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Libro de texto
Tierras eléctricas, Armando Llamas, Jorge de los Reyes, Jesús Baez, Innovación Editorial Lagares, Monterrey, 2005.
Centro de Estudios de Energía -all
Contenido
• Sistemas no puestos a tierra
• Electrodos aislados
• Unión neutro tierra
• El tomacorrientes o receptáculo
• Transformador de aislamiento
– DISTURBIOS DE MODO COMÚN Y DE MODO DIFERENCIAL
– VOLTAJE DE NEUTRO A TIERRA
– AISLAMIENTO GALVÁNICO
• Impedancia del conductor del electrodo
• Puesta a tierra de equipos aislada
• Estructura de referencia de señal
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Introducción
LA MAYORÍA de los problemas de la mala calidad de la energía
eléctrica se deben a errores de alambrado, y de éstos la mayoría
están relacionados con tierras eléctricas. Por ello, en este segmento
decidimos abordar algunos de los errores de alambrado más
comunes, así como los problemas que éstos ocasionan. Se presenta
la manera en que el transformador de aislamiento aminora algunos
disturbios.
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Sistemas que deben ponerse a tierra
La sección 250-5 (b) indica qué circuitos de c.a. de 50 a 1 000 V se deben poner a tierra:
1) Cuando el sistema puede ser puesto a tierra de modo que la tensión eléctrica
máxima a tierra de los conductores no-puestos a tierra no exceda 150 V.
2) Cuando en un sistema de tres fases y cuatro conductores conectado en estrella el
neutro se utilice como conductor del circuito.
3) Cuando en un sistema de tres fases y cuatro conductores conectado en delta el
punto medio del devanado de una fase se utilice como conductor del circuito.
4) Cuando un conductor de acometida puesto a tierra no esté aislado, según las
excepciones de 230-22, 230-30 y 230-41 de la NOM
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Transformador y equipo de
desconexión principal
delta
Media
tensión
Medidor (kWh)
Baja
tensión
Baja
tensión
Y
Medidor (kWh)
Equipo de desconexión princ
Equipo de desconexión
principal
conductor no puesto a tierra
120 V
120 V
conductor puesto a tierra
120 V
conductor del electrodo
127 V
electrodo
240 V
(2) Se usa el punto central de la Y
para alimentar cargas de línea a
neutro
240 V
120 V
conductor
120 Va t
puesto
conductor de puesta a tierra deconducto
equipos
N
277 Vde
tierra
G
(1) ≤ 150 V líneas a tierra
conducto
puesto a
conductor
puesto a tie
Canalización
(4) Llega un desnudo en acometida
120 V
240 V
(3) Se usa el punto central de una fase de la delta
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Excepciones 250-5
EXCEPCIÓN 1: Los sistemas eléctricos usados exclusivamente para suministrar energía a hornos eléctricos
industriales para fundición, refinado, templado y usos similares.
EXCEPCIÓN 2: Los sistemas derivados independientes utilizados únicamente para rectificadores que alimenten
sólo a motores industriales de velocidad variable.
EXCEPCIÓN 3: Eléctrica nominal del primario sea inferior a 1 000 V, siempre que se cumplan las condiciones
siguientes:
–
Que el sistema se use exclusivamente para circuitos de control.
–
Que las condiciones de mantenimiento y supervisión aseguren que sólo personas calificadas
atienden la instalación.
–
Que haya continuidad de la energía en el control.
–
Se instalan detectores de falla a tierra en el sistema de control.
EXCEPCIÓN 4: Los sistemas aislados, tal como lo permiten los artículos de la Norma Oficial Mexicana.
NOTA: El uso de detectores adecuados de tierra en instalaciones sin aterrizar, puede ofrecer mayor
protección.
EXCEPCIÓN 5: Los sistemas con neutro a tierra a través de una alta impedancia en el que la impedancia a
tierra, generalmente una resistencia, limite al mínimo el valor de la corriente eléctrica de falla a tierra. Se
permiten sistemas con neutro a tierra a través de una alta impedancia en instalaciones trifásicas de c.a. de
480 a 1 000 V, siempre que se cumplan las condiciones siguientes:
–
Que las condiciones de mantenimiento y supervisión aseguren que sólo personas calificadas
atienden la instalación.
–
Que se requiera continuidad en la energía.
–
Que se instalen detectores de falla a tierra en el sistema.
–
Que el sistema no alimente cargas de línea a neutro.
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250-5 (d) Puesta a tierra de sistemas derivados separadamente
Un sistema de alambrado de usuario cuya alimentación se deriva de los devanados de un generador,
transformador o convertidor y no tenga conexión eléctrica directa, incluyendo un conductor del circuito
sólidamente puesto a tierra, para alimentar conductores que se originan en otro sistema, sí se debe poner
a tierra según lo anteriormente indicado en (a) o (b). Se debe poner a tierra como se indica en 250-26 de
la NOM.
NOTA 1: Una fuente alterna de energía de c.a., por ejemplo un generador, no es un sistema
derivado separadamente si el neutro está sólidamente interconectado al neutro de la instalación que
parte de una acometida.
NOTA 2: Para los sistemas que no son derivados separadamente y que no se exige que estén
puestos a tierra como se especifica en 250-26, véase en 445-5 el tamaño nominal mínimo de los
conductores que deben transportar la corriente eléctrica de falla.
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Ejemplo 1
•
Un transformador ferrorresonante no puesto a tierra en
donde la falla se manifestaba como la interrupción
intermitente de la comunicación entre equipos electrónicos.
No aterrizado
No aterrizado
440 V
L1
120 V
120 V
Voltaje
constante
L2
0V
No aterrizado
Conductor puesto a tierra
Conductor de puesta a tierra de equipos
G
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Mediciones en secundario de ferrorresonante no puesto a tierra
No aterrizado
L1
120 V
Voltaje
constante
112.5 V
L2
0V
+
+
-
No aterrizado
52.5 V
+ 60 V
-
-
G
Las mediciones sugerían que el secundario estaba sin puesta a tierra. Para
comprobarlo, se conectó una lámpara incandescente entre L2 y G. Al
momento de conectar la lámpara el voltaje cambió de 60 V a cero con lo
que se confirmó que el sistema eléctrico formado por el secundario del
ferrorresonante no estaba puesto a tierra.
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EJEMPLO 2
Consideremos ahora el caso de un sistema derivado separadamente formado por un DRIVE y
una FEI. El personal de la planta nos informó de pérdida continua de paquetes de información.
Suministro de CD con
fluctuaciones e
interrupciones.
120 VCD
+
-
Suministro de CA sin fluctuaciones
y sin interrupciones.
Voltaje entre líneas senoidal, valor
rms casi constante.
Reactor
DRIVE
DRIVE
información
Equipos de
comunicación
UPS
y control
A) Alambrado original
Transformador
Reactor
DRIVE
DRIVE
Pérdida de paquetes de
Voltaje entre cualesquiera
de las líneas y tierra con
forma de onda errática y
valor rms inestable.
Equipos de
comunicación
y control
UPS
B) Sistema eléctrico puesto a tierra
Desaparece la pérdida de
Sistema derivado
separadamente => Unión
de una de las líneas a
tierra
paquetes de información
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Electrodos aislados
Potencial en A y B
es diferente que en C
Cables de
comunicación
A
1
1
25 000 V
10 
C
B
2
Disipación de la
energía del rayo
0V
5
Tierra
Tierra Profunda
remota
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Electrodos aislados, NOM y Esmeralda
•250-86 prohíbe emplear los conductores de bajada o los electrodos del sistema
de pararrayos en lugar de los electrodos artificiales de la sección 250-83.
•250-86 indica que esta prohibición no significa que los electrodos de distintos
sistemas no se deban unir. La nota dos indica que la unión de los electrodos de los
distintos sistemas limitará las diferencias de potencial entre los electrodos y los
alambrados asociados.
•250-71(b), corresponde a los detalles de la unión del sistema de tierras de
alimentación eléctrica con los otros sistemas de tierra (pararrayos, cable,
comunicaciones y teléfono).
•La sección 9.10.16 del libro esmeralda del IEEE recomienda claramente la unión
de los distintos sistemas de electrodos.
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EJEMPLO 3
•Si bien, el desarrollo de grandes diferencias de voltaje entre gabinetes conectados a electrodos separados
cuando se presenta una descarga atmosférica no es común, durante una visita que realizamos a una planta de
generación de energía eléctrica en Altamira, Tamaulipas escuchamos el relato siguiente:
«Yo estaba en el cuarto de control y vi el resplandor de una descarga atmosférica seguida casi
inmediatamente de un gran trueno y chispas en la parte posterior del tablero que contiene el sistema de
control de la planta. El daño en las tarjetas electrónicas hizo operar indebidamente una válvula de gas y
a los pocos segundos se disparó la planta. Nos llevó algunas horas cambiar las tarjetas para reiniciar la
operación de la planta».
Encontramos que el sistema de tierras eléctricas estaba unido al sistema de pararrayos, a la malla de la
subestación, a la malla de la cerca, a los conductores de guarda de la línea de 115 kV, así como a los hilos de
retenida. Sin embargo, un grupo de tres electrodos no tenía unión, sino a través del terreno con el resto de los
electrodos. Se nos informó que esos electrodos eran propios de los termopares y la instrumentación. Esa fue
la causa del arqueo en el tablero de control, la puesta a tierra de la instrumentación estaba asilada del resto de
los sistemas puestos a tierra, y así lo hicimos constar en nuestro informe
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EJEMPLO 4
•
Otro error de electrodos aislados, conocido como «tierra de computadoras», «tierra aislada»,
«tierra exclusiva» o «tierra limpia».
•
Hay dos violaciones al NEC. La primera es que no hay puesta a tierra de equipo en el gabinete de
la carga, la segunda es la puesta a tierra exclusiva y aislada.
•
Un capacitor se puso en corto circuito, ocasionando que el gabinete de la carga se pusiera al mismo
potencial que el del conductor no puesto a tierra.
•
Se ilustra la manera en que pueden aparecer 60 V entre las manos.
Es claro que los electrodos aislados están derrotando las funciones de la puesta a tierra de equipo:
a)
limitar el voltaje de los materiales metálicos no portadores de corriente en relación a tierra y
b)
que en caso de falla a tierra, opere la protección de sobrecorriente
ITM de 15 A
Aislante
Carga
Tubo conduit
5W
Tierra «sucia» de
Filtro capacitivo
en corto
5W
acometida
Tierra remota
Tierra «limpia»,
«exclusiva» y «aislada»
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Unión Neutro Tierra – Error de comunicación
El voltaje en el extremo de recepción no es cero
R
h
+
v=0
-
g
R
com
com
i3
h
+
-
+
v=0
-
g
+
v = R com i3
-
i3
+
-
i2
i
n
n
a) Alambrado correcto
+
v=0
i
computadoras
i1
b) Unión incorrecta neutro - tierra
El voltaje en el extremo de envío es cero
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Unión neutro tierra - Campos magnéticos intensos
canalización de cables de comunicación
canalización de cables de comunicación
campo magnético débil
campo magnético
i
i
canalización de cables de alimentación
a) Sin unión ilegal neutro - tierra
intenso
i2
i2
i
i1
ienc = 0
i
ienc = i2
canalización de cables de alimentación
b) Unión ilegal neutro - tierra
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Ejemplo 5
• En un edificio corporativo de Nuevo León se presentaba el problema de
que la imagen de un proyector de vídeo era inestable. Al apagar un grupo
de cargas la imagen se volvía estable. Con las cargas prendidas el campo
magnético de 60 Hz alrededor del proyector era de 23 mG. Al apagar las
cargas el campo magnético disminuía a menos de 3 mG. Encontramos que
en varios puntos los hilos puestos a tierra se habían unido a canalizaciones
de comunicación, estas canalizaciones están puestas a tierra ya que iban
soportadas con continuidad eléctrica a la estructura metálica del edificio. Al
medir la corriente enlazando todos los conductores eléctricos dentro de la
canalización medimos 18 A. De manera tal que concluimos que estos 18 A
en lugar de retornar por los neutros (conductores puestos a tierra)
retornaban por otros ductos metálicos y esa corriente originaba campos
magnéticos intensos.
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El tomacorrientes
Índice - puesta a tierra de
equipos.
Cordial - puesto a tierra
Pulgar - no puesto a
tierra.
(Verde, blanco y colorado la bandera
del soldado
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Probador de tomacorrientes y probador de impedancia de puesta
a tierra
Probador de
tomacorrientes
Probador de
impedancia de
puesta a tierra
de equipos
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EJEMPLO 6
• ¿Qué error de alambrado
encuentra?
• SOLUCIÓN: El alambrado de las
terminales de puesta a tierra de
equipos y puesto a tierra de
equipos del tomacorrientes está
intercambiado.
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Transformador de aislamiento
•DE ACUERDO con el Libro esmeralda, un transformador de aislamiento es uno que cuenta con
devanados primario (entrada) y secundario (salida) separados.
•Un autotransformador no posee devanados separados, por lo tanto, no es un transformador de
aislamiento.
•La relación de transformación puede ser cualquiera (208 / 208, 480 / 208), no es necesario que
sea unitaria.
•Un transformador de aislamiento apropiado para equipo electrónico sensible debe contar con al
menos un blindaje electrostático (blindaje Faraday) para disminuir la intercapacitancia entre los
devanados.
•Un transformador de aislamiento con blindaje Faraday reduce el ruido de modo común; sin
embargo, no reduce el ruido de modo diferencial
Núcleo
Devanado de
menor tensión
Blindaje
Devanado de
mayor tensión
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Ruido de modo común
fase a
fase a
+
+
neutro
van
ITESM
neutro
ITESM
-
vag
+
tierra
-
vng
-
voltaje (V)
tierra
voltaje (V)
180
vag
90
200
van
100
0
0
-90
vng
-100
-180
0.0000
0.0083
tiempo (s)
-200
0
0.004167
0.008333
0.0125
tiempo (s)
A) Modo común
B) Modo diferencial
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VOLTAJE DE NEUTRO A TIERRA
LA CORRIENTE de retorno por el neutro da lugar a un voltaje de neutro a tierra.
Vng  Z N  I
Donde
ZN es la impedancia del conductor puesto a tierra, en 
I es la corriente por el conductor puesto a tierra, en A
Vng es el voltaje de neutro a tierra, en voltios.
Secundario del
transformador
ITM
Impedancia del conductor
no puesto a tierra
I
ITM
carga
I
n
Unión neutro
-tierra
Impedancia del conductor puesto a tierra, Zn
Conductor de puesta a tierra de equipos
monofásica
Vng
g
ITM: interruptor termomagnético
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Voltaje neutro a tierra con carga trifásica balanceada
•Sistema trifásico balanceado con cargas lineales => No hay corriente por neutro y Vng = 0.
•Sistema trifásico balanceado con cargas lineales y armónicas triplen => In y Vng no son 0.
(ITM: interruptor termomagnético)
secundario transformador
estrella aterrizada
ITM
ITM
Zf
fase a
Zf
fase b
Zf
fase c
In
Zn
Vng
Ia
Ib
Ic
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(ITM: interruptor termomagnético)
EJEMPLO
7
secundario transformador
estrella aterrizada
•
•
•
ITM
ITM
Zf
Instalación trifásica en el SITE de
un banco. Pérdida de comunicación
entre un equipo llamado TIMEPLEX
y el conmutador.
Alto contenido de tercera armónica
en las corrientes de línea =>
Corriente alta por el neutro.
Transformador de aislamiento =>
disminuye Zn => disminuye Vng
fase a
Ia
Ib
Ic
In
Ia
Ib
Ic
In
A rmsZf
37
45 Zf
47
69 Zn
In
fase c
Ia
Ib
Ic
in (A)
1 ciclo de 60 Hz = 16.66 ms
4.0
fase b
Vng
Vng  Z N  I n
voltaje n-g (V)
A rms
37
45
47
69In
120
2.0
60
0.0
0
-2.0
-60
-4.0
-120
0.000
0.002
0.004
0.006
0.008
0.010
0.012
0.014
0.016
tiempo (s)
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Aislamiento Galvánico - Monofásico
I
secundario del
transformador
ITM fase
Zf
ITM
carga
I
neutro
Zn
tierra
n1
n2
monofásica
Vn1,g
Vn2,g
g
g
tierra local
ITM: interruptor termomagnético
Vn1g  Z N  I n
Vn 2 g  0
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Aislamiento Galvánico - Trifásico
(ITM: interruptor termomagnético)
Secundario transformador
estrella aterrizada
ITM
Zf
delta
Y aterrizada ITM
fase a
Zf
fase b
Zf
fase c
In
Ic
Ib
Ia
Sistema local de
electrodos
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•
Con respecto a la instalación del
transformador de aislamiento de la figura, se
cometieron cuatro errores de alambrado,
identifíquelos.
Secundario del
transformador
ITM No puesto a tierra
SOLUCIÓN:
a) En la alimentación del primario del
transformador falta el conductor de
puesta a tierra de equipos;
b) El blindaje no está puesto a tierra;
c) Falta el puente de unión principal en el
transformador de aislamiento;
d) La alimentación a la carga carece del
conductor de puesta a tierra de equipos.
Núcleo
Blindaje
ITM
carga
Puesto a tierra
monofásica
Gabinete
Electrodo
local
Electrodo
EJEMPLO 8
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•
SECCIÓN 250-26 del NEC: puesta a tierra
de sistemas derivados separadamente, la
sección (c) indica que el electrodo local debe
estar lo más cerca posible a la unión N-G y
de preferencia en la misma área.
Tubería metálica
de agua
Conductor del
electrodo
El electrodo local debe ser:
•
(1)
la porción disponible o accesible más Tubería
cercana de la estructura metálica del metálica
edificio,
de agua
(2)
la porción más cercana de tubería
metálica de agua efectivamente puesta
a tierra o
(3)
otros electrodos como los de la sección
250-81 ó los de la 250-83 cuando (1) y
(2) no estén disponibles.
Condu
Error de alambrado encontrado
frecuentemente: un transformador de
aislamiento en los pisos superiores del cuyo
sistema de electrodos está en el sótano del
edificio.
Impedancia del conductor del electrodo
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Unión del conductor del electrodo con canalización metálica
•
Cuando un conductor del electrodo de puesta a tierra vaya dentro de una
canalización, caja o gabinete metálico, debe unirse al contenedor metálico en
ambos extremos, sección 250-71 (a) (3) de la NOM.
•
El material magnético alrededor del conductor aumenta la densidad del campo
magnético alrededor del conductor lo que aumenta su impedancia, i.e, el material
magnético funciona como un núcleo. Al unir el conductor con la tubería metálica
que lo contiene ésta pasa de ser un núcleo a ser un conductor, ayudando así a la
función del conductor mismo.
Canalización metálica
Conductor del electrodo de puesta a tierra
mal
Puente de unión
bien
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Puesta a tierra de equipos normal
Transformador y equipo de
desconexión principal
j
Tablero
Tubo conduit
aterrizado
Tubo conduit
aterrizado
N
N
G
G
Equipo de
cómputo
j
N
G
Tomacorrientes
Sistema de electrodos
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Puesta a tierra aislada
Transformador y equipo de
desconexión principal
j
Tablero
Canalización
G
IG
G
IG
j
N
N
N
G
Canalización
Equipo de
cómputo
G
IG
IG
Tomacorrientes
Sistema de electrodos
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EJEMPLO 9
• Se está alambrando un
receptáculo de tierra aislada cuya
caja es metálica y la canalización
es plástica. ¿Cuántos conductores
deben llegar al receptáculo?
Enumérelos con sus respectivos
nombres.
•
SOLUCIÓN:
Cuatro conductores:
1. No puesto a tierra.
2. Puesto a tierra.
3. Tierra aislada y
4. Tierra.
Puesta a tierra de equipos
Puesta a tierra de equipos aislada
No puesto a tierra
Puesto a tierra
Si no se lleva puesta a tierra de equipos. ¿Qué
pasaría si el vivo toca accidentalmente la tapa
o la caja metálica?
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Tierra aislada sin receptáculo
Transformador y equipo de
desconexión principal
Canalización
metálica
Tablero
Canalización
metálica
Canalización no
metálica
aprobada y
listada
Equipo electrónico
sensible
j
N
N
G
G
IG
G
IG
G
IG
Sistema de electrodos
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EJEMPLO 10.
•
En una instalación se propone colocar
un electrodo aislado (como en la Figura)
para alimentar una fotocopiadora y un
grupo de computadoras y quien lo
propone le llama a esto tierra aislada.
¿Es correcto? Proporcione una breve
explicación.
ITM de 15 A
SOLUCIÓN:
Se está confundiendo el concepto de puesta a
tierra de equipos aislada y el error de
alambrado de electrodos aislados. La puesta
a tierra de equipos aislada va sólidamente
unida a la barra de tierras del equipo de
desconexión principal, y en caso de falla a
tierra dentro del equipo electrónico
susceptible realizaría satisfactoriamente su
función de limitar el voltaje del gabinete
respecto a tierra y ayudaría a que la
protección de sobrecarga opere rápidamente
Aislante
Carga
Tubo conduit
5W
Tierra «sucia» de
acometida
Filtro capacitivo
en corto
5W
Tierra «limpia»,
«exclusiva» y «aislada»
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Estructura de referencia de señal
LA ESTRUCTURA de referencia de señal es un sistema de trayectorias conductivas entre
equipos interconectados que reduce los voltajes de ruido inducido (de modo común) a niveles
que minimizan la operación inadecuada de equipo electrónico. Las configuraciones más
comunes son rejillas y planos
La rejilla no
reemplaza a la
puesta a tierra de
equipos
A la tubería de agua
o estructura metálica
del edificio más
cercana
Unión de
tuberías
metálicas
a la rejilla
Dos conductores tipo cinta
de distinta longitud de
cada equipo hacia los
postes
Cable # 2 o mayor con
uniones a los postes de
la periferia
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Sin retorno metálico
If = Ig
Ig
Tierra remota
GPR = Rg Ig; Ig = If
a) Sin retorno metálico
Rg
Si la subestación esIf alimentada
por una
= Ig+Ie
Ie
línea aérea, sin hilo de guarda, es
importante tener una resistencia a tierra
baja, ya que toda la corriente de falla a
tierra tiene que retornar por elIgterreno, Rg
ocasionando una elevación del potencial de
Tierra remota
tierra dado por Rg If
GPR = Rg Ig; Ig < If
b) Con retorno metálico
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Con retorno metálico
Si la subestación es alimentada por una
línea aérea con hilos de guarda, con un
hilo neutro o se alimenta con cable
subterráneo y ambos extremos del
blindaje están puestos a tierra, entonces
If = Ig
la subestación cuenta con retorno
metálico y la corriente de falla a tierra se
divide, la mayor parte se va por el
retorno metálico y el resto se va por el
Ig
Rg
terreno, la corriente por el sistema de
electrodos
es menor
que la corriente de
Tierra
remota
falla y la elevación de potencial del
GPR
= Rg Ig; Ig = If
terreno
es menor
a) Sin retorno metálico
If = Ig+Ie
Ie
Ig
Rg
Tierra remota
GPR = Rg Ig; Ig < If
b) Con retorno metálico
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