Nota técnica | La ionización de los suelos y las corrientes de los rayos a tierra

 

Cuando un rayo cae a tierra a través de una estructura puesta a tierra o bien directamente a campo abierto, su corriente impulsiva ioniza el suelo circundante al electrodo de puesta a tierra o al punto de impacto del rayo en la superficie del suelo. En esta nota, los autores presentan la física básica de este fenómeno físico, y algunas de sus consecuencias prácticas.

Por Juan Carlos Arcioni y Jorge Francisco Giménez
IRAM - CITEDEF

Nota actualizada según Fe de Erratas de Ingeniería Eléctrica n° 305, fecha: 15 de diciembre de 2015

Introducción

El suelo y los sistemas de puesta a tierra

En los sistemas de puesta a tierra (SPAT), la dispersión por el suelo de las corrientes eléctricas alternas de un cortocircuito a tierra (a la frecuencia del sistema o red eléctrica de 50 o de 60 Hz) produce fenómenos físicos que son distintos de los que ocurren cuando por el sistema de puesta a tierra (redes de mallas o jabalinas) se dispersan por el suelo. Las corrientes impulsivas de los rayos a tierra que producen las descargas eléctricas atmosféricas entre las nubes y la tierra durante las tormentas eléctricas (truenos, relámpagos, rayos, centellas), tal como lo describimos en el siguiente apartado, a continuación de esta introducción.
La diferencia esencial entre las corrientes eléctricas alternas a 50 o 60 Hz y las corrientes impulsivas i = f (t, Izmáx.; t1; t2) es que las corrientes impulsivas pueden ionizar el suelo cuando se dispersan mediante uno o más electrodos (jabalinas, mallas, etc.) durante la conducción a tierra de la corriente de los rayos.
Las corrientes alternas calientan el suelo pero las corrientes impulsivas calientan, ionizan y pueden perforar/atravesar esa interfaz electrodo-suelo y algunas capas (estratos) del terreno y evaporar el agua de la humedad del suelo circundante a los electrodos de puesta a tierra.

La corriente impulsiva i == f (t, Izmáx.; t1; t2), cuando pasa de un electrodo metálico hacia el suelo donde está enterrado, produce un campo eléctrico (gradiente de potencial) que puede ionizar este suelo circundante haciéndolo más electroconductor durante el tiempo que dure la ionización de los cuatro componentes del suelo: aire, agua, materia mineral, materia orgánica (ver figura 1).


Los valores del campo eléctrico crítico de ionización (Ec) en la historia de la electrotecnia de la alta tensión

En la tabla 1 presentamos a los investigadores en los años desde 1929 al 2006 (¡77 años!) con nueve referencias [19] que tabulamos junto a los valores del campo eléctrico crítico de ionización de suelo en sus valores límites (menores a mayores o el único considerado). Esta síntesis histórica de la tabla 1 permitirá al lector ubicarse en el tiempo histórico de la ciencia de la alta tensión. Además, tendrá una idea de los valores límites o del único valor considerado por el investigador y sus colegas. El campo eléctrico (gradiente) de ionización del suelo y las resistividades volumétricas estimadas del suelo (ρ) que pueden corresponder a los valores del campo eléctrico ionizante (Ec) para cinco tipos de suelos
En la tabla 2 se presentan esos valores límites probables de Ec y los de ρ (Ωm) adaptados de [21] y [22] en carácter de orientación del lector para una aplicación práctica o bien para tener alguna idea del tema.



Tabla 1. Valores del campo eléctrico crítico (Ec) de ionización de suelos según varios investigadores desde 1929 a 2007 (19)
Tabla 2. Valores límites probables del campo eléctrico de ionización del suelo según los tipos de suelos y sus resistividades volumétricas estimadas (21) (22)

Figura 1. Representación esquemática por volumen de un suelo de textura media según Cabrera.

El suelo y las corrientes

Introducción

El suelo está formado por materias en estado sólido, líquido y gaseoso. La materia en estado sólido la componen los diferentes minerales que contiene el suelo y algunos compuestos orgánicos. La materia en estado líquido corresponde al agua con diferentes tipos de sales disueltas. El aire y el vapor de agua constituyen la materia en estado gaseoso. La interacción de estas diferentes sustancias en sus diferentes fases hace que el comportamiento del suelo sea complejo (sin tener en cuenta los diferentes cambios fisicoquímicos que en el suelo se dan gracias a la actividad de los seres vivos).
En la figura 1 se ilustra una representación esquemática simplificada de un suelo de textura media. Según Cabrera, el 50% del volumen es materia sólida, que es mineral y orgánica. Dentro del otro 50% se encuentra agua y aire en proporciones del 25% cada uno, que están presentes dentro de los espacios vacíos dejados por los granos del suelo. La flecha en la parte superior de la figura indica la variación que se puede presentar entre los contenidos del agua y del aire, indicando que el incremento de una cantidad está asociado con el decrecimiento de la otra.


Comportamiento del suelo ante descargas eléctricas impulsivas

Cuando la corriente de las descargas eléctricas atmosféricas es conducida a tierra y la forma en que el sistema de puesta a tierra responde a esta corriente es de vital importancia tanto para el control de las sobretensiones que puedan ocurrir en el sistema de potencia, como para la determinación de los niveles de protección adecuados a los descargadores de sobretensión en los sistemas de distribución. La respuesta del suelo a esta inyección de corriente es fuertemente dependiente de algunas variables como son el tipo de suelo, su conductividad eléctrica, el contenido de humedad, la capacidad térmica del suelo, la geometría del electrodo y la magnitud y la duración del impulso del rayo, entre otros factores. Se ha observado que ante la presencia de ondas de rayos la no linealidad de la impedancia del suelo se debe a fenómenos de ionización o descargas eléctricas (arcos) alrededor del electrodo, que producen un decrecimiento apreciable en la impedancia de puesta a tierra del conjunto electrodo-suelo durante la dispersión de la corriente impulsiva de los rayos a tierra.


Figura 2. Curvas típicas para la tensión, la corriente y la impedancia del fenómeno de descarga eléctrica impulsiva en suelos.

Descripción del fenómeno de la descarga eléctrica en arena ante impulsos de rayos

En diferentes aplicaciones de diseño eléctrico, la mayoría de las veces se utiliza un valor fijo de resistencia eléctrica del suelo sin tener en cuenta los efectos de disrupción que aparecen cuando se inyectan ondas de impulso de rayos dentro del sistema de puesta a tierra. Varios estudios realizados por diferentes autores muestran que el comportamiento de los sistemas de puesta a tierra ante ondas de energía de impulso es no lineal. Durante décadas, se trató de llegar a una explicación física de este comportamiento y se han realizado numerosos trabajos que nos acercan al modelo buscado.
En la figura 2 se muestran unas curvas típicas del comportamiento del suelo ante impulsos de rayos y se destaca el comportamiento de la resistencia que presenta varios estados de disminución y de recuperación de la resistencia en el tiempo.

La mayoría de los suelos consisten en numerosas partículas con un cierto grado de humedad y también puede haber una cantidad de sales disueltas. El aire también forma parte de esa composición física que llena los espacios vacíos disponibles en el conjunto de partículas que forman la composición del suelo. Es decir que el suelo está conformado principalmente por granos, agua y aire, que son los que regulan el proceso de inicio y desarrollo de la descarga eléctrica en el interior del suelo. El agua cumple un papel fundamental en la conductividad eléctrica del suelo y de cuya cantidad depende la buena conducción eléctrica del suelo junto con la cantidad de sal disuelta en dicha agua. La cantidad de aire está determinada por los volúmenes de espacio disponible dejado por los granos y cantidad de agua contenida en la arena. El aire contenido en esta arena es parte importante del estudio en los trabajos de investigación ([19] y [20]).
Los suelos con granos de gran tamaño (grava) tienen espacios de aire mayores comparados con aquellos suelos donde los granos son del orden de los milímetros. Entonces los espacios de aire contenidos son también espacios no homogéneos, sin un tamaño predefinido y sin geometrías regulares. La configuración de electrodos utilizada también determina el comportamiento de estos tres elementos (agua, granos, aire) dentro de una muestra de suelo. Es el caso de la configuración de electrodos coaxiales utilizada en estas investigaciones.


Figura 3. Configuración coaxial electródica experimental | Figura 4. Configuración del modelo de Pedro Pineda. Dimensiones de los electrodos: a: radio del electrodo interno a*: radio de la zona ionizada b: radio del electrodo externo L: largo de los electrodos

Configuración electródica experimental de ensayos con tensiones impulsivas de muestras de suelos

Una configuración de dos cilindros coaxiales como se muestra en la figura 3 se utilizó en los trabajos de investigación [19] y [20], que son de las décadas de 2000 y 2010.

Medidas de los electrodos de la figura 4 según [19] y [20]:

  • L (largo): 60 y 70 cm
  • a (radio de electrodo interno): 0,5 y 0,48 cm
  • b (radio de electrodo externo): 7,3 y 12,7 cm

En ninguno de los trabajos experimentales se calculan los valores del campo eléctrico de ionización Ec del suelo en las muestras de suelos ensayadas con distintos grados de humedad (entre el 0 y el 10%). Por este motivo, del excelente trabajo colombiano [20], los autores pudieron estimar la función monómica siguiente:

(1) Ec = a. ρb

que da el valor del campo eléctrico como Ec (kVc/m) de ionización de las muestras de suelos alrededor del electrodo central de radio “a”, cuando se aplican las tensiones impulsivas Ua = f (t, Umáx.; T1; T2) contra la tierra conectada al electrodo exterior. El campo eléctrico de ionización de cada uno de los suelos tiene su valor crítico Ec (kVc/m), que es el valor que tiene el campo eléctrico cuando comienza la ionización que ocurre en el suelo después de la conducción electrolítica en la interfaz electrodo-suelo, que es la que inicia la ionización según el ilustre Karl Berger [22].


Figura 5. Curva experimental (V/l) = f (t).
t1: tiempo hasta alcanzar la Rmin de la curva (V/l) en la descarga.
t2: tiempo hasta llegar al estado final de la descarga impulsiva y que el suelo recupere la conducci{ón de la corriente eléctrica.

La conducción electrolítica ocurre solamente cuando es baja la densidad de corriente que fluye desde la superficie electródica metálica hacia la tierra adyacente. Así, la intensidad del campo eléctrico Ea, en la interfaz electrodo-suelo Ea = ρ.Ja no supera los 2 kVc/cm = 200 kVc/m.
Cuando la corriente aumenta, se produce calor en la interfaz electrodo-suelo y aumenta la temperatura del suelo contiguo a la interfaz (por efecto Joule). De esta manera, se evapora el agua que humedecía el suelo circundante al electrodo y simultáneamente aumentan la resistividad superficial y la intensidad del campo eléctrico Ea = ρ.Ja con gran velocidad.
En la interfaz electrodo-suelo circundante, se crea una zona de descargas: primero en forma de canales de chispas paralelos entre sí, y después, en la forma de canales de arcos eléctricos precedidos de los canales de chispas, a medida que aumenta la intensidad del campo electrocinético Ea que adquiere un valor crítico Ec.
Es posible que la zona de canales (de chispas y de arcos) cause un aumento aparente en las dimensiones (principalmente el diámetro) del electrodo dispersor con lo que resulta una disminución de la resistencia de dispersión hasta llegar a un mínimo que es la Rmín. (Ω) (figuras 4 y 5).
Esta disminución de la resistencia se debe a que la caída de tensión en la zona de canales es mucho menor que la que hay en el caso de conducción electrolítica.
Los canales de chispas y de arcos son rápidamente enfriados por el suelo circundante, y a medida que los canales se alargan, aumenta también la caída de tensión a lo largo de ellos. Esto limita el radio a* de alcance de la zona de canales (figura 4).


Nomogramas bilogarítmicos de las funciones monómicas Ec = a.ρb (1)

Estas cinco funciones (1) se representan en las figuras 6 a 9 mediantes las líneas A, B, C, D, E y F tal como se tabulan en la tabla 3.

Tabla 3. Cuadro de resumen de las ecuaciones del campo eléctrico crítico Ec (kVc/m) de ionización de los suelos de resistividad volumétrica ρ (Ωm).


                         

Conclusiones

Los autores proponen que para estimar Ec = f (ρ) se utilice una función monómica que sea una función intermedia entre las seis funciones monómicas de la tabla 3 representadas por las líneas de letras A, B, C, D, E y F en las figuras 6 a 9. Para tal fin se puede utilizar la media geométrica de las seis funciones A, B, C, D, E y F, que es la G siguiente: Emg = Amg . ρb.
En la (G) tenemos: b = 1/6 Σ (bi) y Amg = [Π (ai)]1/6. Hacemos los cálculos y así resultan estos valores:
Amg  145 kv/m
b  0,41
de donde sale Emg = 145 . ρ0,41, que tabulamos en la tabla 4.

En la figura 10 representamos a la función G juntamente con A y B. Se puede apreciar que la función G para el intervalo de valores (11 ≤ ρ ≤ 8000) está entre las funciones A y B. Es decir que para ρ  11 Ωm, A y G se cortan en un punto, y para ρ  8000 Ωm, B yG se cortan en otro punto distinto.


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