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ITM. Gil Tobn. Muoz Marn. Protecciones elctricas.
ResumenUn sistema de proteccin bien concebido, esvital para asegurar que la instalacin elctrica opere dentro delos requerimientos y parmetros previstos, para brindarlesseguridad a los equipos, protegiendo una inversin de capitalque casi siempre es grande. Las protecciones elctricas,
permiten aislar las fallas tan rpido como sea posible paraminimizar los daos. Ante la ocurrencia de una falla o de unacondicin anormal, el sistema de proteccin debe ser capaz dedetectar el problema inmediatamente y aislar las secciones
afectadas. La proteccin debe ser lo suficientemente sensiblepara que opere con rapidez. En este paper se presenta en formageneral el rel trmico como proteccin contra sobrecarga y elfusible como instrumento de proteccin contra cortocircuito.
ndice de TrminosFusible, rel trmico Sobrecarga,cortocircuito.
I.INTRODUCCIN
Todos los circuitos tanto alimentadores, circuitos ramales,
acometidas, o bien sea cables y equipos de una instalacinelctrica industrial deben protegerse inexcusablemente, contralos defectos perjudiciales de las sobrecargas y loscortocircuitos. Esta proteccin se realizara mediantedispositivos que sean capaces de producir la desconexin delcircuito que presenta la falla, en un tiempo apropiado, cuandola intensidad sea mayor a la nominal y esta se prolongue porun largo tiempo.
Los dispositivos capaces de cumplir esta funcin son:protecciones contra sobrecargas (rels trmicos) yprotecciones contra cortocircuitos (fusibles).
II. DISPOSITIVOS PARA LAPROTECCCION CONTRA SOBRECCARGAS
(RELE TERMICO)
Se entiende que un circuito est afectado por una sobre cargacuando los valores de sus intensidades alcanzan valores mselevados que las correspondientes a su valor nominal, pero sin
exceder demasiado de el ( de 1.1In a 3In), aparte no seproducen de forma instantnea, permitiendo el circuitoadaptarse a los cambios. No son por lo tanto demasiado
perjudiciales, siempre que su duracin no perita que se alcancetemperaturas inadmisibles en los aislantes de los circuitos. Esms, para una correcta utilizacin de las instalaciones ymaquinas es bueno que los dispositivos de seguridad permitanen cierto modo y durante un tiempo determinado, estassobrecargas, evitndose as desconexiones indebidas que
perjudicaran el normal funcionamiento del arranque de losmotores, por ejemplo.
Esto implica que el dispositivo de proteccin contrasobrecargas sea inteligente, es decir que permita el paso deintensidades bajas durante un cierto tiempo y, en cambio, conintensidades peligrosas actu con rapidez. a estos dispositivosse les denomina de tiempo-dependiente o caractersticatrmica inversa. Ya que a mayor temperatura (mayorintensidad) el tiempo de disparo decrece. Normalmente eldispositivo mide el calentamiento indirectamente mediante elcontrol de la intensidad que recorre el circuito. Un ejemplo deeste tipo de dispositivitos es el rel trmico. [ 1 ]
A. Definicin
Son dispositivos que reaccionan ante sobreintensidades acausa de una sobrecarga ligeramente superiores a la nominal,asegurando una desconexin en un tiempo lo suficientementecorto para no perjudicar ni a la red ni a los receptoresasociados con l. En la figura 1, se muestra un rel trmicoLR3D3361 DE 55-70-CLASE 10A.
Figura 1.Rele trmico LR3D3361 DE 55-70-CLASE 10Aschneider-electricTomado de:http://http://www.ops-ecat.schneider-electric.com/ecatalogue
Derivado del curso de Instalaciones Elctricas Industriales II. 2013
Gil Tobn, Jesid ArturoMuoz Marn, Mauricio Andres
Instituto Tecnolgico Metropolitano ITMInstitucin Universitaria
Rels trmicos y Fusibles, como elementos deproteccin
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B. Principio de funcionamiento
El principio de funcionamiento del rel trmico se basa en ladeformacin de ciertos materiales (bimetales) que bajo elefecto del calor. Cuando alcanzan una temperatura
determinada, acciona el sistema de de contactos del rel, loque permite gobernar la maniobra del sistema arrancador.
Los rels trmicos por ejemplo los tripolares poseen tresbilminas compuestas cada una por dos metales concoeficientes de dilatacin muy diferentes unidos mediantelaminacin y rodeadas de un bobinado de calentamiento figura2. Cada bobinado de calentamiento est conectado en serie auna fase del motor. La corriente absorbida por el motorcalienta los bobinados, haciendo que las bilminas sedeformen en mayor o menor grado segn la intensidad dedicha corriente. La deformacin de las bilminas provoca a suvez el movimiento giratorio de una leva o de un rbol unido aldispositivo de disparo.
Si la corriente absorbida por el receptor supera el valor dereglaje del rel, las bilminas se deformarn lo bastante como
para que la pieza a la que estn unidas las partes mviles delos contactos se libere del tope de sujecin. Este movimientocausa la apertura brusca del contacto del rel intercalado en elcircuito de la bobina del contactor y el cierre del contacto desealizacin. El rearme no ser posible hasta que se enfren las
bilminas. [ 2 ]
Figura 2.Despiece Rele trmico LR2-D tripolarTomado de:http://www.schneider-electric.com.co/documents/soporte/telesquemario.pdf
C. Compensacin de la temperatura ambiente
La curvatura que adoptan las bilminas no slo se debe alcalentamiento que provoca la corriente que circula en lasfases, sino tambin a los cambios de la temperatura ambiente.
Este factor ambiental se corrige con una bilmina decompensacin sensible nicamente a los cambios de latemperatura ambiente y que est montada en oposicin a las
bilminas principales.
Cuando no hay corriente, la curvatura de las bilminas se debea la temperatura ambiente. Esta curvatura se corrige con la dela bilmina de compensacin, de forma tal que los cambios dela temperatura ambiente no afecten a la posicin del tope desujecin. Por lo tanto, la curvatura causada por la corriente esla nica que puede mover el tope provocando el disparo.
Los rels trmicos compensados son insensibles a los cambios
de la temperatura ambiente, normalmente comprendidos entre40 C y + 60 C.
Figura 3.Principio de compensacin de la temperatura ambiente para unrel trmico.
Tomado de:http://www.schneider-electric.com.co/documents/soporte/telesquemario.pdf
D. Reglaje
Los rels se regulan con un pulsador que modifica el recorridoangular que efecta el extremo de la bilmina decompensacin para liberarse del dispositivo de sujecin quemantiene el rel en posicin armada.
La rueda graduada en amperios permite regular el rel conmucha precisin. La corriente lmite de disparo estcomprendida entre 1,05 y 1,20 veces el valor indicado.
Figura 4.Rueda graduada parareglaje en rele trmico
LR2D3561 DE 55-70A-CLASE20schneider-electric
Tomado de:http://http://www.ops-ecat.schneider-electric.com/ecatalogue
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E. Deteccin de una prdida de fase
Este dispositivo provoca el disparo del rel en caso deausencia de corriente en una fase (funcionamientomonofsico). Lo componen dos regletas que se mueven
solidariamente con las bilminas. La bilmina correspondientea la fase no alimentada no se deforma y bloquea elmovimiento de una de las dos regletas, provocando el disparo.
Los receptores alimentados en corriente monofsica ocontinua se pueden proteger instalando en serie dos bilminasque permiten utilizar rels sensibles a una prdida de fase.
Para este tipo de aplicaciones, tambin existen rels nosensibles a una prdida de fase
Figura 5.Principio de deteccin de una perdida de fase para un rel trmico.Tomado de:http://www.schneider-electric.com.co/documents/soporte/telesquemario.pdf
F. Clases de disparo
Los rels trmicos se utilizan para proteger los motores de lassobrecargas, pero durante la fase de arranque deben permitirque pase la sobrecarga temporal que provoca el pico decorriente, y activarse nicamente si dicho pico, es decir laduracin del arranque, resulta excesivamente larga.
La duracin del arranque normal del motor es distinta paracada aplicacin; puede ser de tan slo unos segundos(arranque en vaco, bajo par resistente de la mquinaarrastrada, etc.) o de varias decenas de segundos (mquinaarrastrada con mucha inercia), por lo que es necesario contarcon rels adaptados a la duracin de arranque.
La norma IEC 947-4-1-1 responde a esta necesidad definiendotres tipos de disparo para los rels de proteccin trmica:
Tabla. I.Tiempo de disparo segn la normaIEC 947-4-1-1 para un reltrmico.
Tomado de:http://www.schneider-electric.com.co/documents/soporte/telesquemario.pdf
- Rels de clase 10: Vlidos para todas las aplicacionescorrientes con una duracin de arranque inferior a 10segundos.
- Rels de clase 20: Admiten arranques de hasta 20segundos de duracin.
- Rels de clase 30: Para arranques con un mximo de
30 segundos de duracin.
En la figura 6, podemos observar, los diferentes tipos dedisparo de un rele trmico segn su clase.
Figura 6.Curvas de disparo de los rels trmicos.Tomado de:http://www.schneider-electric.com.co/documents/soporte/telesquemario.pdf
G. Modos de rearme
El rel de proteccin se puede adaptar fcilmente a lasdiversas condiciones de explotacin eligiendo el modo derearme Manual o Auto (dispositivo de seleccin situado en la
parte frontal del rel, figura 7), que permite tresprocedimientos de rearranque:
Figura 7. Boton de rearme en unrele trmico LR3D332 DE 23-32A-CLASE 10Aschneider-
electricTomado de:http://http://www.ops-
ecat.schneider-electric.com/ecatalogue
- En los automatismos complejos, el rearranquerequiere la presencia de un operario por motivos dendole tcnica y de seguridad: rearme Auto, Figura
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8a. Tambin se recomienda este tipo de esquema paralos equipos de difcil acceso.
- las mquinas simples que pueden funcionar sincontrol especial y consideradas no peligrosas(bombas, climatizadores, etc.) se pueden rearrancarautomticamente cuando se enfran las bilminas:rearme Auto. Figura 8b.
- Por motivos de seguridad, las operaciones de rearmedel rel en funcionamiento local y de arranque de lamquina debe realizarlas obligatoriamente el personalcualificado. Figura 8c
Figura 8.Rearme de los rels trmicos.Tomado de:http://www.schneider-electric.com.co/documents/soporte/telesquemario.pdf
H. Asociacin con un contactor
El rel trmico por s solo, no puede realizar la desconexin delos equipos al momento de que se presente una sobrecarga,
para esto debe trabajar en combinacin con un contactor.Figura 9. De manera que el contacto de apertura del rel debe
Conectarse en serie dentro del circuito de la bobina delcontactor que controla la puesta bajo tensin del receptor.
Figura 9.Asociacin del rel trmico con elTomado de:http://www.electrosector.com/wp-content/ftp/descargas/rele.pdf
III. DISPOSITIVOS PARA LAPROTECCCION CONTRA CORTOCIRCUITOS
(FUSIBLE)
Un cortocircuito es el contacto directo de dos puntos conpotenciales elctricos distintos:
- En corriente alterna: contacto entre fases, entre fase yneutro o entre fases y masa conductora,
- en corriente continua: contacto entre los dos polos oentre la masa y el polo aislado.
Las causas pueden ser varias: cables rotos, flojos o pelados,presencia de cuerpos metlicos extraos, depsitosconductores (polvo, humedad, etc.), filtraciones de agua o deotros lquidos conductores, deterioro del receptor o error decableado durante la puesta en marcha o durante unamanipulacin.
El cortocircuito desencadena un brutal aumento de corriente
que en milsimas de segundo puede alcanzar un valor cienveces superior al valor de la corriente de empleo. Dichacorriente genera efectos electrodinmicos y trmicos que
pueden daar gravemente el equipo, los cables y los juegos debarras situados aguas arriba del punto de cortocircuito.
Por lo tanto, es preciso que los dispositivos de proteccindetecten el fallo e interrumpan el circuito rpidamente, a ser
posible antes de que la corriente alcance su valor mximo.Dichos dispositivos pueden ser los fusibles, que interrumpenel circuito al fundirse, por lo que deben ser sustituidos,
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A. Definicin
Los fusibles son el sistema ms antiguo de proteccin contrafallos elctricos. Estos dispositivos han perdurado a travs deltiempo gracias a unas innegables ventajas:
- Son de construccin rpida y sencilla.- Tienen un bajo coste.- Son muy rpidos (hasta 5 ms)- Dispone de valores de ruptura muy altos (hasta
100KA)
Presentan no obstante, algn inconveniente:
- Cada defecto provoca la ruptura o destruccin delfusible, y por lo tanto, debe sustituirse elcomponente.
- Es difcil su calibracin temporal, siendoprcticamente imposible obtener respuestas precisas
con ellos.
El fusible es un aparato de conexin que tiene como misin elabrir el circuito en el que esta instalado, por fusin de unovarios elementos destinados y diseados para este fin,cortando la corriente cuando excede de un determinado valor
preestablecido. [ 3 ]
B. Partes de un fusible
Un fusible convencional consta de:
- Base portafusiles: es la parte fija provista de bornesdestinados a ser conectados a la red y que comprendetodos los elementos que aseguran su aislamiento.
Figura 10.Bases portafusibles marca Bussman
Tomado de: http://www1.cooperbussmann.com/pdf/d391e103-9042-41f0-b58d-23c7ad50da1d.pdf
- Cartucho fusible: comprende el elemento oelementos fusibles, que es necesario sustituir por otronuevo despus del funcionamiento del cortocircuito yantes de que este sea puesto de nuevo en servicio.
Figura 11. a. Fusible cilindrico b. Fusible con contacto de rosca. c. Fusiblecon contacto de cuchillas.
Tomado de: http://www1.cooperbussmann.com/pdf/d391e103-9042-41f0-b58d-23c7ad50da1d.pdf
C. Clasificacin de los fusibles corta circuitos
Fusibles distribucin tipo gG (1): Protegen a la vez contra
los cortocircuitos y contra las sobrecargas a los circuitos conpicos de corriente poco elevados (ejemplo: circuitosresistivos). Normalmente deben tener un calibreinmediatamente superior a la corriente del circuito protegido a
plena carga.
Fusibles motor tipo aM: Protegen contra los cortocircuitosa los circuitos sometidos a picos de corriente elevados (picosmagnetizantes en la puesta bajo tensin de los primarios detransformadores o electroimanes, picos de arranque demotores asncronos, etc.). Las caractersticas de fusin de losfusibles aM dejan pasar las sobreintensidades, pero no
ofrecen ninguna proteccin contra las sobrecargas. En caso deque tambin sea necesario este tipo de proteccin, debeemplearse otro dispositivo (por ejemplo, un rel trmico).
Normalmente deben tener un calibre inmediatamente superiora la corriente del circuito protegido a plena carga
Dispositivo de proteccin contra funcionamiento monofsico
(dpfm): Se puede instalar en un portafusibles multipolar o enun seccionador portafusibles. Requiere fusibles con percutor(o indicadores de fusin).
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a b c
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Se trata de un dispositivo mecnico que se acciona mediante elpercutor liberado cuando se funde un fusible. Controla laapertura de un contacto conectado en serie con la bobina delcontactor. De este modo, queda garantizada la cada delcontactor, es decir, la desconexin del receptor, incluso si slose funde un fusible. Tambin est disponible un contacto decierre suplementario para sealizar el fallo a distancia.
D. Funcionamiento
El funcionamiento del fusible es sencillo; cuando unaintensidad dentro de los valores nominales pasa por elfilamento del fusible, el hilo del filamento evacuara el excesode calor producido por el paso de la intensidad sin problemas.
Cuando la intensidad llegue a valores superiores a su valornominal, no se podr evacuar este calor, producindose lafusin del hilo del fusible (Tiempo de prearco, que dependede la intensidad del circuito).
En este punto el fenmeno es ya irreversible, pero la corrienteno cesa de forma inmediata, si no que se prolonga durante untiempo al que se denomina Tiempo de arco, este tiempo esdirectamente proporcional a la tensin del circuito.
El tiempo total es la suma de los dos anteriores, siendo eltiempo que tarda en desaparecer completamente la corriente.
E. Curva de proteccin del fusible
Las caractersticas de un fusible varan de acuerdo al materialusado. El tiempo y la intensidad mnima de fusin del fusibledependen del ambiente y de la intensidad de la corriente en elinstante anterior a la sobrecarga o cortocircuito. [ 4 ]
La curva caracterstica de un fusible est formada por lassiguientes partes, figura 11:
- Curva de tiempo mnimo de fusin: Es la relacinde la corriente con el tiempo mnimo al cual se fundeel fusible.
- Curva de tiempo mximo de fusin: Se obtieneadicionando un margen de tolerancia en corriente, ala curva de tiempo mnimo de fusin.
Figura 12.Ejemplo de curva caracterstica de un fusibleTomado de: Harper Enrquez, gua prctica para el clculo de instalaciones elctricas
IV. EJEMPLO DE COORDINACIN DEPROTECCIONES
Para ilustrar con un ejemplo realsobre el clculo de protecciones,tales como rels trmicos yfusibles, se tomara el alimentadorA3, figura 12, de una instalacinelctrica industrial perteneciente ala empresa Forjas Bolvar S.A.S
Este alimentador, suministraconexin a los ramales CR9,CR10, CR11, CR12. Los cualestienen instalados los motores
M10, M11, M12, M13,respectivamente.
Figura 12.Alimentador A3, instalacin elctrica empresa Forjas BolvarS.A.S
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Las especificaciones de este circuito alimentador, se muestran
en la tabla II.
N MotorP
(hp)
SNCR
(KVA)
VcR
(V)
SistemaIN
(A)
IA1
(A)
A3
M1015 15,49 220 3
40,65
101,28M11
10 10,97 220 328,7
9
M1210 10,97 220 3
28,79
M13 1 1,17 220 3 3,06
Tabla. II. Caractersticas de funcionamiento motores asociados alalimentador A3.
A. Corriente de proteccin
La Ip (corriente de proteccin), para cada circuito ramal esta
dado por la expresin: 1
N MotorIN
(A)
IP
(A)Cond. Fases
Cap. Cond
(A)
THHN/THWN
A3
M10
40,6
5 50,81 3N 6 AWG 75
M1128,7
9 35,99 3N 10 AWG 40
M1228,7
9 35,99 3N 10 AWG 40M13 3,06 3,82 3N 14 AWG 25
Tabla. III. Corriente de proteccin motores asociados al alimentador A3.
Basados en la Ip seleccionamos el rel trmico para cadamotor.
Motor M10: Escogemos rel trmico MOELLER ZB65-
40...57 A Class 10.Motor M11-M12: Escogemos rel trmico MOELLERZB150- 35...50 A Class 10
Motor M13: Escogemos rel trmico MOELLER ZB12-2.4...4 A Class 10.
1 Segn norma NTC 2050. para motores > 1 HP y de servicio continuo,seccin 430-32a.
B. Seleccin proteccin contra cortocircuito
Tomando como base la tabla 430.152 de la norma 2050, tablaIV. y los factores de servicio de los motores conectados alalimentador A3
Tabla. IV Tabla 430-152 NTC2050. Intensidad mxima admisible o dedisparo de los dispositivos de proteccin de los circuitos derivados demotores contra cortocircuito y faltas a tierra.
La corriente de cortocircuito, dado que los motores M10,M11,M12 y M13 son de rotor bobinado y que se va a utilizar
fusibles sin retardo, la corriente de cortocircuito para cadamotor est dada por la siguiente expresin:
MotorIN
(A)
Icc
(A)
M10 40,65 60,98M11 28,79 43,19M12 28,79 43,19M13 3,06 4,59
Tabla. VI. Corriente de cortocircuito motores asociados al alimentador A3.
De manera que basados en la Icc de cada motor,seleccionamos el fusible.
Motor M10: Escogemos un fusible MOELLERZ-DIII/SE-63A/DZ
Motor M11-M12: Escogemos un fusible MOELLERZ-DIII/SE-40A/DZ. En este caso el fusible debera ser de 50 A,pero como el conductor de estos motores es 3N 10 AWG, suresistencia mxima es de 40 A. por esta razn se escoge la
proteccin para 40A.
Motor M13: Escogemos un fusible MOELLERZ-DIII/SE-6A/DZ
C. Seleccin de la proteccin del alimentador
La Ipp (corriente de proteccin), Del alimentador esta dadopor la expresin:
)()( += esotrosmotorInemotorgrandIpIpp
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Ipp = 63 A + 28.79 A + 28.79 A + 3.89 AIpp = 124.47 A
De manera que el fusible adecuado para el alimentador A3 esMOELLER Z-DIII/SE-125A/DZ.
D. Curvas de disparo
Motor M10
Grafica1. Curva de disparo rel trmicoMOELLER ZB65- 40...57 A Class10 y fusibleMOELLER Z-DIII/SE-63A/DZ. Grafica realizada en "MoellerCurve Select" V1.05
En la grafica 1. Podemos observar que para el motor M10, sise presentara un fallo por sobrecarga por encima de lacorriente de reglaje del rel (Ir =50.81 A), el rel trmico se
disparara, en un tiempo determinado segn el valor de laintensidad presentada.
Motor M11-12
Grafica 2. Curva de disparo rel trmicoZB150- 35...50 A Class 10 yfusibleMOELLER Z-DIII/SE-50A/DZ. Grafica realizada en "Moeller CurveSelect" V1.05
Motor M13.
Grafica 3. Curva de disparo rel trmicoMOELLER ZB12- 2.4...4 A Class10 y fusibleMOELLER Z-DIII/SE-6A/DZ. Grafica realizada en "MoellerCurve Select" V1.05En la grafica 2. Podemos observar que para el motor M11 yM12, si se presentara un fallo por sobrecarga por encima de la
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corriente de reglaje del rel (Ir =35.99 A), el rel trmico sedisparara, en un tiempo determinado segn el valor de laintensidad presentada.
Del mismo modo en la grafica 3. Podemos observar que parael motor M13, si se presentara un fallo por sobrecarga porencima de la corriente de reglaje del rel (Ir =3.8 A), el rel
trmico se disparara, en un tiempo determinado segn el valorde la intensidad presentada.
V. OBSERVACIONES
Toda Instalacin elctrica Industrial debe cumplir con variosrequisitos indispensables para prestar un servicio con nivelesaltos de calidad y seguridad. Esto en parte se cumple mediantela aplicacin de normas y procedimientos muy precisosdurante las etapas de planeamiento, diseo, construccin yoperacin. Dichos sistemas quedarn expuestos a fallas cuyascausas son mltiples, que adems de provocar daos severosson muchas veces impredecibles, por lo que es necesario
proporcionarle a dichos sistemas los esquemas de proteccinadecuados de acuerdo a la dinmica de funcionamiento de lainstalacin elctrica industrial. Estos equipos de proteccindeben estar debidamente calibrados con el fin de minimizarlos efectos de las fallas, los tiempos de interrupcin y mejorarla continuidad del servicio.
El objetivo fundamental de las Proteccin elctricas es evitar olimitar las consecuencias destructivas o peligrosas de lassobrecorrientes (Debido a sobrecargas, cortocircuitos, y fallasde aislamiento), adems estas protecciones separar el circuito
defectuoso del resto de la instalacin.
Como regla general, hay que tener en cuanta siempre que debeinstalarse un dispositivo de proteccin contra las corrientes desobrecarga y cortocircuito para todos los conductores de fasede un circuito elctrico. Si la desconexin de una sola fase
puede causar daos, como por ejemplo en el caso de losmotores trifsicos, se recomienda utilizar dispositivos de
proteccin multipolares.
VI. TRABAJOS CITADOS
[ 1 ] Ramn M Mujal Rosas, Tanologa Elctrica, Segundaedicin ed. Barcelona, Espaa: UPC, 2003
[2] schneider-electric. (2013, Mayo) Telesquemario.Tecnologas de Control Industrial. [Online].
http://www.schneider-electric.com.co/documents/soporte/telesquemario.pdf
[ 3 ] Ramn M Mujal Rosas, Tanologa Elctrica, Segunda
edicin ed. Barcelona, Espaa: UPC, 2003.
[ 4 ] Harper enriquez, guia practica para el calculo deinstalaciones electricas, Editorial Limusa, Mexico, 2004
AUTORES
Jesid Arturo Gil Tobn. Estudiante Ing.Electromecnica X semestre, Instituto TecnolgicoMetropolitano ITM (Institucin Universitaria).Tecnlogo Mecnico. Institucin Universitaria Pascual Bravo(2003).
Mauricio Andrs Muoz Marn. Estudiante Ing.Electromecnica X semestre, Instituto TecnolgicoMetropolitano ITM (Institucin Universitaria).Tecnlogo Electromecnico. Instituto TecnolgicoMetropolitano ITM (Institucin Universitaria). (2009).Tecnlogo mecnico. Institucin Universitaria. PascualBravo (2003).
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