La grava del patio de una subestación limita la corriente que pasa por el cuerpo de una persona, y su resistividad se toma casi siempre en condición mojada. IEEE 81 reconoce siete métodos publicados para medirla, no fija un procedimiento único y recomienda medir antes de colocar el material, para poder ajustar el diseño.
Respuesta corta. La capa de grava del patio de una subestación aumenta la resistencia entre los pies de una persona y el suelo, y así limita la corriente que le circula en una falla. Por eso su resistividad entra en el cálculo de las tensiones tolerables. IEEE Std 81-2012 (anexo D) explica cómo se mide: reconoce siete métodos publicados, sin una norma de la industria para medir la resistividad mojada, y recomienda medir una muestra del material antes de colocarlo.
Por qué importa el valor mojado
Según el anexo D.1, los valores de tensión de paso y de contacto seguros se basan en la resistividad mojada del material de superficie. La razón es que la resistividad en seco de casi todos los materiales es muy alta y no representa el peor valor de diseño. Las condiciones locales, la humedad, el tamaño y el tipo de piedra la modifican. Por eso importa medir muestras mojadas de la piedra que de verdad se va a usar.
La guía incluye una tabla de valores típicos tomada de IEEE Std 80-2000 con muestras de distintas regiones de Estados Unidos. En esa tabla, el granito triturado o lavado y la piedra caliza, en condición mojada, van de unos 1 200 Ω·m a 10 000 Ω·m. En seco, los valores alcanzan millones de Ω·m. La propia guía aclara que esos valores no valen para todos los tipos y tamaños de piedra en una región y que IEEE 80 sugiere ensayar la piedra que la empresa compra habitualmente.
No hay un método normalizado
La guía es explícita: no existe una norma de la industria sobre cómo medir la resistividad mojada de un material de superficie ni sobre cuán mojada debe estar la muestra. En general, los métodos descritos sirven para medir en seco o en mojado. Para el caso mojado se define un procedimiento que humedezca bien la muestra y luego drene el agua hasta alcanzar un contenido de humedad arbitrario. Hoy queda en manos de quien ensaya definir el método y ese contenido.
Antes o después de colocar el material
La resistividad de un material se puede medir después de colocado con los métodos de resistividad del suelo. Pero los métodos de la cláusula 7 no son aplicables a espesores de 100 mm a 400 mm, que son los habituales en subestaciones. Además, una medición después de colocar el material refleja un solo conjunto de condiciones atmosféricas y de suelo. Puede no mostrar la resistividad en todas las condiciones de operación, y ajustar entonces la malla o la capa superficial resulta poco práctico.
Medir una muestra bajo condiciones controladas antes de colocar el material permite un rango más amplio de modificaciones prácticas al diseño. Esa es la recomendación de fondo del anexo D.
Los siete métodos publicados
La literatura incluye siete métodos para medir la resistividad de un suelo o de un material de superficie.
Tres son métodos de suelo y están en la guía. El de dos puntos, el de variación de profundidad y el de cuatro puntos pueden aplicarse a la roca de superficie. Con una capa de 150 mm o menos, todos tienen problemas. El de dos puntos tendría que cuidar la resistencia de contacto entre las sondas y la roca. El de variación de profundidad exige una profundidad de muestra grande, del orden de 2 m a 3 m, y no es práctico para una capa delgada ya instalada. El de cuatro puntos supone que las sondas son pequeñas frente a su separación, y con una capa de unos 200 mm esa suposición deja de cumplirse.
Un cuarto método de suelo está en la norma ASTM G57-2012, y también puede usarse con roca.
Tres métodos se publicaron específicamente para roca:
| Método | Dispositivo | Qué muestra |
|---|---|---|
| Carmen y Woodhouse | Cilindro de PVC de 150 mm con electrodos de malla de cobre arriba y abajo | Se desarrolló para evaluar el efecto del agua; se midió roca seca de varios tamaños |
| Laird (Abledu y Laird) | Cilindro plástico de unos 154 mm de altura y 298 mm de diámetro sobre una base de aluminio, cubierto con aluminio y un peso de 10 kg | Efecto de la resistividad del agua y del tiempo de drenaje sobre la resistividad mojada |
| Volumen rectangular (Patel) | Cajas de fibra de vidrio de unos 900 mm × 600 mm × 150 mm expuestas a la intemperie, con electrodos de cobre en dos caras | Variación estacional de la resistividad con el clima |
Qué enseñan los resultados publicados
Del método de Laird, la guía cita un resultado que muestra por qué el valor mojado depende del procedimiento. Una misma muestra de granito lavado mojada con agua de 500 Ω·m dio 10 410 Ω·m tras 10 minutos de drenaje y 16 562 Ω·m tras 130 minutos. Con agua de 5,7 Ω·m dio 2 180 Ω·m y 4 136 Ω·m, respectivamente. Por esa dispersión, los autores recomiendan ensayar con agua de 100 Ω·m y medir tras 10 minutos de drenaje. Se puede usar agua de otra resistividad con una corrección a 100 Ω·m.
Del método de volumen rectangular se destaca el contacto: sin bolas de aluminio entre la grava y los electrodos, la resistencia de la muestra llegó a ser hasta 600 % de la medida con ellas. También hubo diferencias importantes entre grava lavada y roca triturada con finos, de modo que elegir bien el material de la muestra es parte de la medición. Del método de Carmen y Woodhouse, un valor típico en seco fue de 14 000 Ω·m para partículas pequeñas y de 1 000 000 Ω·m para partículas grandes. La guía anota que los trabajos no definen de forma completa las categorías ni el número de mediciones.
En los métodos de muestra, la resistividad sale de la resistencia medida, el área de la muestra y su espesor: ρ = R × A / L (ecuación D.1). Al medir roca seca con altas resistencias aparece además un efecto de carga capacitiva que prolonga la lectura durante horas.
Qué hacer con el resultado
El valor medido de la grava mojada alimenta el cálculo de las tensiones tolerables de paso y de contacto. El factor de capa superficial de IEEE 80 es el que incorpora ese dato al diseño. Con el paso del tiempo la piedra del patio se deteriora, porque la arcilla del subsuelo la invade, crece maleza o se contamina con finos. Por eso IEEE 81 indica que una prueba de resistividad del material de superficie ayuda a establecer los límites tolerables cuando se miden tensiones de paso y de contacto en campo.
Para ver cómo se comprueba la seguridad de una malla en servicio, lea la guía de tensión de paso y de contacto y la de tensiones de paso y contacto altas en la malla. Para comparar el resultado con lo que ocurre en campo, vea Medir tensiones de paso y contacto en una subestación y Mapa de potenciales e integridad de la malla instalada.
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Referencias
- IEEE Std 81-2012, IEEE Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground Impedance, and Earth Surface Potentials of a Grounding System: anexo D (D.1 a D.4, Tabla D.1) y cláusula 9.3 i) (resistividad del material de superficie).
- IEEE Std 80, IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding.
- ASTM G57-2012, método de cuatro electrodos para resistividad del suelo.
Preguntas frecuentes
¿Por qué se usa la resistividad mojada de la grava y no la seca?
Porque la resistividad seca de la mayoría de los materiales de superficie es muy alta y no representa el peor caso de diseño. Las tensiones tolerables de paso y de contacto se calculan con el valor mojado, que es menor.
¿Se puede usar un valor típico de tablas para la grava de mi subestación?
Solo como orden de magnitud. IEEE 81 aclara que los valores de su tabla no valen para todos los tipos y tamaños de piedra en una región. La recomendación de IEEE 80 que cita es ensayar la piedra que normalmente se compra.
¿Se puede medir la resistividad de la grava ya colocada con el método Wenner?
No de forma directa. La guía indica que los métodos de resistividad del suelo no son aplicables a capas de 100 mm a 400 mm de espesor, que son las usuales en subestaciones. La capa delgada compromete el resultado de cualquiera de ellos.