Recomendaciones para diseño de PAT

8/19/2019 Recomendaciones para diseño de PAT

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P R E F A C I O

Esta especificación ha sido elaborada de acuerdo con las Bases Generales para laNormalización Interna en CFE por el Laboratorio.

Participaron en la aprobación de la presente especificación las áreas que a continuación seindican:

GERENCIA DE DISTRIBUCION

GERENCIA DE ESTUDIOS

GERENCIA DE TRANSFORMACION Y TRANSMISION

INSTITUTO DE INVESTIGACIONES ELECTRICAS

LABORATORIO

a presente especificación re!isa " substitu"e a todas las relacionadas con el cálculo preliminar de redes de tierra plantas " subestaciones el#ctricas que se ha"an publicado con anterioridad$

AUTORIZO:

ALBERTO ESCOFET ARTIGASDirector Geera!

%&'(&)


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C O N T E N I D O

" INTRODUCCION.......................................................................................................## OB$ETIVO Y CAMPO DE APLICACION..................................................................#% NORMAS &UE SE APLICAN....................................................................................#' DEFINICIONES..........................................................................................................#'.# Te(i) *e Pa(o.......................................................................................................#'.% Te(i) *e Cotacto................................................................................................#'.' Re(i(tecia E!+ctrica *e! C,er-o ,/ao............................................................#'.0 Te(ioe( *e Se1,ri*a*..........................................................................................%0 CLASIFICACION.......................................................................................................%0.# P,e(ta a Tierra -ara Protecci).............................................................................%0.% P,e(ta a Tierra -ara F,cioa/ieto....................................................................%2 ESPECIFICACIONES................................................................................................%2.# Di/e(ioa/ieto *e !a Re* *e Tierra..................................................................%2.#.# Te/-erat,ra..............................................................................................................'2.#.% ,/e*a*...................................................................................................................'

2.% Dato( -ara e! Di(e3o................................................................................................'2.' C4!c,!o *e! Co*,ctor -ara !a Ma!!a *e Tierra......................................................'2.'.# Lo1it,* tota! *e! co*,ctor 5,e *ebe 6or/ar !a /a!!a *e tierra.......................02.'.% Caracter7(tica( *e !a c,a*r7c,!a *e! co*,ctor 5,e 6or/a !a /a!!a....................02.'.' U(o *e e!ectro*o( e !a re* *e tierra.....................................................................22.'.0 Ca!ibre *e! co*,ctor *e !a re* *e tierra...............................................................89 CALIBRE DEL CONDUCTOR DE CONEION A TIERRA DE

LOS APARTARRAYOS.......................................................................................... .... ;8 VERIFICACION DE LA RED DE TIERRAS..............................................................;; BIBLIOGRAFIA.........................................................................................................;

APENDICE A MEDICION DE RESISTIVIDAD............................................................................<

A.# A-arato( = E5,i-o(.................................................................................................<A.% M+to*o *e Me*ici)................................................................................................<A.' Errore(......................................................................................................................##A.0 Proce*i/ieto *e Ca/-o........................................................................................#%

%&'(&)


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TABLA # Va!ore( *e re6erecia *e !a re(i(ti>i*a* /e*ia -ara *i(tito( ti-o(*e (,e!o...................................................................................................................'

TABLA % Ca!ibre( reco/e*a*o( *e co*,ctore( *e cobre -ara re* *e tierra(............8

TABLA ' Re(,!ta*o( *e !a /e*ici)..................................................................................#'

FIGURA # C,a*r7c,!a *e! co*,ctor 5,e 6or/a !a /a!!a.....................................................0

FIGURA % Me*ici) *e re(i(ti>i*a*............................................................................... ......#"

FIGURA ' Error e !a /e*ici)............................................................................................ ##

FIGURA 0 I(tr,/eto *e /e*ici)................................................................................... .##

FIGURA 2 Me*ici) e e! ca/-o..........................................................................................#%

FIGURA 9 Me*ici) *e !a re(i(tecia R...............................................................................#%

FIGURA 8 S,e!o ?o/o1+eo................................................................................................#'

FIGURA ; S,e!o ?etero1+eo % ca-a(@a,/eto co !a -ro6,*i*a*............................................................................ .#'

FIGURA < S,e!o ?etero1+eo % ca-a(@*i(/i,=e co !a -ro6,*i*a*........................................................................ ..#'

FIGURA #" S,e!o *e ' ) /4( ca-a(.......................................................................................#0

FIGURA ## Mo*e!o ?o/o1+eo............................................................................................. #0

FIGURA #% Mo*e!o ?etero1+eo............................................................................................#0

%&'(&)

' de '*


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" INTRODUCCION

El ob+eti!o de estas recomendaciones para el cálculo preliminar de redes de tierra ensubestaciones el#ctricas, es presentar un m#todo sistemático simplificado que permita efectuar los cálculos preliminares que den una idea de las dimensiones de la red de tierras$ El m#todoque se presenta no es e-acto pues introduce simplificaciones como es el considerar al terrenocomo homo.#neo cuando en realidad no lo es, por otra parte el m#todo de medición presentadopara la obtención de la resisti!idad del terreno requiere de correcciones con un pro.rama di.ital$/e recomienda que para cálculos finales de la red de tierras aue se apliquen los pro.ramasdi.itales que e-isten para tal fin$

# OB$ETIVO Y CAMPO DE APLICACION

Establecer el m#todo para determinar las caracter0sticas básicas, de redes de tierra, en el dise1ode subestaciones, en función de las resisti!idades del suelo " dimensiones de la subestacióndeterminando el n2mero de electrodos, el calibre del conductor " la separación de conductoresque forman la cuadr0cula$

% NORMAS &UE SE APLICAN

IEEE No$%& Guide for /afet" in 3$C$ /ubstations

Groundin. 4Gu0a para Protección de5ierras en /ubestaciones de C$3$6$

' DEFINICIONES

Para efectos de la presente especificación se establecen las si.uientes definiciones$

'.# Te(i) *e Pa(o @V-

Es la tensión que resulta entre los pies de una persona apo"ada en e7 suelo a la distancia de unmetro$

'.% Te(i) *e Cotacto @Vc

Es la tensión a la cual se puede !er sometido el cuerpo humano por contacto con una calcaza oestructura metálica de una máquina, aparato el#ctrico o estructura de monta+e, que encondiciones normales no se encuentra con tensión$

'.'. Re(i(tecia E!+ctrica *e! C,er-o ,/ao

a resistencia interna del cuerpo humano es de apro-imadamente de (&& Ω $ a resistencia decontacto entre una mano " un conductor o una parte metálica ba+o tensión !ar0a dentro del0mites mu" amplios, se.2n sea la e-tensión " la naturaleza de la superficie de contacto, de lanaturaleza de la piel de las personas 4lisa ó callosa6, del .rado de humedad de la piel, etc$

a resistencia de contacto entre el pie " el suelo puede !ariar considerablemente se.2n sean lascondiciones del calzado " del suelo, por citar al.una cifra que sir!a como e+emplo se puede

decir que la resistencia del cuerpo humano 4inclu"endo la resistencia de contacto6 puedealcanzar !alores del orden de (&&,&&&Ω en el caso de una persona con manos callosas " secascon calzado adecuado para traba+o el#ctrico " suelo seco, " puede descender a !alores delorden de )&&Ω en el caso de personas con manos lisas " h2medas, con calzado normal " en unsuelo buen conductor 4ba+a resisti!idad superficial6$

En la ma"or0a de los casos la resistencia de contactos es ele!ada por lo que de acuerdo con lasnormas internacionales se recomienda una resistencia de 8&&&Ω $

( de '*


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'.0 Te(ioe( *e Se1,ri*a*

/e recomienda que en nin.2n punto de una instalación el#ctrica se presenten tensiones de pasoo de contacto superiores a los si.uientes !alores:

9 & ; cuando no se pre!# la eliminación rápida de una falla de I0nea a tierra,

9 '(& ; cuando la falla se elimine en un periodo de un se.undo$

0 CLASIFICACION

Para los propósitos de estas recomendaciones se consideran básicamente dos tipos de puesta ocone-ión a tierra$

0.# P,e(ta a Tierra -ara Protecci)

Es necesario conectar el#ctricamente al suelo toda aquellas partes de las instalacionesel#ctricas que en condiciones normales no se encuentren su+etas a tensión, pero que puedentener diferencias de potencial a causa de fallas accidentales, tales partes pueden ser por e+emplo: los tableros el#ctricos, el tanque de los transformadores o interruptores " en .eneral lacarcaza de las máquinas el#ctricas, la estructura metálica de las subestaciones o lle.adas de lasl0neas de transmisión, as0 como todos los soportes metálicos de equipos " aparatos$

0.% P,e(ta a Tierra -ara F,cioa/ieto

Considerando que es necesario establecer una cone-ión a tierra en determinados puntos de unainstalación el#ctrica con el fin de dar una ma"or se.uridad, un ma"or funcionamiento "e!entualmente una ma"or re.ularidad en la operación, es necesario conectar a tierra ciertospuntos del sistema pudiendo ser estos puntos los si.uientes: los neutros de los .eneradores "transformadores con de!anados conectados en estrella, la cone-ión a tierra de los apartarra"os,la cone-ión a tierra de los hilos de .uarda de los transformadores de potencial " al.unos otrosequipos

2 ESPECIFICACIONES

2.# Di/e(ioa/ieto *e !a Re* *e Tierra

El dimensionamiento de una red de tierras consiste en el cálculo de un con+unto de elementosdispersores con!enientemente conectados de tal forma que se ten.a una resistencia a tierraresultante$

<;

;4'65

5

5

≤ . . . . . . . . .

en donde:

á-ima corriente de falla$

a resistencia a tierra de un dispersor sencillo depende en .eneral de su forma, dimensión " del

!alor medio de la resisti!idad ρ del terreno$

%&'(&)

8 de '*


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TABLA # Va!ore( *e re6erecia *e !a re(i(ti>i*a* /e*ia -ara *i(tito( ti-o( *e (,e!o

Ti-o *e (,e!o Re(i(ti>i*a* o?/(/etro

5erreno h2medo o suelo or.ánico '&9)&

5erreno de culti!o o arcilloso '&&

5ierra arenosa h2meda (&&

5ierra arenosa seca 4suelo seco6 '&&&

5ierra con .ui+arros " cemento '&&&

/uelo rocoso h2medo 4piedra molida h2meda6 8&&&


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%&'(&)

* de '*

El procedimiento de cálculo que se describe a continuación es obtener en primer lu.ar la mallade tierra con conductores " complementarla con los electrodos$

2.'.# Lo1it,* tota! *e! co*,ctor 5,e *ebe 6or/ar !a /a!!a *e tierra.

a lon.itud total del conductor de la malla de tierra se calcula de acuerdo con la e-presión

L =

0.7 I

Vc

(m)

ρ

?onde:

= lon.itud total del conductor de la malla en m

ρ = resisti!idad media del terreno, en Ω 9 m

I = má-ima corriente de falla a tierra, en 3

;c = tensión de contacto, en ;$

/i se dise1a tomando como base la tensión de paso 4;p6, la e-presión que se puede emplear

es:

V p

0.16 I

L =

2.'.% Caracter7(tica( *e !a c,a*r7c,!a *e! co*,ctor 5,e 6or/a !a /a!!a


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a lon.itud total de conductor de tierra se distribu"e como una cuadr0cula que se entierra en elárea de la subestación a una profundidad del orden de &$) m, la distancia a que se localizan losconductores que forman la cuadr0cula se calcula como si.ue: /i se supone que el áreainteresada es en .eneral un rectán.ulo de lados a' " a( " que b es la lon.itud de cada lado de lacuadr0cula se puede tener la si.uiente representación de la Fi.ura '$

) de '*

Partiendo de la base que el rectán.ulo tiene un per0metro $ a lon.itud total del conductor detierra se puede e-presar como:

= a 4 a

b'6 a 4a

b'6'

((

(+ +

?esarrollando, se obtiene que la lon.itud de los lados para formar la cuadr0cula es:

b =( a a

9 a 9 a

' (

' (

En la fi.ura anterior ? representa la dia.onal de la red de tierras que permite calcular el.radiente de potencial má-imo que se localiza en la periferia de la instalación de acuerdo con lasi.uiente e-presión:

GP =I

?

(

ρ

2

?onde:

GP = .radiente de potencial, en !Dm

I = corriente de falla a tierra, en 3


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ρ = resisti!ad media, en Ω 9 m

? = lon.itud de la dia.onal, en m

2.'.' U(o *e e!ectro*o( e !a re* *e tierra

En al.unos lu.ares es dif0cil obtener ba+os !alores de resistencia de tierra debido a que las

condiciones del terreno influ"en directamente sobre esta resistencia, de tal forma que en ciertoscasos una malla de tierra ideal estar0a constituida por una placa de cobre en toda el áreaconsiderada de la subestación, lo que resultar0a de un costo mu" ele!ado$

?ebido a lo anterior en subestaciones el#ctricas con!encionales 4no blindadas6 se considera quecon el uso de electrodos de tierra se pueden reducir li.eramente los !alores de resistencia detierra en los terrenos que tienen una alta resisti!idad, otro caso donde resulta con!eniente el usode electrodos, es cuando se tiene un terreno de resisti!idad cambiante que pueden causar problemas sobre la malla que se entierra a una profundidad del orden de &$)& m debido a quelos electrodos se pueden enterrar a una profundidad ma"or es posible encontrar una resisti!idadmenor " poca !ariación en la misma, esta aplicación se usa en los terrenos con ni!eles friáticosa poca profundidad$

Estos electrodos se conectan entre s0 " a la malla de tierra por medio de conectores de tal forma

que cubran el área total de la malla$ Estos electrodos deben estar con!enientemente separadosa una distancia no menor de dos !eces su lon.itud, " a una distancia má-ima de un metro másde la cerca protectora de la subestación " de todas las estructuras de acero, cubiertas ocarcazas del equipo as0 como otras cone-iones a tierra como son los hilos de .uarda neutros atierra, cables de cone-ión a tierra de los apartarra"os, etc$

de '*

El criterio de cálculo parte de la base de que se supone que la resistencia ideal de tierra setendr0a con una placa metálica como red de tierra en la subestación, la resistencia de tierra enestas condiciones debe ser:

<* r

=*4'$(*)6 3

5 '(

= ρ ρ

/iendo ρ la resisti!idad media del terreno en ohms9metro " r el radio equi!alente en metros deun c0rculo que cubre el área espec0fica, " dado que el área del c0rculo es:

3 = π r

/i se e-presa en t#rminos del área cubierta por la red de tierras en lu.ar del radio r

( )r = 3 D '$(*) 3π =1

2

" entonces la resistencia de tierra se puede e-presar en forma .eneral como:

<&$'*'&)

3

5 '(

= ρ

por lo .eneral se considera un 8% más de este !alor, es decir:

<&$'*

35 '

(

= ρ


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Para calcular el n2mero de electrodos de tierra que se necesitan para obtener la resistencia detierra requerida en la subestación, se puede emplear la si.uiente fórmula:

( )[ ]R =

2 n L (In 4 L b K L A A )T

1 1 1 1

ρ

π η − + −1 2 1 2/

Cuando la separación entre electrodos es mucho ma"or que la lon.itud de los mismos, se puededespreciar el 2ltimo t#rmino de la e-presión anterior quedando la fórmula simplificada comosi.ue:

( )[ ]<

( n In * D b 9 '5

' '

= ρ

π η

?onde:

5 = resistencia de tierran = numero de electrodos de tierra

' = lon.itud del electrodo, en m$b = radio del electrodo, en m$

ρ = resisti!idad del terreno, en Ω − m$ 3 = área cubierta por la malla, en m$

π = n2mero m0nimo de electrodos$

%&'(&)

de '*

Normalmente el !alor a determinar en la e-presión anterior es el n2mero de electrodos npudi#ndose simplificar la e-presión a la si.uiente:

n = &$& 3

En este caso:

n = n2mero m0nimo de electrodos

3 = área de la malla en m

2.'.0 Ca!ibre *e! co*,ctor *e !a re* *e tierra(

En la red de tierras se debe usar un conductor de cobre " solo cuando sea necesario se podráusar aluminio$ En cualquier caso la sección del conductor de tierra se calcula di!idiendo lacorriente má-ima de falla a tierra entre la densidad de corriente del material usado, es decir:

/ = I 3

?onde:

/ = calibre del conductor, en mm

I = corriente má-ima de falla a tierra, en 3

3 = densidad de corriente del material usado, en 3Dmm

Para conductor de cobre se usa la e-presión:


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( )/ =I

'&mm

(

Para conductor de aluminio se usa la e-presión

( )/ =I

'&&mm

(

5ratándose de conductores de cobre la sección m0nima del conductor es ' mm " paraconductores de aluminio 8) mm$

Para cálculos rápidos se puede emplear la si.uiente tabla que relaciona la corriente má-ima defalla a tierra con el calibre de conductor 4empleando el sistema americano de desi.nación decalibre6$

TABLA % Ca!ibre( reco/e*a*o( *e co*,ctore( *e cobre -ara re* *e tierra(.

Corriete /4i/a *e 6a!!aa tierra e A

Ca!ibreAG ) MCM

Hasta *&& 'D&

de *&&' a )&&& (D&

de )&&' a &&& 8D&

de &&' a %)&& *D&

de %)&' a '&,&&& ()&

de '&,&&' en adelante )&&

%&'(&)

% de '*

9 CALIBRE DEL CONDUCTOR DE CONEION A TIERRA DE LOSAPARTARRAYOS

Para la cone-ión a tierra de los apartarra"os, la sección de los conductores no deben ser inferiores a los si.uientes !alores:

Para conductores de cobre:

/ = (* &$* ;n

Para conductores de aluminio:

/ = *& & ;n

?onde:


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;n = tensión nominal o de desi.nación del apartarra"os

/ = calibre del conductor, en mm

8 VERIFICACION DE LA RED DE TIERRAS

?ebido a que los cálculos teóricos de la red de tierra suponen una resisti!idad homo.#nea delterreno " en la realidad no lo es, una !ez que se constru"e la red de tierras se debe medir laresistencia total a tierra de la instalación desconectando los hilos de .uarda de las I0neas detransmisión que se conectan a la subestación$

/i la red de tierra está constituida por conductores " electrodos, cuando el !alor de resistenciade tierra es alto respecto al !alor deseado se pueden a.re.ar otros electrodos hasta obtener un!alor i.ual o pró-imo al deseado de la resistencia de tierra, para esto se puede emplear lasi.uiente e-presión:

Na = Nc 4


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El diámetro de las !arillas debe ser menor cuando el suelo sea sua!e ocuando se requiriera medir la resisti!idad superficial con peque1a separaciónentre !arillas,

9 cables

Cable de cobre con aislamiento para && ; calibre '* 3JG o ma"or$ alon.itud depende de la separación má-ima entre electrodos que se deseamedir,

9 * conectores mecánicos de .rapa,

9 cinta m#trica$

A% M+to*o *e /e*ici).

Para medir la resisti!idad, se debe utilizar el m#todo de * electrodos, el cual consiste en losi.uiente:

a6 Cla!ar * !arillas en el suelo a una profundidad de (&& a 8&& mm, dispuestasen I0nea recta con una separación uniforme entre ellas$ /e debe procurar quelas !arillas queden más o menos en un plano horizontal " no debe haber

huecos alrededor de las !arillas$

b6 as terminales de corriente del instrumento C' " C( se conectan a tra!#s delos cables a las !arillas de los e-tremosK las de potencial P' " P( a las !arillasintermedias como se indica en la Fi.$ (

%&'(&)


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'& de '*

c /e ener.iza el instrumento 4de acuerdo con su instructi!o6 " se toman laslecturas respecti!as de resistencia en Ω $

* /e calcula la resisti!idad mediante la fórmula

ρ = ( π a <

donde:

< = resistencia medida, en Ω

a = separación entre electrodos, en m$

p = resisti!idad del suelo, en Ω $ 9 m$

Normalmente, se considera que se mide hasta una profundidad i.ual a la separación entreelectrodos$

a fórmula anterior, es !álida solamente si la distancia entre electrodos a es ma"or que laprofundidad b a la que se entierran las !arillas$ 43pro-$ a = '& b6$

En el caso que a = b se debe usar la fórmula .eneral:

ρ π

=* a <

n

donde n tiene un !alor entre ' " ( dependiendo de la relación bDa como se indica a continuación:

Cuando:

b = a n = '$'%b = (a n = '$&8%b = *a n = '$&&(

/i b es mu" peque1a comparada con a entonces se usa ρ = ( π a< como se indica$


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'' de '*

A.' Errores

?urante la medición, se pueden tener errores debido principalmente a:

A.'.# @so inapropiado de la fórmula ρ = ( π a< cuando a ≈ b como se indicó antes$

A.'.% Cuando la distancia entre electrodos es mu" .rande 4!alores peque1os de < en elI0mite o por aba+o de la escala menor del instrumento6 se puede presentar inestabilidad en el instrumento$ En este caso, aumentar la distancia entreelectrodos de potencial como se indica en la fi.ura 8$

" utilizar la fórmula ρ = π < 4a a?6D?$

os resultados concuerdan con ρ = ( π a< dentro del '& o menosK 4.eneralmente *6$ Cuandola distancia de los electrodos de potencial no e-ceden el %& la distancia entre los electrodos decorriente s0 ? L &$%a$

Con resisti!idades ele!adas 4≈ 8&&& Ω 9m6 " la separación desi.ual de los electrodos se puedelle.ar a presentar tambi#n ciertas inestabilidades del instrumento$

A.'.' Falta de calibración del instrumento de mediciónK por lo que antes de usar elinstrumento, se debe comprobar su a+uste con dos ó tres resistencias diferentes "de !alor conocido$ /e pueden aceptar diferencias entre el !alor de la resistencia "el !alor indicado por el instrumento del orden de '&$ a cone-ión se hace como seindica en la fi.ura *$


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'( de '*

A.0 Proce*i/ieto *e ca/-o.

A. 0.# En el área que se desea medir la resisti!idad, se trazan ( l0neas de prueba como seindica en la fi.ura )$ Pueden esco.erse ' " ( ó 8 " * o ambas si se requierema"or información, dependiendo del tama1o del terreno$

A.0.% >edir la resistencia < en cada I0nea de prueba con el m#todo de medición indicadoen el punto, comenzando en el centro de la l0nea " !ariando cada !ez, laseparación entre electrodos como se indica en la fi.ura )$

NOTA: C,a*o (e ob(er>e ie(tabi!i*a* e e! e5,i-o (e *ebe *e a,/etar e! /ero *e /e*icioe( e e! terreo.


17/20

'8 de '*

El n2mero de mediciones se limita normalmente hasta a ≈ &$)$ Por e+emplo si ='&& m la a má-$ = )& m " ser0a necesaria realizar ) mediciones más aumentandocada !ez * m$ En subestaciones peque1as el n2mero de mediciones debe ser menor$

A.0'


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A.0.8 Con los !alores de la tabla de resisti!idades ó mediante las cur!as, se puedeobtener el modelo homo.#neo 4Fi.ura ''6 o hetero.#neo 4Fi.ura '(6 de dos capasmediante un pro.rama di.ital$ ' 6


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Estos !alores sir!en de datos para el pro.rama di.ital >35 ' 6 para el dise1o deredes de tierra de subestaciones$

A.0.; Cuando no se dispone de los pro.ramas di.itales " se tiene suelo hetero.#neo$

5omar el promedio de los !alores de resisti!idad obtenidos$

A.0.< /e recomienda hacer las mediciones en la #poca de menor humedad anual$

Notas:

' 6 Pro.ramas desarrollados por el IIE$

%&'(&

Recomendaciones para diseño de PAT

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