Capitulo 5 ing.eléctrica

CAPITULO 5

DEFINICIONES - CONDUCTORES ELÉCTRICOS

5.1 INTRODUCCIÓNInstalación eléctrica es el conjunto de elementos necesarios, incluyendo los accesorios de control y protección, para interconectar una o varias fuentes de energía eléctrica con los aparatos receptores tales como lámparas, motores, equipos electrodomésticos, etc.

Prácticamente en todos los países del mundo existen disposiciones de observancia obligatoria que reglamentan la construcción de instalaciones eléctricas, ya sea para fines residenciales, comerciales o industriales. Dichas disposiciones tienen la finalidad de lograr que estas instalaciones sea eficientes y, sobre todo, más confiables y seguras. En la República Mexicana se encuentra en vigor la Norma Oficial Mexicana NOM-001-SEDE-2005, y la cual, de acuerdo con el punto 2 de su considerando establece que esta norma es aplicable en los siguientes casos:

a) Propiedades industriales, comerciales, residenciales y de vivienda, institucionales, cualquiera que sea su uso, públicas y privadas, y en cualquiera de los niveles de tensiones eléctricas de operación, incluyendo las utilizadas para el equipo eléctrico conectado por los usuarios. Instalaciones en edificios utilizados por las empresas suministradoras, tales como edificios de oficinas, almacenes, estacionamientos, talleres mecánicos y edificios para fines de recreación.

b) Casas móviles, vehículos de recreo, construcciones flotantes, ferias, circos y exposiciones, estacionamientos, talleres de servicio automotor, estaciones de servicio, lugares de reunión, teatros, salas y estudios de cinematografía, hangares de aviación, clínicas y hospitales, construcciones agrícolas, marinas y muelles, entre otros.

c) Sistemas de emergencia o reserva propiedad de los usuarios.d) Subestaciones, líneas aéreas de energía eléctrica y de comunicaciones e instalaciones

subterráneas.e) Centrales eléctricas para Cogeneración o Autoabastecimiento.f) Cualesquiera otras instalaciones que tengan por finalidad el uso de la energía eléctrica,

excepto lo indicado en 1.2.3.

En el capítulo 1 de las normas citadas se incluyen las definiciones de términos esenciales para su adecuada aplicación, considerándose conveniente transcribir a continuación algunas de las definiciones antes mencionadas:

5.2 DEFINICIONES

ACOMETIDA.- Conductores de acometida que conecta la red del suministrador al alambrado del inmueble a servir.

ALIMENTADOR.- Todos los conductores de un circuito entre el equipo de acometida o la fuente de un sistema derivado separadamente u otra fuente de alimentación y el dispositivo final de protección contra sobrecorriente del circuito derivado.

edmundo gutiérrez vera d. r.

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CANALIZACIÓN.- Canal cerrado de materiales metálicos o no metálicos expresamente diseñado para contener alambres, cables o barras conductoras, con funciones adicionales como lo permita esta norma.CAPACIDAD DE CORRIENTE.- Corriente que puede conducir un conductor eléctrico expresada en amperes bajo operación continua y sin exceder su temperatura normal.CARGA.- Es la potencia instalada o demandada en un circuito eléctrico.CARGA CONTINUA.- Aquella cuya corriente eléctrica nominal circule durante tres horas o más.CIRCUITO DERIVADO.- Conductores de un circuito desde el dispositivo final de sobrecorriente que protege a ese circuito hasta la o las salidas finales de utilización.CIRCUITO DERIVADO MULTICONDUCTOR.- Circuito derivado que consta de dos o más conductores no puestos a tierra que tienen diferencia de potencial eléctrico entre ellos y, un conductor puesto a tierra que tiene la misma diferencia de potencial eléctrico entre él y cada conductor no puesto a tierra del circuito y que está conectado al neutro o al conductor puesto a tierra del sistema.CONTROLADOR.- Dispositivo o gripo de dispositivos para gobernar, de un modo predeterminado, la energía eléctrica suministrada al aparato al cual está conectado.CONDUCTOR AISLADO.- Conductor aislado con un material de composición y espesor aceptado por la Norma Oficial Mexicana.CONDUCTOR DE PUESTA A TIERRA DE PARTES METÁLICAS NO CONDUCTORAS DE CORRIENTE ELÉCTRICA.- Es el conductor que se usa para conectar a tierra en el punto requerido las cubiertas metálicas de los equipos, las canalizaciones metálicas y otras partes metálicas que pudieran transportar corrientes indeseables a través de ellas. Se le llama comúnmente "tierra física".CONDUCTOR PUESTO A TIERRA DEL SISTEMA.- Es el conductor de un circuito o sistema que intencionalmente se conecta a tierra, tal como es el uso del conductor neutro.CONDUCTOR DESNUDO.- Que no tiene cubierta ni aislamiento eléctrico de ninguna especie.CORRIENTE DE INTERRUPCIÓN.- Corriente eléctrica máxima a la tensión nominal que un dispositivo es capaz de interrumpir bajo condiciones de prueba normalizadas. Los dispositivos diseñados para interrumpir corriente eléctrica a otros niveles distintos de los de falla, pueden tener su valor de interrupción expresado en función de otras unidades, como KW, KVA o corriente eléctrica a rotor bloqueado del motor.EQUIPO A PRUEBA DE EXPLOSIÓN.- Equipo protegido por una caja, capaz de resistir una explosión de un gas o vapor específico, que puede ocurrir en su interior, de impedir la ignición de un gas o vapor que lo rodea causado por chispas, explosión del gas o vapor del interior de la cubierta y capaz de funcionar a una temperatura exterior tal que la atmósfera inflamable que lo rodea no sea incendiada por su causa.INTERRUPTOR AUTOMÁTICO.- Dispositivo diseñado para abrir o cerrar un circuito por medios no automáticos y para abrir el circuito automáticamente cuando se produzca una sobrecorriente predeterminada, sin dañarse a si mismo, cuando se aplica correctamente dentro de su valor nominal.MEDIOS DE DESCONEXIÓN.- Un dispositivo o conjunto de dispositivos mediante los cuales los conductores del circuito se pueden desconectar de la fuente de alimentación.PUENTE DE UNIÓN.- Conductor confiable para proporcionar la conductividad eléctrica requerida entre partes de metal que hayan de ser conectadas eléctricamente.SOBRECARGA.- Funcionamiento de un equipo excediendo su capacidad nominal, de plena carga o, de un conductor que excede su capacidad de conducción de corriente nominal,


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cuando tal funcionamiento, al persistir por suficiente tiempo puede causar daños o sobrecalentamiento peligroso. Una falla tal como un cortocircuito o una falla a tierra, no es una sobrecarga.SOBRECORRIENTE.- Cualquier corriente eléctrica en exceso del valor nominal de los equipos o de la capacidad de conducción de corriente de un conductor. La sobrecorriente puede ser causada por una sobrecarga, un cortocircuito o una falla a tierra.TABLERO.- Un panel o grupo de paneles individuales diseñados para constituir un sólo conjunto. Incluye barras, dispositivos automáticos de protección contra sobre corriente y puede tener o no interruptores para controlar los circuitos de fuerza, iluminación o calefacción. Está diseñado para instalarse dentro de una caja o gabinete auto soportado, embutido o adosado a una pared o tabique y, ser accesible sólo por el frente.FUSIBLE.- Dispositivo de protección contra sobre corriente con una parte que se funde cuando se calienta con el paso de sobre corriente que circula a través de ella y que, al fundirse, abre el circuito correspondiente.FUSIBLE DE EXPULSIÓN.- Fusible con abertura en el cual la extinción del arco se efectúa mediante la acción de los gases producidos por el arco y el revestimiento de los porta fusibles, ya sea por si solos o con la ayuda de un resorte.FUSIBLE DE POTENCIA.- Un fusible con escape, sellado o con escape controlado, en el cual la extinción del arco se efectúa por su alargamiento a través de un material sólido, granular o líquido, con o sin la ayuda de un resorte.5.3 ELEMENTOS DE UNA INSTALACIÓN ELÉCTRICAConsiderando que el curso objeto de este texto está enfocado básicamente a instalaciones residenciales, comerciales e industriales en baja tensión, es factible señalar que los elementos principales que componen una instalación eléctrica de esta naturaleza, son los siguientes:

a).- Conductores b).- Canalizaciones c).- Conectores para canalizaciones d).- Accesorios e).- Dispositivos de protección

5.4 CONDUCTORES ELÉCTRICOSPor su función principal los conductores eléctricos pueden clasificarse en :

a).- Cables de energía b).- Cables para comunicaciones c).- Cables para señalización y control d).- Alambre magneto

CABLES DE ENERGÍA.- Tienen como función primordial la de transportar energía desde las fuentes de generación hasta los puntos de consumo, donde esta energía puede ser transformada para su utilización en luz, calor, movimiento, etc.

CABLES PARA COMUNICACIÓN.- Su función es la transmisión de señales inteligentes como voz, audio, video y otros. La energía eléctrica en este tipo de cables se modula y transmite para la comunicación de señales.


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CABLES PARA SEÑALIZACIÓN Y CONTROL.- Son utilizados para el control, telecomando o tele medición de aparatos e instalaciones eléctricas.

ALAMBRE MAGNETO.- Cuando se requiere la formación de campos magnéticos para el aprovechamiento de la energía eléctrica, son utilizados este tipo de productos.

Circunscribiéndose a la clasificación de cables de energía, se puede mencionar que la mayor parte de estos conductores están hechos de cobre o de aluminio que son los materiales comerciales con una mayor conductividad eléctrica. Existen otros materiales con mejores características de conductividad como la plata y el platino, pero su elevado costo impide su utilización en instalaciones eléctricas, salvo aplicaciones muy especiales.

El aluminio tiene aproximadamente un 75% de la conductividad del cobre, pero al ser mucho más liviano que éste, es competitivo al realizarse los estudios económicos correspondientes.

Generalmente los conductores se fabrican de sección circular, que puede ser de material sólido conociéndose en este caso como alambre o bien, formados por varios filamentos torcidos que se identifican con el nombre genérico de cables, siendo este conductor mucho más flexible que el alambre de la misma sección.

Los conductores se identifican por un número que corresponde a su sección o calibre y que se basa en el sistema americano de designación AWG (American Wire Gauge). En este sistema los números son regresivos y, el número mayor que es el 36, representa el conductor de menor diámetro. En la medida en que se reduce el número a partir del 36, aumenta la sección transversal del conductor hasta llegar al número 1 y, después de éste, se encuentran los calibres 1/0 (un cero), 2/0 (dos ceros), 3/0 (tres ceros) y 4/0 (cuatro ceros) que es el conductor más grueso en la designación AWG. La escala existente entre dos calibres consecutivos se formó fijando los dos diámetros de los calibres 36 y 4/0 y estableciendo una ley de progresión geométrica para los diámetros intermedios. Los diámetros seleccionados son de 0.46 pulgadas para el conductor 4/0 y de 0.005 pulgadas para el número 36 y, la relación existente es: _____ 39/ 0.460 = 1.1229 V 0.005

Es decir, la relación entre dos diámetros consecutivos en la escala, es constante e igual a 1.1229 Existen conductores con una sección mayor a la del 4/0 AWG y, en este caso, se designan en función a su área en pulgadas cuadradas, para lo cual se utiliza una unidad denominada CIRCULAR MIL.

Circular mil es la sección de un círculo que tiene un diámetro de un milésimo de pulgada.

1 CM = Π * d 2 = 3.14 * 0.0254 2 = 5.06 * 10-4 mm2 4 4


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1 mm2 = 10 4 = 1,974 CM ≈ 2000 CM 5.06

Para facilidad de consulta, al final de este libro se incluyen una serie de diferentes tablas, apareciendo en la tabla No. 5 las dimensiones de los conductores eléctricos desnudos.

Los conductores de baja tensión tienen aislamiento de hule o de plástico, siendo el primero poco usual en la actualidad. Puede señalarse que las propiedades de cada producto dependen de las características de su aislamiento. Se puede clasificar a los conductores de baja tensión de acuerdo a su tipo de aislamiento en dos grandes grupos principales:

1.- Con aislamiento de policloruro de vinilo (termoplásticos). 2.- Con aislamiento de polietileno o elastómero (polímeros).

Los conductores aislados con PVC se subdividen a su vez de acuerdo con la temperatura máxima de operación de su aislamiento. Los productos más comunes agrupados en esta subdivisión son los siguientes:

Para 60° C : Tipos TW y TWD (duplex) Para 75 y 90° C: Tipos THW, THWN y THHN

Cabe señalar que en la actualidad existen aislamientos de termoplásticos mejorados que soportan mayores temperaturas y, así se tiene por ejemplo el producto conocido como Vinicon que es un conductor con aislamiento del tipo THW pero que soporta temperaturas de operación hasta de 105° C, elevándose por ende su ampacidad.

Al hablar de la temperatura máxima de operación de un conductor debe aclararse que éstos no se dañan inmediatamente si se rebasa su temperatura de diseño, pero si se reduce notablemente su vida útil. Por ello, es muy importante que los conductores sólo transporten como máximo, la corriente para la cual fueron diseñados.

5.5 DESCRIPCIÓN DE ALGUNOS PRODUCTOS5.5.1 ALAMBRES Y CABLES TIPO TW.- Son conductores generalmente de cobre electrolítico (99.9% de pureza), con aislamiento de policloruro de vinilo, deslizante y resistente a la propagación de incendios. Su tensión máxima de operación es de 600 volts y su temperatura máxima de operación es de 60° C.

El aislamiento tiene propiedades deslizantes y se instala con facilidad, no siendo necesario usar grasas o talcos, evitándose la degradación del aislamiento que provocan estos productos.

APLICACIONES: De uso general para instalaciones ocultas o bajo techo en ductos y charolas. Para ambientes secos o húmedos. No deben utilizarse en lugares donde estén en contacto con aceites o productos químicos, ni directamente enterrados.

5.5.2.- ALAMBRES Y CABLES TIPO THW.- Son conductores generalmente de cobre electrolítico, con aislamiento de policloruro de vinilo especial, resistente al calor, humedad,


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aceites y algunos productos químicos. Es deslizante y resistente a la propagación de incendios. Su tensión máxima de operación es de 600 V y las temperaturas máximas de operación en el conductor son de 75° C en ambientes secos y húmedos y 60° C en contacto con aceites. Tiene una mayor resistencia a las sobrecargas que los tipos T y TW. Sus aplicaciones son básicamente las mismas que las señaladas en el párrafo anterior.

5.5.3.- ALAMBRES Y CABLES TIPO THWN Y THHN.- Son conductores generalmente de cobre electrolítico, con aislamiento de policloruro de vinilo especial y cubierta exterior de nylon. Esta cubierta exterior otorga al producto las siguientes características: resistencia a la humedad, a los aceites, gasolina, solventes ligeros, grasas y productos químicos. Tiene una alta resistencia a la abrasión y a los abusos mecánicos. Su coeficiente de fricción es bajo y se instala fácilmente. Su resistencia a las sobrecargas es mayor a la de los productos anteriores. Su espesor de aislamiento es 20% aproximadamente menor que los conductores tipo TW y THW. Su tensión máxima de operación es de 600 V y sus temperaturas máximas de operación en el conductor son:

Ambiente seco: 75° C el THWN y 90° C el THHN Ambiente húmedo: 75° C el THWN En aceite: 60° C el THWN

APLICACIONES: En lugares donde se requiere mayor seguridad y mejor comportamiento eléctrico como hospitales, hoteles, cines, teatros, multifamiliares, bodegas, edificios públicos y donde se trabaja con gasolina y solventes como refinerías, fábricas de productos químicos etc.

PRODUCTOS CON AISLAMIENTO ELASTOMERICO

5.5.4 CABLES TIPO XHW, XHHN, RHW y RHH.- Conductor de cobre electrolítico suave, con aislamiento de polietileno de cadena cruzada. Su tensión máxima de operación es 600 V y sus temperaturas máximas de operación en el conductor son:

Ambiente seco: 75° C el XHW y el RHW y 90° C el XHH y el RHH Ambiente húmedo: 75° C el XHW y el RHW

Sus ventajas principales son: alta resistencia a las sobrecargas, a la humedad y a la gran mayoría de aceites y agentes químicos. Puede instalarse en lugares donde se presenten grandes diferencias de temperaturas y directamente enterrado. Es muy resistente a la propagación de incendios.

APLICACIONES: Por sus características es muy recomendable para instalaciones industriales y edificios comerciales. Puede ser instalado al aire libre, en conduits, charolas e incluso directamente enterrado. Se utiliza normalmente en redes subterráneas.

5.5.5 CONDUCTOR CON AISLAMIENTO DE POLIETILENO INTEMPERIE.- Es un conductor de cobre electrolítico forrado con polietileno de alta densidad, resistente a la intemperie y a la acción corrosiva de humos, ácidos y álcalis. Se utiliza generalmente en redes de distribución aéreas a la intemperie y cuando se desea proteger a instalaciones también de tipo intemperie, para evitar contactos accidentales de personas u objetos.


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Un conductor con aislamiento de este tipo es el comercialmente conocido con el nombre de NEUTRANEL. Estos conductores pueden ser de cobre o de aluminio. Su voltaje máximo de operación es de 600 V y su temperatura máxima también de operación es de 75° C. Se utiliza en redes de distribución y principalmente para las acometidas de los usuarios. Lleva el neutro desnudo y una, dos o tres fases aisladas, en forma trenzada. Se conoce en estos casos como 1 + 1; 2 + 1 y 3 + 1. En cobre, el 1 + 1 se obtiene en calibres 10, 8 y 4. El 2 + 1 se obtiene en calibres 8, 6 y 4 y, el 3 + 1 en calibres 8, 4, 1/0 y 3/0. En aluminio, el 1 + 1 se obtiene en calibres 8, 6 y 4; el 2 + 1 en 6, 4, 2 y 1/0 y, el 3 + 1 en 6, 4, 2, 1/0, 2/0 y 3/0.

A continuación se proporciona una tabla donde se describen someramente conductores con otros diferentes tipos de aislamientos y que con menor o mayor frecuencia son empleados en instalaciones eléctricas de baja tensión:

DIFERENTES TIPOS DE AISLAMIENTOS PARA CONDUCTORES ELÉCTRICOSTIPO TEMP.MAX

º CMATERIAL AISLANTE CUBIERTA

EXTERIORUTILIZACIÓN

RHW 75 Polímero sintético o de cadena cruzada

No metálica Lugares secos o húmedos

RHH 90 Polímero sintético o de cadena cruzada

No metálica Lugares secos o húmedos

MTW 90 Termoplástico resistente al calor, humedad, flama y a los aceites

Ninguna o de nylon

Alambrado máqs. herramientas

TA 90 PVC y asbesto No metálica Tableros eléct.TT 90 Termoplástico resistente al calor Ninguna Tableros eléct.

TBS 90 PVC retardador de flama De fibra Tableros eléct.SIS 90 Polímero sintético (XLP) Ninguna Tableros eléct.SA 90 Hule silicón Fibra de vidrio Aplic. especialesA 200 Asbesto Ninguna Aplic. especialesAI 125 Asbesto impregnado Ninguna Aplic. especialesAA 200 Asbesto Fibra de vidrio Aplic. especialesAVL 110 Asbesto y cambray Plomo Locales húmedosAVA 110 Asbesto y cambray Fibra de vidrio Locales secosPILC 85 Papel impregnado Plomo Acometidas

subterráneasMI 250 Oxido de magnesio Cobre Aplic. especiales

FEP 90 Etileno propileno fluorado Ninguna Lugares secosFEPB 200 Etileno propileno fluorado Fibra de vidrio Aplic. especiales

5.6 SELECCIÓN DE CONDUCTORES PARA INSTALACIONES ELÉCTRICASBásicamente deben considerarse tres factores para seleccionar el tipo de conductores a utilizar en una instalación eléctrica. Dichos factores son :

1.- Tipo de aislamiento. 2.- Capacidad de conducción de corriente o ampacidad. 3.- Caída de tensión.


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5.6.1 SELECCIÓN DE CONDUCTORES POR TIPO DE AISLAMIENTOComo se señaló brevemente en párrafos anteriores, cada tipo de aislamiento tiene propiedades específicas y para seleccionarlo deben considerarse los agentes que pueden afectarlos durante su instalación y operación. Estos pueden ser mecánicos como la presión en el manejo, almacenamiento y desempaque, lo cual puede provocar deformación del aislamiento y aparición de fisuras que puedan dar origen a fallas eléctricas. Abrasión que puede presentarse al introducir los conductores a las canalizaciones cuando éstas tienen rebabas o rebordes cortantes y, elongación que se presenta cuando se introduce en un ducto un número mayor de conductores que los permitidos o cuando la canalización tiene cambios de dirección muy bruscos y frecuentes. Como se observa, los agentes mecánicos que pueden afectar un conductor se presentan básicamente en el manejo e instalación de los mismos. Un adecuado control de estas actividades elimina estos problemas.

Los agentes más importantes que deben considerarse al seleccionar un aislamiento son los químicos y los eléctricos. Entre los primeros destacan los hidrocarburos, los ácidos, álcalis y el agua o humedad. En el análisis de los diferentes tipos de aislamientos se señaló la mayor o menor resistencia de cada uno de ellos a estos agentes. Así mismo, se indicó que tipo de aislamientos tienen mayor resistencia a las sobrecargas eléctricas y a los impulsos por cortocircuitos. En general, el aislamiento de los conductores es mucho mayor que las tensiones a que se ven sometidos y generalmente las fallas se presentan por sobrecargas sostenidas debido a deficiencias de las protecciones y que provocan temperaturas elevadas que degradan rápidamente el aislamiento. De lo anterior, se deriva la vital importancia que reviste el seleccionar el tipo de aislamiento adecuado a las condiciones en que va a operar un conductor y, a tener el máximo cuidado en la instalación de los mismos.

5.6.2 SELECCIÓN DE CONDUCTORES POR AMPACIDADPara determinar la corriente que puede circular por un conductor de acuerdo con su calibre, es necesario aplicar una serie de fórmulas entre las que podemos mencionar las relativas a pérdidas de potencia eléctrica, de resistencia eléctrica, de variaciones de temperatura, etc., mismas que deben ser complementadas con pruebas de laboratorio. Como resultado de todos los pasos anteriores, se han elaborado tablas que indican la ampacidad de los diferentes tipos de conductores de acuerdo con su calibre. Al final de este texto aparecen en las tablas Nos. 6 y 7, la ampacidad de varios de los diferentes tipos de conductores que existen en el mercado.

NÚMERO DE CONDUCTORES EN UN TUBO CONDUIT.- Los conductores eléctricos están limitados en su ampacidad por el calentamiento, sobre todo cuando se alojan en tuberías o ductos, por las limitaciones que existen para la disipación del calor generado por el paso de la corriente. Por este motivo, el número de conductores dentro de un tubo conduit debe limitarse para facilitar su instalación y también para permitir la circulación de aire que disipe el calor generado por el paso de la corriente eléctrica a lo largo de los conductores. Estas condiciones se logran estableciendo una relación adecuada de la sección del tubo y las de los conductores. Llamando factor de relleno a la relación que existe entre el área total de los conductores y el área interior del tubo, los valores establecidos por las Normas Oficiales Mexicanas 001-SEDE-2005 para dichos factores de relleno son los siguientes:

Fr = Área total de los conductores * 100 Área interior del tubo


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Fr = 53 % para un sólo conductor dentro del tubo Fr = 31 % para dos conductores dentro del tubo Fr = 40 % para tres o más conductores dentro del tubo

Al final de esta obra y como tablas Nos. 8 y 9, aparecen el número de conductores con los aislamientos más usuales, que pueden ser alojados en un tubo conduit.En la tabla No. 10 se indica la forma de determinar la sección que debe tener un ducto de hierro galvanizado para alojar un número dado de conductores eléctricos.

EJEMPLOS DE SELECCIÓN DE CONDUCTORES POR TIPO DE AISLAMIENTO Y POR AMPACIDAD Y, DETERMINACIÓN DEL DIÁMETRO DE LA TUBERÍA CONDUIT O SECCIÓN DE UN DUCTO DE FIERRO GALVANIZADO EN SU CASO.1.- Una línea monofásica, dos hilos, operando en un ambiente húmedo sin contaminación de ninguna especie y en una temperatura ambiente de 40° C, debe conducir 200 amperes. Determinar el tipo de aislamiento, calibre del conductor y diámetro de la tubería conduit para alojar los dos hilos.

Dado que existe humedad pero no hay contaminación, un aislamiento tipo TW es adecuado.

Considerando que la temperatura ambiente es de 40° C, debe aplicarse el factor de corrección por temperatura que como se observa en la tabla No. 6 es de 0.82 para los conductores tipo TW.

La corriente que servirá de base para seleccionar el conductor será entonces de:

Idiseño = Ireal = 200 = 244 amperes Ft 0.82

En la misma tabla No. 6 observamos que el conductor TW alojado en tubería que puede conducir la corriente determinada debe ser de un calibre de 350 KCM.

En la tabla No. 8 se detecta que se requiere un tubo conduit de 63mm (2.5plg) de diámetro para poder alojar estos conductores.

2.- Dos circuitos trifásicos, estrella (tres fases y neutro) alimentan cada uno una carga de 20 KW, 220 V, F. P. = 0.9 de una industria farmacéutica donde existe contaminación por productos químicos y humedad. Si la temperatura ambiente es de 40° C, seleccionar el tipo de aislamiento, calibre del conductor y diámetro de la tubería conduit.

Por la presencia de humedad y contaminación por productos químicos, uno de los aislamientos recomendados es el THWN.

En la tabla No. 6 se observa que el factor de corrección por temperatura para este tipo de conductor es de 0.88.


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Dado que se tendrán 6 conductores activos alojados en el mismo tubo, procede también aplicar un factor de corrección por relleno o agrupamiento el que, de acuerdo con las notas de la misma tabla No. 6 es de 0.8.

La corriente real es: Ireal = 20,000 ___ = 58.3 amperes 1.732 * 220 * 0.9

La corriente de diseño es: Idiseño = 58.3 = 82.84 amperes 0.88 * 0.8

En la tabla No. 6 se obtiene que el calibre del conductor THWN para conducir 82.84 amperes debe ser No. 4 AWG.

En la tabla No. 9 se encuentra que el diámetro de la tubería conduit para alojar 8 conductores THWN No. 4 AWG será de 38mm.

3.- Seleccionar calibre y tipo de conductor para alimentar un circuito trifásico que debe transmitir 440 amperes por fase en un ambiente sin contaminación y con una temperatura ambiente de 30° C.Por la temperatura y por tener sólo tres conductores alojados en el tubo, no procede aplicar ningún factor de corrección. Dado que no existe contaminación un aislamiento TW es adecuado y, en la tabla No. 6 se observa que se requiere conductores calibre 1000 MCM para conducir la corriente demandada.

En la tabla No 8 se determina que el diámetro de la tubería para alojar tres conductores de 1000 MCM, debe ser de 102mm de diámetro.

Dada la dificultad de conseguir y manejar calibres tan gruesos, puede resolverse también este problema instalando dos o más conductores por fase que pueden ir alojados en uno sólo o en varios tubos.

Considerando dos conductores por fase alojados en un mismo tubo, se tendría que aplicar un factor de corrección por relleno y, la corriente base para seleccionar el conductor sería:

Idiseño = 220 = 275 amperes 0.8

En la tabla No. 6 se observa que el calibre del conductor deberá ser de 400 MCM y, en la tabla No. 8 se determina que para alojar 6 conductores TW de este calibre se requiere una tubería con diámetro de 102mm.

Si instalamos los 6 conductores en dos tubos (tres por tubo), no se requiere aplicar factor de corrección por relleno y, por lo tanto, utilizaríamos conductores TW calibre 300 MCM que irían alojados en dos tubos de 63mm de diámetro cada uno.


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4.- Encontrar las dimensiones del ducto para alojar 20 conductores 4/0 AWG y 10 conductores 3/0 AWG con aislamiento THWN y, las dimensiones del ducto para alojar 15 conductores tipo TW calibre 1/0 AWG.

En la tabla No. 10 se encuentran las secciones transversales de cada conductor y con estos datos, se procede a encontrar la sección total de los conductores que se alojarán en el ducto.

Para el primer caso se tendrá:

20 conductores THWN, 4/0 * 211.2 mm2 = 4,224 mm210 conductores THWN, 3/0 * 176.7 mm2 = 1,767 mm2

SECCIÓN TOTAL: 5,991 mm2

De acuerdo con este dato y los contenidos en la tabla No. 10, se requiere un ducto de 20 X 20 cm. para alojar estos conductores.

Segundo caso:15 conductores TW, 1/0 * 143.99 mm2 = 2,160 mm2

Se requiere un ducto de 15 X 15 cm.

Cuando en una tubería se alojan conductores de diferente calibre, no es posible encontrar el diámetro de la tubería utilizando las tablas 8 ó 9 según sea el aislamiento y, en este caso, se deberán utilizar las secciones de los conductores aislados que aparecen en la tabla 10, para determinar con esta información el área ocupada por los conductores, calcular la sección de la tubería aplicando el factor de relleno correspondientes y con este valor, encontrar el diámetro requerido de la tubería. Para mayor comprensión de lo anterior se resuelve a continuación un ejemplo alusivo.

5. En un ambiente contaminado, con temperatura ambiente de 30º C un circuito trifásico de tres hilos alimentará una carga de 25 KVA, 220 V y, otro circuito trifásico, también de tres hilos, alimentará una carga de 35 KVA, 220 V. Determinar aislamiento, calibre de los conductores y diámetro de la tubería que alojará los dos circuitos trifásicos.

Ireal 1 = 25,000 = 65.6 amperes 1.732 * 220

Ireal 2 = 35,000 = 91.9 amperes 1.732 * 220

Aplicando los factores de agrupamiento a las dos corrientes antes calculadas se tendrá:

Idiseño 1 = 65.6 = 82.01 amperes 0.8

Idiseño 2 = 91.9 = 114.9 amperes 0.8


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Utilizando aislamiento THWN, en la tabla 6 encontramos que el calibre de los conductores del circuito trifásico 1 debe ser 4 AWG y, el calibre de los conductores del circuito 2 deberá ser 2 AWG. Según la tabla 10 el área ocupada por los conductores será:

3 conductores THWN No. 4 * 55.15 mm2 = 165.45 mm23 conductores THWN no. 2 * 77.00 mm2 = 231.00 mm2

Área total de conductores = 396.45 mm2

Sección de la tubería = Área de conductores = 396.45 = 991.13 mm2 Factor de relleno 0.4

Como la sección de un círculo es: π * d 2 el diámetro de la tubería será: 4 _________

d = / 4 * 991.13 = 35.52mm → 38mm √ 3.1416

5.6.3 SELECCIÓN DE CONDUCTORES POR CAÍDA DE VOLTAJE POR RESISTENCIAUna instalación eléctrica debe diseñarse para que la caída de voltaje en el conductor no exceda los valores establecidos en la Normas Oficiales Mexicanas 001 y las que establecen una caída máxima del 5% en el conjunto alimentador - circuito derivado. Para ello, es necesario calcular las caídas de voltaje y, ajustándose a los valores máximos permitidos, seleccionar el calibre del conductor. En las fórmulas que se usarán para calcular las caídas de voltaje se empleará la siguiente nomenclatura:

W = Potencia en watts I = Corriente en amperes por fase Ef = Voltaje entre fases En = Voltaje al neutro cos ϕ = Factor de potencia R = Resistencia de un conductor en Ω ρ = Resistividad del conductor (para el cobre = 1/50 Ω m/mm2) L = Longitud del conductor en m S = Sección del conductor en mm2 ef = Caída de voltaje entre fases en volts e = Caída de voltaje de fase a neutro en volts e% = Caída de voltaje en por ciento

e% = e * 100 = ef * 100 (1) En Ef


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_________________________________Capítulo 5______________________________

SISTEMA MONOFÁSICO, DOS HILOS

Figura 5.1 Diagrama de un sistema monofásico, dos hilos.

La potencia que consume la carga es:

W = En * I * cos ϕ De donde:

I = W___ En * cos ϕ

La caída de voltaje por resistencia es: e = 2 * R * I

La resistencia del conductor es: R = ρ L = L De donde: S 50 S

e = 2 * L * I = L * I 50 S 25 S

Sustituyendo en la ecuación (1):

e% = L * I * 100 = 4 * L * I 25 S En En * S

SISTEMA MONOFÁSICO TRES HILOS


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_________________________________Capítulo 5______________________________

Figura 5.2 Diagrama de un sistema monofásico, tres hilos

La potencia que consume la carga es:

W = 2 * En * I * cos ϕ De donde:

I = W_____ 2 * En * cos ϕ

La caída de voltaje por resistencia es:

e = R * I = ρ L * I = L * I S 50 S

Sustituyendo en la ecuación (1):

e% = L * I * 100 = 2 * L * I 50 S En En * S

SISTEMA TRIFÁSICO, TRES HILOS (DELTA)

Figura 5.3 Diagrama de un sistema trifásico, tres hilos (delta).La potencia que consume la carga es: _ W = √3 Ef * I * cos ϕ De donde:

I = W______ √3 * Ef * cos ϕ

La caída de voltaje entre fases es : _ _ ef = √3 R * I = √ 3 * L * I 50 S _ _


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_________________________________Capítulo 5______________________________

e% = √ 3 * L * I * 100 = 2 * √ 3 * L * I 50 S Ef Ef * S

SISTEMA TRIFÁSICO, 4 HILOS (ESTRELLA)

Figura 5.4 Diagrama de un sistema trifásico, 4 hilos (estrella).La potencia que consume la carga es : _ W = √3 Ef * I * cos ϕ = 3 En * I * cos ϕ De donde:

I = W = W____ √3 Ef * cos ϕ 3 En * cos ϕ

La caída de voltaje entre fases es: _ _ ef = √3 R * I = √ 3 L * I 50 S _ _ e% = √ 3 L * I * 100 = 2 √ 3 L * I 50 S Ef Ef * S

La caída de tensión al neutro es:

en = R * I = L * I 50 S

e% = e * 100 = 2 L * I En En * S

EJEMPLO.- Determinar el tipo de aislamiento, calibre del conductor y diámetro de la tubería conduit que se requiere para alimentar un circuito monofásico, 2 hilos, de 40 m de longitud, que demanda una corriente de 30 amperes a un voltaje de 127 V. La temperatura ambiente


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_________________________________Capítulo 5______________________________

es de 30° C, el ambiente es húmedo y sin contaminación. La máxima caída de voltaje permisible es de 3%.

De acuerdo con la temperatura y las características del ambiente, un aislamiento TW es recomendable.

Con base en la tabla No. 6, conductores TW No. 10 AWG son suficientes para conducir la corriente demandada.

Se calculará ahora la caída de voltaje que se tendrá en este circuito de acuerdo con sus características:

e% = 4 * L * I = 4 * 40 * 30 = 7.19% En * S 127 * 5.26

Como la caída de voltaje es muy superior a la máxima permisible, se despejará S de la ecuación anterior para determinar el calibre del conductor requerido.

S = 4 * L * I = 4 * 40 * 30 = 12.6 mm2 En * e% 127 * 3

Consultando la tabla No. 5, se observa que se requieren conductores calibre No. 6 AWG para ajustarse a las especificaciones del problema.

De acuerdo con la tabla No. 8, para alojar dos conductores TW No. 6, se necesita un tubo conduit de 19mm de diámetro.

EJEMPLO.- En un ambiente húmedo, contaminado con solventes, con temperatura de 40 ° C, se encuentran alojados en un tubo conduit dos circuitos trifásicos, tres hilos, que alimentan cada uno de ellos a una carga de 10 KW, 220 V y factor de potencia de 0.9. Determinar el tipo de aislamiento y calibre del conductor para que la caída de voltaje sea del 3% como máximo. La longitud del circuito es de 35m.

I = W = 10000 = 29.19 A √ 3 Ef * cos ϕ 1.73 * 220 * 0.9Tomando en cuenta los factores de corrección por temperatura y por agrupamiento para conductores THWN se tiene:

Idiseño = 29.19 = 41.5 amperes 0.88 * 0.80

Según la tabla No. 6, para esta corriente se requieren conductores THWN No. 8 AWG cuya sección es de 8.37 mm2.

La caída de tensión será:


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_________________________________Capítulo 5______________________________

_ e% = 2 √ 3 L * I = 2 * 1.73 * 35 * 29.19 = 1.92% Ef * S 220 * 8.37

De acuerdo con el resultado, el conductor seleccionado satisface las condiciones estipuladas de caída de tensión.

5.6.4 SELECCIÓN DE CONDUCTORES POR CAÍDA DE TENSIÓN POR RESISTENCIA Y POR REACTANCIALa reactancia en circuitos de corriente alterna depende del tamaño de los conductores, de su separación, de su posición entre sí, de la frecuencia y de la presencia de materiales magnéticos. El efecto de la reactancia en la caída de voltaje en líneas con altas corrientes es tan importante como el efecto de la resistencia óhmica.

Llamando: En = Voltaje inicial al neutro. En' = Voltaje final al neutro. I = Corriente de la línea en amperes. R = Resistencia de un conductor en Ω. X = Reactancia en Ω al neutro. cos ϕ = Factor de potencia.

Figura 5.5 Diagrama eléctrico y fasorial de un circuito resistivo inductivo.De la figura 5.5 se tiene: ____________________________

En = √ (En'cos ϕ + RI)2 + (En'sen ϕ + XI)2

____________________________

En' = √ (En cos ϕ - RI)2 + (En sen ϕ - XI)2

La caída de tensión en volts es: __________ _______

e = √(R I)2 + (X I)2 = I √ R2 + X2 = I Z

e% = 100 e En

Al final de esta obra y en la tabla No. 11, se proporcionan las resistencias y reactancias de conductores de diferentes calibres.


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_________________________________Capítulo 5______________________________

En dicha tabla, se observa en las columnas 3 y 4 que se incluyen factores de corrección para encontrar la resistencia real de un conductor cuando transmite corriente alterna de 60 hertz y no corriente directa. Dichos factores de corrección se originan por el efecto de periferia o efecto piel (skin effect) que modifica la resistencia del conductor. Este efecto que no tiene importancia en conductores pequeños, tiende a aumentar la resistencia óhmica aparente y se debe a que las fuerzas electromotrices inducidas por una corriente alterna, son mayores en el centro que en la periferia del conductor y tienden a producir una corriente central que se opone al paso de la corriente principal. Los factores de corrección de la tabla mencionada, ajustan la resistencia del conductor considerando el citado efecto piel.

EJEMPLO.- Un alimentador trifásico, tipo TW de 100 m de longitud, debe proporcionar servicio a una carga de 76 KW, 220 V entre fases, frecuencia de 60 hertz y un factor de potencia atrasado de 0.8Los conductores irán en tubo conduit de acero galvanizado. Calcular el calibre de los conductores si se desea que la caída de voltaje no exceda del 2%. Determinar también el diámetro de la tubería conduit.

1.- Calcular la caída considerando únicamente la resistencia. 2.- Calcular la caída considerando la resistencia y la reactancia.

Caso 1.-

I = W = 76000 = 250 amperes √3 Ef * cos ϕ 1.73 * 220 * 0.8

Para un servicio trifásico: _ e% = 2 √ 3 L * I De donde: Ef * S _

S = 2 √ 3 L * I = 2 * 1.73 * 100 * 250 = 197mm2

Ef * e% 220 * 2

De la tabla No. 5 se obtiene que el conductor requerido es 400 MCM cuya ampacidad en el tipo TW es de 280 amperes. El diámetro del tubo conduit será de 76 mm.

Caso 2.-

La caída de tensión en volts y en por ciento es: ___________

e = √ (R*I)2 + (X*I)2

e% = e * 100 Como En = Ef En √3


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_________________________________Capítulo 5______________________________

_ e% = √ 3 * e * 100 Ef

Para conductor de 400 MCM; L = 100 m = 328 pies y tubo de acero galvanizado, se tiene:

R = 0.0306 * 328 * 1.10 = 0.011 ohms 1000

X = 0.029 * 328 * 1.25 = 0.012 ohms 1000 _________________________

e = √(0.011 * 250)2 + (0.012 * 250)2 = 4.07 volts

e% = 1.73 * 4.07 * 100 = 3.20% 220

Como se observa, el conductor de 400 MCM no da la caída de tensión especificada en el problema y la que, como máximo, debe ser del 2%.

Se procederá ahora a determinar la resistencia que debe tener un conductor para dar la caída de tensión solicitada en el problema. Se sabe que:

_____________

e = √(R * I)2 + (X * I)2 De donde:

e2 = (R * I)2 + (X * I)2 O sea:

(R * I)2 = e2 - (X * I)2 De donde: _________

R = √ e 2 - (X * I) 2 (2) I

Para el caso que se está analizando:

e = e% * Ef = 2 * 220 = 2.54 V √3 * 100 1.73 * 100

Sustituyendo valores en la ecuación (2): __________________ ______

R = √ 2.54 2 - (0.012 * 250) 2 = √ 6.45 - 9 250 250

Al ser el resultado negativo, indica que se tiene una resistencia imaginaria. Como la reactancia "X" es prácticamente constante en los diferentes calibres de conductores,


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seleccionar un calibre mayor no modificaría substancialmente el resultado anterior. Es decir, en estas condiciones, es imposible obtener la regulación deseada. En vista de lo anterior se desprende que la única forma de ajustarse al 2% de caída de voltaje, será reduciendo el valor de la corriente. Si se instalan por ejemplo dos conductores en paralelo por fase se tendrá:

I = 250 = 125 amperes por conductor 2

Sustituyendo en la ecuación (2): __________________

R = √ 2.54 2 - (0.012 * 125) 2 = 0.016 Ω 125

Esta resistencia corresponde al tramo de conductor de 100 m de longitud que se ha estado analizando. Para encontrar en la tabla 11 el calibre del citado conductor, se debe referir esta resistencia a 1000 pies. Se tendrá entonces:

R1000 = 0.016 * 1000 = 0.0488 Ω 328

Apoyándose en la información contenida en la tabla 11 se concluye que se requiere conectar dos conductores de 300 MCM en paralelo, por fase para tener una caída de voltaje máxima del 2%.Comprobación:

R = 0.0408 * 328 * 1.07 = 0.014 Ω 1000

X = 0.0290 * 328 * 1.25 = 0.012 Ω 1000 _________________________

e = √(0.014 * 125)2 + (0.012 * 125)2 = 2.3 V

e% = 2.3 * 100 = 1.81% 127

Repitiendo los cálculos anteriores para dos conductores calibre 250 MCM por fase, encontraremos que la caída de tensión es del 2.065% por lo que, es factible utilizar este calibre de conductor, dada la pequeña diferencia que existe al 2% de caída máxima permisible.


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Capitulo 5 ing.eléctrica