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Consideraciones De Diseo PuestaA Tierra de Tanques

Traducido y Adaptado por: Omar Graterol / Ingro. Electricista / CIV: 16518

Tomado del Articulo Ground Systems Design Considerations for Vessels , publicado porMarcus O. Durham and Robert A. Durham. En la Revista IEEE Industry Applications Magazine_ November/December 2001

Los tanques recipientes metlicos en general, tienen varios sistemas de proteccin y puesta atierra. Estos incluyen conexin o puenteado para descargas estticas de fluidos en movimiento,tierra para proteccin contra descargas atmosfricas, tierras de estructuras metlicas altasadyacentes al tanque, objetos de la descarga y que extienden proteccin a su alrededor (HaloLightning Systems), Conexin o puenteado entre equipos o estructuras metlicas, proteccincatdica, control de corrientes desviadas, proteccin de lneas externas y suministro de potencia,

conexiones de instrumentacin, y protecciones de instrumentacin.

Estos sistemas de puesta a tierra interactan y algunasveces interfieren entre ellos.

Cada sistema tiene requerimientos nicos. Las consideraciones de diseo de cada uno de estossistemas sern identificadas mas adelante, mediante procedimientos apropiados para Ingenierosde diseo, de operacin o mantenimiento de sistemas elctricos, para tanques usados enmuchos de los segmentos de la industria petrolera y petroqumica. Aunque este articulo estaorientado a sistemas de puesta a tierra de tanques y recipientes metlicos, sus conceptos aplicana un amplio rango de estructuras.

En el diseo de las protecciones y del sistema de puesta a tierra de tanques y recipientesmetlicos, existe mucha documentacin y en algunos de estos documentos se encuentran ideasconflictivas. Algunos segmentos de estos documentos son muy tiles. Desafortunadamente,ningn documento por si solo, puede considerarse una gua que contenga todas lasconsideraciones de diseo e instalacin. Esta recopilacin corresponde a un diseo que seacerca a lo realmente requerido, presentado como un resultado de su exitosa implementacin endiferentes instalaciones. La diferencias en la terminologa de sistemas de puesta a tierra, paraidentificar los conductores se indican en la tabla 1.

Tabla 1 Conductores de un diseo de puesta a tierra

Conductores Descripcin Uso

De puesta a tierra Caminos metlicos,comnmente referidos como

La Tierra de un sistema

Mantienen un potencialmnimo entre el metal y tierra

De tierra Alambres conductores decorriente, conectados a tierraen un punto

Neutro de sistemas depotencia, o punto comun delnegativo de sistemas DC deinstrumentacion

De pantalla Cintas metlicas, hilostrenzados o tubosconcntricos alrededor delconductor de la seal principal

Interceptar seales extraas ode ruido y las conducen atierra

De Conexin o Puenteado Alambres conductoresconectados a estructuras oequipos metlicos que puedenresultar energizados

Mantener las diferencias depotencial entre estructuras oequipos metlicos a un nivelaceptable

Electricidad Esttica


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Los problemas con electricidad esttica se originan ante la existencia de tres condiciones: unamezcla explosiva, una carga elctrica acumulada en un material de baja conductividad y unadescarga de un campo elctrico que origina una chispa de suficiente intensidad para iniciar laignicin de la mezcla. La electricidad esttica es generada cuando dos materiales dismiles estnen movimiento relativo de uno con respecto al otro. Una carga esttica se desarrolla por mediode un movimiento relativo de una sustancia con respecto a un objeto de metal, como puede ser

un tanque, el cual esta aislado de tierra. Igualmente al llenar un container aislado con materialcargado creando as un campo elctrico. Una tercera fuente de electricidad esttica, es elmovimiento de materiales lquidos o slidos de baja conductividad, como pueden ser loshidrocarburos. Los efectos de esttica de los hidrocarburos, son aumentados por el contenido deagua dispersa, soluciones acuosas, o burbujas de aire.Los chorros o salpicaduras del llenado, la agitacin y la mezcla son causas de electricidadesttica dentro de tanques o recipientes. Actividades fuera del tanque, como el drenaje y la tomade muestras, pueden originar la acumulacin de esttica. Por ejemplo, un escape de vaporhmedo hacia la atmsfera, puede acumular electricidad esttica con respecto a materialesaislantes con los que esta en contacto o en movimiento relativo. Los campos elctricos, sedesarrollan en forma proporcional a la velocidad del movimiento. De acuerdo con esto, lavelocidad de un flujo lineal, de un material de baja conductividad, debe mantenerse por debajo de1 m/seg. Polvo dispersado desde una superficie puede desarrollar una carga esttica. El efecto

es mayor en superficies lisas. En general, una carga no se desarrollar si ambos materiales sonconductivos.Este tipo de acumulacin de carga esta generalmente limitada al movimiento de lquidos oslidos. Gases no contaminados, muy raras veces pueden acumular una carga.

Prevencin De Los Peligros De La Electricidad EstticaVarios pasos para mitigar el peligro de la electricidad esttica. La primera fuente de proteccin esuna puesta a tierra efectiva para propsitos de esttica. Cualquier puesta a tierra adecuada paracircuitos de potencia, proteccin contra descargas atmosfricas o proteccin personal, esefectiva para tierra de esttica. Debido a que las corrientes de esttica son muy bajas, un

camino de conduccin elctrico, con una alta resistencia, en el orden de un megohmio (1 M), esadecuado. Manteniendo la conductividad entre el fluido en movimiento y las superficies metlicasse disminuyen los efectos posibles de la esttica. La conductividad se logra usando algunos

procedimientos que son especficos para el sistema.Fluidos.Los tanques de almacenamiento metlicos deben ser puestos a tierra y todas las estructurasmetlicas o partes de ella, incluyendo las tuberas, deben estar conectados o puenteadas entreellas, sin embargo puestas a tierra externas al tanque, no pueden controlar la formacin dechispas o ignicin dentro del tanque, por lo cual cualquier objeto o parte interna del tanque, debeser puesto a tierra.

Las boquillas o picos de las mangueras deben ser puestos a tierra antes de iniciar elllenado.

Las mangueras con chorros de vapor para limpieza de tanques o recipientes que hayancontenido hidrocarburos, deben conectarse a tierra antes de aplicar el vapor al tanque orecipiente que tambin debe estar puesto a tierra.

Tambores hayan contenido hidrocarburos, que vayan a ser limpiados con vapor, debenser puestos a tierra antes de aplicar el vapor.

Las boquillas y los embudos deben ser de metal y estar puestos a tierra.

Tanques o recipientes aislados conectados a lneas aisladas deben tener una seccin de tuberade metal conectada a tierra en la lnea, adems sus instrumentos u otros objetos metlicosdeben estar conectados a tierra. VerFigura 1. Si no tienen otros objetos de metal, los recipientesaislados deben tener un alambre de tierra insertado. La resistencia mecnica sin tomar en cuentala corriente que pudieran manejar determina el tamao del conductor o alambre a insertar. Eltamao mnimo para un alambre auto soportado, es uno No. 4 AWG. El tamao mnimo para serenterrado, es el No. 2 AWG. Conductores flexibles deben ser usados para conexiones que debenser removidas frecuentemente. Los conductores de puesta a tierra pueden ser aislados, pero losconductores desnudos facilitan el chequeo de su continuidad. La conexiones pueden ser hechas

con conectores de presin o con soldaduras exotrmicas.Los recipientes deben ser llenados lentamente, a bajas velocidades en la descarga. Laturbulencia en las operaciones de llenado se debe minimizar usando las conexiones o


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Tierra de Tubera, Instrumentos

Y Otros Objetos de Metal

Tanque de Material

No-Conductivo

Tubera de Material

No-Conductivo

Seccin de Tubera

De Metal

Tierra de Tubera, Instrumentos

Y Otros Objetos de Metal

Tanque de Material

No-Conductivo

Tubera de Material

No-Conductivo

Seccin de Tubera

De Metal

extendiendo el tubo de llenado hasta cerca del fondo del tanque. Rejillas, mallas o trapos defiltrado y grating en la boquilla de entrada del tanque, deben eliminarse, ya que estos puedencausar la separacin de cargas y las consecuentes chispas. Proyecciones o salientes internosque puedan causar una separacin de cargas deben ser eliminadas. Adicionando una solucinde sales conductivas (Antiestticas) al flujo en una tubera, pueden eliminar el riesgo potencial deacumulacin de esttica. Para cualquier consideracin, debe tenerse en cuenta que los tanques

de techo flotante no permiten la presencia de una mezcla de hidrocarburos-aire que pueda serinflamable en el interior del tanque. Sin embargo los tanques de techo flotante presentan elproblema de la existencia de mezclas inflamables, por encima del techo en las reas de contactoentre techo y pared del tanque, debido a escapes por el sello. Generalmente estas reas seclasifican con Clase I, Div. 1.

Figura 1. Puesta a Tierra para Recipientes no-Conductivos

Polvos

Un sistema manejando polvos es muy similar a cualquier otro sistema manejando que maneje unmateria inflamable. Nubes de polvo conductivo o capas de polvo, pueden contribuir a laformacin de una acumulacin y descarga de electricidad esttica. La descarga puede ocurrirentre un conductor aislante y tierra. La descarga no ocurre dentro del propio polvo. Entonces unaapropiada conexin a tierra es requerida. Existen dos circunstancias adicionales. Primero, el airedonde se mueve el polvo puede ionizarse, esto previene la formacin de un capacitor con elpolvo como dielctrico. Segundo el recipiente debe hacerse inerte para prevenir la conduccin.

Personal

La ropa del personal y las actividades que estos desarrollan, pueden contribuir a la formacin de

chispas, con posibles daos a equipos y al propio personal. Atuendos apropiados, segn sea elcaso deben ser requeridos. Personal trabajando en actividades de llenado de tanques, debenutilizar botas de seguridad del tipo conductivo. Suelas de goma o sintticas, que puedenconstituir el dielctrico para la formacin de un capacitor deben ser evitadas. El personal nos sedebe quitar la ropa exterior, en las cercanas de una mezcla inflamable. La separacin de estasdel cuerpo, puede causar una chispa de electricidad esttica. Cascos de seguridad de metal nose deben usar. Ropa de de tela o fibra sinttica tiene mayor tendencia a la acumulacin deelectricidad esttica que la ropa de telas o fibras naturales. Ropa de telas o fibras naturalesaprobadas como retardantes de la llama deben usarse para reducir el riesgo de accidentes porlas fuentes de ignicin esttica. Computadoras, cmaras fotogrficas, celulares radios y otrosequipos electrnicos no se deben usar en reas clasificadas, a menos que estn aprobados parareas clasificadas por las correspondientes organizaciones reconocidas en esta materia.

Corrientes de Descargas AtmosfricasLos efectos de las descargas atmosfricas tienen dos orgenes:


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Radio de Curvatura

Menor de 8 Pulgadas

Conector Barra a Cable

Seccin de Tubo Metlico6 Pulgadas de dimetro

Radio de Curvatura

Menor de 8 Pulgadas

Conector Barra a Cable

Seccin de Tubo Metlico6 Pulgadas de dimetro

1. Corrientes de las descargas directas.2. Corrientes Indirectas.

Las descargas atmosfricas tienden a golpear las profusiones, puntos altos y bordes deestructuras. Las descargas atmosfricas causan daos por la energa calrica que disipan suscorrientes y por el esfuerzo mecanico de estas cuando viajan por caminos de alta impedancia.

No existe una simple gua que provea todas lasconsideraciones de diseo e instalacin.

Debido a que resulta prcticamente imposible proteger contra todas las descargas directas, sedebe hacer mayor nfasis en la disipacin de la energa de la descarga para minimizar los daos.Un camino metlico a tierra de baja impedancia debe ser de un tamao adecuado para manejarla tremenda cantidad de energa de la descarga atmosfrica.Los tres componentes de un sistema de proteccin son:

1. Terminal areo.2. Conductores a tierra.3. Terminales de tierra o barras.

El terminal areo (Punta franklin u otro dispositivo aprobado), provee el punto de contacto para ladescarga.Los conductores a tierra (Bajantes), proveen un camino seguro para conducir la corriente de ladescarga a los terminales de tierra o barras.Los terminales de tierra o barras, proveen el punto de la superficie del terreno para la disipacinde la energa de la descarga.Se prefieren materiales no ferrosos para cada uno de los elementos del sistema de puesta atierra, con el propsito de evitar los efectos de corrosin. Igualmente materiales dismiles enestos elementos deben ser evitados, ya que los mismos crean problemas de corrosin por laformacin de juntas electrolticas, aumento de la resistencia de contacto, conexiones flojas,cadas de voltaje como consecuencia del aumento de la impedancia. El sistema debe construirseen forma de jaula. Partiendo de que la impedancia es inversamente proporcional al nmero derutas paralelas, se deben usar por los menos dos bajantes. Como la descarga atmosfrica, se

comporta como una fuente de alta frecuencia, curvas agudas o dobleces pronunciados de losbajantes deben evitarse, se recomienda un radio mnimo de 8 pulgadas. Ver Figura 2.

Figura 2. Detalles de radio de curvatura del bajante en pozo de conexin de bajante

Conductores bajantes en estructuras metlicas, como tanques, torres, equipos o recipientes

metlicos de proceso, son generalmente inefectivos y no se requieren. De usar estos bajantes,en el caso de una descarga, el pico de voltaje o potencial sbito que aparece en el conductor,con respecto al tanque o estructura metlica, har saltar un arco entre el conductor y la


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estructura metlica. Por lo cual la disipacin de la energa en estos casos, debe ser manejadamediante conexiones o el puenteado en las juntas y mediante un medio efectivo de la puesta atierra de la estructura. La superficie o rea de contacto, es ms importante que la resistencia depuesta a tierra para evitar daos en estos equipos. La distribucin de las corrientes de ladescarga entre todo el sistema de puesta a tierra, asegurando las conexiones entre partes de laestructura y resistencias de puesta a tierra similares, mantiene todos los puntos a potenciales

similares. Esto mitiga los problemas de arcos pro superficies o puntos con diferentes potenciales,aun con resistencias de puesta a tierra elevadas. La malla de tierra o el ramal correspondientedebe extenderse o alejarse por lo menos 2 pies de las fundaciones de concreto de la estructurapara prevenir daos a la misma.

El objetivo del diseo de un sistema de puesta a tierra eslograr que los requerimientos particulares de los diferentessub-sistemas que puedan ser conflictivos entre ellos, sehagan compatibles consolidando as un buen sistema de

puesta a tierra.

Al igual que con las corrientes o seales elctricas de las fuentes tradicionales, la corriente deuna descarga atmosfrica, fluir por el camino de mas baja impedancia. La inductancia de losconductores usados para puesta a tierra, no es lineal, no obstante se puede estimar en0,5H/pie. El crecimiento rpido o variacin de la onda de la descarga, define una frecuencia porencima de 1 Mega Hertz (1MHz). A estos valores nominales, despreciando el valor de resistencia

del conductor, que se estima en 0,3 /1000 Pies, la impedancia de puesta a tierra, excede los

3/pie.

Z = R + jXL

XL = 2 f L

Z = 0 + 2 *1 MHz * 0,5 H = 3,14 /Pie

Usando un estimado conservador, una descarga estar en el orden de los 5 KA. La cada detensin por pie de conductor, ser de 15.700 Voltios (15,7 Kv/Pie).Normalmente las descargasexceden los 10 o 20 KA, con lo cual esta cada ser mayor.

Vcaida = IDescarga * ZCond.

Vcaida = 5000 Amp. * 3,14 = 15.700 V/Pie

Esto significa que solamente unos pocos pies de diferencia entre los conductores bajantes,creara una diferencia de potencial apreciable durante los transitorios de la descarga. Los clculos

anteriores, demuestran que no hay nada mejor que un punto comn y lo mas cercano posiblepara la conduccin de la descarga a tierra. No obstante, los sistemas de puesta a tierra de laplanta se conectan a tierra como un punto de referencia. La efectividad de la conexin a tierradepende de la resistividad del terreno, de la cantidad de energa a disipar y de las estructurasdisponibles. Las tcnicas para construir un sistema de puesta a tierra efectivo, se describen enlas secciones sub.-secuentes.

Efecto De Las Descargas En TanquesNo se requiere una proteccin adicional para tanques metlicos, si estos cumplen los trescriterios siguientes:

1. Toda su estructura es elctricamente continua.2. Sus partes metlicas expuestas tienen los espesores mnimos requeridos.3. Estn sellados para prevenir escapes de los gases o vapores del producto almacenado.

La experiencia ha demostrado, que si los tanques estn construidos con lminas de por lo menos3/16 de pulgada de espesor, y son elctricamente continuos, no son susceptibles a perforacin


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11. Conductores suspendidos, deben ser soportados por lo menos cada 3 pies.12. Soldadura exotrmica o dispositivos de conexin aprobados, deben ser usados en todas

las conexiones.13. Conexiones que no estn a la vista o que no sean observables, deben ser con

soldaduras exotrmicas o con conectores de presin.

14. Pozos de inspeccin deben ser ubicados en los puntos donde las barras de tierra se

conecten a la malla, especialmente donde se interconecten los diferentes sub-sistemasde puesta a tierra. Ver figura 2. El pozo de inspeccin debe ser de por lo menos 6pulgadas de dimetro y empotrado en un tubo o concreto. Una tapa debe ser colocadasobre el pozo y el mismo debe ser de fcil identificacin.

15. Si las cercas estn a una distancia horizontal de 6 pies, del anillo o de cualquier otraestructura conectada al anillo, o cuando las mismas pasan por debajo o cerca de unalnea area, cuyos conductores pueden entrar en contacto con la cerca ante una falla dela lnea, deben estar conectadas a la malla de tierra. La cerca debe tener conexin opuentes entre las diferentes secciones de la cerca y de las puertas.

La implementacin de todos estos requerimientos, punto por punto, aseguran una conexinefectiva a tierra. Ver Figura 3, Detalles de una instalacin con una malla y diferentes sub-sistemas.

Figura 3.Detalles de una instalacin con una malla y diferentes sub-sistemas.

Llegada de Lneas o Cableado externoEn algunas instalaciones llegan lneas o cableado externo hasta un bastidor o edificio protegidocon la malla de tierra interna. Estas lneas o cableado, incluyen suministro de potencia,transmisin de datos, comunicaciones telfonos y cables de antenas. Estas lneas o cables a laentrada deben ser conectados o puestos a tierra en un solo punto a una barra comn. Estepunto de conexin puede ser una malla separada tipo laberinto o un punto de conexin comn oreferencia de tierra, que finalmente ser conectado al anillo o malla de puesta a tierra.Protecciones contra descargas atmosfricas instalados en las acometidas elctricas y de serviciotelefnico, y en las entradas de las antenas de radio y televisin, proveen proteccin tanto paralos propios equipos del sistema al cual corresponde, como tambin a sus estructuras. Si esposible estas protecciones deben ser montadas y puestas a tierra en la barra comn local del


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cada aplicacin o sub-sistema tiene sus propios requerimientos, no obstante acontinuacin, como simple referencia, se presentan algunos datos:

El Cdigo Elctrico Nacional (CEN), como una mata para sistemas de suministro de potencia, en

su artculo 250 , exige un valor mximo de 25 y si este valor no se obtiene con la primerabarra, solo exige agregar una segunda barra adicional.En todo caso, De acuerdo con el libro

verde de IEEE, Seccin 4 Los 25 per se, definidos por el CEN, no implican que esto sea unnivel satisfactorio de puesta a tierra , lo cual se puede evidenciar en el siguiente ejemplo:Considere que en un circuito de 120 AC, con una puesta a tierra de 25 , tendr una corrientede falla a tierra de 4,8 Amp. ( 125 V/25 = 4,8 Amp.).Estos circuitos de 120 V AC, son protegidos normalmente con interruptores (Breaker) de 20Amp., los cuales no disparan con este valor de corriente de falla, por lo cual la falla permanecerpor un tiempo, existiendo el riesgo de un contacto elctrico de una persona (Corrientazo), cuyonivel de corriente es suficiente para originar un accidente con consecuencia no previstas, ya quecualquier corriente mayor a seis (6) miliamperios, puede causar serios daos a una persona. Unacorriente de 100 miliamperios, puede causar la muerte instantnea. Por lo cual una persona quese acerque a una instalacin, donde exista una falla a tierra en las condiciones descritas, esta enriesgo de ser afectado por un Corrientazo.Por consideraciones de seguridad, la puesta a tierra elctrica, debe ser menor a 5 . Esto

asegura que el Breaker o interruptor, vera la corriente de falla a tierra, disparando en el caso deque el conductor de lnea, se ponga en contacto con tierra.125 V / 5 = 25 A.Una buena referencia de la resistencia de puesta a tierra para los circuitos o equiposelectrnicos, es un Ohm (1 ).La baja resistencia permite la disipacin segura a tierra, de laenerga no deseada, incluso los armnicos generados en el circuito protegido. En general loscircuitos electrnicos, son especialmente susceptibles a transientes y a variaciones en susniveles de corriente, por lo cual estos dispositivos, exigen un valor de resistencia de puesta atierra como el referido anteriormente de un ohmio (1 ).

Para sub-estaciones elctricas, es determinante en nivel de falla a tierra de la misma, encuyo caso se debe hacer un clculo completo, para definir el valor de resistencia depuesta a tierra, basado en el potencial de toque y potencial de paso. Basado en esto sepueden requerir valores por debajo de un ohmio (1 ), para sub-estaciones de alto o medio

voltaje para potencias mayores de 10 MVA, entre 5 y 10 MVA, se pueden encontrar valores entreuno y dos ohmios (1 y 2 ), entre 2 y 5 MVA tres ohmios (3 ) y para menores de 2 MVAhasta cinco ohmios (5 ).

En el caso de tanques, que es el caso que nos ocupa, algunos fabricantes de sistemas deproteccin, contra descargas atmosfricas, indican que se debe buscar una resistencia de puestaa tierra menor de 10 Ohmios (10 ), no obstante la definicin de este valor debe responder a unanlisis del problema en general el cual estar influenciado por la densidad de descargasatmosfricas en el rea y por la experiencia o problemas que se hayan presentado , comopueden ser incendios de venteos, vlvulas de presin vaci, rea del sello en tanques de techoflotante, perdida total de tanques, impacto en sus sistemas de medicin, accidentes personalescon muertos o lesionados por descargas atmosfricas, etc. En todo caso al igual que en losdems sub-sistemas mientras mas bajo el valor de puesta a tierra, menor sern los riesgos,

especialmente ante descargas atmosfricas, que pueden ser el mayor problema en el caso detanques, por lo cual es tpico encontrar en estos casos valores de resistencia de puesta a tierracercanos a un ohmio (1 ).

Resistividad del ConcretoEn un intento para mejorar la resistividad del suelo, se ha agregado varios qumicos y se hancreado los electrodos qumicamente tratados, que han logrado reducir la resistencia de contadoentre electrodos y tierra, mejorando as los valores de puesta a tierra, en suelos con altaresistividad. Sin embargo, los requerimientos y gastos de mantenimiento, han hecho de estaopcin la menos preferida. Este problema le ha dado paso a la opcin de electrodosencapsulados en concreto y concreto como relleno alrededor de los conductores de puesta atierra, por diferentes razones. El concreto es en cierta forma conductivo, debido a su contenidode humedad y su alcalinidad, la cual provee iones libres. El concreto enterrado tiene unaconductividad de aproximadamente 3000 /cm., el cual es mucho menos que el promedio de laconductividad de suelos, que esta alrededor de 6500 /cm.. Una barra de puesta a tierra de 5/8


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Encapsulado de ConcretoEncapsulado de Concreto

de pulgada de dimetro, y de 8 pies de longitud, en un suelo de resistividad promedio, tendr unaresistencia de puesta a tierra de 23 . Esto satisface los requerimientos del CEN. Si el suelo esrocoso su resistividad se eleva a unos 500 /mt y su resistencia de puesta a tierra con la mismabarra, ser de 177 . La misma barra, en este suelo, pero encapsulada en concreto, tendr unaresistencia de puesta a tierra de 10,6 ,de acuerdo con la formula de Dwight. Ver calculo acontinuacin:

La construccin de un electrodo de concreto es simple, solo se tiene que abrir un hueco de 12pulgadas, con una profundidad algo mayor que la longitud de la barra, se llena de concreto y seintroduce la barra en el centro del concreto vaciado. Ver Figura 4.

Figura 4. Detalles de Barra encapsulada en Concreto.

Para verificar la factibilidad de la puesta a tierra, usando varias barras de puesta a tierra, calculela resistencia resultante del arreglo de mltiples barras de puesta a tierra, usando la formulaemprica incluida en el siguiente ejemplo. Los trminos son R para la resistencia de un electrodo,n para el numero de electrodos, y Rn es la resistencia de los n electrodos. La resistencia de lamalla, se calcula segn esta formula.Para tres electrodos en concreto, la resistencia de puesta a tierra se reduce a 4,6 .

Aunque este no es un valor bajo, el mismo es considerablemente mejor que los 177 que selogra con una barra directamente al suelo en el caso original.

Estructuras Altas Objeto de descargas Atmosfricas (Halo Systems)Las estructuras altas, situadas alrededor de la estructura principal que se quiere proteger, que

sobresalen en el rea circundante, pueden proveer proteccin adicional a la estructura principal.Sin embargo, la clave para asegurar con estas estructuras una verdadera proteccin, es su


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sistema de puesta a tierra. Es incluso mas importante que el sistema de puesta a tierra seextienda en todas las estructuras que el propio valor de resistencia de puesta a tierra. Se haobservado, el impacto de una descarga a una estructura circundante y el fogonazo (Flash) se veviajar por los bajantes en mltiples ocasiones, ocasionando daos serios a los equipos elctricosy electrnicos, incluyendo disparos falsos de protecciones elctricas. La zona de proteccin de lalnea de esttica o cable de guarda, de una lnea de distribucin, se extiende en un radio de 100

pies, a los dos lados de la lnea. Postes o mstiles de madera, al igual que estructuras o tanquesaislados, deben tener un terminal de proteccin metlico, Punta Franklin, extendindose porencima del poste, estructura o tanque, por lo menos 2 pies sobre su punto ms alto. Unconductor de puesta tierra, o bajante areo, pasando por encima del poste de madera oestructura o tanque aislado, actuara como un terminal de proteccin areo. La separacin entreterminales de proteccin areos, cuando se requieran varios, debe ser menor de 20 pies. Losconductores de tierra, deben interconectar todos los terminales y proveer por lo menos doscaminos para la descarga a tierra. Un solo camino puede ser usado, si el terminal esta ubicado abaja altura y la nica conexin prevista se considera segura y de fcil inspeccin. Los bajantesdeben ser por lo menos conductores 2 AWG. Los fogonazos o descargas laterales se puedenevitar mediante un buen sistema de conexiones o puenteado entre estructuras y sus partesmetlicas, o que tengan una separacin fsica que no requiera el puenteado. Seis pies mnimo deseparacin en el aire o tres pies mnimo, cuando estn enlazados por medios o materiales

slidos, como son concreto, madera, o ladrillos.

Proteccin CatdicaLa proteccin catdica se disea para proteger el metal del problema de la corrosin, cuandoesta en contacto con suelos que son un medio electroltico, donde se facilita el fenmeno decorrosin. Esto se puede lograr, por el mtodo de nodos de sacrificio, seleccionado un materialde sacrificio, el cual constituye el nodo (Placa positiva), este se conecta elctricamente a lasuperficie que se quiere proteger. Igualmente por el mtodo de inyeccin de corriente DC,mediante un rectificador de potencia, el cual se conecta entre el nodo y el ctodo, para crearuna diferencia de potencial que contrarresta la diferencia de potencial existente entre el metal aproteger y el medio donde se encuentra. La fuente del rectificador de potencia, debe serconectada al sistema de potencia del rea, de la misma forma que cualquier otra carga o equipoelctrico, al cual debe ser provisto con su respectivo neutro y conexin a tierra del equipo.

Pararrayos de un nivel apropiado de voltaje deben ser conectados a todas las lneas dealimentacin segn corresponda. Si el rectificador esta fuera del anillo de tierra, los supresoresde pico de bajo voltaje deben ser conectados en el lado DC. La salida positiva del DC delrectificador, debe ser conectada al nodo. Este circuito, debe ser protegido contra todo contactocon el suelo o tierra, metales u otros elementos puestos a tierra. La salida negativa del DC delrectificador, debe ser conectada al tanque, tubera, recipiente o estructura y en general alconjunto de equipos que se quiera proteger.Como una medida o practica de construccin, el metal o conjunto de equipos que se quieranproteger, deben estar aisladas de otros equipos que aunque estn conectados mediante tuberasu otras conexiones con los equipos a proteger, no requieren la proteccin, en este caso se debenaislar y en el caso de tuberas se usan bridas aislantes. Cualquier metal en contacto elctrico,con las estructuras a proteger, o con el terminal o ramal negativo, estar drenando corriente delsistema de proteccin catdica. Esta corriente puede llegar a ser tan grande y no se logren los

potenciales de proteccin en las estructuras a proteger, quedando las mismas sin la proteccinesperada. Mas aun, el tanque o recipiente y su tubera, pueden tener cada su sistema deproteccin por separado, desde dos diferentes rectificadores o fuentes DC. Esto crea un granreto, cuando los dos sistemas deben ser conectados a la malla de puesta a tierra del sistemaelctrico. Sin embargo, la malla del sistema elctrico, no debe ser conectada directamente a losequipos tanques o tuberas, aisladas para propsitos del sistema de proteccin catdica. Serequiere una resistencia de unos pocos ohmios, al hacer esta conexin, para as restringir lascorrientes desviadas. Destacando que la resistencia debe ser lo suficientemente baja, como paraque las corrientes de falla, puedan llegar a disparar los dispositivos de proteccin, esto implica

que la mxima resistencia debe ser entre 1 y 5 para circuitos o sistemas de 120 VAC.

Corrientes Desviadas.Corrientes desviadas son todas aquellas que circulan por un camino, que no fue deliberadamente

diseado para la circulacin de esas corrientes. Estas pueden ser el resultado de fallas,corrientes de desbalance de sistemas trifsicos, o caminos de retorno de otros circuitos. Estas


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pueden tambin ser corrientes de un sistema de proteccin catdica, o corrientes galvanicasprovenientes de un proceso de corrosin activo. Muy raras veces se efectan mediciones paradeterminar la existencia de corrientes desviadas, a menos que se hayan observado signos decorrosin activa o chispazos que hacen suponer la existencia de estas corrientes.Los sistemas de proteccin catdica, pueden crear problemas de corrientes desviadas, pero elvoltaje de estos sistemas es comparativamente bajo. Entonces, riesgos desde el punto de vista

de chispas incendiarias o riesgo de corrientazos a las personas es muy bajo. En adicin a esto,voltajes galvnicos pueden estar presentes, pero estos no exceden los 1,5 voltios debido a suorigen o accin tipo bateras. Entonces el riesgo de ignicin por estas fuentes de energa es muybajo. Sin embargo, la existencia de las mismas puede causar corrosin a cualquier metalexpuesto a estas corrientes.Las corrientes desviadas provenientes de fallas y retornos de tierra, pueden crear seriosproblemas si el camino de estas corrientes es abierto y existe una abertura o separacin dondepueda saltar la chispa. El dielctrico del aire es aproximadamente, 30.000 Voltios / centmetro.Para la abertura o separacin medible (Aprox. 0,01 cm.),el voltaje de arco es de aprox. 350Voltios. Este nivel de voltaje generalmente no existe entre dos superficies separadas, noobstante conexiones y separaciones intermitentes (Caso que puede ocurrir en el momento deseparacin de una brida, o de levantar la rejilla de un canal), se puede crear el potencial o voltajede arco, originndose as el chispazo. En este caso, en un rea clasificada donde puede existir

una mezcla inflamable, si el voltaje excede 35 Voltios, existir la energa requerida para laignicin de la mezcla combustible, originndose as un incendio. Por encima de 50 Voltios,tambin existe el riesgo de corrientazos a las personas. Por estas razones, es preferible aislar lasfuentes de las corrientes desviadas, cuando las mismas sean identificadas. La solucin para lascorrientes desviadas que se deban mantener o la mejor precaucin que se debe tomar paracuando estas se presenten, es conectar todos los sistemas y estructuras metlicas unas conotras. Una conexin permanente acepta se debe efectuar con un conductor No. 4 AWG, oconectar los sistema mediante una resistencia.Las corrientes desviadas pueden surgir de mltiples conexiones a tierra. El sistema, la conexino barra de tierra que origine la corriente desviada debe ser aislado de tierra y de la conexin depuesta a tierra. Las corrientes desviadas tambin pueden crear problemas serios en los sistemasde instrumentacin. En adicin a los otros orgenes de corrientes desviadas, las corrientesdesviadas en instrumentacin pueden surgir, por la conexin de las pantallas y sus consduits,

puestos a tierra en mas de un sitio. En una instalacin nosotros encontramos, una corriente de14 Amp. fluyendo hacia el electrodo de puesta a tierra. Los conductores apantallados deben sernormalmente conectados a tierra, solamente en el lado de la fuente, por lo cual la pantalla, nodebe nunca estar en contacto con otro metal o con tierra en cualquier otro sitio. Las pantallasson conectadas en un solo lado a tierra, para prevenir la circulacin de corrientes desviadas.Aunque esta es una practica muy usada, y soluciona el problema de las corrientes desviadas,ante el problema de descargas atmosfricas, se pueden originar picos de voltaje en el extremode la pantalla no conectado a tierra, en el cual se pueden instalar supresores de picos de voltajeentre la pantalla y tierra. Por lo anterior debe tomarse precauciones adicionales, cuando lapantalla este conectada en un solo lado y exista una alta incidencia de descargas atmosfricasen el rea de la instalacin. Similarmente el conduit usado para seales analgicas, no debeproveer un camino metlico continuo. Un lado del conduit se puede aislar, dejando separado elultimo tramo en un lado, llegando solo con el cable o se pueden usar maguitos de PVC en el

tramo de llegada. No obstante un lado del conduit debe estar conectado a la malla de tierra.

Cableado de InstrumentacinLos transitorios (Variaciones o induccin de voltaje de corta duracin), son problemas que sepresentan en sistemas o cableado de instrumentacin, catalogados como ruido elctrico, quegenera serias consecuencias. Para cancelar el ruido o los transitorios de voltaje inducido, seutiliza como practica comn, entorchar los pares conductores de la seal. De esta forma, el ruidoinducido, que es igual en los dos conductores se cancela por efecto del entorchado. Para sealesanalgicas y seales discretas de alta frecuencia, se usan cables apantallados. Para seales debajo nivel y alta frecuencia, se prefiere el uso de cables coaxiales. Los grupos de de pares decables entorchados, sometidos a un transitorio de voltaje por induccin, acoplan toda la energadisponible a todos los pares del grupo de cables. De esta forma mas pares de cables compartenla energa disponible por el campo que genera la induccin, lo cual permite que menos energa

de este transitorio sea impuesta a la pieza o equipo electrnico que corresponda el grupo depares de cables. Sin importar el numero de pares, todos los pares no utilizados (Pares libres del


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grupo de pares de cables), deben ser puestos a tierra, en la barra nica o comn de puesta atierra. Cualquier energa transitoria, inducida en estos pares de cables, ser drenada a tierra.Para mas de seis pares de un grupo, protectores del tipo paralelo (Shunt type protectors), sonadecuados para disipar la energa. Para menos de seis pares, mas energa estar presente porcada par, por lo cual protectores en lnea son requeridos. Los protectores en lnea, incluyenfiltros, as como protectores en paralelo. Los cables de instrumentacin y comunicaciones, deben

tenderse con retiros o separaciones mayores de 5 pies (1,5 mts.), de los cables de alta tensin ode circuitos con potencias significativas., con lo cual se elimina la mayora del ruido inducido porla cercana de estos circuitos. Si fuera necesario, cruzar en el recorrido cables de potencia, elcruce debe hacerse formando ngulos rectos con la direccin de los cables de potencia, paraevitar la induccin. Para proveer una proteccin o apantallamiento mas completo, de lasterminaciones y para proteger los equipos en ambientes sucios (Alto ruido elctrico), el conjuntode equipos y terminaciones electrnicas deben ser colocados en cajas NEMA 12. Si se haceesto, suficiente ventilacin debe ser provista para propsitos de enfriamiento.

Dispositivos de ProteccinDispositivos de proteccin, son algunas veces necesarios y se adicionan al sistema elctrico parasolucionar y controlar los transitorios. Estos dispositivos, pueden derivar la corriente, bloqueandola circulacin de esta energa a lo largo del conductor, filtrando ciertas frecuencias, cortando las

ondas de voltaje, o por una combinacin de estas formas de proteccin. Sin importar la forma deproteccin, solamente unos pocos componentes estn disponibles econmicamente paradisear las protecciones contra transitorios. Los dispositivos de proteccin se seleccionan conbase al voltaje, la frecuencia y el esquema de puesta a tierra del sistema o circuito donde sernaplicados. El arreglo mas simple, son dos placas o puntos separados para proveer el caminopara el arco, por encima de un cierto nivel. Esto puede ser una separacin al aire ambiente, ouna separacin en un medio o material dielctrico. Los clsicos pararrayos, se ubican en estacategora. En algunos casos los dispositivos son construidos de tal forma que, el camino seconvierte en una baja impedancia una vez que el rompimiento del arco ocurre. Carburo de silicn(Silcon carbide), es algunas veces usado para dispositivos de gran cantidad de energa. Tubosde gas y otros dispositivos rompe arcos, tambin se ubican en esta categora. Esta es la mnimaclase de proteccin factible para esta funcin, pero su capacidad de manejo de energa, eselevada en relacin con su costo. Dispositivos con tubos de gas, adecuadamente diseados,

pueden ser efectivos para el control de descargas atmosfricas.El siguiente arreglo comn, usa elementos pasivos. Capacitares e inductores reaplican al circuito.Filtros bypass y pasabanda pueden ser implementados. Filtros en serie o en lnea, usan bobinasinductoras. Se prefiere el uso de bobinas con ncleo de aire con respecto a las de ncleo deferrita. Las bobinas de ncleo de aire, tienen menos atenuacin y su frecuencia de corte es msalta. Sin embargo la de aire es preferida debido a que las caractersticas de las de ncleo deferrita, cambian con la magnitud y la frecuencia de corriente a disipar. Los dispositivossemiconductores, son el arreglo mas avanzado. Estos dispositivos son ms rpidos, pero ellosgeneralmente manejan menos energa que los dems dispositivos comparables en precio.Debido a su rango limitado de operacin, estos dispositivos, deben especificados oseleccionados en forma mas precisa. Los dispositivos con base a silicn, pueden ser elementosde proteccin por niveles de voltaje o por corriente. Los dispositivos de Oxido de Metal (Metal-Oxide), actan o disparan principalmente por niveles de voltaje, y son fabricados para manejar

una cantidad de energa muy bien definida (Joule o Vatios por segundo). Estos dispositivos seseleccionan para un voltaje de cebado que el pico de voltaje esperado proveniente de la fuentede suministro de energa. La disipacin de energa se basa en un frente o forma de ondaestndar. Cada varistor de oxido de metal (Metal-oxide varistor o MOV), tendrn una capacidadresultante basado en el manejo de las corrientes transitorias. Los dispositivos, tienen unacapacitancia inherente a su diseo. Sin embargo esto crea un problema con las seales de altafrecuencia. La alta capacitancia a altas frecuencias, incrementa su impedancia y atena la sealprincipal.Los diodos Zener y de juntas de silicn, son dispositivos mucho mas rpidos que los varistores,pero no pueden soportar tanta energa. Debido a que estas unidades no tienen mucha capacidadde disipacin de energa, generalmente se acoplan con un pararrayo primario, como undispositivo con tubo de gas. El diodo hace la funcin del disparo o cebado, aprovechando surapidez y el tubo de gas disipar la energa. Muchas de las protecciones de transitorios son

desarrolladas con dispositivos que dejan pasar la menor cantidad de energa, a una frecuenciaparticular hasta el equipo protegido. Muchos de los pararrayos, son diseados para disipar


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Filtro Alta Energa / Fuente Filtro Baja Energa /CargaFiltro Alta Energa / Fuente Filtro Baja Energa /Carga

energa para frecuencias de menos de 1 MHz. Por encima de esa frecuencia, existe menosenerga que deba ser disipada.Para sistemas de potencia de grandes volmenes de energa, se pueden usar filtros de altaenerga en fuente y a nivel de la carga filtros de baja energa, en general todos los componentesmostrados en la figura 5 pueden ser usados. Ver Figura 5. Algunas veces el capacitor, puede serremovido de estos circuitos, con impactos menores, debido a que es difcil hacer match con la

frecuencia correspondiente. Las tierras son intencionalmente aisladas, para facilitar la disipacinde energa, sin impactar a sistemas adyacentes. Para sistemas tpicos, todos los sub-sistemas seconectan unos con otros. Haciendo siempre una sola conexin a la tierra de referencia.

Figura 5. Esquema con Filtros de alta Energa en la Fuente y Baja Energa en la Carga.

ResumenExisten numerosas consideraciones diferentes, para cada tipo de sistema conectado a tierra. Noobstante existen aspectos claves para cada uno de ellos que deben ser considerados. El objetivoes convertir los aspectos conflictivos en requerimientos compatibles buscando los mayoresbeneficios de cada sistema de proteccin. Para proteccin contra descargas atmosfricas, unamalla de tierra uniforme es recomendable en toda el rea cubierta por el tanque o recipiente ytodos sus equipos conectados. Para proteccin personal, el recipiente, todas las dems partes

metlicas y el sistema elctrico, deben ser conectados unos con otros. La conexin de la puestaa tierra del sistema de potencia, debe ser de baja resistencia. Para seales de instrumentacincon proteccin a tierra, un solo punto de conexin a tierra es recomendado. Para proteccincatdica, el aislamiento de los equipos, estructuras o tuberas protegidas y la conexin o puenteocontrolado con otros sistemas, previene o evita las corrientes desviadas.Como un aspecto importante y que en muchos casos presenta dificultades, adems de lasconsideraciones generales ya comentadas en el cuerpo de este articulo, esta el clculo de laresistencia de puesta a tierra, de lo cual existen numerosos volmenes y publicaciones, comopor ejemplo los publicados por IEEE, programas especializados, etc. La gran mayora de estosprocedimientos de clculo, responden a estudios o investigaciones experimentales o empricas,que se han adoptado como practica comn y hoy en da son aceptadas en el diseo o estimadospara el clculo de la resistencia de puesta a tierra, por lo cual como una extensin del alcance deeste articulo, se ha efectuado una recopilacin de algunos mtodos de calculo, incluyendo

algunos ejemplos contenidos el IEEE-80, desarrollados en Excel, aplicables a suelos uniformes,que pueden ser utilizados como referencia. Ver Anexo A.

Anexo A: Ejemplos de Calculo de Resistencia de Puesta a Tierra IEEE-142 y IEEE-80.


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Anexo A:Ejemplos de Calculo de Resistencia de Puesta a Tierra

IEEE- 142 y IEEE-80.


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L (Mts)

Diametro

d (Mts)

Coversion

Diametro a

Radio

3,1416 3,048 0,01905 2

Ohmios-Metro Resultados (50 16,07

100 32,14

200 64,27300 96,41

400 128,55

500 160,68

1000 321,37

2000 642,74

Formula

Tomado de Tabla 13 IEEE-142, para una barra

de longitud L y radio a

T

abla

1

Calculo de Resistencia de Puesta a Tierra Una Barra Vertical

Determinar la Resistencia de puesta a tierra, que se puede lograr con base a una electrodo o barra vertical de 10 pies

(3,048 mts.) de longitud (Profundidad), y 3/4 de pulgadas ( 0,01905 mts) de diametro. La resistiv idad (varia segn lo

indicado en la tabla 1.

L (Mts)

Diametro d

(Mts)...

(a = radio)

Separacion S

(Mts)

3,1416 3,048 0,01905 4


100 17,94

200 35,88

300 53,82

400 71,76

500 89,71

1000 179,41

2000 358,82

Calculo de Resistencia de Puesta a Tierra Dos Barras Verticales

Determinar la Resistencia de puesta a tierra, que se puede lograr con base a dos electrodos o barras verticales de 10 pies

(3,048 mts.) de longitud (Profundidad), y 3/4 de pulgadas ( 0,01905 mts) de diametro, con una separacion de 4 mts. La

resistividad (varia segn lo indicado en la tabla 1.

Tabla

1

Tomado de Tabla 13 IEEE-142, para dos barras

de longitud L y radio a y separacion S mayor que

L

Formula


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Conductor Cobre 2/0Diametro

Cond.

Mils

Pulgada 419

L

Diametro

d (Mts)

(a = radio)

S

Longitud

(Mts)

Profundida

d (Mts)

3,1416 50 0,0106426 0,3 100 0,6

Ohmios-Metro esu ta os 50 1,20

100 2,39200 4,79

300 7,18

400 9,57

500 11,97

1000 23,94

2000 47,87

Calculo de Resistencia de Puesta a Tierra Para un Alambre Enterrado

Tomado de Tabla 13 IEEE-142, para un alambre enterrado

de longitud 2L y profundidad S/2

Determinar la Resistencia de puesta a tierra, que se puede lograr con base a un conductor enterrado de 100 mts. de longitud, a una

profundidad de 0,6 Mts., conconductor de cobre desnudo 2/0. La resistividad (varia segn lo indicado en la tabla 1.

Datos Conductor

Tabl

a

1

Formula


Cond.

Mils

Pulgada 419

L h

4900 1540 0,6

Ohmios-Metro Resultados (50

0,35

100 0,69

200 1,38

300 2,08

400 2,77

500 3,46

1000 6,92

2000 13,84

Calculo de Resistencia de Puesta a Tierra Para una Malla Reticulada sin Barras Adicionales

Determinar la Resistencia de puesta a tierra, que se puede lograr para un area de 70x70 Mts ( 4900 Mts2), con base a una malla de

puesta atierra sin barras de tierra, con una cuadricula de 10x10, lo cual equivale a 1540 mts. de conductor enterrado, a una profundidadde 0,6 Mts., conconductor de cobre desnudo 2/0. La resistividad (varia segn lo indicado en la tabla 1.

Datos Conductor

Tabla

1

FormulaTomado de IEEE-80 (Formula 40), para una malla

reticulada con alambre enterrado de longitud L y

profundidad h. El terreno tiene un area A.


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Cond.

Mils

Pulgada 419

Longitud Conductor 1540

h

Cantidad de

Barras

Adicionales

Lonngitud

por Barra

(Mts.)

Lonngitud

Total Barras

adicionales

(Mts.)

Longitud

Total

L (Mts.)

4900 0,6 50 10 500 2040


100 0,68200 1,35

300 2,03

400 2,70

500 3,38

1000 6,76

2000 13,52

Calculo de Resistencia de Puesta a Tierra Para una Malla Reticulada con Barras Adicionales

Determinar la Resistencia de puesta a tierra, que se puede lograr para un area de 70x70 Mts ( 4900 Mts2), con base a una malla de

puesta atierra sin barras de tierra, con una cuadricula de 10x10, lo cual equivale a 1540 mts. de conductor enterrado, a una profundidad

de 0,6 Mts., conconductor de cobre desnudo 2/0. La resistividad (varia segn lo indicado en la tabla 1.

Datos Conductor

Tab

la

1

Formula

Tomado de IEEE-80 (Formula 40), para una malla

reticulada con alambre enterrado de longitud L y

profundidad h. El terreno tiene un area A.

Nota: En los ejemplos anteriores, se puede ver la variacin de la resistencia depuesta a tierra, para un suelo que tiene una resistividad determinada segn

mediciones, que por ejemplo puede ser 400 Ohmios/Centmetro..La cual se ve


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segn resultados, que puede variar desde 128,75 Ohmios, hasta 2,7 Ohmios,para los arreglos planteados, basados en un suelo uniforme.

Otros arreglos, y para suelos de varias capas (No uniformes),tienen solucionesmas complicadas desde el punto de vista matemtico y normalmente se utilizan

programas computarizados para los anlisis correspondientes, que incluyenclculos de potencial de toque y potencial de paso. Estos programas a su vez,efectan anlisis desde el punto de vista econmico de la solucin.

Maracaibo15 -11-2006.

94791107 Consideraciones de Dise o de Puesta a Tierra Para Tanque

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