puesta a tierra
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UNIVERSIDAD SEÑOR DE SIPÁNESCUELA DE INGENIERIA CIVIL
INSTALACIONES ELÉCTRICAS
TEMA: SISTEMA DE PUESTA A TIERRA
DOCENTE:
ING. PEDRO BALLENA DEL RIO
ALUMNO:
CRISTIAN FALEN PUICÓN
CICLO:V
15 DE MAYO DE 2014
UNIVERSIDAD SEÑOR DE SIPÁN 2015
SISTEMA DE PUESTA A TIERRA
Los sistemas de protección y los sistemas de puesta a tierra (SPAT), requieren una dedicada
revisión y diseño, por ser la base fundamental ó soporte de todos nuestros sistemas de referencias
en operación, protección y único sumidero de perturbaciones no deseadas en nuestras
instalaciones, único medio capaz de garantizar el resguardo de la estructura física y del personal,
en pro de la calidad del servicio, en una sociedad altamente competitiva.
Puede ser considerado como la espina dorsal del sistema de seguridad eléctrica. Está compuesto
por un conjunto de elementos que permiten vincular con tierra el conductor de protección. Esta
toma se realiza mediante electrodos, dispersores, placas, cables, alambres, mallas metálicas, cuya
configuración y materiales cumplan con las normas respectivas.
Un sistema de puesta a tierra consiste en la conexión de equipos eléctricos y electrónicos a tierra,
para evitar que se dañen nuestros equipos en caso de una corriente transitoria peligrosa.
INSTALACIONES ELÉCTRICAS SISTEMA DE PUESTA A TIERRA
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E SCE NARIO DE LOS SISTE M AS DE PUE STA A T IE RRA
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IMPORTANCIA SISTEMA PUESTA A TIERRA
El interruptor diferencial no es suficiente. Cuando una instalación eléctrica no es segura pueden
existir fugas de corriente de aparatos defectuosos a través de nuestro cuerpo hacia la tierra. Este
pasaje de corriente por nuestro cuerpo produce sensaciones que pueden ir desde un ligero
cosquilleo hasta la muerte.
La colocación de un interruptor diferencial en la instalación permite interrumpir el flujo de
corriente cuando se detecta esta fuga.
Pero el interruptor diferencial actúa luego que detecta la fuga de corriente (una vez que ya esta
pasando por nuestro cuerpo), por eso, y a pesar que el tiempo de corte sea muy pequeño (lo
recomendable es que no supere los 30 seg.) antes que el interruptor diferencial accione, ya hemos
recibido la descarga.
Una puesta a tierra adecuada (con una resistencia menor a 10 ohms y un conductor de 2,5mm2),
permite que cualquier fuga que se produzca busque la tierra como destino en forma inmediata y
evitando así una descarga sobre quien, accidentalmente, entre en contacto con un equipo
defectuoso.
Los fenómenos fisiológicos que produce la corriente eléctrica en el organismo humano dependen
del valor de la intensidad de la corriente, tiempo de duración del contacto, callosidad, sexo,
estado de epidermis, peso, altura, estado de animo, estado del punto de contacto a tierra.
OBJETIVO DE UN SISTEMA PUESTA A TIERRA
Brindar seguridad a las personas.
Proteger las instalaciones, equipos y bienes en general, al facilitar y garantizar la correcta
operación de los dispositivos de protección.
Establecer la permanencia, de un potencial de referencia, al estabilizar la tensión eléctrica
a tierra, bajo condiciones normales de operación.
ELEMENTOS DE UN SISTEMA PUESTA A TIERRA
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Tomas de tierra.
Las tomas de tierra están formadas por los siguientes elementos:
Electrodos:
Los electrodos son elementos metálicos que permanecen en contacto directo con el
terreno. Los electrodos estarán construidos con materiales inalterables a la humedad y a la acción
química del terreno, es por ello que suelen usar materiales tales como el cobre, el acero
galvanizado y el hierro zincado.
Según su estructura, los electrodos pueden ser:
Placas: serán placas de cobre o hierro zincado, de al menos 4 mm de grosor, y una
superficie útil nunca inferior a 0.5 m2. Se colocarán enterradas en posición vertical, de modo que
su arista superior quede, como mínimo, a 50 cm bajo la superficie del terreno. En caso de ser
necesarias varias placas, están se colocarán separadas a una distancia de 3 m entre ellas.
Picas: pueden estar formadas por tubos de acero zincado de 60 mm de diámetro mínimo,
o de cobre de 14 mm de diámetro, y con unas longitudes nunca inferiores a los 2 m. En el caso de
ser necesarias varias picas, la distancia entre ellas será, al menos, igual a la longitud.
Conductores enterrados: se usarán cables de cobre desnudo de al menos 35 mm2 de
sección, o cables de acero galvanizado de un mínimo de 2.5 mm de diámetro. Estos electrodos
deberán enterrarse horizontalmente a una profundidad no inferior a los 50 cm.
Mallas metálicas: formadas por electrodos simples del mismo tipo unidos entre sí y
situados bajo tierra.
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En todos los casos, la sección del electrodo debe ser tal que ofrezca menor resistencia que la el
conductor de las líneas principales de tierra. Puesto que la resistencia del electrodo depende de su
forma, de sus dimensiones y de la resistividad del terreno.
Como la tierra no tiene la misma resistividad en todos los puntos, pueden existir distintos
potenciales entre dos placas de metal enterradas. Por eso en un sistema de protección formado
por múltiples placas, conectadas entre sí mediante una malla, se pueden originar campos
electromagnéticos generados por la corriente de descargas a través del pararrayos y los electrodos
de la toma de tierra. Además, con la caída de un rayo en las inmediaciones de un edificio, y fluir
la corriente de descarga por la tierra, esta diferencia de potencial entre las tomas de tierra hará
que por la malla circule una corriente, que puede crear campos eléctricos y magnéticos que
afectarán negativamente a los aparatos electrónicos que se encuentren en el edificio.
Para intentar reducir estos efectos, será necesario hacer uso de protecciones secundarias.
Valores de resistividad de algunos materiales
NATURALEZA DEL TERRENO RESISTIVIDAD EN OHM*MTerrenos pantanosos de algunas unidades a 30Limo 20 a 100Humus 10 a 150Turba húmeda 5 a 100Arcilla plástica 50Margas y arcillas compactas 100 a 200Margas del jurásico 30 a 40Arena arcillosa 50 a 500Arena silícea 200 a 3.000Suelo pedregoso cubierto de césped 300 a 500Suelo pedregoso desnudo 1500 a 3.000Calizas blandas 100 a 300Calizas compactas 1000 a 5000Calizas agrietadas 500 a 1000Pizarras. 50 a 300Rocas de mica y cuarzo 800Granitos y gres procedente de alteración 1.500 a 10.000Granitos y gres muy alterados 100 a 600
Valores de resistividad de algunos suelos
Naturaleza del terreno Valor medio de la resistividad en Ohm*mTerrenos cultivables y fértiles, terraplenes compactos y húmedos
50
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Terraplenes cultivables poco fértiles y terraplenes 500Suelos pedregosos desnudos, arenas secas permeables. 3.000
Anillos de enlace.
El anillo de enlace con tierra está formado por un conjunto de conductores que unen entre
sí los electrodos, así como con los puntos de puesta a tierra. Suelen ser de cobre de al menos 35
mm2 de sección.
Punto de puesta a tierra.
Un punto de puesta a tierra es un punto, generalmente situado dentro de una cámara, que
sirve de unión entre el anillo de enlace y las líneas principales de tierra.
Líneas principales de tierra.
Son los conductores que unen al pararrayos con los puntos de puesta a tierra. Por
seguridad, deberá haber al menos dos trayectorias (conductores) a tierra por cada pararrayos para
asegurar una buena conexión.
Así mismo, se deben conectar a los puntos de toma de tierra todas las tuberías metálicas
de agua y gas, así como canalones y cubiertas metálicas que pudieran ser alcanzadas por un rayo.
Para reducir los efectos inducidos, estos conductores estarán separados un mínimo de 30
m, y cualquier parte metálica del edificio no conductora de corriente estará a un mínimo de 18 m.
SISTEMAS DE DISTRIBUCION DE ENERGIA ELECTRICA.
Los sistemas eléctricos de potencia, desde el punto de vista de su conexión con respecto a
tierra, pueden clasificarse en:
Sistemas aislados.
Los sistemas aislados no tienen una conexión intencional a tierra. Cabe destacar que la
conexión a tierra en sistemas aislados se hace a través de caminos de alta impedancia, como son
las capacidades distribuidas de los alimentadores (cables y líneas aéreas) y a través de las
impedancias de los pararrayos. La principal característica de este tipo de sistema son las
bajísimas corrientes de cortocircuito monofásico que presentan, en caso de existir una falla en el
sistema. Por esta razón es necesario disponer de protecciones especiales, muy sensibles que
puedan detectar la presencia de una falla monofásica del orden de miliamperes. El retorno de la
corriente de falla monofásica en sistemas aislados se produce a través de capacidades distribuidas
de los cables y de las líneas. La principal ventaja de estos sistemas, es la mayor continuidad de
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servicio que se logra, ya que pueden seguir operando en la presencia de una falla monofásica. Sin
embargo, son más las desventajas que presentan los sistemas aislados, razón por la cual son poco
utilizados en la actualidad.
Desde el punto de vista de la continuidad de servicio, los sistemas aislados no presentan
más ventaja que los sistemas aterrizados a través de alta resistencia, con la diferencia que en estos
últimos, las tensiones pueden limitarse. Una forma de detectar la existencia de fallas monofásicas
en sistemas aislados, es conectando voltímetros entre fase y tierra. Estos dispositivos son capaces
de detectar la fase dañada, pero no de ubicar el punto de falla.
Sistemas aterrizados.
Los sistemas aterrizados se caracterizan por tener el neutro de los transformadores o
generadores conectados a tierra. Estos sistemas no presentan el inconveniente de sobretensiones
mencionado en el sistema aislado, ya que cuando se produce un cortocircuito monofásico, éste es
detectado inmediatamente por las protecciones de sobrecorriente residual y por lo tanto,
despejado rápidamente.
La conexión a tierra puede realizarse de distintas maneras, distinguiéndose principalmente
las siguientes:
a) Sólidamente aterrizados.
b) Resistencia de bajo valor.
c) Resistencia de alto valor.
d) Reactor.
e) Bobina Petersen.
Los sistemas aterrizados, protegen la vida útil de la aislación de motores, transformadores
y otros componentes de un sistema. Los sistemas aterrizados, al garantizar una corriente de falla
elevada permiten utilizar protecciones rápidas y seguras que despejen las fallas a tierra en un
tiempo no mayor a 5 seg.
La resistencia del neutro, tiene limitada su capacidad de corriente, definida por el tiempo que
dura la corriente que pasa por ella, siendo su máximo de 10 segundos. La tensión de resistencia
corresponde a la tensión entre fase y neutro del sistema. La corriente corresponde al valor de
corriente que fluirá por la resistencia durante el cortocircuito con la tensión nominal aplicada.
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TIPOS DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA
De acuerdo a su aplicación los sistemas de puesta a tierra son:
Puesta a tierra para sistemas eléctricos.
Puesta a tierra de los equipos eléctricos.
Puesta a tierra en señales electrónicas.
Puesta a tierra de protección electrónica
Puesta a tierra de protección atmosférica
Puesta a tierra para sistemas eléctricos: El propósito de aterrar los sistemas eléctricos es
limitar cualquier voltaje elevado que pueda resultar de rayos, fenómenos de inducción o
de contactos no intencionales con cables de voltajes más altos. Esto se realiza mediante un
conductor apropiado a la corriente de falla a tierra total del sistema, como parte del
sistema eléctrico conectado al planeta tierra.
Puesta a tierra de los equipos eléctricos. Su propósito es eliminar los potenciales de toque
que pudieran poner en peligro la vida y las propiedades, de forma que operen las
protecciones por sobrecorriente de los equipos.
Puesta a tierra en señales electrónicas. Para evitar la contaminación con señales en
frecuencias diferentes a la deseada. Se logra mediante blindajes de todo tipo conectados a
una referencia cero o a tierra.
Puesta a tierra de protección electrónica. Para evitar la destrucción de los elementos
semiconductores por sobre voltajes, se colocan dispositivos de protección de forma de
limitar los picos de sobré tensión conectados entre los conductores activos y tierra.
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Puesta a tierra de protección atmosférica. Como su nombre lo indica, se destina para
drenar a tierra las corrientes producidas por descargas atmosféricas (RAYOS) sin mayores
daños a personas y propiedades.
Puesta a tierra de protección electrostática. Sirve para neutralizar las cargas
electroestáticas producidas en los materiales dieléctricos. Se logra uniendo todas las
partes metálicas y dieléctricas, utilizando el planeta tierra como referencia de voltaje cero.
Como pudo apreciar anteriormente cada sistema de tierras debe cerrar únicamente el
circuito eléctrico que le corresponde.
Puesta a tierra para sistemas eléctricos. Los sistemas eléctricos se conectan a tierra con el
fin de limitar la tensión que pudiera aparecer en ellos, por estar expuestos a descargas
atmosféricas, por interconexión en casos de fallas con sistemas de conexiones superiores,
o bien, para limitar el potencial máximo con respecta a tierra, producto por la tensión
nominal del sistema. Este tipo de conexión se denominará Tierra de Servicio.
Se conectarán a tierra los elementos de la instalación necesarios como son:
a) Los neutros de los transformadores, que lo precisan en instalaciones o redes con
neutro a tierra de forma directa o a través de resistencias o bobinas.
b) El neutro de los alternadores y otros aparatos o equipos que lo precisen.
c) Los circuitos de baja tensión de transformadores de medida.
d) Los limitadores, descargadores, autoválvulas, pararrayos, para eliminación de
sobretensiones o descargas atmosféricas.
e) Los elementos de derivación a tierra de los seccionadores de puesta a tierra.
Puesta a tierra de protección: Es la conexión de los equipos electrónicos a tierra para
evitar que la carcasa o cubierta metálica de ellos represente un potencial que pueda
significar un peligro para el operario u usuario del equipo.
Puesta a Tierra provisoria: Cuando se establece tierra provisoria para trabajar en líneas o
equipos, debe tener presente que, en general, las Tierras de tirabuzón o la de las
estructuras, son tierra de alta resistencia y, por lo tanto, se producen fuertes elevaciones de
potencial al circular corriente en ellas.
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PROBLEMAS TÍPICOS EN LOS SISTEMAS PUESTA A TIERRA
Los problemas más comunes en los sistemas de puesta a tierra son las sobretensiones
(provocadas por la caída de rayos, conmutaciones, etc.), microcortes, subidas y bajadas de
tensión, caídas de tensión, fallos de suministro y variaciones de frecuencia.
Las compañías suministradoras del fluido eléctrico normalmente tienen la misión de
controlar el voltaje y frecuencia nominales del suministro. Sin embargo, regularmente la
presencia de transitorios de muchos tipos hacen fluctuar los valores medios de éstas.
Fluctuaciones lentas de la tensión: Los incrementos o disminuciones graduales en la carga
de los sistemas de distribución eléctrica pueden causar cambios graduales de voltaje en
intervalos entre 15 segundos a varios minutos. Cambios excesivos causan errores lógicos,
daños, degradación de los componentes y paros imprevistos. Los efectos son normalmente
nefastos en áreas rurales, cerca de grandes cargas y en áreas donde el servicio comprende
sólo una línea de distribución. La solución comprende normalmente la instalación de un
sistema electrónico estabilizador de tensión.
Bajadas y subidas de tensión: La presencia de cargas puntuales como aparatos de aire
acondicionado, motores, etc., puede causar cambios en voltaje durante periodos entre 0,1
a 15 segundos. Los estabilizadores son la respuesta más económica a esta problemática.
Aproximadamente de un 10 al 15% de todas las perturbaciones son subidas y bajadas de
tensión mayores a 0,1 segundos de duración.
Interrupciones del suministro eléctrico: en muchas instalaciones eléctricas de ordenadores
y comunicaciones, la pérdida del suministro eléctrico puede ser económica o físicamente
catastrófica. La única solución fiable frente a estas pérdidas la constituyen las fuentes de
alimentación ininterrumpida.
Sobretensión o impulsos de corta duración: Las descargas eléctricas atmosféricas,
conmutadores mecánicos, lámparas fluorescentes, soldadores, explosiones nucleares y
descargas electrostáticas causan la mayor parte de los problemas eléctricos, y sus tiempos
de duración can desde 0,5 nanosegundos a 500 microsegundos, debido a este muy corto
tiempo constituyen rápidos cambios de tensión que provocan fallos técnicos, destruyen
los componentes electrónicos e rectan falsas señales en los circuitos lógicos. Constituyen
un 85 a 90% de las perturbaciones.
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Cambios de frecuencia: Éstos son raros en las instalaciones urbanas, pero muy comunes
en redes eléctricas aisladas que incluyan muchas fuentes alternativas de energía.
CONSECUENCIAS EN SISTEMAS NO PROTEGIDOS
Hay cinco consecuencias principales al confiar en la suerte y no instalar sistemas de
puesta a tierra.
Problemas en operaciones no explicables o sutiles.
Pérdida de datos, incluyendo pérdida de ficheros o cambio de datos (con consecuencias
potencialmente grandes).
Sacudidas eléctricas al personal, provocando la muerte en algunos casos.
Pérdida de funciones y paros de sistemas, con grandes consecuencias por el cese en la
actividad en la empresa.
Pérdida de seguridad frente al potencial en cables metálicos de largas distancias, debido al
rato y a las sobretensiones transitorias, siendo por tanto, la fibra óptica una mejor
alternativa en niveles de seguridad.
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MÉTODO PARA INSTALACIÓN DE SISTEMA DE PUESTA A TIERRA BÁSICO EN VIVIENDAS
Para la elaboración de este sistema se considera el uso del Kit básico:
1) Se deberá buscar la ubicación idónea de modo que sea fácil el acceso al tablero pero considerando también no afectar las estructuras ni las instalaciones subterráneas ya sean estas de agua, gas o eléctricas.
2) Se hace una excavación de 80 cm. De diámetro y de una profundidad mayor en 20cm. a la longitud del electrodo.
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3) Se humedece el orificio hasta el punto de saturación, para mejores resultados se puede
añadir mejoradores químicos.
4) Mientras tanto a 18 litros de agua añadir arcilla a base de bentonita, esta mezcla deberá
de ser de a pocos y batir hasta lograr una mezcla uniforme
5) Retirar de la tierra producto de la excavación las piedras y mezclarle la bentonita.
6) Ubicar el electrodo y colocar el tubo de plástico a su alrededor, procurando centrar el
electrodo. Verter la mezcla obtenida del paso 4 en el interior del tubo hasta una altura de
50 cm. y batir la mezcla para evitar la permanencia de posibles burbujas de aire.
7) Rellenar el espacio entre las paredes del pozo y el tubo con la tierra tratada producto del
paso 5 hasta una altura igualmente de 50 cm. Apisonar bien la tierra alrededor del tubo y
agregar 50 litros de agua.
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8) Levantar parcialmente el tubo y repetir la acción anterior hasta dejar descubierto solamente 30 cm. del electrodo.
9) Retirar totalmente el tubo de plástico antes del apisonado final.
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CONCEPTOS MANEJADOS EN LOS SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA
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Ambiente electromagnético:
Es la totalidad de los fenómenos electromagnéticos existentes en un sitio dado. Circuito en
modo común: Es la totalidad de las corrientes de un lazo (o el circuito cerrado) por las corrientes de
modo común. Incluyen el cable, el aparato y las partes cercanas del sistema de puesta a tierra.
Circuito en modo diferencial:
Es la totalidad de las corrientes de un lazo (o el circuito cerrado) definidas para señales o
potencia. Incluyen el cable y el aparato conectado en ambos extremos. NOTA: Términos semejantes:
modo normal, modo en serie.
Compatibilidad electromagnética:
Es la capacidad de un dispositivo, equipo o sistema para funcionar satisfactoriamente en su
ambiente electromagnético sin introducir perturbaciones intolerables a alguna cosa en este ambiente.
Conductor de puesta a tierra
Es aquel que se utiliza para conectar un equipo o el circuito puesto a tierra de cableado a uno o
varios electrodos de puesta a tierra.
Conductor de puesta a tierra aislado
Es el mismo conduit o canalización que los conductores de fase. El conductor se encuentra
aislado de la canalización y de todos los puntos de tierra a lo largo del recorrido.
Conductor de puesta a tierra del equipo
Es aquel utilizado para conectar elementos no portadores de corriente tales como
canalizaciones y partes metálicas de equipos al electrodo de puesta a tierra del tablero principal o
secundario de un sistema derivado separado.
Conductor a comprensión
Dispositivo que establece una conexión entre dos o más conductores o entre uno o más
conductores y un terminal, por medio de presión mecánica, sin utilizar soldadura.
Conexión equipotencial
Unión permanente de partes metálicas para formar un trayecto eléctricamente conductivo que
asegure la continuidad eléctrica y la capacidad para conducir con seguridad cualquier corriente
impuesta.
Conversión de modo común:
Es el proceso por el cual una tensión de modo diferencial es producida en respuesta a una
tensión de modo común.
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Degradación:
Es una desviación indeseable en las características de operación de algún dispositivo, equipo o
sistema.
Electrodo de puesta a tierra
Es un cuerpo metálico conductor desnudo que va enterrado y su función es establecer el
contacto con la tierra física.
Electrodo de puesta a tierra embutido en concreto
Como su nombre lo indica embutido en concreto ubicado dentro y localizado en la parte
inferior de la losa de concreto, en contacto directo con el suelo
Estructura de referencia de señales
Sistema conformado por rutas o caminos conductores entre equipos interconectados entre sí
con el objeto de reducir el ruido y tensiones inducidas a niveles tales que la operación del equipo no se
vea afectada.
Equipotencializar:
Es el acto de conectar las partes conductivas expuestas de las instalaciones con las partes
conductivas de aparatos, sistemas o instalaciones que deben estar al mismo potencial.
Malla de puesta a tierra
Sistema conformado por un arreglo de conductores desnudos interconectados entre sí,
dispuestos sobre un área específica o enterrado en el suelo. Normalmente contiene barras o jabalinas
conectadas en el perímetro y su interior con el objeto de incrementar la capacidad de puesta a tierra y
proveer al sistema de puntos de conexión para equipos y dispositivos.
Protector de sobretensión
Equipo que previene la elevación de la tensión por encima de un valor predeterminado.
Puente de conexión equipotencial
Conductor confiable que asegura la conductividad eléctrica necesaria entre las partes metálicas
que deban estar conectadas eléctricamente.
Puente de unión
Este puente es un conductor que nos sirve para proporcionar la conductividad eléctrica entre
partes de metal que requieren ser conectadas eléctricamente.
Puesta a tierra efectiva
Conexión intencional a tierra de baja impedancia y capacidad de corrientes suficientemente
alta, para evitar la aparición de tensiones que puedan provocar riesgos innecesarios a personas o a los
equipos conectados.
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Red de tierra
Es la porción metálica subterránea de un sistema aterrizado que dispara hacia la tierra todo
flujo de corriente no deseado. Esta red se puede componer de varias mallas interconectadas.
Resistencia de tierra
Es la resistencia que nos ofrece el terreno hacia la corriente en un sistema de puesta a tierra,
esta resistencia depende de la resistividad del terreno y área de los conductores.
Resistividad del terreno
Es la propiedad del terreno que se opone al paso de la corriente eléctrica, la resistividad varia
de acuerdo a las características del terreno.
Ruido eléctrico
Señales eléctricas inesperadas que producen efectos indeseables en los circuitos de control
donde las mismas ocurren.
Sistema derivado independiente
Sistema cableado de un predio cuya energía procede de una batería, sistema solar fotovoltaico
o de un generador, transformador o convertidor y que no tiene conexión eléctrica directa con los
conductores de alimentación que proceden de otro sistema, incluido el conductor del circuito
sólidamente puesto a tierra.
Sistema de tierra
Son varios conductores desnudos que se interconectan con una o varias mallas o electrodos
enterrados.
Supresor de picos
No son más que elementos de protección contra sobretensiones transitorias.
Tierra
Conexión conductora, intencional o accidental, entre un circuito eléctrico o equipo y la tierra o
algún conductor que se usa en su lugar.
Tierra aislada
Es un conductor de tierra con aislamiento que se conecta a algún equipo, este conductor se
coloca en la misma soportería donde se encuentran los cables de energía.
Ventana de tierra
Sección a través de la cual, todos los conductores de tierra, incluyendo las canalizaciones
metálicas, entran en un área específica. Usualmente se utiliza en sistemas recomunicaciones a través de
los cuales el sistema de puesta a tierra del edificio se conecta en un área donde pudieran no existir
conexiones a tierra.
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