10- INSTALACIONES ELECTRICAS

10- 1 CLASIFICACION DE LAS INSTALACIONES Generalmente la Energía Eléctrica fluye a los consumidores desde la Alta Tensión a la Baja Tensión a través de SubEstaciones Transformadoras (S.E.T.) y tiene que derivarse varias veces antes de llegar al receptor final. En los puntos de derivación se colocan aparatos de maniobra, protección, medición, etc. Un diagrama de distribución de energía tipo es el siguiente:

Las Instalaciones Eléctricas más completas constan de los siguientes puntos de derivación: 1- Instalaciones de Maniobra Principal (I.M.P.) 2- Distribución Principal (D.P.) 3- Subdistribución o Distribución Secundaria (D.S.) La I.M.P. es la parte de la Instalación que está en contacto directo con la S.E.T. mientras que la D.S. es la que está en contacto con el consumidor. Entre ambos puntos de derivación esta la Distribución Principal. A partir de la intensidad de corriente que manejan la Instalación de Maniobra Principal (IMP) dividimos las instalaciones en dos grandes grupos: 1- Entre 650 y 4200 Amperes: grandes corrientes Son frecuentes en Industrias, grandes talleres, centrales, refinerías, edificios, etc. En estos casos las I.M.P. alimentan las D.P. o las D.S. En muy raras ocasiones la alimentación va directo desde la I.M.P. a los consumidores. Las I.M.P. se instalan cerca de las S.E.T. que pueden ser de S = 2 MVA en 400 V Estos puntos de derivación se instalan en recintos cerrados a los que solo tiene acceso personal capacitado técnicamente. Los aparatos de maniobra, protección, etc van montados sobre estructuras modulares abiertas tipo bastidores (sin laterales ni fondo) que se encuentran dentro del local cerrado. Las corrientes se reciben y derivan en barras colectoras que son de Aluminio o Cobre y pueden medir desde 3 x 5 cm hasta 10 x 20 cm (ancho x espesor) y hasta más de 1 m de largo en algunos casos. Para calcular las dimensiones de las barras se trabaja con las corrientes de corto circuito del sistema. 2- Entre 16 y 650 Amperes: corrientes medianas En estos casos las I.M.P pueden ir lejos de las S.E.T. de acuerdo a la instalación. La potencia por lo general, en estos casos no supera en 400 V los 600 KVA. Los puntos de derivación suelen ir en estructuras modulares cerradas (tipo armarios) y pueden estar en lugares de acceso público. Pueden existir o nó los puntos de derivación D.P. y/o S.D. 61

10-2 CABLES Y CONDUCTORES La unión eléctrica entre los puntos de derivación de una instalación se efectúa por medio de cables eléctricos. Estos pueden ser de uno o más conductores. Generalmente son de cobre o aluminio y pueden estar tendidos por tuberías, subterráneos o aéreos. La corriente que es capaz de soportar cada conductor depende 1- Tipo de material 2- Disposición y número de conductores que conforman el cable 3- Tipo de tendido 4- Temperatura ambiente Cálculo de la sección Con esta información, provista por el fabricante, se determina cual es la sección del conductor necesaria para transmitir una determinada corriente. En la consideración de la potencia debe tenerse en cuenta que ésta no es la misma que el total de la potencia instalada en el centro de consumo. Con este fin se estima una reducción de la potencia instalada a través del factor de simultaneidad (f.s.) que varía según el tipo de instalación y el valor de la potencia instalada entre 0,3 y 1.

Viviendas Colectivas Hospitales

< 30 Kw 0.7 > 30 Kw 0.5 < 50 Kw 0.6 > 50 Kw 0.3 < 100 Kw 0.5 > 100 Kw 0.3 < 100 Kw 0.7 > 100 Kw 0.5 < 20 Kw 0.8 > 20 Kw 0.7 < 50 Kw 0.8 > 50 Kw 0.5

Hoteles Almacenes Oficinas Talleres

Ejemplo: Se desea alimentar un edificio de viviendas colectivas de 10 pisos con 7 departamentos por piso. Estime 4 Kw de potencia instalada en cada departamento. La acometida se hará en 380 V con energía eléctrica trifásica subterránea con un conductor tetrapolar de Aluminio. Si el factor de potencia es de 0.8 , determine la sección del cable de alimentación.

Potencia instalada = 7*10*4= 280 Kw

I=

P 3.U cos ϕ

con f.s.= 0,3
P = 84 Kw

; I=

84000 3 ∗ 380 * 0.8

= 159 A

del catálogo para cable Tetrapolar se obtiene
3 X 70 + 35 mm2

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La resistencia de corriente continua del conductor varía con la temperatura según la expresión: R = R 20 (1 + α 20 ∆T )

donde R20 = Resistencia del conductor a 20 ºC α20 = 0.00393 1/ºC para el Cobre α20 = 0.00403 1/ºC para el Aluminio

1+ α20 = factor de corrección para temperatura de los conductores mayores a 20ºC α20 = coeficiente de temperatura de la resistencia a 20ºC Los valores de corriente admisible dados en catálogos deben ser modificados si las temperaturas no son las especificadas en los mismos. El factor de corrección se publica en tablas según la temperatura límite admisible en el conductor y el tipo de revestimiento del mismo.

Cálculo de la caída de tensión Para cables cuya sección sea mayor o igual a 16 mm2 debe tenerse en cuenta el efecto reactivo del conductor (XL) además del resistivo (RL). Para secciones menores de 10 mm2 solo se tiene en cuenta el efecto resistivo. Las normas de instalaciones eléctricas fijan como caída de tensión máxima admisible en tendidos eléctricos ∆u % entre 3 % y 5 % de acuerdo al tipo de servicio.

Ejemplo En el ejemplo anterior verifique que la tensión que llega al edificio no difiera en más del 3 % de la del punto de alimentación. Suponga que el edificio dista 300 m del punto de alimentación y que la temperatura del conductor son 20ºC. Calcule el rendimiento de la línea. Del catálogo se observa:

RL = 0.443 Ω/Km

XL = 0.075 Ω/Km

Con I = 159 A resulta: ∆U = 3 ∗ 159 ∗ 0.1 ∗ (0.443 ∗ 0.8 + 0.075 ∗ 0.6) = 10.86 V

∆u % = ∆U / U 1 = 2.8% Repita el ejemplo si el conductor hubiese sido de Cobre.

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10-3 ELEMENTOS DE PROTECCION - FUSIBLES

Existen distintos elementos de protección en los circuitos de alimentación y distribución de las instalaciones eléctricas.

Características eléctricas de los fusibles. Las características nominales de los fusibles se dan en forma de curvas de respuesta, las cuales muestran relaciones entre tres valores nominales, dos de ellos en los ejes y un tercero como parámetro. A continuación se definen los valores nominales que deben conocerse. - Corriente nominal: corriente que puede circular por el fusible en forma permanente sin producir su operación, ni elevación de temperatura mayor que la admisible (usualmente entre 65 y 70 °C) ni envejecerlo o apartarlo de su característica de operación. En otras palabras, es la corriente de servicio del fusible, la cual no lo altera ni modifica en lo mas mínimo. - Corriente presunta: Es la corriente de cortocircuito que se produciría en el lugar de instalación del fusible cuando se lo reemplaza por una barra de impedancia nula. - Capacidad de ruptura: Es la máxima corriente de cortocircuito que el fusible es capaz de interrumpir a tensión nominal. Los fusibles HH poseen capacidad de interrupción expresada en MVA (unidades de potencia), por ejemplo el valor normal es de 300 MVA, que no es otra cosa que el producto de la tensión nominal por raíz cuadrada de tres ( 3 ) y por la capacidad de ruptura expresada en A.

- Corriente de paso: Es el máximo valor instantáneo de corriente que el fusible deja pasar, el cual puede ser bastante inferior al que atravesaría el circuito si el fusible no estuviera instalado en él. - Tiempo de operación: Es el tiempo que tarda el fusible en interrumpir la corriente de falla. Como los ensayos para determinar estos valores son destructivos y además los fusibles no son siempre exactamente iguales, los valores de la curva característica corriente – tiempo poseen una tolerancia que usualmente es del orden del 5 al 10 % en términos de corriente. - Energía específica: Este término, usualmente indicado como I2t, representa en cierta medida la energía que el fusible deja pasar en su operación, medida en A2s, o sea que muestra la solicitación térmica a la que estará sometido el equipo protegido, por ejemplo un transformador o semiconductor. Si se posee el dato del I2t soportado por el equipo, puede compararse directamente con el del fusible. - Tensión nominal: Es la tensión de trabajo, para la cual está definida la capacidad de ruptura, generando en la operación una sobretensión acorde a tal valor de trabajo. El fusible es un dispositivo protector que se usa para la protección de cables y aparatos contra sobrecargas y cortocircuitos. Su principio de funcionamiento se basa inicialmente en la fusión de un elemento conductor. La capacidad de ruptura es la máxima corriente de falla con interrupción garantizada. Una vez iniciado el proceso de fusión, se produce el arco eléctrico dentro del fusible, siendo posteriormente apagado por medio del material de relleno. Todo el fenómeno de interrupción se efectúa sin manifestación externa alguna, por lo que normalmente el usuario no se da cuenta de la energía que ha manejado el fusible. Los principales tipos de fusible de alta capacidad de ruptura (100 KA) son los tipos NH, HH, cilíndricos, D y DO, cuyas dimensiones, tipos y características de operación pueden verse en los folletos adjuntos. Pueden ser lentos, rápidos y ultrarrápidos. Se fabrican en función del uso que se les dará. Protección de líneas, motores, transformadores, capacitores, etc. El fusible de alta capacidad de ruptura es el dispositivo de protección que posee mayor velocidad de operación, máximo control de energía liberada en el equipo deteriorado y mayor absorción de energía de falla de todos los dispositivos disponibles a la fecha. En la actualidad la posición del fusible en los sistemas eléctricos de media y baja tensión es sumamente sólida y tal situación, sin ninguna duda, se mantendrá por muchos años.

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En promedio, el fusible representa al 60 % de los dispositivos de protección en su área de utilización, con aplicaciones donde el porcentaje alcanza casi al 100 % como es el caso de la protección de semiconductores de potencia y motores de inducción. Los fusibles de alta capacidad de ruptura se dividen fundamentalmente por la tensión de trabajo, estando la división fijada entre 1000 V corriente alterna y 1500 V corriente contínua. Los fusibles de alta tensión se denominan HH (designación proveniente de las iniciales en Alemán) o de alto poder de corte. Los de baja tensión, a su vez se clasifican en base a su forma constructiva, denominándose NH, D y cilíndricos, estos dos primeros designados también por sus iniciales en Alemán. La principal razón de los distintos tipos, radica en la protección contra choque eléctrico y por ello del “grado de protección”, siendo los fusibles NH debido a su alto riesgo potencial, diseñados solo para ser manipulados por personal capacitado.

NH. El fusible de alta capacidad de ruptura y baja tensión, denominado NH por sus siglas alemanas, se fabrica en siete tamaños: 00, 0, 1, 2, 3, 4 y 4a, con corrientes nominales desde 6 A hasta 1600 A, todos con una tensión nominal de 500 A (con una excepción, el de clase gTr, que es para 400 V nominales). Su aplicación se indica con dos letras, siendo minúscula la primera y mayúscula la restante. La primera letra es g o a, g indica fusible capaz de cortar cualquier sobrecorriente que lo funda, en cambio la letra a pone de manifiesto que la mínima corriente de operación segura debe ser suministrada por el fabricante. HH. El dispositivo de alta capacidad de ruptura y media tensión, de igual manera que en el caso anterior es denominado HH, posee corrientes nominales desde 0,5 A hasta 400 A, y tensiones nominales desde 2,3 kV hasta 33kV. Los tamaños se encuentran normalizados por DIN 43625, fijando diámetro y largo del contacto cilíndrico en 45 y 33 mm respectivamente, mientras que los largos del cuerpo son 192, 292, 367, 442 y 537 mm. ente entre 4 y 6 veces la nominal). D y DO. Los tipos D y DO son especiales para aplicaciones de menor potencia y corriente que los NH, con tensiones nominales 500 y 380 (o 400) V respectivamente, con corrientes variables según el tipo, desde 2 A hasta 100 A (es muy común encontrar corrientes nominales de hasta 200 A) para el D y hasta 100 A para el DO. Cilíndricos. Su difusión en nuestro medio esta comenzando ahora, disponiendo de los tamaños y corrientes nominales indicados a continuación: 8,5x3,15 mm (largo total y diámetro de los contactos), 1-20-25* A; 10,3x38 mm, 0,5-20-25*-32* A; 14x51 mm, 2-2532*-35*-50* A y 22x58 mm, 16-80-100* A. (* no normalizados). Los DIAZED y NEOZED no son ACR, son más baratos y muy usados. Su Capacidad de Ruptura (C.R.) es de 50 - 70 KA. En baja tensión se individualizan con un par de letras, que pueden ser a o g para la primera y L, R, M, Tr, C* o B para la segunda. Los pares más difundidos y su aplicación se indican a continuación: gL: Protección de aparatos de maniobra en general aR: Protección de semiconductores de potencia contra cortocircuitos aM: Protección de motores contra cortocircuitos gTr: Protección completa de transformadores gR: Protección completa de semiconductores gB: Protección de circuitos mineros gC: Protección de capacitor

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CURVAS CARACTERISTICAS Corriente presunta – tiempo de operación Brinda la información del tiempo que tardará en operar el fusible en función de la corriente de falla. Por razones de facilitar la lectura de valores los dos ejes están expresados en coordenadas logarítmicas. En la Figura 1, se muestra la curva de solamente una corriente nominal a fin de simplificar la interpretación, en realidad las gráficas de productos comerciales poseen las curvas de al menos una veintena de fusibles de distintas corrientes nominales. La curva mostrada corresponde a una corriente nominal de 100 A., indicando que el tiempo de operación es de 10 segundos cuando la corriente falla es de 400 A. o de 100 milisegundos si la intensidad de perturbación alcanza los 1200 A.

Figura 1, Característica corriente - tiempo

Corriente de paso – corriente presunta Brinda la información del valor máximo instantáneo en función de la corriente de cortocircuito. En la Figura 2, se muestrapor razones de simplicidad, la línea de un solo calibre de fusible, usualmente se trazan las correspondientes a toda laserie en la misma figura. Como puede verse, se han trazado dos rectas con distinta pendiente, la de mayor pendiente ola que se encuentra mas a la izquierda corresponde a los picos naturales sin corte. En cambio la línea de la derechamuestra la limitación del pico por parte del fusible. Esto significa que si la corriente de falla es menor que el punto deintersección de ambas líneas, el fusible no corta antes del pico. En cambio si se supera la intersección, el fusible evitaque se alcancen picos tan altos, controlando por ello los esfuerzos electrodinámicos a los que se verían sometidos losequipos protegidos. El valor de la corriente de la intersección se denomina corriente de umbral. En nuestro gráfico el valor de umbral es de 2,1 kA., si la corriente es menor, por ejemplo 1000 A., el pico alcanzado es de 2500 A el cual es natural. Si la corriente es mayor que el umbral, por ejemplo 10 kA., el pico será controlado a 11 kA.,que en caso de no estar el fusible hubiera sido de 25 kA., reduciendo de tal manera a los esfuerzos electrodinámicos a menos de una sexta parte.

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REEMPLAZO DEL FUSIBLE POR OTRO DISPOSITIVO INTERRUPTOR Los fabricantes y vendedores de interruptores termomagnéticos han iniciado una fuerte campaña tendiente a reemplazar al fusible por el mencionado dispositivo, basándose en la simple comparación de las características nominales de los dispositivos citados. En la actualidad la campaña ha incrementado su agresividad, pudiendo encontrar en las revistas técnicas expresiones que se condicen más con una guerra que con campañas comerciales, tachando al fusible como un elemento obsoleto, lo cual está muy lejos de la verdad. Realmente los campos de aplicación de los dispositivos enfrentados son bastante diferentes, existiendo solo una pequeña porción donde ambos tipos realmente podrían competir. Por ello el reemplazo indiscriminado puede traer aparejadas consecuencias serias, ya que en el análisis para el reemplazo que solo se hace comparando corrientes y tensiones nominales, deben también considerarse los siguientes aspectos. - Costo de reemplazo - Velocidad de operación - Necesidad de mantenimiento - Requerimiento de fuentes auxiliares - Capacidad de ruptura - Nivel de limitación de la energía específica - Nivel de control de los picos de corriente - Forma de las curvas características - Pérdidas y elevación de temperatura - Confiabilidad Obviamente no se pueden negar algunas de las capacidades que poseen los interruptores modernos, que no disponen los fusibles, como: -facilidad de modificar la curva característica, comunicación entre dispositivos, almacenamiento de los datos de la falla, etc., capacidades que se logran sacrificando la lista dada previamente. Podemos como ejemplo citar las siguientes tareas: - los interruptores no poseen velocidad de operación suficiente para evitar el daño de los semiconductores de potencia, - el control de esfuerzos electrodinámicos dado por un interruptor no puede evitar la distorsión del bobinado de un transformador frente a un cortocircuito en bornes,

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- Permitir severos ciclos de arranques de motores y actuar rápidamente frente a cortocircuitos, etc. Tareas que si cumple perfectamente el fusible de alta capacidad de ruptura.

10-4 INTERRUPTORES DE PROTECCIÓN DE LÍNEAS

INTERRUPTORES BAJO CARGA Se los conoce como Termmagnéticos por que se disparan automáticamente por sobreintensidad (efecto térmico, par bimetálico) o por corto circuitos (efecto magnético). Los Interruptores Termomagnéticos combinan las funciones de protección de conductores, aparatos y máquinas, al igual que los fusibles, contra corrientes de cortocircuito y de sobrecarga. Además de esto pueden utilizarse como aparatos de mando y seccionamiento ya que pueden ser fácilmente repuestos. La elección de la corriente nominal a utilizar de los Interruptores Termomagnéticos, se basa en el tipo de elemento a proteger, debiendo ser siempre menor o igual a la intensidad máxima que pueda admitir el dispositivo. Los Interruptores Termomagnéticos pueden presentarse en variantes de 1, 2, 3 y 4 polos, con corrientes nominales desde 10 hasta 63 A. El poder de corte puede llegar hasta 10kA. Así mismo, algunos Interruptores Termomagnéticos poseen la ventaja de permitir acoplarles una importante gama de auxiliares adaptables, como ser contactos de señalización, bobinas de disparo y bobinas de mínima tensión entre otros, que amplían de sobremanera las prestaciones del producto. Estos Interruptores no requieren de ningún tipo de mantenimiento especial. INTERRUPTORES DE POTENCIA Idem a los anteriores aún en condiciones de fallas o cortos circuitos pero en Media y Alta Tensión. Manejan potencias mucho mayores. La corrientes de corto circuito son mucho mayores que las de servicio nominal, por lo que la solicitación a la que es sometido el equipo es mucho mayor. (Icc puede ser 20 veces In o más). INTERRUPTORES DIFERENCIALES En estos aparatos se usan dos devanados con núcleos magnéticos. Por el primario circula directamente la corriente de carga cuyos efectos magnéticos se compensan entre sí (Ley de Kirchoff) mientras no exista ninguna falla. Al producirse una falla a tierra, el efecto de compensación desaparece es decir que la sumatoria de corrientes de línea y de neutro es distinta de cero y se induce una tensión en el secundario que dispara un circuito de maniobra que abre el interruptor principal o llave de maniobra.

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10-5 INSTALACIONES DE PUESTA TIERRA

Tipos de Puesta a Tierra En una instalación podrá existir una puesta a tierra de servicio y una puesta a tierra de protección. La tierra de servicio es la malla de tierra donde se conecta el punto neutro de un transformador de potencia o de una máquina eléctrica. La resistencia de la malla de servicio depende exclusivamente del valor de corriente de falla monofásica que se desea tener en el sistema. La tierra de protección es la malla de tierra donde se conectan todas las partes metálicas de los equipos que conforman un sistema eléctrico, que normalmente no están energizados, pero que en caso de fallas pueden quedar sometidos a la tensión del sistema. Los valores de resistencia de la malla de protección están limitados por condiciones de seguridad de los equipos y de las personas que operan el sistema de potencia. Las tensiones de paso, de contacto y de malla máximas definidas por normas internacionales, definen el valor de la resistencia de la malla. Es común usar la misma malla de tierra de una subestación tanto como malla de servicio como malla de protección. En la medida que se cumplan las condiciones de seguridad esto no es problema. No está permitido conectar a la misma malla sistemas de tensiones diferentes.

Sistemas referidos a tierra. Los sistemas referidos se caracterizan por tener el neutro de los transformadores o generadores conectados a tierra. En estos sistemas 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: Sólidamente referidos. Resistencia de bajo valor. Resistencia de alto valor. Reactor. Bobina Petersen. Los sistemas referidos, protegen la vida útil de la aislación de motores, transformadores y otros componentes de un sistema. Al garantizar una corriente de falla elevada (R tierra baja) 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. La tendencia actual en sistemas de baja tensión, menores a 1 KV, es no usar resistencia en el neutro, debido a que la corriente de cortocircuito puede ser demasiado pequeña y no sea capaz de hacer operar los equipos de protección. En media tensión, los sistemas sólidamente referidos o conectados a tierra a través de una baja resistencia, se utilizan cuando las corrientes de falla monofásica, alcanzan valores no demasiados altos, que puedan comprometer la seguridad y la vida útil de los equipos que conforman el sistema de distribución. Para sistemas de 22 KV y superiores se prefiere conexión directa a tierra. En líneas de transmisión de 115 KV y superiores se prefiere a través de resistencia. En sistemas de 69 KV con alta concentración de potencia sujeto a altas corrientes de cortocircuito, se usan reactores de moderado valor óhmico. La malla de tierra es un conjunto de conductores desnudos que permiten conectar los equipos que componen una instalación a un medio de referencia, en este caso la tierra. Los objetivos fundamentales de una malla de tierra son: Evitar tensiones peligrosas entre estructuras, equipos y el terreno durante cortocircuitos a tierra o en condiciones normales de operación. Evitar descargas eléctricas peligrosas en las personas, durante condiciones normales de funcionamiento. Proporcionar un camino a tierra para las corrientes inducidas lo más corto posible.

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10-6 SEGURIDAD ELECTRICA Seguridad personal: la conexión de los equipos eléctricos a tierra debe permitir que, en caso de que haya una falla de aislación de los equipos, la corriente pase a través del conductor de tierra en vez de recorrer el cuerpo de una persona que eventualmente esté tocando ese aparato.

Desconexión automática: un sistema a tierra debe ofrecer un paso de baja resistencia de retorno a tierra para la corriente que sobra, permitiendo así que haya una operación automática, rápida y segura del sistema de protección.

Control de tensiones: el aterramiento permite un control de las tensiones desarrolladas (paso, toque y transferida) no sólo cuando un corto circuito hace tierra y retorna a la tierra en una fuente próxima sino también cuando ocurre una descarga atmosférica en el lugar. Transitorios: un sistema a tierra estabiliza la tensión durante lapsos del sistema eléctrico provocados por fallas a tierra, cierres, etc., de tal forma que no aparezcan sobretensiones peligrosas durante esos períodos, que podrían provocar la ruptura del aislamiento de los equipos eléctricos. Cargas estáticas: el aterramiento debe evacuar cargas estáticas acumuladas en estructuras, soportes y carcasas de los equipamientos en general.

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Equipamientos electrónicos: específicamente para los sistemas electrónicos, el aterramiento debe abastecer un plano de referencia quieto, sin perturbaciones, de tal modo que ellos puedan operar satisfactoriamente, tanto en altas como en bajas frecuencias

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