La resistividad del suelo es una medida de cuánto resiste o conduce el suelo la corriente eléctrica . Es un factor crítico en el diseño de sistemas que dependen del paso de corriente a través de la superficie de la Tierra. Es necesario comprender la resistividad del suelo y cómo varía con la profundidad en el suelo para diseñar el sistema de puesta a tierra en una subestación eléctrica o para pararrayos. Es necesario para el diseño de electrodos de puesta a tierra para subestaciones y sistemas de transmisión de corriente continua de alto voltaje . Anteriormente fue importante en la telegrafía de retorno a la tierra . También puede ser una medida útil en la agricultura como medida indirecta del contenido de humedad. [1][2]
En la mayoría de las subestaciones, la tierra se utiliza para conducir la corriente de falla cuando hay fallas a tierra en el sistema. En los sistemas de transmisión de energía de retorno a tierra de un solo cable , la tierra misma se utiliza como ruta de conducción desde los clientes finales (los consumidores de energía) de regreso a la instalación de transmisión. En general existe un valor por encima del cual la impedancia de la conexión a tierra no debe subir, y una tensión de paso máxima que no debe superarse para no poner en peligro a personas y ganado.
El valor de resistividad del suelo está sujeto a grandes variaciones debido a la humedad, la temperatura y el contenido químico. Los valores típicos son:
- Valores habituales: de 10 a 1000 (Ω-m)
- Valores excepcionales: de 1000 a 10000 (Ω-m)
La unidad SI de resistividad es el ohmímetro (Ω-m); en los Estados Unidos se suele utilizar en su lugar el Ohm-centímetro (Ω-cm). [3] Un Ω-m es 100 Ω-cm. A veces , en cambio, se cita la conductividad , el recíproco de la resistividad.
En la literatura se puede encontrar una amplia gama de valores típicos de resistividad del suelo . Military Handbook 419 (MIL-HDBK-419A) contiene tablas de referencia y fórmulas para la resistencia de varios patrones de varillas y alambres enterrados en suelo de resistividad conocida. Al estar libres de derechos de autor, estos números se copian ampliamente, a veces sin reconocimiento.
Medición
Debido a que la calidad del suelo puede variar mucho con la profundidad y en un área lateral amplia, la estimación de la resistividad del suelo basada en la clasificación del suelo proporciona solo una aproximación aproximada. Se requieren mediciones de resistividad reales para calificar completamente la resistividad y sus efectos en el sistema de transmisión general.
Con frecuencia se emplean varios métodos de medición de resistividad:
Para la medición, el usuario puede utilizar un probador de resistencia de puesta a tierra .
Método Wenner
El método Wenner de cuatro clavijas, como se muestra en la figura anterior, es la técnica más comúnmente utilizada para las mediciones de resistividad del suelo. [4] [5] [6] [7] Usando el método Wenner, el valor de resistividad aparente del suelo es:
dónde
ρ E = resistividad aparente medida del suelo (Ωm)
a = espacio entre electrodos (m)
b = profundidad de los electrodos (m)
R W = Resistencia de Wenner medida como "V / I" en la Figura (Ω) Si b es pequeño comparado con a , como es el caso de las sondas que penetran en el suelo solo por una distancia corta (como sucede normalmente), la ecuación anterior puede ser reducido a:
Método de Schlumberger
En el método de Schlumberger [4] [6] [7] la distancia entre la sonda de voltajes es a y las distancias entre la sonda de voltajes y la sonda de corrientes son c (ver figura anterior).
Utilizando el método de Schlumberger, si b es pequeño comparado con una y c , y c > 2a , el valor aparente de resistividad del suelo es:
dónde
ρ E = resistencia aparente medida del suelo (Ωm)
a = espacio entre electrodos (m)
b = profundidad de los electrodos (m)
c = espacio entre electrodos (m)
R S = Resistencia de Schlumberger medida como "V / I" en la Figura (Ω)
Conversión
La conversión entre valores medidos con los métodos de Schlumberger y Wenner solo es posible de forma aproximada. [7] En cualquier caso, tanto para los métodos de Wenner como de Schlumberger, la separación de los electrodos entre la sonda de corrientes corresponde a la profundidad de la investigación del suelo y la resistividad aparente medida del suelo se refiere a un volumen de suelo como en la figura.
La corriente tiende a fluir cerca de la superficie para espacios pequeños entre sondas, mientras que más corriente penetra más profundamente en el suelo para espacios grandes. La resistividad medida para un espaciado de sonda de corriente dado representa, en una primera aproximación, la resistividad aparente del suelo a una profundidad igual a ese espaciado.
Si la resistividad aparente del suelo mide con el método de Schlumberger ρ E (con el electrodo correspondiente espaciado de una S y c ) se da, suponiendo que la resistividad del suelo se refiere a un volumen que en la figura con a = L / 3 sigue:
con
dónde:
R W = resistencia de Wenner equivalente(Ω)
a W = espacio de electrodos equivalente con el método Wenner (m)
a S =espacio entre electrodos entre la sonda de voltajes con el método de Schlumberger (m)
c =separación de electrodos entre tensiones y corrientes de la sonda con el método de Schlumberger (m)
Si se da la resistencia medida de Schlumberger , antes de calcular la resistividad aparente del suelo, se debe calcular el siguiente factor:
El método Wenner es el método más utilizado para medir la resistividad del suelo con fines de puesta a tierra (puesta a tierra). El método de Schlumberger se desarrolló para aumentar la señal de voltaje para los instrumentos anteriores menos sensibles, colocando las sondas de potencial más cerca de las sondas de corriente.
Las mediciones de resistividad del suelo se verán afectadas por los electrodos conectados a tierra cercanos existentes. Los objetos conductores enterrados en contacto con el suelo pueden invalidar las lecturas realizadas por los métodos descritos si están lo suficientemente cerca como para alterar el patrón de flujo de la corriente de prueba . Esto es particularmente cierto para objetos grandes o largos.
Variabilidad
La conducción eléctrica en el suelo es esencialmente electrolítica y por esta razón la resistividad del suelo depende de:
- contenido de humedad
- contenido en sal
- temperatura (por encima del punto de congelación 0 ° C)
Debido a la variabilidad de la resistividad del suelo, las normas IEC requieren que se tenga en cuenta la variación estacional de la resistividad en el diseño del sistema de transmisión. [9] La resistividad del suelo puede aumentar en un factor de 10 o más en temperaturas muy frías. [10]
Corrosión
La resistividad del suelo es uno de los factores impulsores que determinan la corrosividad del suelo. La corrosividad del suelo se clasifica según la resistividad eléctrica del suelo por la norma británica BS-1377 de la siguiente manera:
- ρ E > 100 Ωm: ligeramente corrosivo
- 50 < ρ E <100 Ωm: moderadamente corrosivo
- 10 < ρ E <50 Ωm: corrosivo
- ρ E <10 Ωm: grave
Referencias
- ^ "Herramientas de agricultura de precisión: conductividad eléctrica del suelo" (PDF) . Consultado el 12 de junio de 2016 .
- ^ "El futuro de la agricultura" . The Economist . Consultado el 12 de junio de 2016 .
- ^ "Guía IEEE para medir la resistividad de la tierra, la impedancia de tierra y los potenciales de la superficie de la tierra de un sistema de tierra", IEEE Std 81-2012.
- ^ a b Dias, Rodrigo; dos S. Hoefel, Simone; de A. Costa, Edmondo G .; Carrer, Jose AM; de Lacerda, Luiz A. (15 de noviembre de 2010). "Simulación bidimensional del método Wenner con el método del elemento de frontera - Influencia de la discretización de capas". Mecánica Computacional . XXIX : 2255–2266.
- ^ "Metodi di prospezione Geofisica" (PDF) . Universidad de Florencia .
- ^ a b "Guida alla realizzazione dell'impianto di terra" . Voltimum.
- ^ a b c Loke, MH "Tutorial: estudio de imágenes eléctricas 2-D y 3-D" (PDF) . Universidad de Stanford .
- ^ a b Andolfato, Roberto; Fellin, Lorenzo; Turri, Roberto (4 de marzo de 1997). "Analisi di impianti di terra a frequenza industriale: confronto tra indagine sperimentale e simulazione numerica" . Energia Elettrica . Milán. 74 (2): 123-134. Archivado desde el original el 20 de agosto de 2011.
- ^ IEC Std 61936-1 "Instalaciones de energía que exceden 1 kV de CA - Parte 1: Reglas comunes" Sección 10.3.1 Cláusula general b.
- ^ Práctica recomendada por IEEE para la conexión a tierra de sistemas de energía industriales y comerciales, IEEE Std. 142-1982 , cuadro 7, página 122