Prácticas Tema 8

LABORATORIO DE ELECTROTECNIA Departamento de Ingeniería Eléctrica-ETSICCP

© Saturnino Catalán Izquierdo. UPV -115-

PRÁCTICAS DEL TEMA 8:

INSTALACIONES ELÉCTRICAS DE BAJA TENSIÓN

INTRODUCCIÓN

Motivación:

La energía eléctrica se utiliza, en gran medida, como un cómodo intermediario entre las fuentes deenergía, localizadas donde se encuentran las fuentes primarias o donde conviene por otros motivos, y losprocesos que consumen energía (esto es, que la convierten en energía mecánica o de otro tipo).

Los fundamentos de la electrotecnia han sido el objeto principal de análisis en esta asignatura hastaeste momento. Procede ahora sintetizar, desde un punto de vista lo más amplio posible, el papel quedesempeña cada uno de los componentes en el sistema eléctrico en su conjunto o en una instalacióneléctrica concreta.

Además, un aspecto esencial de cualquier instalación es su seguridad. El funcionamiento normalde las instalaciones puede verse alterado por circunstancias que provoquen situaciones de peligro, bienpara los receptores que alimenta, bien para los propios conductores de la instalación. Estas situaciones depeligro se manifiestan finalmente en calentamientos elevados de receptores o conductores que destruyeel elemento o elementos afectados y, aún más grave, puede derivar en incendios. Asimismo, puedenaparecer situaciones de peligro de electrocución para los usuarios motivadas por puesta en tensión (tensiónde contacto) de masas conductoras que habitualmente no lo están (riesgo de contacto indirecto).

Estos riesgos, intrínsecos al uso de la energía eléctrica, se ven acentuados en las instalacionesprovisionales que se utilizan habitualmente en la realización de obras civiles por la movilidad de los equipos,el ambiente agresivo sobre los conductores y máquinas eléctricas, las condiciones duras de trabajo delequipamiento eléctrico (lluvia, insolación, humedad, agentes químicos, etc) y, en algunos casos, por elpropio desconocimiento de las condiciones de utilización de las instalaciones y por un insuficientemantenimiento de las mismas.

Por todo esto, para que la utilización de la energía eléctrica sea segura es imprescindible tantorealizar un buen diseño y ejecución de las instalaciones eléctricas, en la que se dispongan los materialesapropiados (receptores, líneas eléctricas, cuadros y los elementos de protección tanto de las personascomo de las propias instalaciones) como un adecuado manejo y mantenimiento de todos los elementos.

Teoría básica:

Los componentes principales de cualquier sistema eléctrico, independientemente de su tamaño, son:

S Máquinas que convierten otras formas de energía, especialmente mecánica, en energíaeléctrica.

S Transformadores que permiten un transporte económico.S Líneas de transporte y distribución de la energía eléctrica desde los lugares donde se genera

hasta aquellos en los que se consume.S Receptores que convierten la energía eléctrica en aquello que conviene en el lugar de consumo.

Una instalación eléctrica concreta incorpora al menos dos de estos componentes, dependiendo deque sea una instalación cuyo objetivo principal sea la generación de energía eléctrica o su consumo(conversión en otra forma de energía).



Los riesgos fundamentales frente a los que es necesario proteger los elementos de las instalacionesson los cortocircuitos y las sobrecargas. La protección frente a cortocircuitos y sobrecargas se consiguegeneralmente mediante cortacircuitos fusibles, interruptores automáticos o combinaciones de ambos. Loselementos que deben considerarse en la protección de las instalaciones son los siguientes:

• Resistencia de aislamiento: Es la que presentan los aislantes que recubren las partesconductoras. Es necesario que sea elevada entre aquellas partes de la instalación a distintopotencial y entre las partes bajo tensión y las masas metálicas sin tensión.

• Interruptores automáticos y fusibles: Adecuadamente seleccionados, protegen la instalacióny los receptores que se encuentran aguas abajo de ellos frente a cortocircuitos y sobrecargas.

• Interruptores diferenciales: Protegen a las personas frente electrochoques debidos acontactos indirectos y, por tanto, protegen frente a fallos de aislamiento a masa de lasinstalaciones. Los diferenciales son sumadores de corriente y miden las corrientes de fuga atierra (que coinciden con la suma de corrientes que entran a la instalación por las fases y elneutro), desconectan cuando la corriente de fuga supera un determinado valor característico decada diferencial o sensibilidad (valores habituales: 30 mA, 150mA, 300mA, 1A, 3A).

• Tomas de tierra: El neutro de la red se conecta a tierra en los sistemas TT. Asimismo lasmasas metálicas se conectan a otra puesta a tierra independiente. Las tomas de tierra puedenestar constituidas por picas, placas o conductores directamente en contacto con el suelo. Unatoma de tierra es tanto mejor cuanto menor es el valor de su resistencia de difusión a tierra.


(1) La protección de las instalaciones tanto frente a cortocircuitos y sobrecargas como frente asobretensiones constituye uno de los aspectos fundamentales de la utilización segura de lasinstalaciones eléctricas y se aborda de forma exhaustiva en las asignaturas “MÁQUINAS EINSTALACIONES ELÉCTRICAS” y “GESTIÓN, TRANSPORTE Y DISTRIBUCIÓN DE LAENERGÍA ELÉCTRICA”

(2) En este caso se trata de un condensador, que no dispondrá de interruptor, y dos estufas condos niveles de potencia cada una, que corresponde en el esquema con las cuatro cargas quedisponen de interruptor.

(3) Se ha dispuesto un transformador separador para que la corriente de fuga a tierra queprovocaremos en el ensayo del diferencial no provoque la actuación de los diferenciales quese encuentran en el cuadro general de protección del Laboratorio.


Instalación a utilizar para observar el funcionamiento de los IA y losID. Deben añadirse los equipos necesarios para medir la corrienteque suministra la línea y la corriente que se fuga a tierra.

PRÁCTICAS DEL TEMA 8:

INSTALACIONES ELÉCTRICAS DE BAJA TENSIÓN

8.1.- ASPECTO FÍSICO Y FUNCIONAMIENTO DE UN INTERRUPTOR AUTOMÁTICO

Objetivo:Los interruptores automáticos(1) consti-tuyen el medio más habitual de protec-ción de las instalaciones frente a so-brecargas (potencia superior a la nomi-nal) y frente a cortocircuitos. En esteensayo observaremos su aspecto físicoy verificaremos su funcionamiento.

Procedimiento y esquemas:

Se trata de un circuito típico dealimentación a un conjunto de cargas(2)

mediante una línea (monofásica eneste caso) y las proteccioneshabituales: interruptor automático (IA)para proteger frente a cortocircuitos ysobrecargas e interruptor diferencial(ID) para proteger a las personar frentea contactos indirectos(3).

Después de anotar las característicasdel IA de nuestro circuito, se realizaráncombinaciones de cargas, midiendo lacorriente que circula y el tiempo quetranscurre desde que se comienza aalimentar a cada conjunto de cargashasta que el IA desconecta el circuito.

Las combinaciones de cargas aensayar son:

S Sólo el condensador.S El condensador y el primer nivel de la carga menor.S El condensador y el segundo nivel de la carga menor.S Toda la carga.



Curva C

Como la actuación del IA implica su calentamiento, para obtener resultados comparables a las curvasnormalizadas de los IA (que se obtienen partiendo de una temperatura del propio IA entre 30 y 40 ºC),es necesario esperar un tiempo prudencial después de cada ensayo.

Desarrollo:

Situar los puntos obtenidos sobre la curva de actuación normalizada que le corresponda.Considerando la precisión con la que se han obtenido los puntos, ¿se comporta el IA conforme a loprevisto?



Describir la función de los componentes principales de un interruptor automático (tipo magneto-térmico).


(1) La protección de las personas frente a electrochoques constituye uno de los aspectosfundamentales de la utilización segura de las instalaciones eléctricas. El ensayo que estamosrealizando se refiere al sistema TT (neutro a tierra y masas metálicas a tierra) porque es elmás utilizado, pero existen también el TN y el IT que se abordan de forma exhaustiva en lasasignaturas “MÁQUINAS E INSTALACIONES ELÉCTRICAS” y “GESTIÓN, TRANSPORTEY DISTRIBUCIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA”. También allí se abordará el estudio deconceptos más elaborados respecto a la resistencia de difusión a tierra, tales como tensiónde paso, tensión de contacto y tensión transferida, sus valores reglamentarios y mediciones.

(2) Aunque existen puestas a tierra que cumplen muy diversas funciones en una instalacióneléctrica: La puesta tierra en las instalaciones de protección frente a sobretensiones, porejemplo de los pararrayos, ofrece un camino de baja resistencia a las descargas atmosféricaspara proteger las edificaciones que se encuentran en su vecindad. La puesta a tierra delneutro de los sistemas trifásicos se utiliza extensamente porque permite, entre otrosaspectos, la detección sencilla de defectos en las líneas de transporte y distribución. Lapuesta a tierra de las masas en los equipos eléctricos de clase I es un requisitoimprescindible para garantizar la protección de las personas.

(3) Es decir, simula un fallo de aislamiento entre una fase y la envolvente metálica del receptor.(4) Como se verá en la asignatura mencionada anteriormente, también existen diferenciales

temporizados.


Aspecto y componentes principales de un ID

8.2.- ASPECTO FÍSICO Y FUNCIONAMIENTO DE LOS ELEMENTOS DE PROTECCIÓN FRENTE ACONTACTOS INDIRECTOS

Objetivo:

La utilización conjunta de interruptores diferenciales (ID) juntocon la puesta a tierra de las envolventes conductoras (masas) delas máquinas, constituyen el medio más habitual de protecciónde las personas(1) frente a contactos indirectos(2). En este ensayoobservaremos su aspecto físico, mediremos los valores en unainstalación y comprobaremos su funcionamiento.


Como este sistema de protección utiliza dos elementos(interruptor diferencial y puesta a tierra), este ensayo se realizaráen dos fases:

a) Interruptor diferencial:

En la instalación que estamos ensayando, para simular undefecto de aislamiento, se ha dispuesto una resistencia variablede elevado valor entre una fase de uno de los receptores y suborne de puesta a tierra(3).

También se debe disponer un amperímetro en la puesta a tierradel motor para medir la corriente que, debido a este fallo deaislamiento simulado, está fugándose a tierra. Esta corriente,como ya sabemos, coincide con la que está midiendo el ID.

Partiendo del máximo valor de la resistencia variable, se iráaumentando lentamente la corriente que se fuga a tierra hastaque, superado cierto valor, ocurrirá la actuación del interruptordiferencial de forma casi instantánea(4) que desconecta la instalación. Normativamente, esto debeocurrir entre el 50 y el 100% de la sensibilidad I∆N del interruptor diferencial.


(1) La separación es suficiente si al desplazar el electrodo auxiliar central un par de metros aderecha e izquierda de su ubicación la lectura obtenida no varía.

(2) por ejemplo ITC-BT-18


Componentes de una puesta a tierra

R R RR R RR R R

12 1 2

23 2 3

31 3 1

= += += +

electrodo principal electrodo auxiliar electrodo auxiliar

potencial cero

b) Puesta a tierra:

De forma intuitiva, la resistencia de difusión a tierra de un electrodo sepuede considerar la que existe entre éste y un punto sobre el terrenode potencial eléctrico cero. En la práctica, esta resistencia no puedemedirse directamente mediante un óhmetro convencional porque sólose encuentra disponible el extremo que corresponde al electrodo (elpunto de potencial cero no es accesible). Si se mide entre doselectrodos de puesta a tierra se obtiene únicamente la suma de lasresistencias de difusión a tierra de ambos electrodos.

Un procedimiento de medida consiste en la utilización de dos puestasa tierra auxiliares para determinar el valor de una puesta a tierraprincipal. En este caso realizando medidas entre electrodos se obtieneun sistema de ecuaciones que permite determinar cada resistencia

individual.

Otra posibilidad es utilizar un telurómetro, equipoespecialmente diseñado para medir este tipo deresistencias. Para su funcionamiento inyectan unacorriente (It) entre la tierra principal y una de lasauxiliares y miden la diferencia de potencial (Uc) queaparece entre la tierra principal y la auxiliar restante.Internamente calcula la resistencia de difusión de la

tierra principal como: RUI

c

t1 =

Para las geometrías de electrodo empleadas la distancia necesaria para realizar la medida consuficiente precisión no suele ser muy elevada (algunas decenas de metros(1)).

La resistencia de difusión a tierra de un electrodo está determinada por la resistividad del terreno en elque se coloca y por la geometría del propio electrodo, diversas normas y reglamentos ofrecen métodospara su cálculo(2). En el caso más simple: utilizar electrodos cilíndricos (picas) de puesta a tierra



clavados verticalmente en el terreno la relación es: , siendo ρ la resistividad del terreno y L laRL

=ρ

longitud de la pica.

Desarrollo:

• ¿La corriente de actuación del ID se encuentra dentro de los valores normativamenteadmisibles?

• En la instalación ensayada, ¿Por qué se han conectado a tierra algunos receptores y otros no?

• Si el electrodo de puesta a tierra que se ha medido es una pica de 1 m ¿Cual es,aproximadamente, la resistividad del terreno?

Si la instalación ensayada se conecta a la puesta a tierra que hemos medido:

• ¿qué diferencia de potencial máxima puede existir en esta instalación entre una masa y tierra?

• Con estos valores ¿está adecuadamente protegida la instalación?

• Si no se hubiese conectado a tierra el receptor sobre el que se ha simulado el defecto deaislamiento ¿qué diferencia de potencial hubiese aparecido entre masa y tierra?


(1) La resistencia de aislamiento, sus valores reglamentarios y mediciones se aborda de formaexhaustiva en las asignaturas “MÁQUINAS E INSTALACIONES ELÉCTRICAS” y“GESTIÓN, TRANSPORTE Y DISTRIBUCIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA”


Medida de la resistencia de aislamiento en una máquina eléctrica. De formaanáloga se realiza la medida entre los conductores de una línea eléctrica.

8.3.- CONDUCTORES Y AISLANTES. RESISTENCIA DE AISLAMIENTO

Objetivo:La resistencia que existe entre dos conductores eléctricos cualesquiera de una línea eléctrica cuandono se ha conectado ninguna carga ni ningún generador a esta línea es la resistencia que presentan losaislantes de la propia línea. De igual manera, la resistencia entre cada componente monofásico de unacarga (o un generador) trifásico cuando aún no se han unido entre si en estrella o triángulo es laresistencia de los aislantes que los mantiene eléctricamente separados.

En condiciones normales esta resistencia es muy elevada pero puede disminuir por el envejecimientode los aislantes o por el deterioro provocado por agresiones químicas o mecánicas. Para que unainstalación funcione correctamente es necesario que el aislamiento entre las partes conductoras que seencontrarán a potenciales eléctricos distintos sea muy elevado. El objetivo de este ensayo es observarel aspecto físico de los conductores eléctricos aislados y medir la resistencia de aislamiento entre losconductores de una línea eléctrica y entre las fases de una máquina eléctrica(1).

Procedimiento y esquemas:El aparato de medida a utilizar es un óhmetro especialmente diseñado para medir elevados valores deresistencia y que aplica una tensión normalizada relativamente elevada (en principio, del orden de latensión que deberá soportar la línea o la máquina en funcionamiento normal). A este equipo sedenomina megóhmetro o megger. La medida de resistencia se hace, como ya sabemos, con loselementos que se desean medir desconectados de cualquier fuente, por esto, en primer lugar se debecomprobar que no hay diferencia de potencial entre los conductores cuya resistencia de aislamiento sedesea conocer.

A continuación, se medirá el valor de la resistencia de aislamiento entre cada pareja de conductores dela línea eléctrica ensayada. Asimismo se medirá el aislamiento entre cada uno de los devanados de lamáquina eléctrica ensayada y tierra, y entre cada pareja de devanados.

Para las tensiones usuales, los valores de resistencia de aislamiento deben ser, según el ReglamentoElectrotécnico para Baja Tensión (ITC-BT-19) $0,5 MΩ cuando se aplican 500 V en corriente continua.

Desarrollo:A partir de los ensayos realizados: ¿Es reglamentariamente admisible la resistencia de aislamientomedida?



Embarrado de conexión entre los elementos de un cuadro

Cuadro general de baja tensión del Edificio

Batería de condensadores

8.4.- CUADROS DE MANIOBRA Y PROTECCIÓN

Objetivo:

Observar, una vez instalados y en servicio, loscomponentes de las instalaciones eléctricas.


Partiendo de los cuadros secundarios de maniobra yprotección del Laboratorio de Electrotecnia se revisará:

S El cuadro general del LaboratorioS Los cuadros generales de PlantaS El cuadro general de protección del Edificio

Desarrollo:

Identificar los elementos de cada cuadro. Indicar su función y características.



Cuadro secundario con el frontal retirado para realizar unarevisión periódica

Cuadro secundario en condiciones de utilización


(1) El estudio detallado de los elementos que forman una instalación eléctrica, así como de losprocedimientos de diseño y métodos de cálculo se aborda de forma exhaustiva en laasignatura “MÁQUINAS E INSTALACIONES ELÉCTRICAS”


8.5.- HERRAMIENTAS DE CÁLCULO DE INSTALACIONES ELÉCTRICAS EN BAJA TENSIÓN

Objetivo:

Conocer las herramientas de cálculo de instalaciones en BT y aplicar los métodos conocidos paradeterminar(1):

S las secciones atendiendo a criterios de caída de tensión, calentamiento y mínimosreglamentarios.

S las protecciones de la instalación y de las personas.


Después de realizar el diseño preliminar de la instalación necesaria para una zona donde serealizan trabajos de construcción, cuya distribución de cargas eléctricas se indica, se calculará(utilizando un programa de cálculo de instalaciones eléctricas) la instalación necesaria. La alimentaciónal conjunto de receptores se realiza a partir de un centro de transformación situado a 100 m de laesquina superior izquierda.


(1) Se han hecho coincidir los valores de este enunciado con algunos de los problemaspropuestos para que el diseño de la instalación se realice antes de introducir datos en elprograma de cálculo.


Las características de los receptores son:

R1 12 kW (III)

L1= L4 12 lámparas de vapor de mercurio de 1 kW c/u, fdp 0,9, Pauxiliares= 10% Plámpara

L2 = L3 15 lámparas de vapor de mercurio de 400 W c/u, fdp 0,9, Pauxiliares= 15% Plámpara

M1 22 kW, η =92,4%, fdp 0,83, Iarranque/Inominal=7,0 (III)

M2= ... = M5 15 kW c/u, η =91,1%, fdp 0,84, Iarranque/Inominal=6,8 (III)

Las torres de iluminación que se indican se hallan situadas en los centros de cada lado y tienenuna altura de 20 m. En todos los cálculos y criterios de diseño se prestará especial atención a losrequerimientos del Reglamento Electrotécnico para Baja Tensión (RBT).

Desarrollo:Respecto al diseño(1), deseamos conocer:

D1.- La carga a considerar conforme al RBT en cada punto de consumo.D2.- La potencia total demandada conforme al RBT (Potencia mínima del transformador)D3.- Una distribución razonable de canalizaciones, cuadro principal y cuadros secundarios

considerando el volumen de conductor necesario y la maniobrabilidad de la instalaciónque se consigue.

D4.- Los elementos de protección para la instalación y para las personas a utilizar.D5.- La agrupación de los elementos de protección y maniobra en cuadros.D6.- Reflejar toda la información anterior sobre un esquema unifilar preliminar.

Respecto a los cálculos a realizar utilizando las herramientas informaticas:C1.- Sección de conductores de fase, neutro y protección.C2.- Corrientes de cortocircuito en todos los cuadros de maniobra y protección, así como en

bornes de los receptores.C3.- Interruptores automáticos y fusibles utilizados (Inominal, curva, PdC), procurando la

existencia de selectividad.C4.- Sistema de protección de las personas frente a contactos indirectos: valores de

resistencias de tierra necesarios y diferenciales a instalar, procurando la existencia deselectividad.

En el esquema unifilar definitivo de la instalación, se incluirá:U1.- Denominación de elementos: cuadros, protecciones, conductores, receptores, etc.U2.- Longitud, sección y características de los conductores.U3.- Características nominales de los receptores y valores considerados conforme al RBT.U4.- Corrientes de cortocircuito en cada cuadro y en bornes de los receptores.U5.- Caída de tensión parcial en cada línea y total acumulado en cada cuadro de protección

así como total en bornes de cada receptor.

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