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Libro de texto 4- Protección de personal y equipo. Tierras eléctricas, Armando Llamas, Jorge de los Reyes, Jesús Baez, Innovación Editorial Lagares, Monterrey, 2005. Protección de personal y de equipos ¿Dónde ocurren las electrocuciones? Riesgos de la electricidad - PowerPoint PPT Presentation
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Centro de Estudios de Energía -all
Libro de texto4- Protección de personal y equipo
Tierras eléctricas, Armando Llamas, Jorge de los Reyes, Jesús Baez, Innovación Editorial Lagares, Monterrey, 2005.
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Contenido
Protección de personal y de equipos
• ¿Dónde ocurren las electrocuciones?
• Riesgos de la electricidad– ELECTROCUCIÓN
– ARCO ELÉCTRICO
– EXPLOSIÓN
• La protección que ofrece la puesta a tierra de equipos
• Interruptor con protección de falla a tierra– PRINCIPIO DE OPERACIÓN
– RECEPTÁCULO GFCI PARA PROTEGER OTROS RECEPTÁCULOS
– UNIÓN ILEGAL NEUTRO - TIERRA
– EXTENSIONES CON PROTECCIÓN DE FALLA A TIERRA
• Protección de falla a tierra de equipos
• Dimensiones de los conductores
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Introducción
•LA SOCIEDAD moderna ha sido beneficiada por la electricidad. Damos por hecho
que contaremos con los servicios y el confort que proporcionan los equipos que
utilizan energía eléctrica. Sin embargo, una instalación eléctrica sin los elementos
necesarios de seguridad y protección nos puede ocasionar graves perjuicios y es así
como la puesta a tierra de equipos y de sistemas eléctricos es importante. Un equipo
sin puesta a tierra o un sistema no aterrizado también pueden proporcionar servicios y
confort; pero con menor seguridad y confiabilidad, poniendo en riesgo a las personas y
a sus propiedades
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¿Dónde ocurren las electrocuciones?
102 Carreteras
120 Granjas
120 Descargas atmosféricas
384 Empresas
474 HogarMuertes promedio anuales ocasionadas por electrocución en un período de 25 años (1960-1985) EEUU
Adaptado de Square D,Electrical Safety Seminar
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•Choque o toque eléctrico, electrocución
•Explosión, partes metálicas a alta
velocidad y material fundido
•Arco eléctrico, quemaduras
Riesgos de la electricidad
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Excepciones 250-5EXCEPCIÓN 1: Los sistemas eléctricos usados exclusivamente para suministrar energía a hornos eléctricos
industriales para fundición, refinado, templado y usos similares.
EXCEPCIÓN 2: Los sistemas derivados independientes utilizados únicamente para rectificadores que alimenten sólo a motores industriales de velocidad variable.
EXCEPCIÓN 3: Eléctrica nominal del primario sea inferior a 1 000 V, siempre que se cumplan las condiciones siguientes:
– Que el sistema se use exclusivamente para circuitos de control.
– Que las condiciones de mantenimiento y supervisión aseguren que sólo personas calificadas atienden la instalación.
– Que haya continuidad de la energía en el control.
– Se instalan detectores de falla a tierra en el sistema de control.
EXCEPCIÓN 4: Los sistemas aislados, tal como lo permiten los artículos de la Norma Oficial Mexicana.
NOTA: El uso de detectores adecuados de tierra en instalaciones sin aterrizar, puede ofrecer mayor protección.
EXCEPCIÓN 5: Los sistemas con neutro a tierra a través de una alta impedancia en el que la impedancia a tierra, generalmente una resistencia, limite al mínimo el valor de la corriente eléctrica de falla a tierra. Se permiten sistemas con neutro a tierra a través de una alta impedancia en instalaciones trifásicas de c.a. de 480 a 1 000 V, siempre que se cumplan las condiciones siguientes:
– Que las condiciones de mantenimiento y supervisión aseguren que sólo personas calificadas atienden la instalación.
– Que se requiera continuidad en la energía.
– Que se instalen detectores de falla a tierra en el sistema.
– Que el sistema no alimente cargas de línea a neutro.
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Toque o choque eléctrico
Es la estimulación eléctrica que
ocurre cuando pasa
corriente eléctrica por el cuerpo.
El efecto en el cuerpo depende de
La cantidad de corriente que pase
Por dónde pase la corriente
La condición física de la persona
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Efecto de los choques eléctricos (cantidad de corriente)
20
15
10
4
.050
.030
.015
.010
.005
.001
4 A o másParálisis del corazón, quemaduras graves en piel y órganos
.050 A a 4 A
.1 - .2 Fibrilación ventricular
.05 - .1 Posible fibrilación ventricular
30 mA - Dificultad para respirar, asfixia, fibrilación en niños pequeños
15 mA - Los músculos del 50% de la población se paralizan
>10 mA - Umbral de parálisis en los brazos
5 mA - GFCI Nivel de disparo
1 mA - Nivel de percepción
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Ejemplo 1
• Un hombre adulto toca una tubería energizada con 120 V, la resistencia de contacto con la tubería es de 2.4 k, la resistencia del cuerpo sin considerar la piel es de 600 , y la de contacto con suela mojada de cuero es 12 k. Estime la corriente que pasa por esa persona y determine qué efecto le producirá.
• SOLUCIÓN: La resistencia total es 15 k, la corriente es 8.0 mA. Le dolerá y podrá soltar.
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EJEMPLO 2
• Un hombre adulto toca una tubería energizada con 120 V, la resistencia de contacto con la tubería es de 2.4 k, la resistencia del cuerpo sin considerar la piel es de 600 , y la de contacto con suela de cuero seca es 100 k. Estime la corriente que pasa por esa persona y determine qué efecto le producirá.
• SOLUCIÓN:
• La resistencia total es 103 k, la corriente es 1.2 mA.
• Apenas sentirá un leve dolor.
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EJEMPLO 3
• Un hombre adulto toca una tubería energizada con 120 V, la resistencia de contacto con la tubería es de 2.4 k, la resistencia del cuerpo sin considerar la piel es de 600 , y la de contacto con suela de hule es 20 M. Estime la corriente que pasa por esa persona y determine qué efecto le producirá.
• SOLUCIÓN: – La resistencia total es 20 M– La corriente es 0.006 mA.
– Muy por debajo del umbral de percepción.
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Arco Eléctrico
Ocurre un arco eléctrico cuando fluye una cantidad importante de corriente eléctrica a través de lo que previamente era aire
El aire no es conductor, el flujo de la corriente se lleva a cabo en el vapor del material de la terminal del arco y el aire ionizado. Esta mezcla de materiales, a través de las cuales fluye el arco, se conoce como plasma.
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Temperatura del arco eléctrico
50 000 °C
20 000 °C
50 000 °C
Pueden causar quemaduras
letales a distancias de hasta 2.5 m.
La ropa al quemarse puede causar quemaduras
secundarias letales.
La potencia del arco puede llegar a ser la mitad de la potencia disponiblede corto circuito.
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Explosión
•Los arcos sobre calientan el aire instantáneamente.
•Esto ocasiona una rápida expansión del aire, dando lugar a frentes de onda con presiones de 100 a 200 libras por pulgada cuadrada.
•Tales presiones son suficientes para hacer explotar interruptores y transformadores, ocasionando que salga metal a altas velocidades .
En muchas ocasiones el arco no va acompañado de una explosión; pero cuando la explosión ocurre puede ser fatal.
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Protección•Guantes
•Un par de guantes clase 0 y
•Un par de guantes del voltaje mayor en la planta
• Mangas aislantes, consistentes con las clases de
guantes
•Tapetes aislantes, consistentes con los voltajes en
los que trabajará
•Probadores de voltaje
•Uno de baja tensión
•Uno de media tensión
•Candados, dispositivos y etiquetas de bloqueo
•Cascos, ANSI Z89.1 clase B
•Gafas de seguridad ANSI Z87.1
•Señalamientos de PELIGRO - ALTO VOLTAJE y
cinta de bloqueo
•Equipo de puesta a tierra
•Ropa Retardante Flama - mínimo de 6 oz / yd2
•Traje arco eléctrico
•Diagrama unifilar
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La protección que ofrece la puesta a tierra de equipos
Conductor puesto a tierra o neutro
Conductor no puesto a tierra o vivo
Portalámparas
metálico
h
n
Conductor de puesta a tierra de equipos
Conductor puesto a tierra o neutro
Portalámparas
metálico
h
n
Conductor no puesto a tierra o vivo
Portalámparas metálico sin conductor de puesta a tierra.
Portalámparas metálico bien alambrado
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NOM 210-7, 250-81 y 250-50
• La sección 210-7 de la NOM indica que los receptáculos de 15 y de 20 A deben ser con puesta a tierra de equipos.
– En la mayoría de las instalaciones residenciales no se instala el conductor de puesta a tierra de equipos y, sólo se instalan tomacorrientes con dos terminales.
– El conductor de puesta a tierra de equipos debe ir dentro de la misma canalización que el resto de los conductores del circuito para garantizar una baja impedancia, 250-81 de la NOM
• Sin embargo, en instalaciones existentes puede ser complicado retirar el alambrado existente para incluir el conductor de puesta a tierra de equipos.
– La sección 250-50 de la NOM señala que para reemplazar receptáculos sin puesta a tierra por receptáculos con puesta a tierra, se puede unir la caja del receptáculo con cualquier punto accesible del sistema de electrodos.
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Reemplazo de receptáculos sin puesta a tierra
Medidor kWh Caja cuchilla y fusible
Tablero con dos unidades térmicasCircuito
derivado para
tomacorrientes
Circuito
derivado para
alumbrado
VarillaTubería metálica de agua al interior
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Contacto directo con el vivo de un tomacorrientes
conductor de puesta a tierra
conductor puesto a tierra
conductor vivo
CFE
Tierra remota
Resistencia del electrodo Resistencia de contacto y del
suelo
La puesta a tierra de equipos no evita riesgo de electrocución en caso de contacto directo
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Contacto directo en un tostador
La falta de protección no se
presenta sólo con el contacto
directo y con la terminal no
puesta a tierra del
tomacorrientes, puede
ocurrir de diversas maneras,
e.g., al introducir un cubierto
metálico en el tostador de
pan.
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Interruptor con protección de falla a tierra
G F C I
G r o u n d F a u l t C i r c u i t I n t e r r u p t e r
S e n s o r d e
c o r r i e n t e r e s i d u a l
g
n
h
C i r c u i t o d e
d i s p a r o
R E S E T T E S T
i 1
i 2
residual corriente 21 ii
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Operación de un interruptor con protección de falla a tierra
g
n
h
C i r c u i t o d e d i s p a r o
D e b i d o a l a c o r r i e n t e r e s i d u a l e l c i r c u i t o e l e c t r ó n i c o d e d i s p a r o a b r i r á l o s d o s p o l o s d e l i n t e r r u p t o r
i 1
i 1
121 i residual corriente ii
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EJEMPLO 4
¿Qué papel desempeña el conductor de puesta a tierra en la operación del interruptor de circuitos de falla a tierra?
• SOLUCIÓN:
Ninguno, el conductor de puesta a tierra de equipos no es indispensable para la operación del Ground Fault Circuit Interrupter, GFCI
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EJEMPLO 5
Debido a que el conductor de puesta a tierra de equipos no es necesario para la operación del GFCI, se puede eliminar el conductor de puesta a tierra de equipos.
• SOLUCIÓN:
No, el conductor de puesta a tierra de equipos no se debe eliminar, ya que la caja y la canalización metálicas podrían quedar energizadas, y el GFCI no protegería.
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Curvas de fibrilación ventricular y de apertura de GFCI
Tiempo máximo
de disparo de un
GFCI clase A UL
1
10
100
1000 10 100 1000 10000
Tiempo (ms)co
rrie
nte
(mA
)
No hay reacción
Tiempo de disparo de
un GFCI clase A típico
Fibrilación ventricular
Un GFCI clase A debe tener un tiempo de disparo máximo dado por:
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LA SECCIÓN 210-8 SITIOS EN LOS QUE ES OBLIGATORIO EMPLEAR UN GFCI
• indica que en las instalaciones residenciales se deben instalar receptáculos con interruptor con protección de falla a tierra en los siguientes sitios:
– Los baños.
– Las cocheras.
– Exteriores.
– Los muebles de cocina y los que estén instalados para alimentar utensilios eléctricos en las barras de la cocina.
– Cuando estén a 1.8 m o menos del borde del fregadero.
• GFCI en receptáculos de 15 A y de 20 A en cuartos de baño y en azoteas – aunque no se trate de viviendas.
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GFCI en instalaciones temporales de sitios en construcción
• La sección 305-6 indica que en las instalaciones temporales de sitios en construcción los receptáculos de 120 y 127 V deben contar con interruptores con protección de falla a tierra.
A) Unidad térmica con GFCI B) Tomacorrientes con GFCI
• La protección de falla a tierra para las personas en las residencias y en los sitios de construcción también se puede obtener en los interruptores termomagnéticos y en las unidades térmicas que protegen un alimentador o un circuito derivado como lo indica la sección 215-9.
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EJEMPLO 6• El interruptor con protección de falla a tierra de un receptáculo sigue protegiendo aun
si se abre el conductor puesto a tierra que lo alimenta.
SOLUCIÓN:
Falso. La electrónica requiere de los dos conductores (vivo y neutro) para alimentarse, si se abre el neutro la electrónica no tiene energía y se ve impedida para cumplir su función de protección, creando así un grave riesgo de electrocución, pues el vivo sigue estando conectado a la salida del receptáculo.
g
n
h
Circuito de disparo
Debido a que el neutro está abierto la electrónica de disparo no cuenta con alimentación y a pesar de que el sensor de corriente le envíe una señal no disparará.
i1
neutro abierto
i1
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RECEPTÁCULO GFCI PARA PROTEGER OTROS RECEPTÁCULOS
Sensor de
corriente residual
g
n
h
Circuito de
disparo
RESET TEST
Terminales de línea Terminales de carga
LOS RECEPTÁCULOS con GFCI pueden alimentar otros receptáculos, mediante las terminales de carga. Es muy importante NO intercambiar las terminales.
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EJEMPLO 7• Explique porqué un tomacorrientes con GFCI con la alimentación alambrada por las
terminales de carga no ofrece protección de falla a tierra.
SOLUCIÓN: La figura muestra un receptáculo con interruptor con protección de falla a tierra con la alimentación alambrada erróneamente. Si alguien tocara la terminal no puesta a tierra del receptáculo, la corriente pasaría por la protección de sobrecorriente y saldría por la terminal viva del receptáculo, pasaría por la persona y, a través del terreno y/o una estructura metálica puesta a tierra, llegaría a la unión neutro - tierra. Todo esto sin que la protección opere, ya que la corriente nunca pasa por el interruptor con protección de falla a tierra.
Sensor de
corriente residual
g
n
h
Circuito
de
disparo
RESET TEST
Terminales de línea Terminales de carga
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UNIÓN ILEGAL NEUTRO - TIERRAUNA UNIÓN ilegal entre neutro y tierra de las terminales del receptáculo o en la carga disminuye la protección personal que ofrece normalmente un tomacorrientes con GFCI.
Sensor de
corriente residual
g
n
h
Circuito de
disparo
RESET TEST
i
i1
i2
i3
i4
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EJEMPLO 8SOLUCIÓN:
No, los 3 mA restantes, los que retornan por la puesta a tierra de equipos y por el terreno serían insuficientes para ocasionar el disparo del GFCI.
• Consideremos que en la Figura, 16 mA pasan por la persona y que 13 mA retornan por el hilo neutro. ¿El GFCI protegería a la persona?
Sensor de
corriente residual
g
n
h
Circuito de
disparo
RESET TEST
i
i1
i2
i3
i4
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Bobina de inducción de voltaje
Sensor decorriente residual
g
n
h
Circuito de
disparo
RESET TEST Circuito de inducción de
voltaje
Bobina de inducción de voltaje
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Voltaje neutro - tierra a la salida de un receptáculo con GFCI
-0.1
-0.05
0
0.05
0.1
0 0.10.20.30.40.50.60.70.80.9 1
tiempo. s
Vn
g, V
-0.1
-0.05
0
0.05
0.1
0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005
tiempo, sV
ng, V
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EJEMPLO 9• Agregue lo necesario al esquema del
GFCI en filminas anteriores para ilustrar la manera en que el GFCI dispara con una unión NG en terminales del receptáculo.
SOLUCIÓN:
La Figura muestra el lazo de corriente, la unión N-G ocasiona que en lugar del voltaje inducido se presente una corriente.
Sensor decorriente diferencial
h
Circuito
de disparo
Circuito de inducción de
voltaje
Bobina de inducción de voltaje
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EXTENSIONES CON PROTECCIÓN DE FALLA A TIERRA
• EN LOS ESTADOS UNIDOS es obligatorio que en las construcciones se empleen extensiones que incorporan un interruptor con protección de falla a tierra como el mostrado en la Figura.
• En las construcciones las extensiones se maltratan de manera considerable y la pérdida del conductor puesto a tierra dejaría al personal sin la protección, ver el EJEMPLO 6.
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Extensión con GFCI
Sensor decorriente residual
g
Circuito de
disparo
RESETTEST
n
h
Circuito de inducción de
voltaje
Bobina de inducción de voltaje
M
M
M
Clavija
Receptáculo
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Protección de falla a tierra de equipos
ReléBobina de
disparoReléBobina de
disparoReléBobina de disparo
a) El transformador enlaza a todos los conductores b) El transformador enlaza al puente de unión principal
Desde 1971, el NEC obliga a que en equipos de desconexión principal en más de 150 V al neutro
y menos de 600 V entre fases se instale protección de falla a tierra de equipos (Ground-Fault
Protection of Equipment, GFPE), si la capacidad nominal del dispositivo de protección contra
sobrecorriente es de 1 000 A o más, NOM 230-95.
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GFPE – El transformador enlaza el PUP
ReléBobina de
disparoReléBobina de
disparoReléBobina de disparo
a) El transformador enlaza a todos los conductores b) El transformador enlaza al puente de unión principal
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Protección de equipo contra fallas a tierra con sensor en neutro
Relé
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250-94
CobreAluminio o aluminio revestido de cobre
CobreAluminio o
aluminio revestido de cobre
2 o menor 1/0 ó menor 8 61 ó 1/0 2/0 ó 3/0 6 4
2/0 ó 3/0 4/0 y hasta 250 kcmil 4 2Más de 3/0 y hasta 350
kcmilMás de 250 kcmil y hasta
500 kcmil2 1/0
Más de 350 kcmil y hasta 600 kcmil
Más de 500 kcmil y hasta 900 kcmil
1/0 3/0
Más de 600 kcmil y hasta 1100 kcmil
Más de 900 kcmil y hasta 1750 kcmil
2/0 4/0
Más de 1100 kcmil Más de 1750 kcmil 3/0 250 kcmil
Tamaño del conductor mayor de acometida o área equivalente de conductores en paralelo
Tamaño del conductor del sistema de electrodos
Tabla 250-94 Conductor del electrodo de puesta a tierra
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Uso de la Tabla 250.94
• Conductor del sistema de electrodos, 250-94• Tubería metálica de agua, 250-81 (a)• Acero estructural, 250-81 (b)• Ufer, 250-81 (c)• Anillo de tierra, 250-81 (d)• Tubería y varilla, 250-83 (c)• Placa, 250-83 (d)• Conductor puesto a tierra de generador de emergencia con transferencia de tres
polos, 445-5, 250-23 (b)• Conductor puesto a tierra de acometida, 250-23 (b)• Conductor del sistema de electrodos de un sistema derivado separadamente, 250-26
(b)• Puente de unión a equipos en el lado del suministro del equipo de desconexión
principal, 250-79 (d)• Puente de unión principal, 250-79 (d)• Unión a tubería interior metálica de agua, 250-80 (a)• Unión a acero estructural, 250-80 (c).
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250-95
Capacidad o ajuste máximo del dispositivo automático de protección contra sobrecorriente en el circuito antes
de los equipos, canalizaciones, etc.(A)
Cable de
cobre
Cable de aluminio
15 14 1220 12 1030 10 840 10 860 10 8
100 8 6200 6 4300 4 2400 3 1500 2 1/0600 1 2/0800 1/0 3/01000 2/0 4/01200 3/0 250 kcmil1600 4/0 350 kcmil2000 250 kcmil 400 kcmil2500 350 kcmil 600 kcmil3000 400 kcmil 600 kcmil4000 500 kcmil 800 kcmil5000 700 kcmil 1200 kcmil6000 800 kcmil 1200 kcmil
Tabla 250-95. Tamaño nominal mínimo de los conductores de tierra para canalizaciones y equipos
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Uso de tabla 250-95
– Conductores de puesta a tierra de canalizaciones y equipos, 250-95
– Unión a equipo en el lado de la carga del equipo de desconexión principal, 250-79 (e)
– Unión a tubería metálica de agua interior en edificios de varios departamentos en los que el sistema interior de tubería metálica para agua de cada departamento esté aislado metálicamente de los demás por medio de tubería no-metálica, 250-80 (a) Excepción
– Unión a tubería metálica interior distinta a la del agua, 250-80 (b).
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EJEMPLO 11Una acometida monofásica de dos hilos calibre 8 llega a un medidor y de allí al equipo de
desconexión principal como se muestra en la Figura. La protección contra sobrecorriente es de 40 A. Considere conductores de cobre. Suponga que la barra de tierras está aislada del gabinete del equipo de desconexión principal, y que se requiere un puente de unión de la barra al gabinete. Determine el calibre mínimo:
a) del puente de unión principal, b) del conductor de puesta a tierra de equipos a la base metálica del medidor, c) del conductor del electrodo, d) puente de unión de barra de tierras al gabinete del equipo de desconexión principal, e) puente de unión a la tubería interior de agua, f) conductor de puesta a tierra de equipos a la carga.
SOLUCIÓN: La tabla 250-94 indica que el calibre mínimo debe ser # 8 y la tabla 250-95 indica calibre # 10.
a) # 8, b) # 8, c) # 8, d) # 8, e) # 8, f) #10
conductor puesto atierra de acometida
barra de neutros
puente de uniónprincipal
barra de tierras
equipo dedesconexión principal
conductor del electrodode puesta a tierra
electrodo de puesta a tierra
conductor de puesta a tierra
conductor puesto a tierra
conductor vivo
CFE
medidor
conductor de puesta a tierra de equipos
tubería metálica de agua en interior