Universidad de San Carlos de Guatemala

Facultad de Ingeniería

Escuela Mecánica Eléctrica

Laboratorio: Instrumentación Eléctrica

Inga. Pamela Vega

Día: Sábado

Horario: 12:00 – 14:00 pm.

Reporte de las

Prácticas del laboratorio.

Jorge Luis Monzón Castañeda 200915665

Guatemala, 30 de abril de 2015

Práctica No. 1

Efecto de Carga

Definimos como efecto de carga a la modificación que introduce, en el circuito a medir, el aparato que

realiza la medida. Esta modificación siempre existe ya que el aparato de medida puede ser grande o pequeño

en función de las características del aparato en relación con el circuito donde se realiza la medida. Sin

embargo, como habitualmente se conocen estas características, una vez realizada la medida con el circuito

cargado se puede deducir cual hubiera sido la medida sin el aparato conectado. Si el efecto de carga es

pequeño, es decir la modificación introducida es pequeña, no suele ser necesaria la corrección siendo

suficiente la aproximación de despreciar el efecto de carga.

Tipos de Errores que pueden afectar en una medición.

Dato investigado:

Resistencia interna del multímetro Fluke 179 = 50MΩ.

1. Calculo Teórico de Voltajes

Circuito propuesto para la medición de Efecto de Carga

Procedimiento:

Del circuito propuesto de la figura 1 en la

parte de arriba se procedió hacer los cálculos

teóricos, seguidamente se puso en práctica al aplicar

una tensión de 14.25 VDC, previamente se había

hecho la medición de resistencia a R1 y R2,

seguidamente se tomaron valores de voltaje en

R1 y R2, y se comparo el valor medido con el

calculado.

2. Medición de voltajes

Medición

R1 R2

Valor medido (en

voltios)

Valor medido (en

voltios)

1 1.915 3.739

2 1.910 3.725

3 1.902 3.725

4 1.906 3.715

5 1.910 3.720

Promedio = 1.9086 3.7248

3. Comparación

Resistencia Valor Teórico

(en voltios)

Valor Medido (en

voltios)

Corrección (en

voltios)

Valor Real (en

voltios)

R1 4.7533 1.9086 2.8447 1.9086±2.8447

R2 9.5066 3.7248 5.7818 3.7248 ± 5.7818

Análisis de Resultados

Como se puede apreciar en el tercer inciso de la practica 1, nos podemos percatar que hay un margen

muy grande entre el valor teórico y el valor medido, esto sucede porque los valores de la resistencia medida es

igual valor o mayor a la resistencia interna del multímetro con el que se realizo las mediciones, lo cuál provoca

un efecto de carga bastante obvió.

Conclusión

Es necesario tener en cuenta el valor de la resistencia interna del aparato con el cuál se toman las

medidas, para evitar un efecto de carga muy evidente, además es necesario tener un nivel de confianza optimo

del aparato con el que se realicen las mediciones, ya que hay instrumentos de medición mucho más precisos

que otros, además el efecto de carga no solo afecta a una medición de tensión sino que también en la medición

de corriente.

Práctica No. 2

Determinación del Voltaje de ruptura y Rigidez Dieléctrica

Voltaje de ruptura

La Tensión de ruptura es una característica de los materiales aislantes que define la máxima diferencia

de potencial que será posible aplicar a través del material, si se rebasa el material será conductor. En el caso de

los aislantes sólidos en sobrepasar este límite se produce un flujo repentino de corriente eléctrica a través del

material que causa una serie de cambios físicos permanentes creando un camino conductor. La superación de

la tensión de ruptura producirá una perforación dieléctrica.

Donde;

“ E ” es el campo eléctrico máximo que puede soportar un material dieléctrico sin perder sus propiedades y

esta dado en .

“ V ” es la tensión de ruptura .

“ e ” representa el espesor del material dieléctrico.

Rigidez dieléctrica.

Máximo campo eléctrico que no ioniza las moléculas de un dieléctrico.

Los campos eléctricos de pequeño módulo polarizan los dieléctricos; o sea, orientan sus moléculas sin arrancar

electrones de sus átomos. No producen, por tanto, corrientes de conducción en el dieléctrico, salvo las que

puedan deberse a los pocos electrones libres que

pueda haber. Pero, si aumenta el módulo del campo

eléctrico, puede llegar a arrancar electrones ligados y,

por tanto, a ionizar las moléculas del dieléctrico.

Entonces el dieléctrico se hace conductor debido a los

electrones que el campo ha arrancado, que pasan a ser

libres, la corriente crece bruscamente y suele dañar al

dieléctrico por elevación de su temperatura. Esa

corriente se llama corriente disruptiva. El mayor valor

del campo eléctrico que no produce este incremento

brusco de corriente es la rigidez dieléctrica. Por eso

una definición práctica de rigidez dieléctrica puede

ser máximo campo eléctrico que puede soportar un

dieléctrico sin perder sus propiedades aislantes.

La rigidez dieléctrica del aire seco es 30 kV/cm. Por encima de este valor se produce arco eléctrico.

Procedimiento:

Se determino la separación de los electrodos = 2.54mm

Se utilizaron guantes para el manejo de los electrodos

Se limpiaron los electrodos con un pedazo de gamuza

Se limpio con solvente thiner la copa de vidrio

Se enjaguo la copa de vidrio con aceite nuevo antes de realizar la prueba

Se coloco el material dieléctrico (Muestra de hule) entre la separación del electrodo.

Se constato que la tapa de seguridad del aparato estuviese en la posición correcta.

Se realizo la prueba, si el voltaje de ruptura hubiese sido < 35kV, hubiese sido necesario repetir la

limpieza.

Resultados:

Equipo utilizado:

Velocidad de elevación de

tensión empleada en la

prueba

500V*seg

Temperatura 26.8ºc

Humedad relativa 76.5

Cantidad de ensayos 5

Simbología:

X = Media o promedio = 5mm.

S = Desviación estándar

Sm = Desviación estándar de la media (Repetibilidad).

A B C S Sm

# de muestras Tensión de

ruptura kV Xi-X

1 50 0.20 0.04 0.2 0.45 0.20

2 50 0.20 0.04

3 50 0.20 0.04

4 49 -0.80 0.64

5 50 0.20 0.04

Promedio X = 49.8

0.80

Discusión de resultados: Después de 5 pruebas realizadas a la muestra de hule, únicamente hay un 20% de

Repetibilidad para nuestra muestra, con una desviación estándar de 0.45 y con un promedio X de tensión de

ruptura de 49.8kV, en la grafica se puede apreciar que tan eficiente es la rigidez dieléctrica de nuestra muestra.

y = -0.1x + 50.1R² = 0.125

48.5

49

49.5

50

50.5

0 2 4 6

Ten

sió

n d

e R

up

tura

en

kV

Número de Muestras

Tensión de ruptura en kV

Tensión de ruptura en kV

Lineal (Tensión de ruptura en kV)

Valores de la medición del ensayo (incluir dimensionales).

Tensión de ruptura:

V = 49.8 ± 0.2 kV

Rigidez dieléctrica:

Conclusión:

La prueba se pudo realizar primeramente debido a que la humedad relativa fue de 76.5 y no mayor al

80%, caso contrario no se hubiese podido realizar la prueba, además la tensión de ruptura es bastante elevada

alrededor de los 49.8 kV ideal para trabajar líneas de media tensión, además la rigidez dieléctrica de este

material es 99.60 kV/cm, es decir que se producen arcos eléctricos arriba de este valor.

Práctica No. 3

Medición de Resistencia a Tierra

La resistividad del terreno se mide fundamentalmente para encontrar la profundidad y grueso de la roca en

estudios geofísicos, así como para encontrar los puntos óptimos para localizar la red de tierras de una

subestación, sistema electrónico, planta generadora o transmisora de radiofrecuencia. Asimismo puede ser

empleada para indicar el grado de corrosión de tuberías subterráneas.

En general, los lugares con resistividad baja tienden a incrementar la corrosión.

En este punto es necesario aclarar que la medición de la resistividad del terreno, no es requisito para hacer una

malla de puesta a tierra. Aunque para diseñar un sistema de tierras de gran tamaño, es aconsejable encontrar el

área de más baja resistividad para lograr la instalación más económica.

El perfil de la resistividad del suelo determinará el valor de la resistencia a tierra y la profundidad de nuestro

sistema de puesta a tierra.

Para medir la resistividad del suelo se requiere de un telurómetro Megger de tierras de cuatro terminales.

Los aparatos de mayor uso, de acuerdo a su principio de operación, pueden ser de 2 tipos: del tipo de

compensación de equilibrio en cero y el de lectura directa.

Los telurómetros deben inyectar una corriente de frecuencia que no sea de 60 Hz para evitar se midan voltajes

y corrientes que no se deban al aparato sino a ruidos eléctricos.Por ejemplo, si estamos cerca de una

subestación o de una línea en servicio, y vamos a realizar mediciones de resistividad y resistencia de tierra,

con un aparato de 60 Hz, dichos sistemas van a inducir corrientes por el suelo debido a los campos

electromagnéticos de 60 Hz y darán una lectura errónea.

De igual manera sucede cuando los electrodos de prueba están mal conectados o tienen falsos contactos, darán

señales falsas de corriente y voltaje. Si hay corrientes distintas a las que envió el aparato, éste leerá otras

señales de voltaje y corriente que no son las adecuadas.

También estos aparatos de repente tienen oscilaciones en sus lecturas y no es posible leerlas.

Un aparato inteligente, lleva conductores blindados, coaxiales, tiene sistemas de filtraje, de análisis y mide lo

que halla, pero esa información la analiza, la filtra y luego la deduce. Por ejemplo, para hacer una medición

manda una señal de 100 Hz y mide; luego manda otra señal de 150 Hz y vuelve a medir y puede seguir

enviando otras altas frecuencias hasta que los valores van siendo similares, forma una estadística y obtiene un

promedio.

Los telurómetros son analógicos o digitales y deben contener 4 carretes de cable calibre 14 AWG

normalmente. Para enrollamiento rápido se recomienda construir un sistema devanador que permita reducir el

tiempo de la medición. También traen 4 electrodos de material con la dureza suficiente para ser hincados en la

tierra con marro. Son de una longitud aproximada de 60 cm y un diámetro de 16 mm. Además de lo anterior

se hace necesario contar con una cinta no metálica de 50 m aproximadamente.

Los telurómetros tienen cuatro terminales 2 de

corriente (C1, C2) y 2 de potencial (P1, P2) y están

numerados en el aparato C1 P1 P2 C2. Los

telurómetros deben estar certificados y probados en

el campo con una resistencia antes de realizar las

mediciones.

Como la medición obtenida por un telurómetro es

puntual, se deben hacer mediciones en un sentido,

en otro a 90 grados del primero, y, en el sentido de

las diagonales. En la medición de resistividad de un

terreno, es común encontrar valores muy dispares,

causados por la geología del terreno, por lo que es

una práctica común de una tabla con lecturas, el

eliminar los valores que estén 50% arriba o abajo

del promedio aritmético de todos los valores

capturados.

Megger de Cuatro Terminales

Método De Wenner.

En 1915, el Dr. Frank Wenner del U.S. Bureau of Standards desarrolló la teoría de este método de prueba, y la

ecuación que lleva su nombre.

Con objeto de medir la resistividad del suelo se hace necesario insertar los 4 electrodos en el suelo. Los cuatro

electrodos se colocan en línea recta y a una misma profundidad de penetración, las mediciones de resistividad

dependerán de la distancia entre electrodos y de la resistividad del terreno, y por el contrario no dependen en

forma apreciable del tamaño y del material de los electrodos, aunque sí dependen de la clase de contacto que

se haga con la tierra.

El principio básico de este método es la inyección de una corriente directa o de baja frecuencia a través de la

tierra entre dos electrodos C1 y C2 mientras que el potencial que aparece se mide entre dos electrodos P1 y P2.

Estos electrodos están enterrados en línea recta y a igual separación entre ellos. La razón V/I es conocida como

la resistencia aparente. La resistividad aparente del terreno es una función de esta resistencia y de la geometría

del electrodo.

En la figura se observa esquemáticamente la disposición de los electrodos, en donde la corriente se

inyecta a través de los electrodos exteriores y el potencial se mide a través de los electrodos interiores. La

resistividad aparente está dada por la siguiente expresión:

Si la distancia enterrada (B) es pequeña comparada con la distancia de separación entre electrodos (A).

O sea A > 20B, la siguiente fórmula simplificada se puede aplicar:

La resistividad obtenida como resultado de las ecuaciones representa la resistividad promedio de un hemisferio

de terreno de un radio igual a la separación de los electrodos.

Como ejemplo, si la distancia entre electrodos A es de 3 metros, B es 0.15 m y la lectura del instrumento es de

0.43 ohms, la resistividad promedio del terreno a una profundidad de 3 metros, es de 8.141 ohm-m según la

fórmula completa y de 8.105 ohms-m según la fórmula simplificada.

Se recomienda que se tomen lecturas en diferentes lugares y a 90 grados unas de otras para que no sean

afectadas por estructuras metálicas subterráneas. Y, que con ellas se obtenga el promedio.

Método de caída de potencial

La resistencia de puesta a tierra debe ser medida antes de la puesta en funcionamiento de unsistema eléctrico,

como parte de la rutina de mantenimiento o excepcionalmente como parte de laverificación de un sistema de

puesta a tierra. Para su medición se debe aplicar el método de Caídade Potencial, cuya disposición de montaje

para medición se muestra en la Figura 2.

Figura 2. Método de la caída de potencial para medir la RPT.

El método consiste en pasar una corriente entre el electrodo o sistema de puesta a tierra a medir yun electrodo

de corriente auxiliar (C) y medir la tensión entre la puesta a tierra bajo prueba y unelectrodo de potencial

auxiliar (P) como muestra la figura 2. Para minimizar la influencia entreelectrodos, el electrodo de corriente,

se coloca generalmente a una sustancial distancia del sistemade puesta a tierra. Típicamente ésta distancia

debe ser mínimo 6.0 veces superior a la dimensiónmás grande de la puesta a tierra bajo estudio.

El electrodo de potencial debe ser colocado en la misma dirección del electrodo de corriente, perotambién

puede ser colocado en la dirección opuesta como lo ilustra la figura 2. En la práctica, ladistancia “d” para el

electrodo de potencial se elige aproximadamente al 62% de la distancia delelectrodo de corriente. Esta

distancia esta basada en la posición teóricamente correcta (61.8%) paramedir la resistencia exacta del

electrodo para un suelo de resistividad homogéneo.

La localización del electrodo de potencial es muy crítica para medir la resistencia de una puesta a tierra. La

localización debe ser libre de cualquier influencia del sistema de puesta tierra bajo medida y del electrodo

auxiliar de corriente. La manera más práctica de determinar si el electrodo de potencial está fuera de la zona de

influencia de los electrodos, es obtener varias lecturas de resistencias moviendo el electrodo de potencial en

varios puntos entre la puesta a tierra bajo prueba y el electrodo de corriente. Dos o tres lecturas consecutivas

aproximadamente constantes pueden asumirse como representativas del valor de resistencia verdadera.

La figura 3 muestra una gráfica típica de resistencia contra distancia del electrodo de potencial (P).La curva

muestra cómo la resistencia es cercana a cero cuando (P) se acerca al sistema de puesta atierra, y se aproxima

al infinito hacia la localización del electrodo de corriente (C). El punto deinflexión en la curva corresponderá a

la resistencia de puesta a tierra del sistema bajo estudio.

Figura 3. Resistencia de puesta a tierra versus distancia de (P).

Es aconsejable repetir el proceso de medición en una dirección distinta, lo que aumenta laconfiabilidad de los

resultados.

Perfil De Resistividad

Para obtener el perfil de resistividad en un punto dado, se utiliza el Método de Wenner con

espaciamientos entre electrodos de prueba cada vez mayores. Por lo general, para cada espaciamiento se toman

dos lecturas de resistividad en direcciones perpendiculares entre sí.

La gráfica resultante de trazar el promedio de las mediciones de resistividad (R) contra distancia entre

electrodos (a) se denomina perfil de resistividad aparente del terreno.

Normas de la CNEE

Normas Técnicas de Diseño y Operación del Servicio de Transporte de Energía Eléctrica –NTDOST– Artículo 27.2 Partes conductoras que deben ponerse a tierra. Los cables blindados, el marco de soporte y carcasa de equipo (incluyendo equipo tipo encapsulado), postes metálicos de iluminación, materiales conductores, tuberías y resguardos elevados que encierran líneas de suministro eléctrico deberán estar efectivamente aterrizados. Artículo 32. Medios de conexión a electrodos. Hasta donde sea posible, las conexiones a los electrodos deberán ser accesibles. Los medios para hacer estas conexiones deberán proveer la adecuada sujeción mecánica, permanencia y capacidad de conducción de corriente, tal como los siguientes:

A) Una abrazadera, accesorios o soldadura permanentes y efectivos.

B) Un conector de bronce con rosca, que penetre bien ajustado en el electrodo.

C) Los electrodos artificiales o las estructuras conectadas a tierra deberán separarse por lo menos 3.00 m de líneas de tuberías usadas para la transmisión de líquidos o gases inflamables que operen a altas presiones (10.5 kg/cm2 ó más), a menos que estén unidos eléctricamente y protegidos catódicamente como una sola unidad.

D) Cualquier recubrimiento de material no conductor, tal como esmalte ó moho que esté presente sobre las superficies de contacto de electrodos en el punto de la conexión, deberá ser removido completamente donde se requiera, a fi n de conservar una buena conexión.

Artículo 33. Resistencia a Tierra. El sistema de tierras deberá consistir de uno o más electrodos conectados entre sí. Este sistema deberá tener una resistencia a tierra suficientemente baja, para minimizar los riesgos a las personas, en función de la tensión de paso y de contacto. 33.1 Sistema de un solo electrodo. La resistencia a tierra de una conexión individual a través de un electrodo deberá ser lo más cercana a cero ohmios, y en ningún caso deberá ser mayor de 25 Ohmios. Cuando la resistencia es mayor de 25 ohmios, deberán usarse dos o más electrodos hasta alcanzar este valor. El valor citado, es el máximo admisible medido en época seca.

33.2 Sistemas multiaterrizados. El neutro de los sistemas de distribución de energía eléctrica deberá estar conectado a un electrodo de puesta a tierra en cada transformador de distribución y a un número suficiente de puntos adicionales, de tal manera que se tenga no menos de cuatro conexiones a tierra en cada 1.6 Km de línea, sin incluir las conexiones a tierra de los usuarios. 33.3 Sistema subterráneo. Para instalaciones subterráneas el valor recomendado de resistencia a tierra es de 5 ohmios. 33.4 Subestaciones. El objetivo es que el máximo incremento de potencial a tierra sea menor de 5,000 voltios. La Tabla No. 17 da los valores máximos permitidos de la resistencia de la red de tierras en una subestación, en función de su capacidad.

Valores recomendados de Resistencia de Puesta a Tierra

Un buen diseño de puesta a tierra debe reflejarse en el control de las tensiones de paso, de contacto y

transferidas; sin embargo, la limitación de las tensiones transferidas principalmente en subestaciones de media

y alta tensión es igualmente importante. En razón a que la resistencia de puesta a tierra es un indicador que

limita directamente la máxima elevación de potencial y controla las tensiones transferidas, pueden tomarse

como referencia los siguientes valores máximos de RPT adoptados de las normas técnicas IEC 603644442,

ANSI/IEEE 80, NTC 2050, NTC 4552:

DESARROLLO DE LA PRÁCTICA

EQUIPO UTILIZADO

Ground Resistance Tester modelo 4610

Medidor de temperatura y humedad Fluke 974

DATOS OBTENIDOS

Condiciones bajo las cuales se realizó el ensayo.

Equipo utilizado: Telurometro

Temperatura 31.5ºC

Humedad relativa 32.5ºC

Valores obtenidos por el Megger (incluir

dimensionales).

Resistencia a tierra: 32.60 Ω

Resistividad de la tierra: 2.66 Ω/m

Cálculos:

CONCLUSIONES

Si comparamos el valor obtenido con la Tabla 1 donde se muestran los valores máximos de resistencia

de puesta a tierra podemos constatar que el terreno en el que se realizó la prueba no es un lugar

adecuado para instalar un sistema de puesta a tierra.

También es necesario saber qué tipo de método podemos aplicar para hacer la medición de la

resistividad del suelo para así poder determinar si es conveniente o no instalar un sistema de puesta a

tierra, el método utilizado durante el ensayo fue el de Wenner.

Además hay que apegarse a las normas de la CNEE de nuestro país para así tener todo en orden y para

evitar penalizaciones o costos por diseño y cálculos erróneos que puedan afectar el sistema que

utilizara la puesta a tierra.