 Operacionalización de variables-hipótesis general ... 36
Tabla 4.1 resistividad eléctrica aparente del terreno 1 ... 40
Tabla 4.2 resistividad eléctrica aparente del terreno 2 ... 40
Tabla 4.3 resistividad eléctrica aparente del terreno 3 ... 41
Tabla 4.4 resistividad eléctrica aparente del terreno 4 ... 41
Tabla 4.5 resistividad eléctrica aparente del terreno 5 ... 42
Tabla 4.6 resistividad eléctrica media del terreno 6 ... 42
Tabla 4.7 Cuadro general de la resistividad eléctrica en cada terreno ... 43
Tabla 4.8. Cuadro resumen del modelamiento de los suelos ... 48
Tabla 4.9. Medición de resistencia terreno 1 con bentonita ... 52
Tabla 4.10. Medición de resistencia terreno 1 con cemento conductivo ... 53
Tabla 4.11. Medición de resistencia terreno 2 con bentonita ... 54
Tabla 4.12. Medición de resistencia terreno 2 con cemento conductivo ... 55
Tabla 4.13. Medición de resistencia terreno 3 con bentonita ... 56
Tabla 4.14. Medición de resistencia terreno 3 con cemento conductivo ... 57
Tabla 4.15. Medición de resistencia terreno 4 con bentonita ... 58
Nota: se observa una mínima diferencia entre resistencia a diferente dirección con el método de la pendiente ... 58
Tabla 4.16. Medición de resistencia terreno 4 con cemento conductivo ... 59
Tabla 4.17. Medición de resistencia terreno 5 con bentonita ... 60
Tabla 4.18. Medición de resistencia terreno 5 con cemento conductivo ... 61
Tabla 4.19. Medición de resistencia terreno 6 con bentonita ... 62
Tabla 4.20. Medición de resistencia terreno 6 con cemento conductivo ... 63
Tabla 4.21. Cuadro general de la resistencia de los 6 terrenos ... 63
Tabla 4.22. Medición de resistencia vs humedad ... 65
Tabla 4.23. Medición de resistividad eléctrica vs humedad ... 65
IX
Tabla 4.24. Medición de resistencia vs sales disueltas ... 66
Tabla 4.25. Medición de resistividad eléctrica vs sales disueltas ... 66
Tabla 4.26. Medición de resistencia vs humedad ... 67
Tabla 4.27. Medición de resistividad eléctrica vs humedad ... 67
Tabla 4.28. Medición de resistencia vs sales disueltas ... 68
Tabla 4.29. Medición de resistividad eléctrica vs concentración de sal ... 68
Tabla 4.30. Cuadro comparativo de porcentaje de reducción ... 75
Tabla 4.31. Cuadro comparativo medición de resistividad eléctrica y resistencia en función a la humedad ... 75
Tabla 4.32. Cuadro comparativo medición de resistividad eléctrica y resistencia en función a la concentración de sal. ... 76
Tabla 4.33. Cuadro comparativo del costo de instalación de puesta a tierra ... 76
PROCESO DE PRUEBA DE HIPÓTESIS ... 78
DISCUSIÓN DE RESULTADOS ... 79
CONCLUSIONES ... 82
RECOMENDACIONES ... 83
BIBLIOGRAFÍA ... 84
ANEXOS ... 87
X RESUMEN
La presente investigación se realiza planteando el siguiente problema general ¿Cuál será la eficiencia de los diferentes aditivos usados en las puestas a tierra en Huancayo? Se han realizado mediciones de resistividad eléctrica de suelos, resistencia de puesta a tierra y resistividad de aditivos utilizando los métodos de Wenner, caída de potencial, de la pendiente y el de los cuatro puntos respectivamente. Se han comparado la eficiencia del cemento conductivo y la bentonita en electrodos verticales de puesta a tierra en 6 terrenos de distinta resistividad eléctrica. El tipo de investigación es aplicada y el nivel explicativo. La conclusión principal es que se ha evaluado la eficiencia del tratamiento de puestas a tierra con diferentes tipos de aditivos. Basado en cálculos y mediciones de campo con métodos normados, se halla que el cemento conductivo es más eficiente en la reducción de la resistencia de puesta a tierra de varillas verticales comparado con la bentonita.
Palabras clave: sistemas de puesta a tierra, eficiencia de aditivos, resistividad eléctrica de suelos, resistencia eléctrica de puesta a tierra
XI ABSTRAC
Present investigation is carried out by posing the following general problem What will be the efficiency of the different additives used in the grounded in Huancayo? Soil electrical resistivity, grounding resistance and additive resistivity measurements have been made using Wenner's methods, drop in potential, slope, and four-point respectively. The efficiency of conductive cement and bentonite in vertical grounding electrodes in 6 soils of different electrical resistivity have been compared. The type of research is applied and the level is explanatory. The main conclusion is that the efficiency of grounding treatment with different types of additives has been evaluated.
Based on calculations and field measurements with standardized methods, conductive cement is found to be more efficient in reducing the earthing resistance of vertical rods compared to bentonite.
Keywords: grounding systems, additive efficiency, electrical resistivity of soils, electrical grounding resistance
12
CAPÍTULO I: PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.1. Tema de investigación
El tema de investigación de la presente tesis está enmarcado en el área de investigación sistemas eléctricos de potencia y energía eléctrica, de la Escuela Profesional de Ingeniería Eléctrica, Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Universidad Nacional del Centro del Perú.
El tema propone evaluar la eficiencia de tipos de aditivos utilizados en las puestas a tierra, en suelos con diferente resistividad eléctrica.
El estudio se realizó en la provincia de Huancayo, departamento de Junín.
1.2. Planteamiento del problema
En el Perú de acuerdo con el (Código Nacional de electricidad -Utilización, 2006) en 060-712 ubicado en la página 90, indica que el valor de la resistencia de puesta a tierra no debe ser mayor a 25Ω; para lograr obtener resistencias menores a este valor se utiliza diferentes tipos de aditivos en el llamado
“tratamiento de las puestas a tierra”. Estos aditivos pueden ser naturales o compuestos químicos comerciales, existe un estudio realizado (Para-Rayos) en el cual detalla la eficiencia de un producto químico en el tratamiento de puestas a tierra; lo que no se tiene es la eficiencia de otros productos ofrecidos en el mercado y de productos naturales.
En vista de esto se propone evaluar la eficiencia de diferentes tipos de aditivos comerciales más utilizados en los sistemas de puestas a tierra
1.3. Formulación del problema 1.3.1. Problema general
¿Cuál será la eficiencia de los diferentes aditivos usados en las puestas a tierra en Huancayo?
1.3.2. Problemas específicos
¿Cuál será la eficiencia del tratamiento en las puestas a tierra con el aditivo cemento conductivo?
¿Cuál será la eficiencia del tratamiento en las puestas a tierra con el aditivo bentonita?
13 1.4. Objetivos
1.4.1. Objetivo general
Evaluar la eficiencia del tratamiento de puestas a tierra con diferentes tipos de aditivos
1.4.2. Objetivos específicos
Evaluar la eficiencia del tratamiento de puestas a tierra con cemento conductivo
Evaluar la eficiencia del tratamiento de puestas a tierra con bentonita
1.5. Justificación
Las puestas a tierra de los sistemas eléctricos deben tener resistencias eléctricas menores para que garanticen seguridad hacia las personas y los equipos. Dependiendo de la resistividad eléctrica del suelo, generalmente se encuentran altas resistencias de puesta a tierra, por tanto, se utilizan aditivos comerciales para reducir el valor de la resistencia de puesta a tierra; estos aditivos son sales, arcillas o tipos de cementos conductivos que son fuentes de contaminación, altos gastos y no logran los objetivos técnicos y de seguridad. Se debe evaluar la eficiencia de estos aditivos comerciales y compararlo con otros aditivos de tipo natural como arcillas, tierras humus, abono y otros que formen parte de lugar de aplicación.
14
CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO DE LA INVESTIGACIÓN
2.1. Antecedentes
2.1.1. Antecedentes nacionales
(Quispe & Gutierrez, 2018) en su tesis titulada “DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE DIFERENTES SISTEMAS DE PUESTAS A TIERRA PARA LOS LABORATORIOS DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA DE LA UNA-PUNO” expone:
Se planteó en la tesis como elegir la mejor forma de toma de tierra que cumplan con las normas actuales de electricidad, para lo cual realizaron un análisis comparativo para lograr determinar la reducción de la resistencia de puesta a tierra de cada método de instalación teniendo como base la “varilla vertical enterrada directamente” cuya resistencia de puesta a tierra final medida fue 11.14 (Ω), con resistividad eléctrica promedio del terreno de 34.97 (Ω-m). Al poner un acoplamiento radial de tres conductores en la varilla, no se obtuvo variación alguna en la resistencia eléctrica; caso contrario al utilizar aditivos como cemento conductivo, bentonita y otros aditivos químicos; se encontraron resultados favorables pues disminuyeron en un porcentaje mayor al 50%. Así mismo realizaron un sistema de puesta a tierra con el método de varillas paralelas; las puestas a tierra se quedaron para que los estudiantes puedan realizar las mediciones. Todo el procedimiento se realizó cumpliendo las normativas y estándares vigentes, se evaluó y comparó los diferentes sistemas de puesta a tierra el lugar donde se elaboró la tesis fue en la Escuela Profesional de Ingeniería Mecánica Eléctrica de la una – Puno.”
15
(Ávila Gamboa, 2018) En su tesis titulada “Mejoramiento de Puesta a Tierra en la Subestación de Transformación de la Compañía Minera Querúbica S.A., Santiago de Chuco, La Libertad.”, expone:
la Compañía Minera Quiruvilca no tiene una técnica favorable de malla a tierra, pues esta no garantiza de los técnicos y equipos al presentarse una falla en el sistema eléctrico, se propone un mejoramiento de futuras instalaciones de puestas a tierras considerando las diferentes, normas y estándares actuales.
En la tesis se desarrolla, los tipos de sistemas de puestas a tierra, los elementos de los sistemas de puestas a tierra, objetivos primordiales y aditivos que influyen en la resistividad eléctrica del terreno, influencia de flujo de la intensidad eléctrica en los seres humanos. Presenta todas las mediciones de resistividad eléctrica del suelo, resistencia del sistema de puesta a tierra, medición de la tensión de toque y paso considerando el estándar internacional IEEE 80 2000
En la inspección se encontraron algunas fallas técnicas en las instalaciones eléctricas, se realizó el diseño del sistema de tierra de una subestación, por otra parte, recomienda mejorar el mantenimiento predictivo en las puestas a tierra.
16
(Choquehuanca Chamorro, 2019) En su tesis titulada “Optimización de la resistencia de malla a tierra de la subestación 2.0/2.5 MVA de la unidad minera el Santo, Caylloma, Arequipa” presenta:
La tesis realiza un análisis de un sistema de malla a tierra en la subestación el Santo 2.0 /2,5 MVA. Cuyo problema era ¿Se cumplirá el valor de resistencia de malla a tierra de la subestación 220 /2,5 MVA de la unidad minera el Santo con las exigencias del cliente y a normatividad?
realizó cálculos para el diseño de un sistema de puesta a tierra, se apoyó en un software para modelar la resistividad eléctrica del terreno a dos capas, realizo el análisis para finalmente con los cálculos logro obtener la optimización de la resistencia de malla a tierra de la subestación 2.0/2.5 MVA de la unidad minera el Santo, Caylloma, Arequipa; considerando que todos los procedimiento y resultados se encuentren dentro de lo reglamentad.
Para el logro de sus objetivos, utilizo como aditivo en el sistema de puesta a tierra Fabigel con el cual se obtuvo una resistencia de 0.42 Ω, también se midió la tensión de toque y paso
17 2.1.2. Antecedentes internacionales
(Shinchi Shinchi, 2017) en su investigación titulada “Diseño y determinación de sistemas de puesta a tierra mediante pruebas de campo con elementos comunes utilizados en la región, incluyendo GEM y electrodo químico” presenta el resumen:
En la tesis presenta el diseño de puesta a tierra en diferentes terrenos, en la cual realiza la medición de resistividad considerando el suelo homogéneo y también mediante el método grafico Sunde.
Con la resistividad de cada terreno se realizan los diseños de puesta a tierra calculando su resistencia mediante las fórmulas de Schwartz y Dwight. Se implementa cada diseño y se mide su resistencia luego se incorpora un aditivo llamado GEM, así también la implementación de un electrodo químico. El GEM tiene dos presentaciones y usa las dos una que es seco y la otra que es premezclado, llega a la conclusión que ambos reducen la resistencia eléctrica, pero en el caso del GEM premezclado llega a una compactación optima recién a los 4 meses.
Por otro lado, al usar el electrodo químico la resistencia obtenida es más baja, pero en términos económicos es aproximadamente 20 veces más costoso que GEM.
18
(Purba & Purba, 2019) en su investigación titulada “EL EFECTO DEL CEMENTO CONDUCTIVO COMO MEDIO DE PUESTA A TIERRA DE ELECTRODO DE RESISTENCIA A TIERRA” presentan:
La investigación desarrolla un análisis del cemento conductivo como un aditivo en el desarrollo de puestas a tierra; el cual se llevó a cabo utilizando varillas que se plantaron en suelo acondicionado mediante mezcla cemento propicio en el suelo como medio para reducir la resistencia del suelo con diferentes formaciones a la misma profundidad. El resultado esperado es el logro de la resistencia de la tierra. valores de 1-5 ohmios o menos para cumplir con un buen sistema de puesta a tierra.
Para determinar el valor de resistencia hace uso de los modelos y fórmulas matemáticas. Posteriormente realiza las medidas de resistencia eléctrica; a partir de los resultados de las mediciones de posición. 1, posición 2, posición 3 y posición 4, se logra una reducción de la resistencia en un 73,82%;
64,40%; 66%; 74,35% respectivamente. La posición de colocación del cemento conductor afecta la reducción de resistencia de tierra. Además, la influencia de la densidad del material contenido en el suelo también afecta la reducción de la resistencia a tierra.
19
(Valencia, 2019) en su tesis titulada “PROPUESTA DE UN MANUAL DE PROCEDIMIENTOS PARA EL ANÁLISIS Y MEJORAMIENTO DE LOS SISTEMAS DE PUESTAS A TIERRA EN PUNTOS ESPECÍFICOS DEL SISTEMA ELÉCTRICO DE EMELNORTE” presenta el resumen:
En el país de Ecuador no existe una norma de los valores de sistemas de puesta a tierra, sin embargo, se recurre a normas internacionales; se realizó una investigación, para recolectar información sobre los sistemas de puesta en Emelnorte, desarrollar un manual de ayuda para realizar el análisis a los sistemas de puesta a tierra con el fin de obtener sistemas de puesta a tierra óptimos.
Se realizó: encuestas, mediciones a los sistemas eléctricos y modelamiento matemático de los sistemas de puestas a tierra. Luego se elaboró un manual técnico, que propone los procedimientos para el análisis y mejoramiento, mediante investigaciones de campo y cálculos matemáticos de todos los elementos, sea para elaborar un nuevo sistema o para mejorar un sistema ya instalado.”
La inclusión del manual en la empresa Emelnorte será muy productivo para reforzar el conocimiento logrado a través de la práctica y experiencia laboral por parte del equipo técnico de Emelnorte, sobre todo del área el mantenimiento e instalaciones, ya que este contiene información teórica y práctica que ayudara a despejar dudas que pueden presentar al momento de realizar mantenimiento mediciones o inspecciones en los sistemas de tierra de Emelnorte.
20 2.2. Resistividad eléctrica del suelo
La resistividad eléctrica del suelo de acuerdo al (STD80) Es una medida de cuánto un volumen de suelo resistirá una corriente eléctrica y es generalmente expresado en ohmios-metros.
La resistividad eléctrica de acuerdo a (Young & Freedman, 2013) lo definen como la razón entre el campo eléctrico y densidad de corriente.
Por otro lado la (Norma DGE terminologia en electricidad, 2002) define la resistividad eléctrica como: Característica especifica de la resistencia eléctrica, usualmente resistencia por unidad de longitud y de área del conductor.
En el libro (Lite, 2004) define La resistividad eléctrica como una propiedad intrínseca; la resistividad eléctrica de un material se considera a la dificultad que encuentra la corriente a su paso por él. Por otro lado, se define la conductividad eléctrica “σ” como la facilidad que encuentra la corriente eléctrica al atravesar dicho material. La resistencia eléctrica que presenta un conductor homogéneo es determinada por la resistividad eléctrica del material del cual está constituido y la geometría del conductor. Para un conductor homogéneo y rectilíneo de sección “s” y longitud “l” la resistencia eléctrica es:
𝑅 = 𝜌.𝑙 𝑠
La unidad de resistividad en el Sistema Internacional es ohmio por metro [Ω.m]. La conductividad a su vez es el inverso de la resistividad.
𝜎 = 𝑙 𝜌
La unidad de conductividad en el Sistema Internacional es el Siemens (S).
2.2.1 Factores que influyen en la resistividad eléctrica del terreno.
Existen muchos factores que influyen en la variación de la resistividad eléctrica de los suelos, en el libro (Márquez, 1999) describe los siguientes:
2 . 1 (2.1)
(2.2)
21
La composición del terreno
las diferentes clases de terreno no están delimitadas como para determinar con exactitud, el valor de la resistividad eléctrica en el punto elegido. Cabe resaltar que, para una misma clase de terreno, situada en distintos lugares, la resistividad puede ser diferente.
Las sales solubles y su concentración.
La conducción de corriente eléctrica se da, principalmente, a través del electrólito formado por las sales y el agua contenida en el terreno. En la curva número 1 de la figura 2.1 se puede apreciar el efecto de la concentración de cloruro de sodio en la resistividad eléctrica.
El estado higrométrico
En el (STD80, 2012) señala que la conducción eléctrica en los suelos es esencialmente electrolítica. Por esta razón, la resistividad de la mayoría de los suelos aumenta abruptamente siempre que el contenido de humedad represente menos del 15% del peso del suelo. Se aprecia en la curva 2 de la Figura 2.1, la resistividad se ve poco afectada una vez que el contenido de humedad excede aproximadamente el 22%.
La temperatura.
La resistividad eléctrica del terreno se eleva a medida que desciende la temperatura Cuando la temperatura es inferior a los 0 °C aumenta mucho la resistividad eléctrica; por esta razón, en zonas con peligro de heladas los electrodos se enterrarán a una profundidad que no alcance esa temperatura o se tendrá en cuenta esta circunstancia en el cálculo. Se aprecia en la curva 3 de la Figura 2.1 el efecto de la temperatura sobre la resistividad.
La granulometría.
Es un elemento importante que influye también sobre la porosidad retención de humedad y sobre la calidad del contacto con los electrodos, incrementándose la resistividad eléctrica cuando es mayor el tamaño de los granos.
La compacidad.
La resistividad eléctrica disminuye al aumentar el grado de compactación del terreno.
22
La estratigrafía.
La resistividad eléctrica total de un terreno es la resultante de las diferentes capas que lo constituyen. Puede suceder que el terreno presente diversas capas con diferente resistividad eléctrica y que predomine el valor de una de ellas sobre las demás
Figura 2.1 efectos de la humedad, la temperatura y la sal sobre la resistividad del suelo (IEEE-STD80 pág. 53)
Fuente: STD80, pag 53
La resistividad eléctrica es una magnitud variable y que en su medición se obtendrá el valor de esta, pero considerando a todos los factores presentes en ese momento. La figura 2.1 no debe utilizarse con fines de cálculo. Para determinar la resistividad eléctrica real del suelo, se deben realizar las mediciones en el sitio.
23 2.3. Medición de resistividad eléctrica de suelo
. En el estándar IEEE (STD81, 2012) detalla dos métodos de medición:
Método de variación de profundidad o método de tres puntos y el método de los cuatro puntos. Señala además que el método de los tres puntos te brinda información útil, pero no es recomendado puesto que la varilla puede vibrar y así obtener un mal contacto con el suelo; por otro lado, recomienda el otro método, el cual se detalla a continuación:
2.3.1 Método de los cuatro electrodos
Figura 2.2: Método de los cuatro electrodos
Nota: se hace uso de dos electrodos de potencia auxiliares y dos de corriente
Como se muestra en la figura; se inyecta corriente al terreno a través de los electrodos auxiliares de corriente externos y se mide la diferencia de potencial entre los electrodos de potencia internos.
𝜌𝑎 = 2𝜋(𝑉 𝐼 ) (1
𝑟1− 1
𝑟2) − (1 𝑟3− 1
𝑟4)
𝜌𝑎 = 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑎𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑉 = 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛
𝐼 = 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒
2 . 3 (2.3)
24
Este método tienes dos variaciones: el método de Wenner y el método de Schulmberger.
2.3.2. Método Wenner
En la actualidad es el método más utilizado
Figura 2.3: Método Wenner
Nota: La distancia de separación entre electrodos es la misma (Wenner, 1915) Los cuatro electrodos se ubican en línea recta, separados por una misma distancia “s” como se aprecia en la Figura 2.3. Al iniciar las mediciones, se deberá elegir un punto de medida referencial, el cual permanecerá fijo aun cuando se modifique la distancia de separación “s”.
𝜌𝑎 = 2. 𝜋.𝑉 𝐼 𝑠 𝜌𝑎 = 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 electrica 𝑎𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒
𝑉 = 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛 𝐼 = 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒
𝑠 = 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑝𝑎𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑑𝑜𝑠
En la derivación de estas ecuaciones, se asume una resistividad eléctrica uniforme, Sin embargo en el (STD81, 2012) indica que un conjunto de lecturas tomadas con varios espaciamientos de sonda da un conjunto de resistividades que, cuando trazada contra el espaciado, indica si hay distintas capas de diferentes suelos o rocas y da una idea de sus respectivas resistividades y profundidad
2 . 4 (2.4)
25 2.3.3. Método de Schulmberger
Los cuatro electrodos se ubican en línea recta, simétricamente separados de un punto de referencia Siendo “s” la separación entre electrodos de potencial y
“L” la distancia del centro de medición a cada electrodo de corriente. La representación de esta configuración se muestra en la figura 2.4. “L” quedaría como:
𝐿 = (𝑛 + 0.5)𝑠
Figura 2.4: Método Schulmberger
𝜌𝑎 = 𝜋.𝑉 𝐼 [(𝐿
𝑠)2− 0.25]𝑠 𝜌𝑎 = 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑎𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒
𝑉 = 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛 𝐼 = 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒
𝑠 = 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑝𝑎𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑑𝑜𝑠
𝑙 = 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜 𝑎 𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒
(STD81, 2012) Con el método de Schlumberger, las sondas internas se colocan más juntas y las externas más separadas. A diferencia del método Wenner, Schlumberger solo requirió que las sondas externas se reposicionaran para mediciones posteriores.
2 . 5
2 . 6 (2.5)
(2.6)
26 2.4. Caja de Miller
Está basado en los criterios prescritos en el estándar (ASTM, 2012) con la Designación G 57-06: Standard Test Method for Field Measurement of Soil Resistivity Using que ayuda a obtener valores de resistividad eléctrica de diferentes muestras de suelo, aguas y aditivos al ser muy práctica se puede medir la resistividad eléctrica respecto a la humedad.
2.4.1. Método de los cuatros puntos
Basándonos en el estándar (ASTM, 2012), la figura 2.5 muestra el método de medida de cuatro puntos en una caja. Una fuente actual hace una corriente constante pasar a la fuerza a través de los fines de la caja de muestra. Un amperímetro separado mide la cantidad de corriente de paso a través del bar.
Un voltímetro simultáneamente mide la V de voltaje producida a través de la parte interior.
Figura 2.5: metodo de los cuatro puntos
𝜌 = 𝑉𝑤ℎ 𝐼𝑙
1(2.7)
27 𝜌 = 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎
𝑉 = 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛 𝐼 = 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑤 = 𝑎𝑛𝑐ℎ𝑜 ℎ = 𝑎𝑙𝑡𝑜
𝑙1 = 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑖𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜
2.5. Modelamiento de suelo a dos capas
Se modela el suelo a partir de las mediciones de resistividad eléctrica tomadas por el método de Wenner. en el informe (Villa Acevedo, Saldarriaga, &
Saldarriaga Loayza, 2018) La interpretación de los datos obtenidos a partir de las mediciones realizadas permite generar un modelo de suelo que sea representativo del suelo físico real que se tiene en el sitio, lo que puede llevar a modelos de suelo muy diversos que pueden ser desde un suelo homogéneo compuesto por una sola capa uniforme hasta modelos compuestos por dos capas o más, para los cuales métodos de diseño simplificado como el propuesto por la norma (STD80, 2012) pierden validez. Así, modelar el suelo en forma apropiada permite determinar el método de solución más adecuado para diseñar un sistema de puesta a tierra específico que cumpla con los requerimientos establecidos y de ahí la importancia de establecer un procedimiento preciso que permita la obtención del modelo de suelo a partir de las mediciones de resistividad eléctrica en sitio. Un modelo del suelo aceptado considera capas horizontales con resistividad homogénea y la profundidad respectiva de cada capa.
El modelo de suelo a dos capas es a menudo una aproximación cercana a la condición real de suelo que consiste de dos capas horizontales homogéneas, como se observa en la figura 2.6. La primera, y más superficial, tiene una resistividad 𝜌1 y su profundidad es ℎ. La segunda, y más inferior, tiene una resistividad 𝜌2 y una profundidad infinita.
28
Figura 2.6: suelo estratificado de dos capas
En la publicación del ingeniero (Yanque) describe la siguiente fórmula para obtener el valor de la resistividad eléctrica equivalente a partir de la obtención de los valores de 𝜌1, 𝜌2 y ℎ; esta formula será utilizada si ℎ es menor que la longitud de la varilla.
𝜌𝑒 = 𝑙𝜌1𝜌2 𝜌2ℎ + 𝜌1(𝑙 − ℎ)
𝜌𝑒 = 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑒
𝜌1 = 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑝𝑎 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 𝜌𝑒 = 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑝𝑎 𝑖𝑛𝑓𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 𝑙 = 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑙𝑙𝑎
ℎ = 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑝𝑎 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟
2.6. Puesta a tierra
Según el (Código Nacional de electricidad -Utilización, 2006) la puesta a tierra es “camino conductivo continuo y permanente capaz de conducir a tierra cualquier corriente de falla probable, con impedancia baja para limitar la elevación de tensión y facilitar la operación de dispositivos de protección en el circuito
De acuerdo a (Márquez, 1999) la puesta tierra es la unión eléctrica, con la tierra de una parte de un circuito eléctrico, o de una parte conductora no perteneciente al mismo.
Por otro lado la (ITC MIE RAT 01) en la terminología lo considera como:
conjunto formado por electrodos y líneas de tierra de una instalación eléctrica y también indica que Las instalaciones de puesta a tierra estarán constituidas por
(2.8)
29
uno o varios electrodos enterrados y por las líneas de tierra que conecten dichos electrodos a los elementos que deban quedar puestos a tierra.
La puesta a tierra es como un conjunto de elementos que proporcionan un contacto eléctrico conductivo entre el medio en que se encuentran e instalaciones, equipos, estructuras metálicas, etc., que se encuentran instaladas fuera de este medio. Un sistema de puesta a tierra es muy importante para la protección de sobretensiones transitorias y corrientes de falla en los sistemas eléctricos. Estos sistemas de protección están construidos bajo estándares internacionales, ya que de su eficacia depende la integridad física de las personas que operan estos elementos, logran la protección disipando las corrientes de falla.
En el (STD142, 2007) señala que el propósito de las puestas a tierra son los siguientes:
Controlar el voltaje con respecto a tierra, o tierra, dentro de límites predecibles.
Proporcionar un flujo de corriente que permita la detección de una corriente no deseada y puede entonces iniciar la operación de dispositivos automáticos para eliminar la fuente de voltaje de estos conductores.
2.7. Elementos que conforman una puesta a tierra 2.7.1. Electrodo (varilla)
En el mercado actual se encuentran las varillas 100% cobre y las varillas copperwelld, estas últimas son de núcleo de acero y recubiertas de cobre.
El (STD142, 2007) hace un análisis muy importante de la función de la varilla en la puesta a tierra; describe lo siguiente: A medida que aumenta el radio de la varilla, la resistencia incremental por unidad de radio disminuye efectivamente a casi cero.
2.7.1. Aditivos comunes Bentonita sódica
La bentonita en la ficha técnica de (Promelsa) es un elemento utilizado en varias áreas de la construcción y demás; su uso en puestas a tierra es debido a su propiedad de absorción de agua del suelo, la cual ayuda a estabilizar la
30
impedancia del electrodo a lo largo del año. no es corrosiva y tiene baja resistividad eléctrica aproximadamente 5 ohm – metro. Bajo condiciones extremadamente secas, la mezcla puede resquebrajarse ofreciendo así poco contacto con el electrodo. La Bentonita es de carácter tixotrópica y por lo tanto se encuentra en forma de gel en estado inerte. La Bentonita se usa más a menudo como material de relleno al enterrar barras profundas. Se compacta fácilmente y se adhiere fuertemente. Por otro lado en la ficha técnica (SESUVECA) también indica lo antes mencionado.
Composición Química: Silicato hidratado de formula general (Na, CA); (Mg, Al)2 (OH)2Si4O19.11H2O, con impurezas de cuerazo, feldespatos y yeso.
Cemento conductivo
En la ficha técnica de (Para-rayos) El cemento conductivo incrementa la superficie de contacto de los electrodos en sistemas de puesta a tierra verticales u horizontales. Disminuyendo así significativamente, la resistencia eléctrica de la puesta a tierra. Es perdurable con el tiempo.
Existen varias marcas en el mercado. Para su uso se aplica alrededor de los electrodos tal como barras, cables, pletinas y planchas, ya sea en un pozo a tierra horizontal o contrapesos. Al contacto con la humedad del medio o agregada, inicia el proceso de fraguado formando un conductor eléctrico de dimensiones significativamente mayores que los originales, no es corrosivo y tiene una baja resistividad eléctrica.
Sal industrial
En la ficha técnica de (REJIRA) La sal industrial es muy utilizada en los pozos a tierra. Es corrosivo y disminuye la resistividad eléctrica del suelo.es un elemento sólido, blanco, sin olor e higroscópico, su nombre químico es cloruro de sodio.
Tierra negra.
Según el sitio web (Vale Construcciones ) la tierra negra es un material orgánico, ya que para su obtención sufre un proceso de descomposición en partículas muy pequeña.
31
Su principal beneficio es la cantidad de nutriente que aporta y que se comporta como una capa con altos niveles de humedad. En el relleno de pozos a tierra es muy utilizada por su capacidad de retención de agua y baja resistividad eléctrica.
Aditivo químico comercial
En el mercado actual existen variedad de productos químicos que son utilizados en la elaboración y mantenimiento de puestas a tierra. Entre estos tenemos:
En la ficha técnica de (Para-rayos) es un aditivo químico y uno de los más comerciales en cada dosis presenta dos compuestos; se deben realizar la mezcla con agua así lo indica en su manual de uso; está compuesto de un gel de hexacianoferrato de cobre el cual es insoluble, y permite el paso de los electrones por su estructura tridimensional y que se impregna con una buena facilidad a los electrodos de cobre en las puestas a tierra. Los aditivos que posee, lo que hacen es controlar el nivel de pH de los suelos, y logran neutralizar en un cierto porcentaje la corrosión provocada por las sales que se utilizan para mejorar la conductividad eléctrica del pozo a tierra, garantizando por aproximadamente 4 años un nivel mínimo de corrosión en el electrodo de la puesta a tierra
Por otro en la ficha técnica de (Protegel) señala que las Sales Electrolíticas, mejorarán la conductividad eléctrica de la tierra, garantizando una buena absorción de la humedad y no serán corrosivos a los materiales metálicos confortantes del pozo de tierra. Estos compuestos deben ser mezclados con agua normal.
2.8. Resistencia de puesta tierra
De acuerdo con el libro (Márquez, 1999) la impedancia de una toma de tierra se reduce, prácticamente, a su resistencia, al no intervenir efectos inductivos y capacitivos. Las mediciones de la resistencia de puesta a tierra requieren de electrodos auxiliares, que permitan la inyección de corriente en la toma de tierra que se está analizando y la medida de la elevación de potencial que experimenta la misma.
32
En el (STD81, 2012) . Los datos de resistencia proporcionan una estimación rápida del aumento del potencial de tierra del electrodo de tierra. Debido a su mayor magnitud de la corriente de falla disponible y la mayor probabilidad de exposición, las redes de tierra de la subestación son típicamente diseñado para limitar los gradientes de voltaje de superficie a valores tolerables.
Po otro lado en el (STD142, 2007) La resistencia de puesta a tierra de un electrodo se compone de lo siguiente: Resistencia eléctrica del electrodo, Resistencia eléctrica de contacto entre el electrodo y el suelo y Resistencia del suelo,
Las dos primeras resistencias eléctricas se pueden hacer relativamente pequeñas con respecto a la tercera. Como la tierra es (relativamente) infinita en su tamaño en comparación con los sistemas de puesta a tierra como nosotros conocerlos, también lo es su capacidad para absorber un suministro de corriente virtualmente ilimitado. esta corriente ilimitada a la tierra se transmite a través de la varilla y el contacto electrodo-tierra del suelo.
2.9. Calculo de la resistencia a tierra.
En el (STD142, 2007) presenta las fórmulas para calcular la resistencia de tierra a partir de la configuración de los electrodos.
Las formulas solo son aproximaciones El cálculo ha sido simplificado en gran medida por las fórmulas desarrolladas por Dwight. En el anexo C se presenta la tabla 1 de fórmulas.
𝑅 = 𝜌
2𝜋𝐿 (ln 4𝐿
𝑎 − 1)
𝑅 = 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎[Ω]
𝜌 = 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑒𝑟𝑟𝑒𝑛𝑜[Ω_m]
𝐿 = 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑙𝑙𝑎[m]
𝑎 = 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑙𝑙𝑎[𝑚]
(2.9)
33 2.10. Medición de resistencia de puesta a tierra 2.10.1. Método de la caída de potencial
Es el método más utilizado por su facilidad y mejor exactitud cuándo se necesita medir la RPT de todo tipo de sistema de puesta a tierra. Está normado por la American National Standard en el estandart ANSI/IEEE (STD81, 2012)
Figura 2.7 Método de la caída de potencial
Nota: El electrodo auxiliar de potencia se ubica al 60.18% de la distancia
Implica pasar una corriente entre un electrodo de tierra y un electrodo auxiliar de corriente, y luego medir el voltaje el electrodo de tierra y un electrodo auxiliar de potencia, como se indica en la figura 2.7.
Normalmente, la distancia “D” es al menos cinco veces la dimensión más grande del electrodo de tierra bajo prueba. la distancia "entre el electrodo de tierra y el electrodo auxiliar de potencia es a menudo el 62% de la distancia de la sonda de corriente cuando las sondas de corriente y potencial están en la misma dirección.
34
Figura 2.8 Representación gráfica de los valores de resistencia al desplazar el electrodo central
Fuente: (Márquez, 1999)
2.10.2. Método de la pendiente
El doctor (Tagg, 1970) describió un método conocido como el "método de la pendiente". En su método, las suposiciones de resistividad uniforme del suelo y representación del sistema de electrodos de puesta a tierra como equivalente.
El electrodo hemisférico permaneció como antes. Sin embargo, su método permitió medir la sonda a distancias desde un punto conveniente, como desde
35
el borde de un sistema de electrodos de puesta a tierra, introduciendo las distancias de error en la ecuación de caída de potencial.
a) Elija un punto de partida conveniente para las mediciones lineales y seleccione una distancia adecuada para electrodo auxiliar de corriente b) Mida las resistencias R 1, R 2 y R 3 insertando el electrodo auxiliar de
potencial a distancias de 0.2, 0.4 y 0.6, del electrodo de corriente respectivamente.
c) Calcule el coeficiente de variación de pendiente 𝜇 =𝑅3− 𝑅2
𝑅2− 𝑅1
d) Busque el valor de PP T / CP correspondiente al valor “μ” en la Tabla 2 del anexo C
e) Mida la resistencia colocando el electrodo de potencial a una distancia PPT.
2.11. Hipótesis
2.11.1 Hipótesis general
La evaluación de la eficiencia de los aditivos usados en puestas a tierra permitirá establecer el aditivo más eficiente a ser usado en puestas a tierra en Huancayo.
36
Tabla 2.1 Operacionalización de variables-hipótesis general
VARIABLE DEFINICIÓN DIMENSIÓN INDICADOR
DEPENDIENTE Eficiencia de aditivos
Capacidad de compuestos que se emplean para disminuir
la resistencia del suelo
Resistencia eléctrica
Ω
Resistividad Eléctrica
Ω.m
INDEPENDIENTE Tratamiento de puesta a tierra
Una puesta a tierra es un conjunto de elementos
conectados, que sirve como mecanismo de seguridad al conducir corrientes de fuga o falla
a tierra.
Resistencia Eléctrica
Ω
Nota: Se presenta las dos variables 2.11.2 Hipótesis específica
a) La eficiencia del cemento conductivo en el tratamiento de puestas a tierra en Huancayo es más eficiente en comparación con la bentonita
b) La eficiencia de la bentonita en el tratamiento de puestas a tierra en Huancayo es más eficiente en comparación con el cemento conductivo.
37
CAPITULO III: METODOLOGÍA
3.1. Tipo de investigación
De acuerdo con el manual de Frascati (OCDE, 2015) sostiene que la “La investigación aplicada consiste también en trabajos originales realizados para adquirir nuevos conocimientos, pero está dirigida fundamentalmente hacia un objetivo práctico específico”
El tipo de la presente investigación es aplicada; debido a que se adquiere un nuevo conocimiento en los aditivos de las puestas a tierra, además teniendo como objetivo general “Evaluar la eficiencia del tratamiento de puestas a tierra con diferentes tipos de aditivos”
3.2. Nivel de investigación.
En el libro (Sampieri, 2018) describe el interés del nivel explicativo interés se centra en explicar por qué ocurre un fenómeno y en qué condiciones se manifiesta o por qué se relacionan dos o más variables.
Por otro lado (Sáens Loayza, 2017) describe el nivel explicativo como el nivel que busca demostrar y explicar el comportamiento de una variable en función de otra u otras
El nivel de esta investigación es explicativo porque se busca explicar el comportamiento de mi variable dependiente que es la eficiencia de aditivos en función de mi variable independiente que son el tratamiento de puestas a tierra.
3.3. Población y muestra
La población es las puestas a tierra de la ciudad de Huancayo. La muestra son seis puestas a tierra construidas por la tesista en los distritos metropolitanos de Huancayo.
38 3.4. Instrumento de recopilación de datos
Los instrumentos de recopilación de datos son las mediciones de resistividad y resistencia eléctrica con el telurometro, uso del software CYMGrd (Versión 6.3 Rev. 3 - español)., Microsoft Excel (2016).
3.5. Procedimiento de recopilación de datos
Realizar mediciones de campo de la resistividad eléctrica del suelo con el método de Wenner.
Modelamiento de la estratificación de suelo a dos capas con el software CYMGrd (Versión 6.3 Rev. 3 - español).
Construcción de las puestas a tierra con los aditivos bentonita y cemento conductivo.
Medición de la resistencia eléctrica de las puestas a tierra construidas con los métodos de caída de potencial y método de la pendiente.
Medición de la resistividad eléctrica de la bentonita en caja de Miller
Medición de la resistividad eléctrica del cemento conductivo en la caja de Miller
Evaluación de resultados de resistencia y resistividad eléctrica
39
CAPITULO VI DE RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN
4.1. Presentación de datos.
Se presenta resultados de las mediciones de: resistividad eléctrica del terreno, modelamiento de suelo a dos capas, mediciones de resistencia y resistividad eléctrica de aditivos en caja de Miller y mediciones de resistencia de puesta a tierra
4.1.1. Registro de mediciones en campo de la resistividad eléctrica
Las mediciones de las resistividades eléctricas de los terrenos se realizaron con el método de Wenner para separaciones de 1, 2, 4, 5 y 8 metros de distancia entre electrodos auxiliares. Las mediciones se realizaron con el telurometro marca MEGABRAS modelo MTD20 KWe en el anexo A se presenta su certificado de calibración. Los datos se muestran en las siguientes tablas: 4.1, tabla 4.2, tabla .4.3; tabla 4.4; tabla 4.5 y tabla 4.6
Para la obtención del valor de la resistividad eléctrica aparente de terreno se utilizará la siguiente formula de Wenner:
𝜌𝑎 = 2. 𝜋. R𝑠
𝜌𝑎 = 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑎𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒[Ω−m]
𝑅 = 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑑𝑎[Ω]
𝑠 = 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑝𝑎𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑑𝑜𝑠[m]
( 3 . 1 ) (3.1)
40
Tabla 4.1 resistividad eléctrica aparente del terreno 1 NÚMERO DE
MEDICIÓN
DISTANCIA ENTRE VARILLAS [m]
VALOR MEDIDO[Ω]
RESISTIVIDAD APARENTE[Ω_𝐦]
1
1 17.52 110.07816
2 26 326.716
4 34 854.488
5 20 628.3
8 12 603.168
2
1 15 94.245
2 28.4 356.8744
4 33 829.356
5 22 691.13
8 11 552.904
Nota: se observa un aumento de la resistividad a medida que aumenta la distancia entre varillas
Tabla 4.2 resistividad eléctrica aparente del terreno 2 NÚMERO DE
MEDICIÓN
DISTANCIA ENTRE
VARILLAS[m] VALOR MEDIDO[Ω] RESISTIVIDAD APARENTE[Ω_m]
1
1 8.67 167.76144
2 5.43 139.989696
4 7 575.289792
5 4.9 273.63336
8 3.9 409.66464
2
1 9.96 163.3632
2 5.26 138.2304
4 7 552.418944
5 5 267.66432
8 3 384.029184
Nota: los valores medidos están en el rango de 10 Ω
41
Tabla 4.3 resistividad eléctrica aparente del terreno 3 NÚMERO DE
MEDICIÓN
DISTANCIA ENTRE
VARILLAS[m] VALOR MEDIDO[Ω] RESISTIVIDAD APARENTE[Ω_m]
1
1 26.7 345.576
2 11.14 346.83264
4 22.89 527.7888
5 8.71 345.576
8 8.15 482.54976
2
1 26 349.34592
2 11 351.8592
4 21.98 502.656
5 8.52 358.1424
8 7.64 452.3904
Nota: En la tercera medición se observa un incremento en la resistividad
Tabla 4.4 resistividad eléctrica aparente del terreno 4 NÚMERO DE
MEDICIÓN
DISTANCIA ENTRE
VARILLAS[m] VALOR MEDIDO[Ω] RESISTIVIDAD APARENTE[Ω_m]
1
1 18 596.904
2 12.91 603.1872
4 24.79 678.5856
5 16 666.0192
8 6 698.69184
2
1 18 628.32
2 12 640.8864
4 24 658.47936
5 15 691.152
8 5 718.79808
Nota: la resistividad tiende a incrementar un poco a medida que aumenta la distancia entre electrodos
42
Tabla 4.5 resistividad eléctrica aparente del terreno 5 NÚMERO DE
MEDICIÓN
DISTANCIA ENTRE
VARILLAS[m} VALOR MEDIDO[Ω] RESISTIVIDAD APARENTE[Ω_m]
1
1 78.7 691.152
2 18.8 716.2848
4 8.5 728.8512
5 9 691.152
8 6 789.16992
2
1 70.6 716.2848
2 21 703.7184
4 8.48 711.25824
5 10 731.9928
8 5.3 658.47936
Nota: se observa un ligero incremento de la resistividad a medida que aumenta la distancia entre varillas
Tabla 4.6 resistividad eléctrica aparente del terreno 6 NÚMERO DE
MEDICIÓN
DISTANCIA ENTRE
VARILLAS[m] VALOR MEDIDO[Ω] RESISTIVIDAD APARENTE[Ω_m]
1
1 5 62.832
2 7.11 75.3984
4 8 125.664
5 5 62.832
8 1.9 95.50464
2
1 6 60.94704
2 6.9 81.6816
4 9 150.7968
5 5 94.248
8 2 117.621504
Nota: los valores medidos son relativamente bajos
43
Tabla 4.7 Cuadro general de la resistividad eléctrica en cada terreno TERRENO
MEDICIÓN DE RESISTIVIDAD ELÉCTRICA [Ω_m]
1 m 2 m 4 m 5 m 8 m
1 112.75 359.39 836.92 680.31 578.05
2 165.56 139.11 563.85 270.64 396.84
3 347.46 349.34 515.22 351.85 467.47
4 612.61 622.03 668.53 678.58 708.74
5 703.71 710.01 720.05 711.57 723.82
6 61.88 78.54 138.23 78.54 106.56
Nota: se presenta el valor de la resistividad eléctrica de cada terreno a diferente separación de electrodos
44 4.1.2. Modelamiento del suelo
El modelamiento de suelos para cada terreno a tenido el criterio de promediar todas las lecturas a la misma separación de varilla como se muestra en la tabla 4.7; para luego ingresarlos al CYMGrd.
Mediante el uso del software CYMGrd se ha obtenido el modelo de suelo a dos capas; en los siguientes se muestra los resultados del modelamiento.
Terreno 1
Figura 4.1.: Obtención de la curva de resistividad aparente
Figura 4.2.: Resultados del modelamiento a dos capas
45 Terreno 2
Figura 4.3.: Obtención de la curva de resistividad aparente
Figura 4.4.: Resultados del modelamiento a dos capas Terreno 3
Figura 4.5.: Obtención de la curva de resistividad aparente
46
Figura 4.6.: Resultados del modelamiento a dos capas Terreno 4
Figura 4.7.: Obtención de la curva de resistividad aparente
Figura 4.8.: Resultados del modelamiento a dos capas
47 Terreno 5
Figura 4.9.: Obtención de la curva de resistividad aparente
Figura 4.10.: Resultados del modelamiento a dos capas Terreno 6
Figura 4.11.: Obtención de la curva de resistividad aparente
48
Figura 4.12.: Resultados del modelamiento a dos capas
Tabla 4.8. Cuadro resumen del modelamiento de los suelos TERRENO
ESPESOR DE LA CAPA SUPERFICIAL
[m]
RESISTIVIDAD DE LA CAPA SUPERIOR
[Ω_m]
RESISTIVIDAD DE LA CAPA INFERIOR
[Ω_m]
1 1 120 2279.87
2 2.48 137.35 1028.41
3 2.52 344.35 492.59
4 2.54 612.13 751.82
5 3.72 706.56 736.57
6 3.8 63.25 156.21
Nota: se observa que el espesor en el terreno 1 es el menor de todos
49
4.1.3. Determinación de la resistividad y resistencia eléctrica
Consideraremos la resistividad eléctrica aparente a la resistividad de la capa superior obtenida siempre y cuando el valor del espesor de la capa superior sea mayor a la longitud de la varilla, caso contrario utilizaremos la siguiente formula (2.8), citada en el capítulo 2:
𝜌𝑒 = 𝑙𝜌1𝜌2 𝜌2ℎ + 𝜌1(𝑙 − ℎ) 𝜌𝑒 = 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑒
𝜌1 = 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑝𝑎 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 𝜌𝑒 = 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑝𝑎 𝑖𝑛𝑓𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 𝑙 = 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑙𝑙𝑎
ℎ = 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑝𝑎 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟
Con los datos obtenidos del modelamiento se halla la resistencia eléctrica de puesta a tierra aproximada con la siguiente la formula (2.9) citada en capítulo 2:
𝑅 = 𝜌
2𝜋𝐿 (ln 4𝐿
𝑎 − 1)
𝑅 = 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎[Ω]
𝜌 = 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑒𝑟𝑟𝑒𝑛𝑜[Ω_m]
𝐿 = 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑙𝑙𝑎[2.4m]
𝑎 = 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑙𝑙𝑎[0.01905𝑚]
A continuación, con el valor de la resistividad eléctrica obtenida mediante el modelamiento a dos capas, se determina la resistividad eléctrica y se calcula la resistencia de puesta a tierra para una varilla copperwelld de 3/4”
de diámetro y 2.4 m de longitud. Se presenta los resultados del cálculo de la resistencia de puesta a tierra donde se utiliza la ecuación 2.9 y 2.8.
50 Terreno 1
Los datos obtenidos son:
𝐻 = 𝐸𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑝𝑎 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟(1 𝑚)
𝜌1 = 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑝𝑎 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟(120 Ω_𝑚 ) 𝜌2 = 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑝𝑎 𝑖𝑛𝑓𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟(2279.87Ω_𝑚)
Hallamos la resistividad eléctrica aparente con la fórmula 2.8. y obtenemos:
𝜌𝑎 = 268.22 Ω_𝑚
Hallamos la resistencia de puesta a tierra con la fórmula 2.9. y obtenemos:
R = 105.22 Ω
Terreno 2
Los datos obtenidos son:
𝐻 = 𝐸𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑝𝑎 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟(2.48 𝑚)
𝜌1 = 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑝𝑎 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟(135.37 Ω_𝑚) 𝜌2 = 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑝𝑎 𝑖𝑛𝑓𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟(1028.41Ω_𝑚)
La resistividad eléctrica es la resistividad de la capa superior 𝜌𝑎 = 137.35 Ω_𝑚
Hallamos la resistencia de puesta a tierra con la fórmula 2.9. y obtenemos:
R = 53.38 Ω Terreno 3
Los datos obtenidos son:
𝐻 = 𝐸𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑝𝑎 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟(2.52 𝑚)
𝜌1 = 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑝𝑎 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟(344.35 Ω_𝑚) 𝜌2 = 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑝𝑎 𝑖𝑛𝑓𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟(492.59 Ω_𝑚)
La resistividad eléctrica es la resistividad de la capa superior 𝜌𝑎 = 344.35 Ω_𝑚
Hallamos la resistencia de puesta a tierra con la fórmula 2.9. y obtenemos:
R = 135.04 Ω
Terreno 4
Los datos obtenidos son:
𝐻 = 𝐸𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑝𝑎 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟(𝑚) 𝜌1 = 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑝𝑎 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟(Ω𝑚)
