Instalaciones-electricas.pdf

INSTALACIONES ELéCTRICAS

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Instalaciones eléctricas

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INSTALACIONES ELéCTRICAS samuel Melguizo bermúdez

Medellín 2009

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Instalaciones eléctricas

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Presentación

El conocimiento, al igual que la especie humana, evoluciona sin parar. En el ámbito académico y científico es indispensable, por lo tanto, actualizar permanentemente los productos que sirven de soporte nemotécnico a la reflexión investigativa e intelectual. Enhorabuena la Facultad de Arquitectura y el Centro de Publicaciones de la Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín, se complacen en presentar la actualización de uno de sus textos más reconocido, utilizado y emblemático, escrito por el profesor Samuel Melguizo Bermúdez y cuya primera versión se publicó en 1975. En el afán de cualificar nuestra labor y de contribuir con la tarea misional de construir país y formar profesionales aptos para enfrentar los retos propios y globales de un mundo que avanza a velocidades insospechadas, entregamos hoy esta nueva versión de Instalaciones Eléctricas con la participación y recomendaciones del profesor Carlos Mario Díez Henao, quien asumió el reto de actualizar el contenido adaptándolo según las nuevas tecnologías y los códigos especializados.

Profesor JUAN CARLOS OCHOA BOTERO Decano

Profesor JUAN DAVID CHÁVEZ GIRALDO Vicedecano

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Instalaciones eléctricas

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Notas a la nueva edición actualizada

El objetivo principal de este texto es suministrar una visión panorámica de las instalaciones eléctricas de mayor frecuencia en las edificaciones. Ha sido preparado para estudiantes de arquitectura, construcción y de otras carreras interesadas en estas disciplinas. Contiene un buen número de gráficos y esquemas simplificados para facilitar la comprensión de las instalaciones sin detenerse en grandes detalles. Es también accesible a estudiantes de carreras técnicas y de niveles intermedios como guía auxiliar para el desarrollo de sus prácticas. No pretende abordar temas complejos de cálculo, ni de instalaciones de carácter especial, simplemente expone de manera descriptiva los elementos de mayor interés, secuencialmente, haciendo hincapié en las instalaciones de tipo domiciliario. Procura hacer más comprensible, para mayor número de personas, la práctica de las instalaciones eléctricas comunes, para que estas sean más seguras y eficientes, en la medida en que se ajusten a las normas claras de cálculo y de ejecución. De allí la constante referencia a las normas establecidas, en especial al Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas – RETIE y su anexo la norma NTC 2050. Es en definitiva, una interpretación de las instalaciones eléctricas a través de un filtro que busca despojarles, en algún grado, de cierto aire de misterio que suele acompañarlas. Mientras más profundamente se conozca la naturaleza de la electricidad, con mayor propiedad podrá ser manipulada en su infinidad de aplicaciones. A ello se quiere invitar con este texto, apenas prólogo de un inagotable campo de investigación. Cabe anotar que a partir de la Resolución número 181294 del 6 de agosto de 2008, por la cual se modifica el Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas –RETIE y con ella se presenta su última versión, surge el interés de la Facultad de Arquitectura de la Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín, por la actualización del libro de

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Instalaciones eléctricas

Instalaciones eléctricas, teoría general y aplicaciones domiciliarias del arquitecto Samuel Melguizo. Dicha actualización es encomendada al ingeniero electricista y profesor de esta misma institución, Carlos Mario Díez Henao, en agosto de 2007 y bajo la cual dirige el proyecto de la actualización con la colaboración de los estudiantes de ingeniería eléctrica Mauricio Esteban Cataño Berrío y Luis Eder Marín Gómez, y del estudiante de arquitectura Daniel Acevedo Restrepo. Quienes presentan la actualización del libro completa para el mes de febrero de 2008, adaptado a las nuevas exigencias del Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas –RETIE. Medellín, febrero de 2008

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Introducción del autor

El presente trabajo ha sido preparado con el fin de suministrar a los estudiantes de estas disciplinas una base de consulta aplicable a nuestro medio, escaso en publicaciones de esta naturaleza, y lo que es más preocupante aún, casi desprovisto de códigos de validez nacional, razón que tiende a perpetuar la dependencia de codificaciones foráneas, adoptadas por simple acomodación.* Es de reconocer la acción de algunas entidades que pugnan por el establecimiento de normas propias en diferentes campos, como las relativas a saneamiento ambiental, construcción, normas de urbanización, servicios públicos y servicios comunitarios, entre otras. Igualmente son notables esfuerzos de organismos regionales o municipales empeñados en la fijación de reglamentaciones aplicables en su área de influencia y a las cuales en este texto se hace obligada referencia. Agradezco de manera particular a todos los colaboradores y asesores que hicieron posible la realización de este trabajo, entre ellos los estudiantes de la facultad de arquitectura Juan Manuel Jaramillo y Gabriel Suárez quienes participaron en la diagramación y los profesores: ingeniero Hernando Torres Medina y arquitecto Ernesto Avalos Santos, a quienes correspondió la revisión general del texto. La labor mecanográfica estuvo a cargo de la señora Martha Luz Palacios de Lopera, secretaria del departamento de arquitectura. Medellín, marzo de 1975 Arquitecto Samuel Melguizo Bermúdez Profesor titular Universidad Nacional

* En la actualidad existe la NORMA INCONTEC – 950 o “Código Colombiano de Instalaciones Eléctricas Domiciliarias” oficializado en septiembre 25 de 1975, meses después de publicado el presente texto.

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Instalaciones eléctricas

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CONTENIDO

CAPÍTULO 1 EVOLUCIÓN DE LOS CONOCIMIENTOS SOBRE LA ELECTRICIDAD............................................................. 1.1 LA TEORÍA ELECTRÓNICA.............................................................................................................

1 2

CAPÍTULO 2 CORRIENTE ELÉCTRICA.............................................................................................................................. 2.1 LA CORRIENTE ELÉCTRICA............................................................................................................ 2.2 SENTIDO DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA........................................................................................ 2.3 ANALOGÍA CON EL AGUA............................................................................................................ 2.4 ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO.................................................................................................... 2.4.1 Campo electromagnético en torno de un alambre rectilíneo..........................................................

5 5 7 7 9 9

CAPÍTULO 3 3.1 UNIDADES FUNDAMENTALES DE ELECTRICIDAD – UNIDADES PRÁCTICAS................................... 3.2 SINOPSIS DE DEFINICIONES Y UNIDADES ELÉCTRICAS................................................................

11 22

CAPÍTULO 4 TIPOS DE CORRIENTE ELÉCTRICA............................................................................................................... 4.1 CORRIENTE CONTINUA (CC)........................................................................................................ 4.2 CORRIENTE ALTERNA (CA)............................................................................................................ 4.3 INTENSIDAD EFICAZ DE UNA CORRIENTE ALTERNA......................................................................

25 25 25 26

CAPÍTULO 5 GENERACIÓN DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA.............................................................................................. 5.1 OTRAS FUENTES ALTERNAS PARA PRODUCIR ELECTRICIDAD......................................................... 5.2 PRINCIPIO DE UN GENERADOR ELÉCTRICO.................................................................................. 5.3 GENERACIÓN DE CORRIENTE ALTERNA Y CORRIENTE CONTINUA............................................... 5.4 OBTENCIÓN DE LA CORRIENTE ALTERNA - ALTERNADOR............................................................. 5.5 REPRESENTACIÓN SINUSOIDAL.................................................................................................... 5.6 OBTENCIÓN DE LA CORRIENTE CONTINUA – DÍNAMO............................................................... 5.7 PRINCIPIO DE LA CONMUTACIÓN................................................................................................

27 27 27 28 30 32 32 33

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Instalaciones eléctricas

5.8 5.9 5.9.1 5.9.2 5.9.3 5.10 5.10.1 5.10.2 5.11 5.12 5.13 5.13.1 5.13.2 5.13.3 5.13.4 5.13.5 5.13.6 5.13.7 5.14

EXCITACIÓN DE LOS GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA (DÍNAMOS).............................. ALTERNADORES MONOFÁSICOS, BIFÁSICOS Y TRIFÁSICOS......................................................... Alternador monofásico.................................................................................................................. Alternador bifásico........................................................................................................................ Alternador trifásico....................................................................................................................... REPRESENTACIONES CONVENCIONALES DE LOS ALTERNADORES TRIFÁSICOS............................ Conexión en Estrella o Y............................................................................................................... Conexión Delta o Triángulo........................................................................................................... MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA.......................................................................................... MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA.............................................................................................. INVERSIÓN DEL ESQUEMA DE LOS ALTERNADORES..................................................................... Alternador monofásico bifilar........................................................................................................ Alternador bifásico bifilar (2 fases a 90º independientes)............................................................... Alternador bifásico de 3 líneas (conductor común C)...................................................................... Alternador bifásico en cruz (estrella) con 4 o 5 líneas..................................................................... Alternador bifásico en malla o cuadro (4 líneas vivas).................................................................... Alternador trifásico en estrella o Y (para 3 y 4 líneas).................................................................... Alternador trifásico en delta o triángulo (3 líneas vivas)................................................................. CONDICIONES DE USO DE LOS MOTORES..................................................................................

34 35 35 35 36 36 38 38 38 38 38 39 40 40 41 42 42 43 43

CAPÍTULO 6 CIRCUITOS INDUCTIVOS Y EL FACTOR DE POTENCIA................................................................................ 6.1 AUTO-INDUCCIÓN DE UN CIRCUITO.......................................................................................... 6.2 CIRCUITOS SIMPLES...................................................................................................................... 6.3 CIRCUITOS SIMPLES CON BOBINA DE REACCIÓN........................................................................ 6.4 CORRIENTE EN RETRASO – INDUCTANCIA (L)............................................................................... 6.5 CORRIENTE EN ADELANTO – CAPACITANCIA O CAPACIDAD (C)................................................... 6.6 FACTOR DE POTENCIA.................................................................................................................. 6.7 EFECTO DEL FACTOR DE POTENCIA.............................................................................................. 6.8 TARIFAS DE COBRO DEL FP........................................................................................................... 6.9 VALOR DE LA POTENCIA EN LOS ALTERNADORES TRIFÁSICOS......................................................

45 45 45 45 46 46 47 50 50 51

CAPÍTULO 7 GENERACIÓN – TRANSFORMACIÓN – TRANSPORTE – DISTRIBUCIÓN DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA A ESCALA INDUSTRIAL................................................................................. 7.1 FUENTES DE ENERGÍA.................................................................................................................. 7.2 CENTRAL HIDROELÉCTRICA.......................................................................................................... 7.3 GENERACIÓN Y TRANSFORMACIÓN............................................................................................ 7.4 TRANSMISIÓN.............................................................................................................................. 7.5 DISTRIBUCIÓN............................................................................................................................. 7.5.1 Impedancia Z de una línea de transmisión (sistema bifilar monofásico)..........................................

53 53 54 56 57 58 60

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CAPÍTULO 8 REDES DE DISTRIBUCIÓN........................................................................................................................... 8.1 REDES SECUNDARIAS EN LA CIUDAD........................................................................................... 8. 2 SISTEMAS AÉREOS........................................................................................................................ 8.3 SISTEMAS SUBTERRÁNEOS............................................................................................................ 8.4 SISTEMAS MIXTOS........................................................................................................................ 8.5 POSTES.........................................................................................................................................

63 63 64 65 66 67

CAPÍTULO 9 9.1 TRANSFORMADORES.................................................................................................................... 9.2 PRINCIPIO DE UN TRANSFORMADOR........................................................................................... 9.3 TRANSFORMADORES ELEVADORES Y REDUCTORES...................................................................... 9.3.1 Transformador elevador................................................................................................................ 9.3.2 Transformador reductor................................................................................................................. 9.4 LEYES DE LOS TRANSFORMADORES.............................................................................................. 9.5 TRANSFORMADORES MONOFÁSICOS, BIFÁSICOS Y TRIFÁSICOS................................................. 9.6 REFRIGERACIÓN DE LOS TRANSFORMADORES............................................................................. 9.7 ELECCIÓN DE UN TRANSFORMADOR........................................................................................... 9.8 POLARIDAD DE UN TRANSFOMADOR MONOFÁSICO...................................................................

71 71 72 72 72 72 74 75 75 76

CAPÍTULO 10 CIRCUITOS ELÉCTRICOS............................................................................................................................ 10.1 CIRCUITOS EN SERIE..................................................................................................................... 10.2 CIRCUITOS EN PARALELO............................................................................................................. 10.3 CIRCUITOS COMBINADOS........................................................................................................... 10.4 RESISTENCIAS EN SERIE Y EN PARALELO....................................................................................... 10.4.1 Resistencias en serie...................................................................................................................... 10.4.2 Resistencias en paralelo................................................................................................................ 10.4.3 Varias resistencias series conectan un paralelo..............................................................................

79 79 80 80 80 81 81 82

CAPÍTULO 11 11.1 CAÍDA DE TENSIÓN...................................................................................................................... 11.2 ANALOGÍA CON EL AGUA............................................................................................................ 11.3 LÍMITE PARA LA CAÍDA DE TENSIÓN............................................................................................. 11.4 CONCLUSIONES.......................................................................................................................... 11.5 FÓRMULAS PARA CALCULAR LA CAÍDA DE TENSIÓN....................................................................

85 85 85 85 86

CAPÍTULO 12 CONDUCTORES ELÉCTRICOS.................................................................................................................... 12.1 CALIBRE DE LOS CONDUCTORES................................................................................................. 12.2 CLASIFICACIÓN DE LOS CALIBRES................................................................................................

87 87 88

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Instalaciones eléctricas

12.3 12.4 12.4.1 12.4.2 12.5 12.5.1 12.5.2 12.5.3 12.6 12.7 12.8 12.9 12.10 12.11

ALAMBRES Y CABLES COMERCIALES............................................................................................. MATERIALES PARA LA FABRICACIÓN DE CONDUCTORES ELÉCTRICOS.......................................... Datos para el cobre...................................................................................................................... Datos para el aluminio.................................................................................................................. AISLAMIENTO DE LOS CONDUCTORES......................................................................................... Aislamiento de cloruro de polivinilo (PVC)..................................................................................... Aislamiento THW.......................................................................................................................... Aislamiento THHN/THWN............................................................................................................. TIPOS DE AISLAMIENTO................................................................................................................ RESISTENCIA DEL AISLAMIENTO................................................................................................... CAPACIDAD DE LOS CONDUCTORES EN AMPERIOS Y TIPO DEL AISLAMIENTO............................ CÓDIGO DE COLORES................................................................................................................. NOTAS COMPLEMENTARIAS SOBRE CONDUCTORES.................................................................... ALAMBRE FLEXIBLE........................................................................................................................

90 92 92 92 92 93 93 93 93 95 96 102 102 103

CAPÍTULO 13 SISTEMAS TÍPICOS DE DISTRIBUCIÓN........................................................................................................ 13.1 SISTEMA BIFILAR MONOFÁSICO................................................................................................... 13.2 SISTEMA TRIFILAR MONOFÁSICO................................................................................................. 13.3 SISTEMAS BIFÁSICOS (3 Y 4 HILOS - EN DESUSO)........................................................................ 13.4 SISTEMAS TRIFÁSICOS.................................................................................................................. 13.5 COMPENDIO DE FÓRMULAS PARA EL CÁLCULO DE LOS CIRCUITOS DE CORRIENTE ALTERNA.....

105 105 106 107 108 112

CAPÍTULO 14 INSTALACIONES Y CIRCUITOS................................................................................................................... 14.1 PARTES DE UNA INSTALACIÓN..................................................................................................... 14.2 ACOMETIDAS............................................................................................................................... 14.3 ESQUEMA DE UNA INSTALACIÓN RESIDENCIAL (1φ – 3H – 120 V)................................................ 14.4 ESQUEMA DE UNA INSTALACIÓN RESIDENCIAL (1φ – 4 HILOS – 120/240 V)............................... 14.5 CIRCUITOS RAMALES.................................................................................................................... 14.6 CÁLCULO DE LOS CIRCUITOS......................................................................................................

123 123 123 125 127 127 132

CAPÍTULO 15 CONTROL, MEDIDA Y PROTECCIÓN.......................................................................................................... 15.1 APARATOS Y SISTEMAS................................................................................................................. 15.2 CONTADORES.............................................................................................................................. 15.2.1 Partes de un contador (monofásico)............................................................................................... 15.3 INSTALACIÓN DE CONTADORES.................................................................................................. 15.3.1 Cajas para contadores.................................................................................................................. 15.4 INTERRUPTORES DE SEGURIDAD (SAFETY SWITCHES).................................................................... 15.4.1 Fusibles........................................................................................................................................

137 137 137 139 141 141 143 143

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15.4.2 15.5 15.5.1 15.5.2 15.5.3 15.6 15.7 15.8 15.8.1 15.8.2 15.9

Dispositivos protectores automáticos (breakers)............................................................................. TABLEROS..................................................................................................................................... Tableros de alumbrado................................................................................................................. Centros de carga (panelotes)......................................................................................................... Tableros de distribución................................................................................................................. SUBESTACIONES........................................................................................................................... CONEXIÓN A TIERRA.................................................................................................................... TIERRA DE LOS SISTEMAS DE CORRIENTE ALTERNA....................................................................... Continuidad a tierra en conduit de PVC......................................................................................... Tierra artificial............................................................................................................................... Control de calidad y garantía de los materiales eléctricos........................................

145 147 148 149 149 150 160 165 166 167 168

CAPÍTULO 16 CANALIZACIONES..................................................................................................................................... 16.1 CANALIZACIONES EXTERNAS....................................................................................................... 16.2 CANALIZACIONES INTERNAS.......................................................................................................

171 171 172

CAPÍTULO 17 CAJAS PARA TOMAS – LÁMPARAS – INTERRUPTORES.................................................................................. 17.1 GENERALIDADES.......................................................................................................................... 17.2 TIPOS DE CAJAS........................................................................................................................... 17.3 DIMENSIONES DE LAS CAJAS....................................................................................................... 17.4 ESPECIFICACIÓN DE CAJAS.......................................................................................................... 17.5 ACCESORIOS ESPECIALES............................................................................................................. 17.6 RECOMENDACIONES................................................................................................................... 17.7 EMPALMES DE CONDUCTORES.....................................................................................................

195 195 195 196 196 200 201 201

CAPÍTULO 18 INTERRUPTORES......................................................................................................................................... 18.1 GENERALIDADES.......................................................................................................................... 18.2 INTERRUPTORES UNIPOLARES (S1)................................................................................................ 18.3 INTERRUPTORES BIPOLARES.......................................................................................................... 18.4 INTERRUPTORES TRIPOLARES........................................................................................................ 18.4.1 Interruptor tripolar aplicado a la red trifásica sin neutro................................................................. 18.4.2 Interruptor tripolar aplicado a red trifásica con neutro................................................................... 18.5 INTERRUPTORES DE TRES Y CUATRO DIRECCIONES (CONMUTABLES)........................................... 18.5.1 Interruptor de 3 direcciones (triple, tres puntos, tres vías)............................................................... 18.5.2 Interruptor de 4 direcciones o 4 vías.............................................................................................. 18.5.3 Control de una lámpara desde 3 puntos diferentes........................................................................ 18.5.4 Control de una lámpara desde más de 3 puntos............................................................................ 18.6 RECOMENDACIONES...................................................................................................................

203 203 203 205 205 205 206 206 206 208 208 209 209

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Instalaciones eléctricas

18.7 18.8 18.9

REQUISITOS................................................................................................................................. INTERRUPTORES ESPECIALES......................................................................................................... ATENUADORES DE ILUMINACIÓN ELEMENTALES..........................................................................

209 210 211

CAPÍTULO 19 INSTALACIÓN DE TIMBRES Y SEÑALES....................................................................................................... 19.1 TIMBRES........................................................................................................................................ 19.2 ESQUEMA DE FUNCIONAMIENTO................................................................................................ 19.3 ESQUEMAS DE INSTALACIÓN....................................................................................................... 19.4 CONTROL DE UN TIMBRE DESDE VARIOS PUNTOS DIFERENTES.................................................... 19.5 TIMBRES INDEPENDIENTES CONTROLADOS DESDE UN MISMO PUNTO....................................... 19.6 CONTROL ELÉCTRICO DE PUERTAS (PARA CA Y CC)...................................................................... 19.7 INSTALACIONES EN EDIFICIOS DE APARTAMENTOS...................................................................... 19.8 PULSADORES................................................................................................................................ 19.9 SEÑALES LUMINOSAS...................................................................................................................

213 213 213 214 215 215 216 216 218 219

CAPÍTULO 20 SISTEMAS DE ALARMA................................................................................................................................ 20.1 CLASIFICACIÓN........................................................................................................................... 20.2 SISTEMA DE CIRCUITO ABIERTO.................................................................................................... 20.3 SISTEMA DE ALARMAS DE CIRCUITO CERRADO............................................................................ 20.4 OTROS SISTEMAS DE ALARMAS..................................................................................................... 20.4.1 Alarma fotoeléctrica...................................................................................................................... 20.4.2 Alarma ultrasónica........................................................................................................................ 20.4.3 Vibración y contacto...................................................................................................................... 20.5 ELECTRÓNICA..............................................................................................................................

223 223 223 224 226 226 226 227 227

CAPÍTULO 21 CÁLCULO RESIDENCIAL............................................................................................................................. 21.1 GENERALIDADES.......................................................................................................................... 21.2 CIRCUITOS Y PROCEDIMIENTO.................................................................................................... 21.3 RECOMENDACIONES................................................................................................................... 21.4 ESTIMACIÓN APROXIMADA DE LA ACOMETIDA............................................................................ 21.5 EJEMPLO DE CÁLCULO RESIDENCIAL – CASA DE UN PISO CON TECHO DE LOSA PLANA.............

229 229 229 236 236 238

CAPÍTULO 22 DIBUJO E INTERPRETACION DE PLANOS.................................................................................................... 22.1 PLANOS DEL ARQUITECTO........................................................................................................... 22.2 PLANOS DEL INSTALADOR............................................................................................................ 22.3 SIGNOS CONVENCIONALES........................................................................................................ 22.4 COLORES EN LOS CONDUCTORES...............................................................................................

241 241 241 242 244

xvi

CAPÍTULO 23 SISTEMA DE PROTECCIÓN EXTERNA CONTRA RAYOS................................................................................ 23.1 ORIGEN DE LOS RAYOS................................................................................................................ 23.2 CLASES DE RAYOS........................................................................................................................ 23.3 PRINCIPIO Y FUNCIÓN DEL PARARRAYOS..................................................................................... 23.4 CONO DE INFLUENCIA O DE PROTECCIÓN................................................................................. 23.5 ELEMENTOS DEL PARARRAYOS...................................................................................................... 23.5.1 Barras de elevación....................................................................................................................... 23.5.2 Conductor aéreo o vertical............................................................................................................ 23.5.3 Conductor subterráneo o conexión a tierra.................................................................................... 23.6 RECOMENDACIONES................................................................................................................... 23.7 PARARRAYOS TIPO IONOCAPTOR DE ALTO PODER IONIZANTE....................................................

245 245 245 245 246 246 246 248 248 249 254

CAPITULO 24 LOCALES ESPECIALES................................................................................................................................. 24.1 INSTALACIONES HOSPITALARIAS.................................................................................................. 24.2 INSTALACIONES EN AMBIENTES ESPECIALES................................................................................ 24.3 LUGARES DE ALTA CONCENTRACIÓN DE PERSONAS...................................................................

255 255 256 256

ANEXO ANEXO ANEXO ANEXO ANEXO ANEXO ANEXO ANEXO ANEXO ANEXO ANEXO ANEXO ANEXO ANEXO ANEXO

SIMBOLOGÍA........................................................................................................................ DIAGRAMA DE UNA ESTUFA ELÉCTRICA TRIFILAR PARA 240 VOLTIOS CON HORNO............ ALGUNAS ANALOGÍAS IMPORTANTES EN LA ELECTRICIDAD Y LA ELECTRÓNICA.................. SINOPSIS DE UNIDADES PRÁCTICAS DE ELECTRICIDAD......................................................... CARGA CONECTADA PARA DIFERENTES APARATOS ELÉCTRICOS DOMÉSTICOS..................... PROTECCIÓN PARA MOTORES............................................................................................... CONTADORES DE ENERGÍA................................................................................................... POTENCIA DE UNA DÍNAMO, DE UNA BOMBA Y DE UN VENTILADOR (CENTRÍFUGOS)........ TABLA DE CONVERSIÓN DE MEDIDAS................................................................................... CLASIFICACIÓN DE LAS UNIDADES....................................................................................... PESOS Y MEDIDAS / WEIGHTS AND MEASURES..................................................................... CONSTANTES FUNDAMENTALES DE LA FÍSICA...................................................................... EL SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES SI...................................................................... EJEMPLOS DE APLICACIÓN................................................................................................... CÓDIGO DE COLORES DE SEGURIDAD INDUSTRIAL E IDENTIFICACIÓN DE TUBERÍAS..........

259 265 267 279 281 283 287 293 295 309 315 319 323 327 329

BIBLIOGRAFÍA............................................................................................................................................

331

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15.



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Instalaciones eléctricas

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CAPÍTULO 1. Evolución de los conocimientos sobre la electricidad

capítulo 1 Evolución de los conocimientos sobre la electricidad

Si se atiende a los trabajos y experiencias realizadas muchos años atrás por diferentes físicos y doctores en el área de la electricidad, observamos que todos convergen en el punto de que al frotar una pieza de ámbar, ésta adquiere la capacidad de atraer pequeños pedazos de papel y otras sustancias. Los científicos de épocas atrás creían que esas sustancias, al frotarse, o cargarse, segregaban cierta clase de fluido que atraía objetos ligeros, fluido al cual denominaron electricidad. El nombre de electricidad tiene origen en la palabra griega “electrón”, también conocida como ámbar amarillo, sustancia resinosa que al ser frotada con un paño liso o una piel, resulta electrizada. Es allí donde Benjamín Franklin (estadista y científico), decide que sólo había un tipo de fluido, o electricidad. Y creía que las cargas “vítrea” y “resinosa” eran solamente dos fases opuestas, en las cuales, la carga positiva correspondía a la “vítrea” y la negativa a la “resinosa”. Durante muchos años después, los científicos no encontraron mejor explicación al fenómeno que se presentaba que la planteada en el momento; hasta que por las investigaciones del siglo veinte se llega a la materia. Desde este punto, se inicia el estudio de la materia y su posterior división en fracciones más pequeñas, pasando primero por el compuesto, luego por el elemento,

posteriormente por la molécula y finalmente por el átomo. Al comprobarse que esta estructura pensada como indivisible, logra la descomposición en otras tres partículas: electrón (partícula con carga eléctrica negativa), protón (partícula con carga eléctrica positiva) y neutrón (partícula que no posee carga), se establece la teoría electrónica de la estructura de la materia. En 1932 Anderson encontró una partícula: el positrón o “electrón positivo” puesto que tiene una masa igual a la del electrón, pero con carga eléctrica positiva. Y Chadwick, un discípulo de Rutherford, encontró una partícula con la misma masa del protón pero sin carga eléctrica, a la que se llamó neutrón. Esto permitía aumentar el peso del núcleo sin aumentar su carga. Las bases de estos descubrimientos las introdujo Dirac hacia 1928 quien, de paso, llamo spin al movimiento de rotación propio de los electrones y había vislumbrado la existencia probable del positrón, contrario del electrón. Su teoría dice que cuando estos chocan, se confunden y desaparecen, dando origen a radiación. Más aún, se ha establecido la existencia de otra partícula: el neutrino, una partícula muy ligera y sin carga, introducida por Fermi en su teoría, con una masa casi cero. 1

Instalaciones eléctricas

Se sentaron además leyes como estas:

Figura 1.2 Atracción y repulsión de cargas

yy “Las cargas de signos contrarios (+ y -) se atraen y las de igual signo se repelen”. Figura 1.1 Atracción y repulsión de cargas

Átomo de Hidrógeno Carga negativa = Carga positiva

1.1 La Teoría Electrónica El núcleo del átomo está compuesto esencialmente por protones “fijos” y los electrones giran en órbitas alrededor del núcleo, como en un sistema planetario.

yy “Por frotamiento, siempre se electrizan simultáneamente los dos cuerpos, con electricidad contrarias”. yy “Las fuerzas que se ejercen entre dos cargas eléctricas puntuales son directamente proporcionales a sus cantidades de electricidad e inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia que las separa”. Teniendo en cuenta que Coulomb en 1785 definió las leyes que gobiernan las acciones mutuas entre esas dos clases de electricidad. 2

Los electrones tienen una masa 1840 veces menor que la masa de los protones, relación que se puede comprobar más fácilmente en el átomo de hidrógeno, compuesto por un protón en el núcleo, fijo, y un electrón en órbita, entre los cuales existe una mutua atracción, para que sea estable. Lo cual nos lleva a plantearnos un proceso en el que se combinan los átomos para formar moléculas y al que se denominó ligadura atómica, de la cual se distinguen: la iónica, covalente y metálica. Si los electrones libres son obligados a moverse, se produce una corriente eléctrica. Por lo cual al estudio de la electricidad en reposo y de sus leyes se dio el nombre de electrostática, para distinguirla de la electricidad en movimiento o electricidad dinámica.

CAPÍTULO 1. Evolución de los conocimientos sobre la electricidad

Por su pequeña masa los electrones tienen una gran movilidad y por ello puede hablarse de electrones libres, electricidad negativa. En cambio, los protones más pesados, son más fijos y siempre asociados a la materia, hacen que no pueda considerarse electricidad positiva libre. Casi todos los fenómenos eléctricos se deben a la gran movilidad de los electrones, de tal modo que pueden asimilarse a casos de carencia o exceso; es decir, los cuerpos cargados positivamente son los que tienen una cantidad menor de electrones, han perdido electrones. Los cuerpos cargados negativamente son los que presentan una cantidad mayor de electrones, un exceso, han ganado electrones.

Finalmente, es interesante hacer un recuento de las radiaciones emitidas por las sustancias llamadas radioactivas: a. Rayos Alfa ( ): emisión de partículas cargadas positivamente. Son núcleos de átomos de Helio, es decir tienen dos protones y dos neutrones por núcleo. b. Rayos Beta ( ): emisión de partículas cargadas negativamente. Son electrones emitidos a gran velocidad (1010 cm/s). c. Rayos Gamma ( ): emisión de ondas electromagnéticas cuya longitud de onda es menor que la de los rayos X.

“Como los electrones libres se pueden mover con libertad, fluirán con facilidad a través de un metal en una especie de corriente; cuanto mayor sea el número de electrones libres, mayor será la corriente. o, dicho de otra manera, cuanto más grande sea el número de electrones libres, menor será la resistencia al flujo de la corriente.

También es importante recordar los rayos cósmicos compuestos por partículas cargadas y por neutrones. Su origen exacto se sigue estudiando todavía. Constantemente estos rayos bombardean la tierra y lo que ella contiene. Precisamente su estudio llevó al descubrimiento del positrón por Anderson en 1932 y más adelante en 1936 el mismo Anderson y neddermeyer encontraron en los rayos cósmicos fenómenos tan interesantes como los que se relacionan con la creación y aniquilamiento de la materia, siempre asociados con fenómenos eléctricos.

Las sustancias que ofrecen muy poca resistencia al paso de la corriente de electrones se llaman conductores [v.gr. metales, plata y cobre]. otras sustancias, que tiene muy pocos electrones libres y, por lo tanto, ofrecen una resistencia muy grande al flujo, se llaman aislantes [v gr. vidrio]. Existe un tercer tipo de material llamado semiconductor, cuya resistencia se halla entre la de los conductores y la de los aislantes [v. gr. germanio, Ge]”. (Marcus, 1973: pp 30 -31).

Después de esta visión panorámica sobre la actualidad de las investigaciones acerca de la teoría electrónica y de la naturaleza de la electricidad, enfrentamos el estudio sintético de los temas propios que corresponden al carácter práctico de este texto, insistiendo en la advertencia de que es necesario remitir al lector a textos especializados para la ampliación de aquellos capítulos de su prticular interés.

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Instalaciones eléctricas

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CAPÍTULO 2. Corriente eléctrica

CAPÍTULO 2 Corriente eléctrica

2.1 LA CORRIENTE ELÉCTRICA La corriente eléctrica es un movimiento de partículas cargadas negativamente, a lo largo de un material conductor en una unidad de tiempo. Dicho de otra manera, “consiste en el movimiento de electrones que se dirigen desde los puntos que hay exceso de electrones, hacia otros puntos que hay déficit de ellos”. 

Alejandro Volta interpretó más exactamente estos experimentos, lo que dio origen a la pila que lleva su nombre. 

Los conductores presentan una gran cantidad de electrones libres que pueden desplazarse fácilmente a través de su masa. 

Este paso abrió las puertas al desarrollo de la electrodinámica, sin descuidar en absoluto la importancia de la electricidad por frotamiento que ha encontrado inmensa aplicación en los laboratorios de física nuclear.

Los conductores pueden ser sólidos como el cobre o el aluminio, o pueden ser líquidos como algunas soluciones químicas, o también pueden ser gaseosos como el neón.  Hay otro tipo de materiales que se oponen al paso de la corriente eléctrica, estos los llamamos dieléctricos o aisladores.  En 1789 el médico italiano Galvani observó que un anca fresca de rana en contacto con un marco metálico, sufría contracciones cada vez que saltaba una chispa de una máquina eléctrica vecina.  Luego observó que al colgar un anca de rana en un balcón de hierro por medio de un gancho de cobre, se presentaban contracciones propias sin necesidad de accionar una máquina eléctrica en su vecindad. 

Para obtener electricidad por medio de un proceso químico, es necesario, un líquido o solución especial, y dos metales entre los cuales se establecerá la diferencia de potencial.

Volta estableció leyes fundamentales como estas: yy “Cuando dos metales diferentes se ponen en contacto, se produce una diferencia de potencial característica para cada metal (es decir, se cargan con electricidad de signo contrario), independientemente del tamaño de las superficies en contacto”. yy “La diferencia de potencial que se produce por una serie de cuerpos en contacto es igual a la que producen los cuerpos de los extremos puestos en contacto directo”. El origen de las baterías o acumuladores, pilas secas, etc. lo encontramos en la pila de Volta y las sucesoras: pila de Daniel, Leclanché entre otras. 5

Instalaciones eléctricas

Un ejemplo de la pila de volta lo encontramos en la figura 2.1 donde dos conductores eléctricos de materiales diferentes Zn y Cu, se sumergen dentro de una solución conductora o electrolito (H2SO4) diluido en agua. Se produce una fuerza electromotriz o diferencia de tensión o potencial entre los dos metales. Los dos metales se llaman electrodos, polos o bordes de la pila.

Figura 2.2 Diferencia de tensión

Figura 2.1 Pila de volta

En las pilas secas ordinarias, existe un electrodo positivo de carbón y un electrodo negativo de Zn. El electrólito está compuesto por bióxido de magnesio y amoníaco. Una pila seca es comparable con una bomba centrífuga que siempre impulsa la corriente convencional por su “polo positivo” y la aspira por su “polo negativo”. El anterior proceso químico se efectúa entre el electrolito y los electrodos; el Cu resulta cargado positivamente (+0,55 voltios) y toma el nombre de ÁNODO–con déficit de electrones–. Mientras que el Zn resulta cargado negativamente (-0,55 voltios) y se le da el nombre de CÁTODO–con exceso de electrones–. Las medidas se hacen con un voltímetro y podemos observar que en este caso la diferencia de tensión total entre el Cu y el Zn es de 1,1 voltios como se observa en la figura 2.2. Esta fuerza electromotriz tiene un valor constante. 6

La fuerza electromotriz en este elemento es de 1,5 voltios aproximadamente. La diferencia entre las pilas y los acumuladores es que los acumuladores pueden ser regenerados o cargados, por inversión del proceso químico aplicando una fuerza electromotriz externa. Todo lo anterior hace concluir que el elemento químico y sus reacciones con los electrodos, constituyen algo así como una bomba–generador electroquímico–que es capaz de mantener una fuerza electromotriz constante–diferencia de tensión, potencial o nivel–y que en el elemento de volta es más o menos 1 voltio, o sea la unidad de F.E.M.

CAPÍTULO 2. Corriente eléctrica

¿Qué pasaría si con un puente unimos el ánodo con el cátodo? Como se observa claramente, los electrones acumulados en el cátodo, mantienen un “inmenso deseo” de ir al ánodo para juntarse con la cargas positivas del ánodo. Se satisface esta condición colocando el puente entre los dos electrodos. La batería comenzaría a pasar los electrones de lado negativo (Zn - cátodo) donde hay exceso de electrones, al polo positivo (Cu - ánodo) donde hay déficit de electrones, hasta quedar en equilibrio, es decir, sin carga o sin diferencia de potencial.

Sentido convencional Paradójicamente, el sentido convencional de la corriente eléctrica es al contrario que el sentido real, pero el sentido convencional es el que se sigue empleando en la práctica para no introducir confusiones en teorías basadas sobre esta consideración tradicional El sentido convencional de la corriente es ficticio, no es real. Esta situación nos obliga a decir que el sentido de la corriente va contra el movimiento de los electrones como lo vemos en la figura 2.4. Figura 2.4 Sentido convencional

Esto podría decirse que sucede en el primer instante pero, no es cierto, sigue actuando una fuerza electromotriz por un tiempo corto, que mantiene constante la tensión, de tal modo que resulta una corriente continua y siempre en el mismo sentido. 2.2 SENTIDO DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA Usaremos para el ejemplo una pila seca común, con electrodos de carbón (+) y de zinc (-) Sentido real De acuerdo con la teoría electrónica la dirección de la corriente eléctrica es aquella en la dirección en la cual se mueven los electrones o partículas cargadas negativamente, tal como se muestra en la figura 2.3.

Preferiblemente debemos usar el sentido convencional por ser más usual. 2.3 ANALOGÍA CON EL AGUA Podemos comparar la corriente eléctrica con una corriente de agua que circula por medio de un tubo o manguera colocado entre dos recipientes con diferentes niveles de agua–vasos comunicantes– (figura 2.5). Figura 2.5 Corrientes

Figura 2.3 Sentido real

Los electrones se desplazan desde el punto que hay exceso de ellos (cátodo), hacia el punto donde hay déficit (ánodo), aprovechando el puente tendido por el hilo conductor.

Cuando se nivela el agua se igualan los niveles, se establece la calma y no pasa ninguna corriente. 7

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La intensidad de la corriente depende de la cantidad de agua–o de electricidad–que pasa en cada segundo por el tubo–o el conductor–. La “presión”, que da origen a esa corriente, se relaciona con la diferencia de nivel del líquido de los depósitos. Cuando los dos vasos se llenan, el conjunto se puede comparar con un condensador. En conclusión: yy El agua circula gracias a la diferencia de nivel–o de potencial–hasta llegar a agotar esa diferencia. En este caso el nivel no permanece constante, pero en la electricidad si es constante. yy Por el tubo conductor pasa una corriente con una cierta intensidad, la cual depende de varios factores.

El punto de referencia para medir los potenciales se toma del estado eléctrico de la tierra que se designa por cero voltios, tal como se hace para medir los niveles de agua en los recipientes. También podemos hacer las siguientes analogías: yy La intensidad de corriente I será mayor mientras mayor es la fuerza que impulsa V. yy La intensidad de corriente será mayor, mientras sea menor la resistencia R del conductor al paso de la corriente. Esa resistencia depende de la naturaleza del conductor, su longitud, su sección transversal y la temperatura fundamentalmente. En líneas generales se puede representar como se ve en las figuras 2.7 y 2.8. Figura 2.7

Niveles

Figura 2.8 

Sin embargo, sabemos que la pila estudiada mantiene constante la diferencia de tensión durante toda la vida, la cual se agota con el fin de las reacciones químicas. De manera que debe trabajar como una “bomba” que haga fluir la corriente sin cesar. De allí la razón de que se pueda llamar generador electroquímico. Un arreglo más adecuado y que responde a las necesidades anteriores serían los mismos recipientes de agua con una bomba, que mantendría una corriente de agua constante de A hacia B, como se muestra en la figura 2.6. Figura 2.6 Recipientes con bomba

Para una longitud igual de tubo L Una gran sección supone menor resistencia R y por tanto mayor intensidad de corriente y una pequeña sección supone una mayor resistencia R y por tanto menor intensidad de corriente I. Estas consideraciones y otras más precisas condujeron a establecer la ley de Ohm:   I = intensidad de corriente: V= diferencia de potencial:  R= resistencia:

amperios voltios ohmios

R es constante para los conductores metálicos comunes. 8

CAPÍTULO 2. Corriente eléctrica

En la realidad así funciona: mientras más delgado y largo es el conductor eléctrico, tiene mayor resistencia; como ejemplo esta el filamento de las bombillas, que es tal la corriente para ese conductor tan delgado, que lo obliga a entrar en incandescencia. 2.4 ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO Aquí recordaremos los experimentos de Juan Cristian Oesterd, quien en 1820 descubrió la acción magnética de la corriente eléctrica. Según Oesterd la corriente que fluye por un conductor produce en su entorno un campo magnético, con sus correspondientes líneas de fuerza ordenadas como círculos concéntricos, y cuando cesa la corriente, desaparece el campo electromagnético. 2.4.1 Campo electromagnético en torno de un alambre rectilíneo En la figura 2.9a se muestra un conductor por el cual pasa una corriente convencional, la corriente va del polo positivo al negativo de la fuente, alrededor del alambre conductor aparecen unas líneas de fuerza electromagnética circulares ocasionadas por la corriente que lleva el conductor.

Figura 2.9b Fuerzas circulares

Visto de otra manera, cuando el conductor está perpendicular a un papel, vemos el sentido del campo. Aplicando la regla de la mano derecha, si la corriente entra, la dirección del campo iría en dirección de las manecillas del reloj, pero si la corriente sale, el campo iría en dirección contraria a las manecillas del reloj como se muestra en las figuras 2.10a y 2.10b.  Figura 2.10a Campo dextrógiro

Figura 2.9a Conductor

Figura 2.10b Campo levógiro

Para determinar la dirección de las líneas de fuerza circulares, se aplica la regla de la mano derecha (válido únicamente para la corriente convencional). El pulgar se dispone en sentido de la corriente y luego cerramos la mano sobre el alambre; los otros dedos nos dan la dirección del campo circular (figura 2.9b).

Para indicar que la corriente entra al papel, le ponemos una X (cola de flecha) y para indicar que sale, le ponemos un punto grueso (punta de flecha). 9

Instalaciones eléctricas

En la figura 2.11 veremos los campos electromagnéticos en espiras y bobinas, junto con una regla práctica para encontrar la polaridad correspondiente, es decir, el sentido del campo que recorre la espira o bobina. Por esta bobina pasa una corriente continua. Figura 2.11 Electromagnéticos en espiras y bobinas

camos el polo norte, marcándolo con un punto negro, para identificar la polaridad del la bobina. Si invertimos la corriente, el imán también invierte su polaridad (aplicamos de nuevo la regla de la mano derecha). En la figura 2.11 se tiene una bobina con muchas espiras o vueltas de alambre; se le aplica una corriente convencional continua, se obtiene también un electroimán con polos N y S bien definidos. Para encontrar rápidamente la polaridad de las bobinas, sólo se aplica la regla de la mano derecha y se le asigna un punto al polo norte. Los experimentos anteriores los hemos hecho con una corriente continua, por lo tanto, la polaridad del imán no cambia.

“Los dedos de la mano siguen la corriente, y el dedo pulgar extendido y perpendicular a todos los demás dedos dan la dirección del polo norte del imán”.

En el caso de aplicar corriente alterna (ca), el imán tendría una polaridad cambiante alternativamente que depende de la frecuencia de la ca aplicada. Esta polaridad cambiante da origen a un flujo alternante (cambiando de norte a sur y viceversa) de las líneas de fuerza (imán). Al tener estos cambios muy rápidos, hay unos choques de flujos que ocasionan los llamados contra-voltajes (o fuerza contraelectromotriz) y contra corrientes, unas veces están opuestas a la fuente (cuando la corriente está en crecimiento), y otras veces están a favor de la fuente (cuando la fuente está en decadencia).

En el dibujo, vemos que aplicando la regla de la mano derecha, el campo sale por el lado izquierdo y entra por el lado derecho. Con esta bobina obtenemos un imán en el centro de la espira, con el polo norte al lado izquierdo y el polo sur al lado derecho tal y como se ve en la figura 2.11. Identifi-

De aquí resulta el concepto de reactancia inductiva, que es una oposición especial, como una viscosidad que ofrece la bobina a la circulación de la ca, pero tiene importantes aplicaciones, por ejemplo en lámparas fluorescentes (bobinas de reacción o choque), en el encendido de vehículos automotores, en circuitos eléctricos y electrónicos, etc.

Para obtener rápidamente la dirección del polo norte (N), se plica la regla de la mano derecha para espiras (válida para la corriente convencional).

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CAPÍTULO 3. Unidades fundamentales de electricidad

CAPÍTULO 3 Unidades fundamentales de electricidad Unidades prácticas La simbología de magnitudes y unidades que se citan a continuación corresponden a las más utilizadas en la práctica y en la electrotecnia, que cumplen con los lineamientos planteados en el Capítulo 2 del Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas –RETIE. Tabla 3.1 Simbología Nombre de la Magnitud

Símbolo de la Magnitud

Nombre de la Unidad

Símbolo de la Unidad en Sistema Internacional de Unidades (SI)

Admitancia Capacitancia Carga eléctrica Conductancia Conductividad Corriente eléctrica Densidad de corriente Densidad de flujo eléctrico Densidad de flujo magnético Energía activa Factor de potencia Frecuencia Frecuencia angular Fuerza electromotriz Iluminancia Impedancia Inductancia Intensidad de campo eléctrico Intensidad de campo magnético Intensidad luminosa Longitud de onda Permeabilidad relativa Permitividad relativa Potencia activa Potencia aparente Potencia reactiva Reactancia Resistencia Resistividad Tensión o potencial eléctrico

Y C Q G σ I J D B W FP f ω E Ev Z L E H Iv λ μr εr P PS PQ X R ρ V

Siemens Faradio Culombio Siemens Siemens por metro Amperio Amperio por metro cuadrado Culombio por metro cuadrado Tesla Vatio hora Uno Hertz Radián por segundo Voltio Lux Ohmio Henrio Voltio por metro Amperio por metro Candela Metro Uno Uno Vatio Voltamperio Voltamperio reactivo Ohmio Ohmio Ohmio metro Voltio

S F C S S/m A A/m2 C/m2 T W·h 1 Hz rad/s V lx Ω H V/m A/m cd m 1 1 W V.A VAr Ω Ω Ω.m V

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Instalaciones eléctricas

Es interesante hacer un recuento sintético de sus definiciones para poder manipularlas con propiedad. Q: Carga eléctrica – Culombio Un culombio es aquella carga eléctrica que al actuar en el vacío, en medio de dos esferas iguales, situadas a la distancia de 1 metro (entre centros), la repele con la fuerza de 9x109 newtons.



I=

Q t



Amperio =

Culombio Segundo

Figura 3.2 Amperio

Figura 3.1 Culombio

Un amperio equivale al paso de una carga eléctrica de 1 culombio en cada segundo; más exactamente es el paso de 6,25x1018 electrones por una determinada sección de un conductor.

A nivel práctico se prefiere tomar como unidad práctica el culombio, de modo que la denominada unidad absoluta statcoulomb que es equivalente a 1 Culombio = 3x109 Stacoulomb

De forma análoga al agua, podemos comparar la masa eléctrica de un cuerpo, con la masa líquida contenida en los recipientes de la figura 2.5. I: Intensidad de corriente - Amperio Así como la intensidad de la corriente de un río se mide por su caudal, es decir, la masa de agua que pasa en cada segundo por una sección de su cauce, de la misma manera definimos la corriente eléctrica como “la masa eléctrica que pasa con los electrones en cada segundo, a través de una determinada sección de un conductor”. De acuerdo a lo anterior, podemos expresar la corriente eléctrica como la relación entre la carga eléctrica y la unidad de tiempo, así:

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La velocidad de la corriente eléctrica es de 300 000km/s, que corresponde a la velocidad de la luz, en términos simplificados, mas no exactos. Esta velocidad la podemos interpretar como la velocidad del impulso con el que se propagan al chocar entre sí una gran fila de electrones. A nivel práctico y experimental, se emplea como instrumento de medida para la corriente eléctrica el amperímetro, que sirve para medir la intensidad de corriente que pasa por un conductor. Este instrumento se conecta en serie a un solo conductor del circuito (figura 3.3). Para ejecutar una medición se desconecta el conductor positivo de la línea y se conecta al borne positivo del instrumento y el borne negativo de éste, se conecta al resto del circuito que se está midiendo. Figura 3.3 Amperímetro

CAPÍTULO 3. Unidades fundamentales de electricidad

Es importante tener en cuenta que el SI utiliza el sistema decimal para relacionar unidades más grandes y más pequeñas con la unidad fundamental, y emplea prefijos para indicar las diversas potencias de 10. En la tabla 3.21 se presenta una lista de los prefijos y símbolos.

impulsa– así mismo, la corriente eléctrica circula por un conductor gracias a la diferencia de nivel, escasez y exceso de electrones, entre los extremos de un conductor; esa diferencia de nivel se traduce en la fuerza que hace circular las cargas eléctricas.

Tabla 3.2 Diversas potencias de 10

Como es natural, para trasladar cargas eléctricas, masas eléctricas, desde un punto a otro de distinto potencial, es necesario realizar un trabajo. Este trabajo lo realiza el campo eléctrico (E), que se encuentra canalizado dentro del propio alambre conductor.

Factor 10-24 10-21 10-18 10-15 10-12 10-9 10-6 10-3 10-2 10-1

Nombre Yocto Zepto Ato Femto Pico Nano Micro Mili Centi Deci

Símbolo y z a f p n μ m c d

Factor 1024 1021 1018 1015 1012 109 106 103 102 101

Nombre Iota Zeta Exa Peta Tera Giga Mega Kilo Hecto Deca

Símbolo Y Z E P T G M k h da

Ejemplo de prefijos empleados y usados con respecto a la corriente eléctrica:

Podemos definir la diferencia de potencial o tensión como la diferencia de potencial entre dos puntos de un campo eléctrico tales que el campo realiza el trabajo de 1 joule al transportar la carga eléctrica (masa eléctrica) de 1 culombio de un punto al otro (desde el de mayor al de menor potencial) (figura 3.4). figura 3.4 Diferencia de potencial

(Una milésima de 1 Amperio)

(Una millonésima de 1 amperio) V: fuerza electromotriz, diferencia de potencial (en electrostática)– voltio Tal como una masa de agua contenida en un recipiente lleno puede pasar a otro por un tubo –a condición de que el segundo esté vacío o tenga un nivel inferior, gracias a la diferencia de nivel que se traduce en presión que

1

Voltio =

Joule Culombio

V =

T Q

Kemmerly Hayt, y Durbin, Análisis de Circuitos en ingeniería. 2003. Sexta Edición. McGraw Hill. Capítulo 2, sección 2.3. Tabla 2.2, p 10.

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Instalaciones eléctricas

Donde:

V= tensión, diferencia de potencial. [Voltios] T= trabajo realizado. [Joules] Q= carga eléctrica. [Culombios] 1 Joule= 107 ergios 1Ergio= 1 dina x 1 cm

V: tensión o diferencia de tensión (en electrodinámica)– Voltio Un voltio es la diferencia de Tensión (o de potencial) que debe existir entre los extremos de un alambre, de modo que el campo eléctrico “canalizado” en el alambre debe realizar el trabajo de 1J/s para trasladar la carga de 1C/s desde el extremo de mayor potencial, hasta el extremo de menor potencial.

los extremos de un alambre conductor, de modo que una fuente de corriente continua (cc, v gr., batería) desarrolla la potencia de 1W para hacer circular la corriente de 1A. Voltios =

Potencia Corriente

V=

W I

Voltio =

Watio Amperio

Es desde aquí donde entendemos el origen de lo importante y del uso frecuente de la fórmula de la electricidad: WATIOS = VOLTIOS × AMPERIOS

W =V × A

A nivel práctico, tenemos que los prefijos más utilizados con respecto a la tensión o diferencia de potencial son: 1 Kilovoltio=1kV=1 000V= 1 000 Voltios Así por ejemplo, 13 200V son equivalentes a 13,2 kV.

Sin embargo, también podemos considerar que “[…] empujar la carga a través de determinado elemento conductor requiere un gasto de energía. Decimos entonces que existe una tensión eléctrica (o una diferencia de potencial) entre las dos terminales, o que hay una tensión ‘en los extremos’ del elemento. De tal modo, la tensión en un par de terminales significa una medida del trabajo que se requiere para mover la carga a través del elemento”.2 Y como 1Watio [W]=J/s y 1Amperio [A]=C/s, luego podemos decir que un voltio es la diferencia de Tensión (o de potencial) que debe existir entre 2

Ibid., p. 14.

14

Y a nivel experimental, el instrumento de medida más empleado es el voltímetro, que se usa para medir la diferencia de potencial o tensión entre dos puntos (A y B) de un circuito (figura 3.5). Siempre se debe conectar en paralelo, es decir, sus bornes deben estar conectados a dos hilos de la línea cuyo voltaje se quiere medir. Los voltímetros se construyen para medir voltios de corriente continua, voltios de corriente alterna y otros equipos que miden ambas magnitudes. Con cc, los bornes + y – se deben conectar con el + y – de la línea. Figura 3.5 Voltímetro

CAPÍTULO 3. Unidades fundamentales de electricidad

Resistencia Específica o Resistividad ρ Se llama resistencia específica o resistividad de un material, a la resistencia eléctrica de un hilo conductor, de 1mm2 de sección transversal y de una longitud de 100m. Por lo tanto, la resistencia de un hilo conductor será igual a su resistencia específica multiplicada por la longitud, en hectómetros, y dividida por su sección, en mm2. Sin embargo, hoy día para tener una idea de que es la resistividad, es necesario pasar primero por la conductividad eléctrica σ de un material. Dicha conductividad la podemos definir como la propiedad que nos indica qué tan buen conductor de corriente eléctrica es determinado material. La unidad de conductividad en el SI es el siemens por metro (S/m) o mhos por metro [1/(Ω•m)]. 1 ρ=

Coeficiente de resistividad con la temperatura α Llamamos coeficiente de temperatura de la resistencia para un material conductor, a la variación que sufre 1Ω por grado de aumento de la temperatura. RT = RO × (1 ± αT ) OHMIOS En la cual: RT= resistencia a T ºC RO= resistencia a 0ºC α= coeficiente de resistividad con la temperatura [1/ºC] T= grados de elevación de la temperatura Los valores de resistividad de la tabla 3.33 son propiedades de los materiales enlistados. Quizá queramos conocer la resistencia de un objeto en particular y sus características óhmicas. Tabla 3.3 Resistividad

σ

Es más común encontrar materiales caracterizados por su resistividad que por su conductividad y es aquí, donde definimos la resistividad ρ como el inverso de la conductividad, es decir:

Material Plata Cobre Aluminio Tungsteno Hierro Platino Magnanin

Donde, tanto la conductividad como la resistividad cumplen con la Ley de Ohm y a partir de ello obtenemos que:

R= Donde:

V I

ρ=

V L I A

R=ρ

L A

Silicio puro Silicio tipo n Silicio tipo p Agua pura Vidrio Poliestireno Cuarzo fundido

ρ= resistividad o resistencia específica. [Ω•m] L= longitud [m] A= área o superficie transversal [m2]

Lo cual nos dice que la resistencia R es característica de un objeto particular y depende del material de que esté hecho, lo mismo que de su longitud y superficie transversal; la resistividad ρ caracteriza al material en general.

Resistividad ρ(Ω·m) Metales Comunes 1,62x10-8 1,69x10-8 2,75x10-8 5,25x10-8 9,68x10-8 10,6x10-8 48,2x10-8 Semiconductores comunes 2,5x103 8,7x10-4 2,8x10-3 Aislantes comunes 2,5x105 1010-1014 >1014 ≈1016

Coeficiente de resistividad con la temperatura α(1/ºC) 4,1x10-3 4,3x10-3 4,4x10-3 4,5x10-3 6,5x10-3 3,9x10-3 0,002x10-3 -70x10-3

Halliday, Resnick y Krane, Física. Vol 2, Quinta Edición, Cecsa, Capítulo 29, Tabla 29-1, 2003, p 666. 3

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Instalaciones eléctricas

Si tomamos como ejemplo un conductor de 15m de longitud cuya sección transversal es de 0,5x103m2 tendrá una resistencia a 0ºC de:

R=

V I

Ohmio =

Voltio Amperio

Donde: La resistencia del mismo conductor a 10ºC será:

R: resistencia de un conductor – Ohmio Ω Hacemos ahora referencia a las figuras 2.7 y 2.8 del Capítulo II y a la ley de Ohm (R=V/I). Ya quedó explicada la analogía con el agua y cómo la resistencia de un conductor al paso de la corriente eléctrica depende de la naturaleza del material, de la longitud y de la sección transversal del conductor como factores principales. La unidad de resistencia eléctrica es el ohmio Ω. Un ohmio es la resistencia de un conductor tal que al aplicarle en sus extremos una tensión o diferencia de potencial igual a 1 voltio, la corriente que se produce es de 1 amperio (figura 3.6). Figura 3.6 Resistencia

R=resistencia en ohmios V=tensión o diferencia de potencial en voltios I=Intensidad de corriente en amperios Capacidad eléctrica C – Faradio F Si un conductor aislado se carga eléctricamente, adquiere un cierto potencial V (voltios), que puede referirse al potencial de la tierra (considerado de 0V). Lo mismo sucederá si un recipiente inicialmente vacío se llena con una masa de agua, la masa líquida adquiere un cierto nivel o diferencia de nivel con respecto a la tierra. Vale la pena aclarar que la masa del cuerpo es totalmente diferente a la carga eléctrica que lo polariza. Por otra parte un mismo cuerpo puede adquirir distintos potenciales en función de la carga eléctrica que lo potencializa. Para entender un poco más lo que estamos tratando, consideremos una esfera de radio R con una carga eléctrica Q, que adquiere un potencial V. Si otra esfera de radio 2R se carga con la misma Q, adquiere un potencial igual a la mitad del anterior (1/2 V). De lo anterior podemos concluir que la capacidad de la última esfera es el doble de la primera y por lo tanto tiene mayor capacidad, o dicho de otro modo, “los potenciales que adquieren los cuerpos al ser cargados con la misma Q, son inversamente proporcionales a sus capacidades eléctricas”.

De acuerdo con la ley de Ohm se puede expresar la resistencia como la relación entre la diferencia de tensión y la intensidad de corriente eléctrica producida. 16

Así pues, “un cuerpo conductor aislado tiene la unidad de capacidad (faradio), si al cargarlo con la unidad de masa eléctrica (culombio), adquiere la unidad de potencial (voltio)”.

CAPÍTULO 3. Unidades fundamentales de electricidad

Por tanto se puede establecer que “la capacidad eléctrica de un conductor aislado es la relación constante entre su carga y su potencial”. Esta situación se puede expresar a partir de la siguiente formulación:

Donde:

C=

Q V

Faradio =

Culombio Voltio

C= capacidad eléctrica [F] Q= carga eléctrica [C] V= tensión o potencial [V]

A nivel práctico se acostumbra manejar mucho los condensadores de microfaradios y picofaradios, que permiten la acumulación de grandes cargas eléctricas, y cuya parte constitutiva está dada por dos conductores o armaduras, estas armaduras son equivalentes a:

Es importante saber que frente a la c.a un condensador ofrece una “Resistencia especial” llamada reactancia capacitiva XC. Su expresión básica es:

Debido a ello, un condensador ofrece muy poca oposición a las altas frecuencias y retiene las bajas frecuencias, lo cual le da la propiedad de filtro, dejando pasar solamente las frecuencias altas. Si conectamos un condensador a una fuente de ca, la reactancia capacitiva la podemos definir como la reactancia de 1Ω al aplicarle un voltaje alterno eficaz de 1V, permitiendo así la circulación de corriente eficaz de carga de 1A.

Reactancia capacitiva = X C =

V [Ω ] I

A partir de lo anterior, podemos decir que un condensador es comparable a un tanque hidroneumático lleno de aire y agua a presión (tensión). Cuando falta por un instante la presión de la fuente ca, el condensador suministra “presión” al circuito. En resumidas cuentas, se pone a toda variación del voltaje en el circuito. Ahora, cuando conectamos un condensador a una fuente cc simplemente se carga a la tensión de la fuente. Es comparable a una “trampa” para la c.c., en donde el condensador pasa a representarse como un simple circuito abierto entre las terminales en las que fue conectado. Regresando al caso en que el condensador se conecta a una fuente de ca, se tiene que el condensador primero absorbe corriente para luego dejar entrar la tensión, o dicho en otras palabras, un condensador adelanta 90o la corriente con respecto a la tensión aplicada. En el caso de un circuito ideal donde sólo se tiene un condensador y no se considera la acción de la resistencia óhmica, el factor de potencia fp = cos 90º = 0. Además, no se consume potencia y la que se recibe se devuelve en su totalidad. Inductancia eléctrica L – Henrio H El inductor es un elemento de un circuito que guarda energía en el campo magnético que rodea a sus alambres portadores de corriente, del mismo modo que un capacitor guarda dicha energía en el campo eléctrico formado entre sus placas cargadas. Lo anterior nos permite identificar a la inductancia eléctrica como la responsable de medir la capacidad de un inductor para almacenar campo magnético producido por una corriente.42

4

Op. Cit. Capítulo 36, sección 1, p. 823.

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Instalaciones eléctricas

De lo anterior, podemos decir que la inductancia de un inductor (solenoide, bobina, circuito inductivo) es de 1H, si la contra-tensión autoinducida es de 1V cuando se hace variar la corriente a razón de 1 A/s.

L=

Vi N ⋅φ = dI I dt

 V  H =  A   s 

Donde: N = número de espiras o vueltas Φ = flujo en Weber [Wb] I = corriente [A] Por otra parte, frente a la ca una bobina ofrece una “resistencia especial” llamada reactancia inductiva XL.

Donde:

X L = 2π f ⋅ L f = frecuencia [Hz] L = inductancia [L]

De lo anterior, inferimos que una bobina ofrece poca oposición a las bajas frecuencias y retiene las altas frecuencias, es decir, sirve como filtro para que pasen fácilmente las frecuencias bajas. Al adicionar a un circuito inductivo la presencia de una fuente ca, la bobina pasa a tener la reactancia inductiva de 1Ω cuando la aplicación de un voltaje alterno eficaz de 1V, permite circular la corriente eficaz de 1A.

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Una bobina la podemos comparar con una especie de bolsa-filtro intercalada en una tubería de acueducto, de modo que al aplicarle presión (tensión) en un extremo, es preciso esperar cierto tiempo para que aparezca corriente en el otro; por ello decimos que una bobina retrasa 90º la corriente con respecto al voltaje aplicado. En el caso de aplicarle cc a una bobina, al principio hay cierta oposición mientras se forma el campo magnético de la bobina. Después la corriente circula fácilmente por la resistencia óhmica de los alambres de la bobina, dado que ésta se comporta como un cortocircuito, es decir, tiene el efecto de un conductor (alambre) que no ofrece mayor resistencia al paso de la corriente. Cuando una bobina se conecta a la ca, ocurren los fenómenos de autoinducción de corriente y de tensión y el campo magnético en el núcleo es alternativo, es decir, cambia alternativamente de polaridad, apareciendo así la noción de reactancia inductiva. Una bobina se puede interpretar como una fuente supletoria de corriente “atrapada” en sus alambres, por el cambio alternativo de la tensión (voltaje) aplicada entre sus extremos. En un circuito ideal que sólo tenga una bobina conectada a una fuente c.a. el factor de potencia fp es cero puesto que:

Finalmente puede agregarse la noción de impedancia (Z) en ohmios, válida particularmente para circuitos en ca y que puede considerarse como la “resistencia resultante “de la combinación de diferentes obstáculos, resistencias, condensadores y bobinas, ya sean en serie o paralelo, que dan origen a circuitos compuestos y complejos. La unidad de impedancia es también el ohmio. Al inverso de la impedancia se le llama admitancia y se mide en mhos o en siemens. Al inverso de la reactancia capacitiva se le llama susceptancia capacitiva (BC) y al

CAPÍTULO 3. Unidades fundamentales de electricidad

inverso de la impedancia de la reactancia inductiva se le llama susceptancia inductiva (BL).

Ahora bien, la potencia W empleada en cualquier aparato que tenga una resistencia R, por la cual circula una corriente I se puede expresar como sigue:

Potencia Eléctrica Activa W – Vatio De acuerdo a la relación V=T/Q, si se supone que entre los dos extremos de un conductor existe una Tensión V (voltios), la carga eléctrica Q se trasladará del punto de mayor al menor potencial efectuándose un trabajo T (Joules), que corresponde a la energía eléctrica gastada.

W =T t =

V = R×I Q I= t ⇒W = R × I × I = R × I 2

Es decir: T = V ⋅ Q [Joules] Si ese trabajo T se realiza en t segundos obtenemos la idea de potencia, de tal modo que la potencia eléctrica activa será

Donde:

W=

T t

W = potencia eléctrica activa [vatios] T = trabajo [Joules] t = tiempo [segundos] Por tal razón se puede decir que “existe la potencia de 1 vatio cuando la carga eléctrica de 1 culombio se mueve en 1 segundo, entre dos puntos cuya diferencia de potencial es de 1 voltio”. Así que:

Vatio =

Joule Segundo

Una unidad práctica muy usada es el kilovatio: 1kW = 1 000W = 1 000J/s Otra unidad mayor, equivalente a un millón de vatios es el megavatio (MW). 1MW = 1 000 000W = 1 000kW

V ⋅Q t

En el caso de un filamento de una lámpara incandescente por el cual pasa una corriente de 0,833 A y está conectada a una red de 120 voltios. Si queremos hallar la resistencia del filamento al paso de la corriente eléctrica, tenemos que:

Luego:

Si por el contrario se tratara de la potencia eléctrica W de una plancha que tiene una resistencia de 15Ω y que se conecta a la red a 120V. Obtendríamos que: W =V × I V 120V I= = = 8A R 15Ω W = 120V × 8 A = 960W Por otra parte, la potencia eléctrica también se expresa por el conocido producto: Potencia = Voltaje × Corriente [W ] = [V ] × [ A]

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Instalaciones eléctricas

Además, al sustituir en W = V • I según la ley de Ohm, se obtiene: W = V ·I = R · I 2 = V

2

R

[Vatios ]

En los circuitos en corriente continua (cc) siempre se tendrá vatios = voltios x amperios, pero en los circuitos de corriente alterna (ca) dotados de condensadores y bobinas, hace su aparición el llamado factor de potencia, el cual se escribe como un porcentaje y es siempre menor que la unidad. Tal como se acaba de mencionar el FP = 1= cos ( ) sólo en los circuitos puramente resistivos de ca y en los restantes circuitos, toma siempre algún valor. Entonces es preciso distinguir tres clases de potencias: activa, reactiva y aparente, en un triángulo de fasores5 por ejemplo para un circuito que tenga resistencias y bobinas, a saber: Figura 3.7 Tres circuitos

Potencia reactiva (Q): potencia no consumida y devuelta a la fuente por la presencia de bobinas (o condensadores), que actúan como pequeñas fuentes supletorias de corriente y de voltaje respectivamente. Q = V ⋅ I ⋅ Cos ϕ

[VAr ]  

Potencia aparente (S): potencia total suministrada (hipotenusa).

En los circuitos inductivos, donde hay presencia de bobinas, se dice que el FP está “en retraso” porque en una bobina la corriente se retrasa 90º al voltaje aplicado (triángulo en el primer cuadrante). En los circuitos capacitivos, donde hay presencia de condensadores, se dice que el FP está “en adelanto” porque en un condensador la corriente se adelanta 90º al voltaje aplicado (triángulo en el cuarto cuadrante). En los circuitos residenciales, a pesar de la presencia de motores pequeños (con bobinados) usualmente se considera que el FP es la unidad, por tratarse de instalaciones menores. Téngase en cuenta que esto no se puede hacer en grandes instalaciones industriales y comerciales en las que es absolutamente indispensable tener en cuenta el verdadero valor del FP. El factor de potencia se tratará con mayor amplitud en el capítulo 6.

Potencia activa (P): potencia efectivamente consumida en las resistencias del circuito.

Energía o trabajo consumido – Vatio hora W-h “La energía o trabajo consumido es igual a la potencia W, multiplicada por el tiempo de aplicación de la misma t”. Esto significa que si la potencia de 1W desarrolla trabajo durante 1hora, se obtiene una nueva unidad de trabajo igual a 1 W-h.

5



Fasor: es un número complejo que puede expresarse de la forma: z = x + jy = r ∠φ

20

Si la potencia de 1kW es mantenida durante 1hora, se obtiene 1kW-h.

CAPÍTULO 3. Unidades fundamentales de electricidad

Si W=T/t entonces se obtiene:

Donde:

T =W ×t = R× I 2 ×t =V × I ×t

T= trabajo [W-h; kW-h] W= potencia [W; kW] t= tiempo [horas] Otras expresiones equivalentes se obtienen al sustituir la potencia W en función de la Ley de Ohm:

De allí que la energía eléctrica se convierta en energía térmica utilizable y a este fenómeno se le llame “efecto calorífico de la corriente” o “efecto Joule”. Lo anterior nos explica el por qué los conductores elegidos para el transporte y distribución de energía deben tener poca resistencia, en cambio los elementos productores de calor de los fogones, planchas, calentadores, etc., se fabriquen con material de alta resistencia. Como se acaba de observar, éste ha sido un somero repaso de las unidades más importantes de la electricidad desde el punto de vista práctico y de aplicación inmediata en las instalaciones eléctricas comunes. Conviene ahora hacer una sinopsis de definiciones y de unidades más usados en electricidad y en electrónica básica.

La manera en que se mide la energía o trabajo consumido, da base para el establecimiento de las tarifas de cobro para el consumo de la energía eléctrica. De ahí la existencia de los medidores o contadores de energía, con lecturas en kW-Hora, regularmente.

Figura 3.8 Definiciones y unidades

Ley de Joule

Ley de Ohm

Entre los factores de conversión, encontramos que 1Joule = 0,2389 cal. De allí que el calor total Q en calorías producido en un tiempo t, en una resistencia R (Ω) sea:

En las cuales: V= Voltios I= Amperios W= Vatios

R= Ohmios t= Segundos Q= Calorías

Por otro lado, el flujo de electrones que circula por un conductor provoca una elevación de la temperatura del mismo; si la resistencia del conductor es grande, igual será la cantidad de calor producido.

V [=] voltios W [=] vatios R [=] ohmios

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Instalaciones eléctricas

3.2 SINOPSIS DE DEFINICIONES Y UNIDADES ELÉCTRICAS Carga eléctrica Q (Culombio) Un culombio es aquella carga eléctrica que al actuar en el vacío sobre otra igual situada a una distancia de 1 m (entre centros) la repele con la fuerza de 9 x 109 Newtons. (Definición aplicable al caso de dos esferas iguales).

Como 1 vatio = 1 Joule/seg y 1 amperio = 1 culombio/seg entonces cabe otra definición equivalente.

Unidad de intensidad de corriente I (Amperio) Un amperio equivale al paso de la carga de 1 culombio en cada segundo, por determinada sección de un alambre conductor.

Unidad de diferencia de tensión V (voltio) Un voltio es la diferencia de tensión (o de potencia) que debe existir entre los extremos de un alambre conductor, de modo que una fuente de cc (por ejemplo, una batería) desarrolla la potencia de 1 vatios (W) para hacer circular la corriente de 1 amperio (A).

Este es el origen de la importante y muy usada fórmula de la electricidad: Vatios = voltios x amperios Unidad de diferencia de potencial V (Voltio – en electrostática) Un voltio es la diferencia de potencial entre dos puntos de un campo electrostático tales que el campo debe realizar el trabajo de 1 Joule para trasladar una imaginaria carga unitaria, positiva (de 1 culombio) desde el punto de mayor potencial, hasta el punto de menor potencial.

Unidad de diferencia de tensión v (voltio – en electrodinámica) Un voltio es la diferencia de tensión ( o de potencial) que debe existir entre los extremos de un alambre conductor, de modo que el campo eléctrico “canalizado” en el alambre debe realizar el trabajo de 1 Joule/seg para trasladar la carga de 1 culombio/seg desde el extremo de mayor potencial, hasta el extremo de menor potencial. 22

[W]=[V]x[A]

Unidad de resistencia óhmica simple R (Ohmio – Ω) Un ohmio es la resistencia de un alambre conductor tal que al aplicar entre sus extremos la diferencia de tensión de 1 voltio, circula la corriente de 1 amperio.

La resistencia implica oposición al flujo de corriente. Al inverso de la resistencia óhmica simple se le llama conductancia G y designa la “permitividad” al flujo de corriente. Unidad de conductancia G (Siemens – Ω–1) Un mho o un siemens es la conductancia de un alambre conductor que per-

CAPÍTULO 3. Unidades fundamentales de electricidad

mite circular la corriente de 1 amperio cuando se aplica entre sus extremos la diferencia de potencial de 1 voltio.

Unidad de potencia P (Vatio –W) Alguien o algo tiene la potencia de 1 vatio, cuando es capaz de realizar de manera constante, el trabajo de 1 Joule en cada segundo.

W = V x I = R x I2 = V2/R Por lo tanto: T = V x I x t = R x I2 x t = V2 x t/R Unidad de capacidad eléctrica C (faradio) Un cuerpo conductor aislado tiene la capacidad de 1 faradio cuando al cargarlo con 1 culombio adquiere el potencial (o tensión) de 1 voltio.

Frente a la ca un condensador ofrece una “resistencia especial” llamada reactancia capacitiva Xc. Su expresión básica es: Por otra parte, la potencia eléctrica también se expresa por el conocido producto:

Potencia = voltaje x corriente 1 Vatio = voltio x 1 amperio [W]= [V] x [A]

Al conectar un condensador a una fuente ca podemos dar una definición para la reactancia capacitiva como sigue:

Además, al sustituir en P = V x I, según la ley de Ohm (R = V/I) se obtiene:

P = V x I = R x I2 = V2/R

[W]

Unidad para la reactancia capacitiva Xc (Ohmio) Un condensador o circuito capacitivo tiene la reactancia capacitiva de 1 ohmio, cuando al aplicarle un voltaje alterno eficaz de 1 voltio, permite circular la corriente eficaz de carga de 1 amperio.

Unidad de trabajo o energía consumida T (Vatio x Hora – Wh) Un Wh equivale a la potencia de 1 vatio disipada de manera constante por un receptor resistivo, durante el tiempo de 1 hora. Trabajo = potencia x tiempo T = P x t 1 vatio x hora = 1 Wh De manera análoga: 1 kW-hora = 1 kWh Otras expresiones equivalentes se obtienen al sustituir la potencia P (en W) en función de la ley de Ohm, a saber:

Unidad de inductancia eléctrica L (henrio) La inductancia de un solenoide, bobina o circuito Inductivo es de 1 henrio, si el contra-voltaje auto-inducido es de 1 voltio cuando se hace variar la 23

Instalaciones eléctricas

corriente a razón de 1 amperio/seg (aceleración).

Al conectar una bobina a una fuente ca podemos dar una definición para la reactancia inductiva, a saber: Unidad para la reactancia inductiva XL (Ohmio) Una bobina (o circuito inductivo) tiene la reactancia inductiva de 1 ohmio cuando al aplicarle un voltaje alterno eficaz de 1 voltio, permite circular la corriente eficaz de 1 amperio.

Nótese que la inductancia puede darse también por la relación N·Ф/I en la cual, N es el número de espiras o vueltas, Ф es el flujo en webers e I es la corriente en amperios. Por otra parte, frente a la ca una bobina ofrece una “resistencia especial” llamada reactancia inductiva XL. Su expresión básica es:

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CAPÍTULO 4. Tipos de corriente eléctrica

CAPÍTULO 4 Tipos de corriente eléctrica

En la electricidad, existen dos tipos de corriente: corriente continua y corriente alterna.

Esta corriente la obtenemos de las pilas, acumuladores, generadores de corriente continua o dínamos.

4.1 CORRIENTE CONTINUA (CC)

4.2 CORRIENTE ALTERNA (CA)

“Cuando circula una corriente eléctrica en cantidad constante por unidad de tiempo, invariablemente en la misma dirección, se dice que se trata de una corriente continua”.

La corriente alterna es aquella que cambia su intensidad y dirección alternativamente con un curso oscilatorio y de acuerdo con una ley senoidal como vemos en la figura 4.2.

Este tipo de corriente lo vemos en la figura 4.1, que es una recta en un valor determinado.

Figura 4.1 Corriente continua

Figura 4.2 Corriente alterna

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Instalaciones eléctricas

Este tipo de corriente lo tenemos en nuestras casas, en cada uno de los tomacorrientes. La frecuencia se mide en hertz [Hz] y es igual a oscilaciones / segundo. En la gráfica vimos un ciclo, pero la corriente alterna tiene una frecuencia de 60 ciclos por segundo en América (60 Hz); en Europa se trabaja con una frecuencia de 50 ciclos por segundo (50 Hz). Para nuestro caso, si nos damos cuenta tenemos 120 cambios de dirección en un segundo (sube o baja), dos cambios por ciclo; cada cambio lo denominamos una alternancia. El tiempo requerido para hacer una oscilación completa lo denominamos período, y el período es 1/ frecuencia, quiere decir que a una frecuencia de 60 Hz tememos un período de 1 / 60=0,01666 segundos (se demora 16,6 milisegundos para dar una oscilación completa). Las fluctuaciones de la corriente alterna se pueden observar en un osciloscopio de rayos catódicos (oscilógrafo) similar a un receptor de televisor. Los generadores de corriente alterna se llaman alternadores. 4.3 INTENSIDAD EFICAZ DE UNA CORRIENTE ALTERNA

de energía lo llamamos el valor eficaz. El valor eficaz de la intensidad de corriente alterna que produce el mismo efecto energético que la corriente continua se obtiene dividiendo el valor máximo de la corriente alterna entre 2  , como lo mostramos a continuación.

Y para el voltaje es similar porque el voltaje tiene la misma forma de onda que la corriente:

La I máxima la podemos observar en la figura 4.2 donde fue señalada previamente. Los cálculos nominales se basan siempre en estos valores eficaces que son medidos por los voltímetros y amperímetros. Por ejemplo, si se dice que un aparato eléctrico funciona a 110 voltios y 5 amperios, y se quiere averiguar cualquiera de los dos valores máximos, se debe multiplicar por 2 . 

Todo tipo de corriente produce una energía (prender un bombillo, un televisor, etc.) y se producen efectos diferentes de energía en corriente alterna que en directa.

Amperios, es el valor máximo

Como la corriente alterna es oscilante, y la corriente continua no es oscilante, la corriente continua produce un mayor efecto de energía; a este efecto

Voltios, es el valor máximo

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CAPÍTULO 5. Generación de la corriente eléctrica

CAPÍTULO 5 Generación de la corriente eléctrica

Casi toda la energía que nosotros usamos proviene del sol. El sol favorece la evaporación de agua, y estos vapores de agua producen movimientos de aire, que en algunos lugares son aprovechados por las centrales eólicas para generar energía eléctrica. Las olas son consecuencia de los vientos sobre el agua, similarmente en algunos lugares es aprovechado el movimiento del agua para transformarlo en energía eléctrica. 5.1 OTRAS FUENTES ALTERNAS PARA PRODUCIR ELECTRICIDAD yy Frotación: es la energía eléctrica producida al frotar dos materiales de diferentes características; por ejemplo, al frotar el vidrio con la seda, el vidrio se polariza positivamente y la seda se polariza negativamente al ganar electrones. Esta fue una de las primeras manifestaciones de la electricidad. yy Presión: es la energía eléctrica producida al aplicar presión sobre ciertos materiales especiales, como los cristales de cuarzo, sales de rochelle y la turmalina que acumula cargas opuestas en sus extremos cuando es sometida a presión. yy Calor: es la energía eléctrica producida al aplicar calor en la unión de un par termoeléctrico (constituido por dos metales diferentes), por ejemplo: el hierro y el cobre, tienen aplicación en pirómetros. yy Luz: la energía eléctrica producida por la luz que incide sobre materiales fotosensibles (reaccionan con la luz), como el selenio; estos

materiales muy utilizados en las celdas fotoeléctricas (para obtener la conocida energía solar). Este tipo de energía es muy usado en los viajes espaciales para tener energía en las naves, o en zonas alejadas donde no hay acceso al sistema interconectado de energía eléctrica. yy Magnetismo: es la energía eléctrica producida por el movimiento relativo de un imán y un conductor, de manera que se cortan las líneas de fuerza. Este es el origen de los generadores de corriente continua y corriente alterna. yy Reacción química: es la energía eléctrica producida por las reacciones químicas. Pilas secas y acumuladores como lo estudiamos en el capítulo 2. La forma más común para obtener la energía eléctrica es por medio de los generadores, utilizados de diversas maneras en centrales hidroeléctricas, eólicas y térmicas. 5.2 PRINCIPIO DE UN GENERADOR ELÉCTRICO Como se estudio en el capítulo 2, cuando una corriente eléctrica circula por un conductor da origen a un campo magnético en su entorno. Lo que pretendemos ahora es estudiar si es posible hacer lo contrario, es decir, ¿será posible que un campo magnético induzca corriente eléctrica en un conductor? 27

Instalaciones eléctricas

Faraday no se separó durante muchos años de un imán (fuente de campo magnético) y de una espira de cobre (conductor) que hacia girar dentro de los polos del imán, de manera que la espira cortaba las líneas de fuerza del campo. Faraday de esta manera comprobó que en estas circunstancias se induce corriente en el conductor. También se dio cuenta, que un campo magnético se origina por cargas eléctricas en movimiento y que además un campo magnético puede inducir corriente en conductores que se mueven dentro de un campo, cortando las líneas de fuerza, como se ve en la figura 5.1 Figura 5.1 Campo magnético

5.3 GENERACIÓN DE CORRIENTE ALTERNA Y CORRIENTE CONTINUA Cuando una espira está en movimiento y corta las líneas de fuerza del campo magnético, pone en movimiento sus cargas eléctricas que circulan de un extremo a otro de la espira y con esta circulación induce una corriente eléctrica. Nótese que a medida que la espira va dando la vuelta completa, va invirtiendo la dirección de la corriente en el conductor. Cuando la espira está alineada con los puntos A y B, no tenemos corriente y a medida que la espira sigue rotando, la dirección de la corriente en la espira es contraria a la corriente que teníamos antes de que la espira se alineara con los puntos AB, como se ve en la figura 5.2 Una manera sencilla para averiguar el sentido de la corriente inducida en determinada sección de la espira, es usando la regla de la mano derecha (regla de Faraday). Si el índice indica la dirección del campo, y el pulgar es dirigido perpendicularmente al índice se indica la dirección del movimiento; entonces el dedo del medio (colocado ortogonal a los dedos anteriores) nos dará el sentido de la corriente inducida, se ve más claramente en la figura 5.3a. Y en la figura 5.3b se observa cómo se aplicaría para una sección de la espira de la figura 5.1.

Este descubrimiento de Faraday dio lugar a extensos capítulos de la física, relacionados con la corriente de inducción, y a muchas aplicaciones prácticas entre las que se encuentran las maquinas eléctricas, los generadores y los motores. Posterior a ello, se dieron otras aplicaciones mas “modernas” como el teléfono y el micrófono que también se basaron en las corrientes de inducción. Dado que el tema de las corrientes de inducción es muy extenso, si se desea más información, el lector debe remitirse a textos de física especializados en este tema. 28

La corriente que hallamos en estas figuras es la corriente convencional, recordemos que el sentido real es contrario al convencional (ver capitulo 2). También es importante recordar que siempre se debe tomar el sentido convencional de la corriente para evitar confusiones. Si en la figura 5.2 el campo magnético es de 1 weber en el espacio comprendido entre el polo norte y el sur del imán, y la parte izquierda de la bobina gira desde el punto B hacia el punto A, del eje vertical, cortando todo el flujo del imán, a una velocidad tal que en un segundo hace este recorrido, en la espira se induce la unidad de tensión, es decir, 1 V.

CAPÍTULO 5. Generación de la corriente eléctrica

Figura 5.2 Generación de corriente

Figura 5.3a Corriente inducida

Figura 5.3b Sección de la espira

Figura 5.3c Sentido corriente inducida

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Lo mismo sucederá con el lado derecho de la espira y como la espira es un solo cuerpo, la tensión total de la espira completa es la suma del lado derecho mas el lado izquierdo (se suman como si tuviéramos dos pilas en serie), es decir, 2 V. Si aumentamos la velocidad del rotor, si tenemos un flujo magnético mayor, o si aumentamos el número de espiras en las bobinas podemos obtener una tensión eléctrica mucho mayor. En conclusión, cuando tenemos una espira dentro de un campo magnético y la espira gira con una alta velocidad constante, el campo magnético ejerce sobre la espira una fuerza que tiende a desplazar las cargas eléctricas a lo largo de la espira. En otras palabras, el campo eléctrico produce en la espira una tensión que es capaz de producir una corriente eléctrica I.

5.4 OBTENCIÓN DE LA CORRIENTE ALTERNA - ALTERNADOR Para acercarnos más al alternador real imaginémonos ahora un cilindro hueco de hierro dulce,1 este cilindro depende del uso, generalmente no es macizo y esta formado por muchas láminas circulares muy delgadas para formar un cilindro con un espesor conveniente dependiendo de su uso; otras veces, este cilindro hueco esta hecho de imanes permanentes. A este cilindro se le ha llamado estator y es la parte que no se mueve del generador, generalmente esta fijo a la carcasa. El rotor igualmente puede estar hecho de un imán permanente, o de un electroimán (es un imán que tiene un campo magnético producido por una corriente), pero al menos uno de los dos debe estar devanado.

La corriente producida se puede recoger por medio de dispositivos especiales dando lugar a la diferenciación entre los generadores de corriente continua o dínamos y los generadores de corriente alterna o alternadores.

En el caso de tener el rotor devanado y el estator con imanes, el rotor debe estar equipado con un conjunto de anillos por concéntricos al rotor, se conectan dos de estos anillos a las puntas de cada una de las espiras (como se ve en la figura 5.4 y 5.5); estos anillos están continuamente rozando unas escobillas2 que están conectadas a unos conductores que recogen la corriente alterna y van a los bornes de la máquina con la corriente alterna.

Figura 5.4 Conjunto de anillos

Figura 5.5 Anillos rotantes

Hierro muy puro, con muy bajo contenido en carbón, y cuando se le han eliminado gran cantidad de las escorias. Las escobillas con unas “pastas” de carbón o grafito que se usanpara hacer contacto entre los anillos del rotor y los conductores, se usan porque son fáciles de cambiar, dado que tienen un gran desgaste por el continuo rozamiento cuando el rotor del generador o del motor esta girando a gran velocidad. 1 2

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CAPÍTULO 5. Generación de la corriente eléctrica

Los anillos que tiene el alternador se llaman anillos rozantes. Las escobillas son presionadas con unos resortes y aprietan la superficie de los anillos rozantes del rotor para recoger la corriente alterna y llevarla a los bornes de la máquina como se ve en la figura 5.5.

troimanes; similarmente si se recolecta la corriente por el rotor, el rotor tiene que estar devanado como se muestra en la figura 5.8 y el estator puede estar hecho con imanes permanentes o con electroimanes. Por facilidad del dibujo, se trazaron imanes permanentes donde es posible que así sea.

Si observamos la figura 5.6, en el lado derecho, la corriente sale del papel (hacia nosotros), y cuando da la vuelta, por la misma sección de la espira la corriente entra (al papel), así los anillos siempre tienen una corriente alterna. Las escobillas que están rozando continuamente con los anillos, van cambiando de polaridad junto con los anillos a medida que el rotor va dando vueltas, cambia de polaridad dos veces por cada revolución, a esto se denomina alternancia, como se estableció antes, una revolución son dos alternancias (dos cambios de polaridad en cada escobilla) una semionda positiva y otra negativa.

Figura 5.7 Estator devanado

Figura 5.6 Corriente Figura 5.8 Rotor devanado

Hay dos formas de construcción de los alternadores: se puede recolectar la corriente alterna tanto del rotor como del estator; si se recolecta la corriente por el estator, el estator tiene que estar devanado como se muestra en la figura 5.7 y el rotor puede estar hecho con imanes permanentes o con elec-

En los alternadores industriales se colocan varios pares de bobinas dispuestos en el estator, rotor o en ambos, como lo vemos en la figura 5.8. Cuando el rotor se mueve, además de atravesar con su campo magnético las bobinas del estator, también va a inducir una corriente en las bobinas del estator, este es uno de los motivos por los que a estas bobinas del estator (en este tipo de construcción) se le conocen con el nombre de inducido. 31

Instalaciones eléctricas

En el caso de que el rotor fuera hecho de un electroimán, que es un rotor que produce un campo electromagnético con ayuda de las espiras por las cuales circula una corriente, las espiras consecutivas deben tener devanados inversos, para poder producir alternativamente un polo norte y otro sur (lo comprobamos usando la regla de la mano derecha). Se le llama inductor al electroimán utilizado para producir el campo magnético. 5.5 REPRESENTACIÓN SINUSOIDAL La representación de una onda de corriente alterna es sinusoidal, si observamos la figura 5.2, partiendo desde el punto B hacia el punto A, vemos que inicialmente la corriente es cero y a medida que la espira va recorriendo el primer cuarto de vuelta la corriente va creciendo hasta llegar a su máxima magnitud -cuando esta exactamente el cuarto de vuelta-. Después de llegar al máximo comienza a decrecer hasta llegar al punto A. Hasta aquí se ha recorrido media vuelta.

5.6 OBTENCIÓN DE LA CORRIENTE CONTINUA – DíNAMO Para tener una mejor visualización, imaginémonos otra vez el mismo cilindro de hierro dulce que se expuso anteriormente sobre el cual se deben arrollar por lo menos dos bobinas (en el mismo sentido) y opuestas diametralmente. El estator está formado por imanes permanentes o por un electroimán. El rotor esta devanado y los extremos de la espira terminan en un solo anillo “cortado” llamado colector, que es un cilindro formado por tiras de cobre o delgas (figura 5.10) que gira concéntricamente con el eje y posteriormente, las escobillas que permanecen fijas barren el colector para recoger la corriente obtenida como se ve en la figura 5.11. Figura 5.10 Colector

Si seguimos el recorrido otro cuarto de vuelta vemos que la corriente vuelve a crecer pero en sentido contrario al anterior, es decir, la corriente es negativa y similarmente la corriente llega al máximo de su magnitud (pero como esta corriente es negativa decimos que es el mínimo de corriente), y después del tercer cuarto de vuelta, la corriente vuelve a decrecer hasta llegar al punto B en donde la corriente de nuevo sería cero como lo vemos en la figura 5.9. Figura 5.9 Representación sinusoidal

Figura 5.11 Dinamos

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CAPÍTULO 5. Generación de la corriente eléctrica

Como se observa en la figura 5.11 las corrientes inducidas en cada bobina que van a un semi-anillo son corrientes del mismo sentido, como se puede comprobar con la Ley de Faraday, y el otro semi-anillo siempre tiene una corriente contraria al otro semi-anillo. Cuando el rotor con sus bobinas y anillos haya rotado 180º las escobillas han cambiado de sección de anillo, pero también las bobinas han cambiado la dirección de la corriente, por lo tanto, la escobilla que anteriormente recibía la parte positiva de la corriente, con este giro, sigue recibiendo la parte positiva y lo mismo pasa con la escobilla que recibía la parte negativa.

En conclusión, la diferencia fundamental entre los generadores de ca y los generadores de cc, reside en los dispositivos empleados para recoger la corriente inducida. En algunos casos, se adecuan mecanismos especiales y se deja el rotor quieto; quien se mueve es el estator junto con la armadura, en realidad no cambia en nada su principio de funcionamiento, pero en este caso quienes se mueven son las bobinas y los polos están quietos. Figura 5.12a Principio de la conmutación

Igual que los alternadores, también se pueden fabricar dínamos mucho más complejos, pueden ser con varios polos, o con más bobinas para obtener dínamos multipolares. 5.7 PRINCIPIO DE LA CONMUTACIÓN El colector invierte la mitad de la onda (la parte negativa) dando corriente en un solo sentido (unidireccional). En la figura 5.12a, la parte izquierda de la espira se mueve de la parte inferior (punto B) en el sentido de las manecillas del reloj, hasta llegar a la parte superior (punto A), la rama derecha de la espira hace lo mismo pero en ese instante está bajando (del punto A hacia el punto B), de esta manera, la escobilla izquierda siempre va a recibir la parte positiva de la onda, mientras que la derecha recibe la parte negativa. Se obtienen dos semi-ondas por cada revolución que da la espira, como se mostró en la figura 5.9.

Figura 5.12b Principio de la conmutación

Si se divide el anillo en cuatro partes, se obtendrían cuatro semi-ondas en una misma revolución y obtendríamos una corriente más constante, entre mas fraccionado este el anillo y mas bobinas tenga, mucho mas constante será la onda. 33

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5.8 EXCITACIÓN DE LOS GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA (DÍNAMOS) En las primeras dínamos que se fabricaron, el campo magnético que se necesitaba era extraído con imanes poderosos. Más tarde se introdujeron los electroimanes para sustituir los imanes permanentes, al principio los electroimanes eran excitados con baterías o pilas. SIEMENS fue el primero que decidió aprovechar la corriente generada para excitar el electroimán generador del campo. A este tipo de excitación lo llamamos auto-excitación. Nosotros llamamos excitación del generador al sistema empleado para activar el electroimán que produce el campo electromagnético que necesita el generador, como se explicó anteriormente.

Para la misma variación de corriente, los sistemas serie y shunt producen las mismas variaciones de voltaje, lo que lleva a concluir que el sistema compound garantiza un voltaje constante, algo que es muy importante cuando se debe obedecer esta condición. Las figuras muestran los distintos procedimientos de excitación enunciados, a manera de información fundamental. Figura 5.13a. Excitación independiente. El electroimán es activado por baterías o por otro generador.

Como ya lo dijimos, tenemos los generadores con excitación independiente (baterías) como se aprecia en la figura 5.13a y los generadores auto-excitados donde el electroimán se activa con la acción del propio generador. Este tipo de excitación tiene tres tipos de conexión: yy Excitación en serie: en este caso el conductor tiene pocas espiras de alambre grueso y está conectado en serie con el inducido y con la línea externa, de manera que los tres son recorridos por la misma corriente. Esta configuración la vemos en la figura 5.13b. En el caso de “la f.e.m. aumenta al aumentar la corriente y disminuir la resistencia en el circuito exterior”. Esta configuración la vemos en la figura 5.13c. yy Excitación shunt o en derivación: en este caso el inductor tiene muchas espiras de alambre delgado para aumentar su resistencia. El inductor y el circuito externo se conectan en paralelo con el inducido. En este tipo de excitación “la f.e.m. disminuye al aumentar la corriente y disminuir la resistencia en el circuito exterior”. Esta configuración la vemos en la figura 5.13d. yy Excitación Compound: como su nombre lo indica es una excitación compuesta o combinación de las anteriores, para conseguir que “la f.e.m sea prácticamente independiente del circuito externo”. Para lograr esto, el inductor debe tener dos circuitos separados, uno en serie con la línea externa (alambre grueso) y otro en paralelo (shunt) con la misma línea externa (muchas espiras de alambre delgado). Esta configuración la vemos en la figura 5.13d. 34

Figura 5.13c Excitación shunt o en derivación (paralelo). Auto excitación: el generador sunimistra corriente al inductor. El inductor y el ccto. Externo R, se conectan en paralelo con el inducido: la corriente en este es la suma de las otras dos.

Figura 5.13b Excitación en serie. Auto excitación: el propio generador suministra la corriente para el inductor. El inducido, el inductor y el ccto. ExternoR, están conectados en serie: los recorre la misma corriente.

Figura 5.13d Excitación compound (compuesta) En serie: inducido - inductor - ccto externo R. En paralelo: inducido - inductor - ccto externo R.

(Gráficos extractados de física de Alonso Acosta)

CAPÍTULO 5. Generación de la corriente eléctrica

5.9 ALTERNADORES MONOFÁSICOS, BIFÁSICOS Y TRIFÁSICOS

Figura 5.14 b Alternador monofásico

Como en la práctica los generadores de corriente alterna (ca) son los más comunes vale la pena hacer una ampliación de los diferentes tipos de corriente producida, según las características del generador. En las figuras siguientes se aprecian las distintas posibilidades, haciendo notar que el alternador bifásico es muy poco utilizado. NOTA: para las siguientes figuras se considera el elemento inductor fijo (estator) mientras que el elemento inducido es giratorio (rotor), esto se hace con la finalidad de simplificar las expresiones; pero en la práctica, generalmente se invierten los esquemas, (para eliminar las escobillas, si el rotor es de imán) haciendo giratorio el inductor y fijo el inducido, recogiendo la corriente de los terminales del estator.

Figura 5.14 c Corriente alterna

5.9.1 Alternador monofásico Es un alternador de 1 fase, de denota 1φ, o también 1 fase= 1PH (phase es fase en ingles). Es un solo juego de bobinas en su eje. Como se muestra en la figura 5.14a y 5.14b. La espira produce en cada ciclo una semi-onda positiva y otra negativa, es decir, ca como se muestra en la figura 5.14c, la máquina tiene dos terminales. Figura 5.14 a Alternador monofásico

5.9.2 Alternador bifásico Es un alternador de 2 fases, se denota 2 , o también 2 fases= 2PH. En este caso tiene dos bobinas, sobre dos ejes perpendiculares (a 90º) como se ve en las figuras 5.15a y 5.15b. 35

Instalaciones eléctricas

La máquina tiene cuatro terminales para circuitos de cuatro alambres (a veces hay un alambre común a dos fases). Pueden ser cinco terminales teniendo en cuenta el neutro, igualmente tiene representación sinusoidal, pero aquí hay dos ondas alternas desfasadas 90º como se ve en la figura 5.15c. Estos generadores prácticamente han desaparecido.

Figura 5.15c Ondas alternas

Los valores máximos de la una corresponden a los valores nulos de la otra

Figura 5.15a Alternador bifásico

5.9.3 Alternador trifásico Es un alternador de 3 fases, se denota 3 , o también 3 fases= 3 PH. Son tres juegos de bobinas en su eje. Como se muestra en las figuras 5.16a y 5.16b. Figura 5.15b Alternador bifásico

La máquina tiene tres terminales y no seis, debido a una conexión de una punta de cada bobina con una barra común. Pueden ser cuatro terminales teniendo en cuenta el neutro, igualmente tiene representación sinusoidal, pero aquí hay tres ondas alternas desfasadas 120º entre si, como se ve en la figura 5.16c. Estos generadores son los más utilizados actualmente por ser la configuración mas económica y de mayor rendimiento. La suma algebráica de las tres corrientes en todo momento es cero. 5.10 REPRESENTACIONES CONVENCIONALES DE LOS ALTERNADORES TRIFÁSICOS Existen representaciones convencionales muy utilizadas para identificar los alternadores trifásicos, como se muestra en las figuras 5.17 y 5.18. 36

CAPÍTULO 5. Generación de la corriente eléctrica

Figura 5.16a Alternador bifásico

Más adelante analizaremos estas figuras para explicar el valor de la potencia en los alternadores trifásicos. Es necesario antes repasar algunos conceptos fundamentales para comprender más fácilmente dicho valor, la conexión Y y Delta la estudiaremos con más profundidad en el capítulo 6. Figura 5.17 Alternador trifásico

Figura 5.16b Alternador bifásico

Figura 5.18 Alternador bifásico Figura 5.16c Ondas alternas

(UN GOLPE DE PISTÓN HACIA ARRIBA Y OTRO HACIA ABAJO CADA 60º)

37

Instalaciones eléctricas

5.10.1 Conexión en estrella o Y Para este caso la corriente en cada una de las líneas vivas A, B, C es la misma corriente de fase (1, 2 o 3 respectivamente). El voltaje entre cada par de líneas vivas es 3 veces el voltaje de fase (entre el punto neutro y cada fase).

nético que produce las bobinas. Toma el valor de sincrónico porque tiene una sola velocidad que depende de la frecuencia de la ca que se le aplica. Figura 5.19 Motor ca

5.10.2 Conexión delta o triángulo En este caso el voltaje entre cada par de líneas es igual al voltaje de fase, pero la corriente de línea será 3 veces la corriente de fase. 5.11 MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA Su construcción es similar a un generador de corriente continua, a pesar de que sus funciones son inversas. Un generador convierte la energía mecánica en eléctrica, mientras que el motor recibe energía eléctrica y la convierte en mecánica. Los motores shunt, serie y compound, son los tipos de motores más comunes para corriente continua. Existen motores multipolares, como sucede también en los generadores. Adicionalmente los motores y los generadores son máquinas reversibles, es decir, en términos generales podrían operar indistintamente como generador y como motores.

Cuando la parte móvil no presenta polos, su velocidad de giro puede ser menor a la velocidad del campo generado por las bobinas, por esto toma el nombre de motor asincrónico. A esta categoría pertenece el motor de inducción, uno de los más empleados es el motor trifásico con rotor en jaula de ardilla.

5.12 MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA

Lo extenso que puede llegar a ser el tema no nos permite tratarlo con mayor detalle. Conviene por tanto, remitirse al respecto a textos especializados sobre máquinas eléctricas.

Tal como los alternadores serán monofásicos, bifásicos y trifásicos, según las características de construcción; estos motores también son reversibles, en el sentido de que también pueden funcionar como generadores o como motores. El tipo de motor más usado de corriente alterna es el motor sincrónico y el motor de inducción que es asíncrono. El motor sincrónico es aquel en el que la parte móvil está constituida por un imán o electroimán, el cual debe girar a la misma velocidad del campo mag38

En el capítulo seis haremos algunas precisiones importantes acerca de las relaciones entre voltaje, intensidad y potencia en los circuitos de corriente continua y corriente alterna. Allí se trabajará el factor de potencia. 5.13 INVERSIÓN DEL ESQUEMA DE LOS ALTERNADORES En los subcapítulos 5.9 hemos visto esquemas básicos de alternadores, en los cuales se considera el elemento inductor fijo en el estator (polos

CAPÍTULO 5. Generación de la corriente eléctrica

N y S) y el inducido móvil en el rotor (son las espiras que reciben la inducción).

Figura 5.20 b “golpe de pistón” de A1 hacia A La corriente entra por A1 y sale por A

Las anteriores figuras son muy útiles para fines de explicación simplificada de los tres tipos de alternadores, pero en este caso siempre se necesitan escobillas en los terminales del rotor para recoger las corrientes producidas. Pero con el fin de no tener que usar escobillas y los anillos adecuados, generalmente se invierte el esquema de los alternadores, es decir, ahora el elemento inductor es el propio rotor compuesto por imanes o electroimanes que al girar, inducen voltaje y corriente en el inducido fijo (bobinas del estator). Cuando se recoge directamente la corriente del estator sólo se hacen necesarias las escobillas en el caso de que el rotor use electroimanes, eliminándolas cuando se usan los imanes. Haremos un pequeño recorrido por los diferentes tipos de alternadores bajo el esquema indicado y aprovechamos para decir algo de las redes eléctricas a las cuales dan origen. Figura 5.20 a “golpe de pistón” de A hacia A1 La corriente entra por A y sale por A1

5.13.1 Alternador monofásico bifilar Este alternador da lugar a circuitos bifilares y trifilares monofásicos como se ilustra en las figuras 5.21 y 5.22. Son las redes más comunes a nivel residencial, por ejemplo. El sistema trifilar monofásico se obtiene al introducir una línea neutra en el punto medio entre la fase AA1. Cuando tenemos una carga equilibrada, en el caso de la figura 5.22, no tendríamos corriente por la línea central que es el neutro y si hay una diferencia de cargas por la línea central circulará una corriente que es igual a la diferencia de corrientes. La corriente I en las líneas vivas, es la misma corriente de fase. La diferencia de tensión entre la pareja de líneas vivas es el voltaje V de fase. Y la diferencia de tensión entre una de las líneas vivas y el neutro, es la mitad de la diferencia de tensión entre la dos líneas vivas. Un sistema monofásico trifilar muy acostumbrado es para 240/120V. 39

Instalaciones eléctricas

Figura 5.21 Bifilar monofásico

Figura 5.22a Carga equilibrada

5.13.2 Alternador bifásico bifilar (2 fases a 90º independientes) En este caso se muestra en la figura 5.22a que el inductor “aspira” a la vez corrientes de las líneas A y por B, mientras que impulsa por A1 y B1. Aparecen así dos corrientes monofásicas independientes. Las fases A y B no están conectadas, como se ve en las figuras 5.22, 5.22a, 5.22b.

Figura 5.22b Cuatrifilar bifásico

Lo que se podría hacer es unir un solo punto de cada fase. La primera consiste en unir los dos puntos con terminales A1 y B1 (las salidas) para convertirlo en un punto común C. Así queda conformado el circuito trifilar bifásico, especie de “triangulo abierto” con las dos fases como catetos. Lo estudiamos solo por su interés teórico, puesto que este tipo de alternadores ya no se usan.

Figura 5.22 Trifilar monofásico

5.13.3 Alternador bifásico de tres líneas (conductor común C) Los factores que se analizan son: yy Corrientes en el circuito: en cada línea fuera del generador A o B circula la misma corriente de la fase 1. Pero en el conductor común C, circula la corriente Ic que es la suma vectorial de las corrientes I anterior. ,

40

CAPÍTULO 5. Generación de la corriente eléctrica

yy Voltajes del circuito: el voltaje que existe entre las dos puntas de una misma fase es V, el voltaje entre el neutro y una de las puntas de una fase V/2, y el “voltaje diagonal” entre dos líneas vivas de diferente

Figura 5.23a Alternado de tres líneas

fase es de 2 ⋅ V . Para mejor apreciación ver la figura 5.24b. Figura 5.24a Voltajes de circuito

Figura 5.23b Trifilar bifásico

Figura 5.24b Bifásico cuatro o cinco hilos

yy Voltajes de circuito: el voltaje de fase V existe entre cada línea “extrema” (A o B) y el conductor común. Pero el voltaje entre las dos líneas extremas A y B es llamado voltaje “diagonal”, entonces: ,

5.13.4 Alternador bifásico en cruz (estrella) con 4 o 5 líneas (no se dibujó el inductor giratorio, con el fin de simplificar la figura). yy Corrientes del circuito: la corriente de las líneas vivas extremas es la misma corriente de fase. Puede existir una línea neutra que no conduce corriente cuando el sistema esta “equilibrado”. 41

Instalaciones eléctricas

5.13.5 Alternador bifásico en malla o cuadro (cuatro líneas vivas) yy Corrientes en el circuito: cuando la I es la corriente de fase, entonces en cada línea viva circula la suma vectorial siguiente:

, Figura 5.25a Alternador bifásico en malla

yy Voltaje en el circuito: si V es el voltaje de fase. El voltaje V existe entre cada lado del cuadrado y por lo tanto, entre cada par de líneas conectadas al lado en cuestión. yy El “voltaje diagonal” es 2 *V. V existe siempre entre dos puntos opuestos diagonalmente y por tanto, entre las dos líneas a ello conectadas. 5.13.6 Alternado trifásico en estrella o Y (para 3 y 4 líneas) Este alternador resulta de conectar los puntos A1, B1 y C1 en un punto común N llamado neutro. Los extremos A, B y C van hacia las líneas externas. Figura 5.26a Corrientes en el circuito

Figura 5.25b Cuatrifilar bifásico - cuadro Figura 5.26b Trifásico Y 3 y 4 hilos

42

CAPÍTULO 5. Generación de la corriente eléctrica

yy Corrientes en el circuito: en la figura 5.26a, la corriente que sale por A es la suma vectorial de las corrientes que entran por B y C. Por lo tanto, la corriente en cada línea viva es:

Figura 5.27b Trifásico ∆ 3 hilos

,

Voltajes en el circuito: en este caso tomamos el voltaje de fase V como el voltaje entre cada línea viva y el neutro. En cambio, el voltaje *V= 1 732V es el voltaje que existe entre cada par de líneas vivas o entre dos extremos contiguos de las estrellas, tales como A y B. Este voltaje se puede obtener por la suma de las proyecciones de los voltajes V sobre la recta AB. En efecto:

5.13.7 Alternador trifásico en delta o triángulo (tres líneas vivas) Figura 5.27a Voltajes en el circuito

Se conectan en serie las fases para obtener una malla o triángulo (delta), esta conexión no tiene de neutro. yy Corrientes del circuito: la corriente de fase es I y la corriente de línea es:

yy Voltaje en el circuito: el voltaje de fase V es el mismo que existe entre cada pareja de las líneas vivas, esto se puede ver fácilmente en la figura 5.18. 5.14 Condiciones de uso de los motores El RETIE en su numeral 17.8 tiene algunas exigencias para el uso de los motores que tienen una potencia mayor o igual a 375W, entre ellas están definidas las condiciones de instalación, los requisitos de construcción, y la información que debe tener el motor en su placa de características. 43

Instalaciones eléctricas

Algunas de estas características son: yy Conservar la posición de trabajo de la máquina. yy En lugares clasificados como peligrosos se deben utilizar máquinas aprobadas para este tipo de uso. yy Los generadores deben tener protección contra sobrevelocidad. yy La carcasa de las máquinas deben estar conectadas al sistema de puesta a tierra.

44

yy Esta prohibida la utilización de motores abiertos en puntos accesibles a personas o animales. Adicionalmente el motor debe tener una placa de características donde indique su manual de funcionamiento, tales como la tensión, la corriente, corriente de uso (corriente alterna o corriente directa), entre otras características que son importantes y que el RETIE en su numeral 17.8 lo pide.

CAPÍTULO 6. Circuitos inductivos y el factor de potencia

CAPÍTULO 6 Circuitos inductivos y el factor de potencia

6.1 AUTOINDUCCIÓN DE UN CIRCUITO Como lo vimos en el capitulo anterior, cuando tenemos un conductor cerrado en un campo magnético se induce una f.e.m. en el conductor que tiende a producir una corriente eléctrica (corriente primaria). Este es el principio de los generadores. Adicionalmente a esta f.e.m., cuando hay variaciones de la corriente en el circuito, aparece otra f.e.m. auto-inducida que se opone a las variaciones de la intensidad de la corriente primaria, debido a la aparición de una corriente también auto-inducida que se denomina extra-corriente. La extra-corriente tiene mucha importancia a la hora de energizar o desenergizar un circuito que tiene bobinas con núcleos de hierro y/o condensadores. Podríamos decir que esta extra-corriente es como la inercia que tiene la bobina cuando está pasando por ella una corriente. 6.2 CIRCUITOS SIMPLES yy Cierre: cuando se establezca o se cierra un circuito (energizar el circuito) pueden pasar una de dos cosas: se aumenta repentinamente la intensidad de corriente, o se origina una extra-corriente que se opone a la corriente primaria y debilita esta última.

yy Apertura: cuando se interrumpe o se abre un circuito (se desenergiza el circuito) igualmente pueden pasar dos cosas: se puede disminuir repentinamente la corriente, o se puede originar una extra-corriente de apertura que tiene el mismo sentido de la corriente primaria –y por tanto tiende a reforzar y haría caer más suavemente esta corriente–. Estas son las principales causas de las chispas en los interruptores cuando se abre o se cierra un circuito. 6.3 CIRCUITOS SIMPLES CON BOBINA DE REACCIÓN La bobina de reacción es un elemento devanado sobre su núcleo de hierro, se le puede llamar en general reactancia inductiva. Cuando circula ca por un circuito que tiene una reactancia inductiva, la impedancia que se opone a la circulación de la corriente es mayor que la debida a la simple resistencia de alambre, esto se da porque la corriente alterna está cambiando continuamente de magnitud y dirección (ver capitulo cuatro, figura 4.2) y como lo dijimos anteriormente, la bobina se opone a los cambios de corriente. Esta impedancia se presenta en motores eléctricos, transformadores, balastos para los tubos fluorescentes, ya que todos los anteriormente mencionados tienen núcleos de hierro. 45

Instalaciones eléctricas

La inductancia (L) típica de las bobinas y de los circuitos inductivos se expresa en Henrrios, que equivale a:

Figura 6.1b Corriente en atraso

VOLTIOS = WEBER * VUELTA AMPERIO   AMPERIOS SEGUNDO

La reactancia inductiva (Xi) se expresa en ohmios por ser una “resistencia” especial, es como una especie de “viscosidad” que dificulta el paso de la corriente. 6.4 CORRIENTE EN RETRASO – INDUCTANCIA (L) Si a un circuito que tiene resistencias simples y una bobina de reacción le aplicamos ca (figura 6.1a) el campo magnético inducido por la bobina de reacción frena la corriente, creando un desfase entre los voltajes y las corrientes quedando atrás la corriente. Por esta razón se llama corriente en atraso. Como se ve en la figura 6.1b: El desfase se puede medir como un ángulo φ cuyo coseno es el factor de potencia. Figura 6.1a Inductancia (L)

Con lo dicho anteriormente, el fenómeno que causa el retraso de la corriente se conoce como inductancia y los circuitos de este tipo se conocen como circuitos inductivos. Entonces, se consideran circuitos inductivos aquellos que presentan los transformadores, motores de inducción, balastos para los tubos fluorescentes, entre otros; y no serán circuitos inductivos aquellos que sólo tengan resistencia, es decir, la plancha, la estufa, lámparas incandescentes, entre otros. 6.5 CORRIENTE EN ADELANTO – CAPACITANCIA O CAPACIDAD (C) Este efecto es contrario al efecto inductivo, en este caso la corriente es la que va adelantada en relación con el voltaje y se le denomina capacitancia. Se obtiene por la presencia de condensadores en el circuito, también llamada reactancia capacitiva. Debido a la capacitancia se desfasan la corriente y el voltaje. En este caso, la corriente adelanta el voltaje. Esto hace que se llame corriente en adelanto o adelantada, como lo vemos en la figura 6.2b que es resultado del circuito capacitivo de la figura 6.2a.

46

CAPÍTULO 6. Circuitos inductivos y el factor de potencia

Figura 6.2a Circuito capacitivo

potencia porque la potencia depende del voltaje y la corriente. Un triángulo simétrico a este es el formado por las impedancias. Este triángulo lo vemos en la figura 6.3a y 6.3b. Figura 6.3a Factor de potencia

Figura 6.3b Triángulo simétrico Figura 6.2b Corriente en adelanto

Las relaciones de potencias e impedancias son: Este desfase también lo medimos con un ángulo φ cuyo coseno es el factor de potencia. La capacidad C se mide en faradios que equivale a coulomb / voltios y la reactancia capacitiva (Xc) se expresa en ohmios, como otra “resistencia especial”. 6.6 FACTOR DE POTENCIA Como lo dijimos anteriormente, el factor de potencia tiene que ver con el ángulo de desfase entre el voltaje y la corriente y este ángulo afecta la

S  = V * I V  Z  = I

P = S * Cos ϕ = V * I * Cosϕ V  R  = Z  * Cos ϕ = Cosϕ I

Q = S * Senϕ = V * I * Senϕ V Xi = Z * Senϕ = Senϕ I  

Debemos tener en cuenta que:

Z = R 2 + ( Xi − Xc) 2

 

Y la impedancia resultante está dada en ohmios [Ω]. Es conveniente decir que el factor de potencia sólo aplica para circuitos que estén alimentados con corriente alterna, puesto que en un circuito de corriente directa no tienen desfase porque el valor de la corriente es el mismo en cualquier momento, para este caso existen otros estudios. 47

Instalaciones eléctricas

En un circuito de corriente continua con resistencias simples (la figura 6.4a), obtenemos las señales de la figura 6.4b.

Figura 6.4c Circuito corriente alterna

Figura 6.4a Circuito de corriente continua

Figura 6.4d Circuito resistivo Figura 6.4b Resultado

En la figura 6.4d se observa que no hay desfase entre el voltaje y la corriente y tampoco tenemos potencia negativa, esto es porque el factor de potencia es 1 porque es un circuito plenamente resistivo (sin bobinas ni condensadores).

Para los valores de aquí tenemos que:

W = V x I

Vatios= Voltios x Amperios

Teniendo el mismo circuito anterior pero en ca podemos ver que se conserva la misma relación. (figuras 6.4c y 6.4d). 48

Si analizamos un circuito inductivo de ca (que pueden ser motores, transformadores, lámparas fluorescentes, etc., es decir, con reactancias inductivas) es necesario tener en cuenta el retraso de la corriente, debido a su desfase con relación al voltaje. Según se puede observar en las figuras 6.5a y 6.5b al presentarse una bobina se debe tener en cuenta el desfase, este desfase se mide con el ángulo φ y cuyo coseno φ es el factor de potencia; por lo tanto para obtener la potencia W, se debe multiplicar la potencia aparente (S=V*I) por el coseno φ, es decir:

CAPÍTULO 6. Circuitos inductivos y el factor de potencia



W = V * I * Cos (φ) Lo que quiere decir: potencia eficaz = potencia aparente * cos φ

Lo anterior permite definir el factor de potencia como la relación entre la potencia eficaz (W) y la potencia aparente (V*I).

fp = cos ϕ =

Análogamente si tenemos un circuito capacitivo, existiría un factor de potencia que debe considerarse, pero en este caso el factor de potencia es negativo, como lo vemos en la figura 6.6. W V *I

Figura 6.6 Factor de potencia negativa

El cos φ varía entre cero y uno, sus valores más comunes en la industria están entre 0,8 y 0,9; si vemos la figura 6.4 que es un circuito resistivo, el ángulo φ = 0, por tanto cos φ = 1 lo cual nos permite usar la sencilla fórmula de W= V*I; pero si cos φ fuera diferente de 1 tendría que considerarse el FP. Figura 6.5a Bobina

El circuito capacitivo y sus respuestas son: Figura 6.7a Circuito capacitivo

Figura 6.5b Bobina

49

Instalaciones eléctricas

Como lo dijimos antes, el efecto capacitivo hace que la corriente se adelante al voltaje, como lo vemos en la figura 6.7b, este el es ángulo de desfase φ; igualmente vemos que en cierto momento la potencia es negativa, lo que es debido al efecto del capacitor.

Conclusión: para un mal FP se aumenta mucho la corriente, por la misma potencia requerida por el aparato, lo que obligaría a tener unos conductores más gruesos ya que debe suministrar una mayor corriente implicando desventajas económicas.

Figura 6.7b Corriente se adelanta al voltaje

Resulta obvio que al consumidor le conviene tener un FP muy alto (lo más cercano a 1 posible), puesto que el proveedor de energía eléctrica está autorizado para cobrar multas cuando el FP está por debajo de los límites determinados. Cuando hay muchos aparatos que producen un factor de potencia en atraso, es posible corregirlo con condensadores, que causan adelanto en el circuito para acercarse a la unidad; otro método también utilizado es por medio de motores síncronos. Si en un circuito ponemos los tres tipos de cargas, el desfase dependería de las magnitudes del capacitor y de la inductancia de esta manera: Si Xi > Xc Si Xi < Xc Si Xi = Xc

la corriente se atrasa la corriente se adelanta el factor de potencia es 1 (la corriente ni se atrasa ni se adelanta)

6.7 EFECTO DEL FACTOR DE POTENCIA

6.8 TARIFAS DE COBRO DEL FP Generalmente el mínimo FP aceptado por las empresas de energía eléctrica es de 0,9. En caso de ser menor el FP, mientras se corrige el FP, se cobrará una multa que es proporcional al consumo y al faltante para llegar al FP mínimo.

Para ilustrar el efecto del FP, podemos ver un ejemplo:

Se puede dar el siguiente ejemplo:

Un motor de 1000 vatios (ca 1Ø, 120 voltios) requerirá diferentes valores de I (amperios), según su factor de potencia.

Supongamos que el consumo en un mes de una instalación es de 1500kw/h, y al revisar su FP fue de 0,75, la empresa de energía cobrara así:

Tabla 6.7 Factor potencia Watios = Voltios X

Amperios

X

FP

1000

= 120

X

10

X

0,83 Mínima corriente, FP bueno

1000

= 120

X

12.5

X

0,66 Aumenta la corriente, FP regular

1000

= 120

X

20

X

0,41 Aumenta la corriente, FP aún más malo

 

50

1500kw    / h * 

dinero dinero +  1500  * ( 0,9 − 0,75) * 1kw   / h  1kw / h

 

Este sistema de cobro se aplicará mientras no se corrija el FP, ya que generalmente esta energía perdida no la marcan los contadores.

CAPÍTULO 6. Circuitos inductivos y el factor de potencia

Actualmente en la industria hay contadores para la energía reactiva (inductiva), los cuales registran directamente esa diferencia y se instala conjuntamente con el contador para el consumo normal. Generalmente las empresas tienen su FP de 0,9.

Figura 6.8b Delta

6.9 VALOR DE LA POTENCIA EN LOS ALTERNADORES TRIFÁSICOS Haciendo referencia al capítulo anterior donde hablamos de alternadores, plantearemos lo siguiente. La suma de las tres corrientes que componen un sistema trifásico, en todo momento debe ser cero, por eso es que son necesarias solo tres líneas (en lugar de seis) para transmitir las tres corrientes del sistema trifásico (A, B, C) haciendo las conexiones adecuadas en los diferentes elementos del circuito, alternadores, transformadores. Así cada línea conductora corresponde a una fase. Algunas veces hay cuatro líneas, cuando se incluye el neutro. Si en la figura 6.8a llamamos I a la corriente eficaz de cada fase, V al voltaje eficaz de cada fase, siendo además cos , igual al factor de potencia, se concluye en cada caso Y o estrella: Figura 6.8a Estrella

yy La corriente en cualquiera de las líneas A, B, o C, es la misma que corresponde a las fases 1,2 o 3. yy La diferencia de tensión entre cada fase y neutro (en caso de existir), será igual a V. yy La diferencia de tensión entre cada par de líneas (a-b, a-c, b-c) será igual a *V=1,73*V. El raíz de tres que obtenemos es debido a la diferencia de tensión que actúa entre dos líneas que se encuentran combinando potenciales en oa y ob (o es el punto del centro de las líneas); como los vectores que las representan están desfasados 120º y tienen diferentes sentidos (figura 6.9) esto significa que debe efectuarse una suma de vectores, teniendo en cuenta la magnitud y el ángulo (se hace por el método del paralelogramo), dándoles las magnitudes y direcciones convenientes. Es necesario recordar entonces que la diferencia entre dos vectores se encuentra sumando al primero V1, el otro vector, pero opuesto o negativo, es decir -V2. En este caso las magnitudes de V1, V2 son iguales, la operación es mucho más fácil, puesto que sólo tendríamos que sumar teniendo en cuenta los ángulos como veremos en el siguiente ejemplo: 51

Instalaciones eléctricas

Por ejemplo en el triangulo de la figura 6.9, podemos hallar el valor de R utilizando el teorema del coseno en el triangulo oba. Considerando un desfase entre V1 y V2 de 120º: Figura 6.9 Diferencia de tensión

Un sistema que ya se utiliza, pero es bueno comentarlo, es un sistema conectado en delta con neutro, el neutro se toma de la mitad de una de las fases. En este sistema hay que tener mucho cuidado a la hora de conectar, porque si se toma erróneamente el conductor de neutro con el punto a, como lo vemos en la figura 6.10, no tenemos 120V si no 208V, lo que puede ocasionar daños a los equipos que conectemos a esta tensión. Figura 6.10 Punto de neutro

–

–

–

Conclusiones

Con esto podemos concluir que la tensión que actúa entre cada par de fases es de 1,73, la que actúa entre cada fase considerada aisladamente. De tal modo que la potencia activa W desarrollada en un alternador trifásico que suministra una carga equilibrada será: W = 1,73*V*I*cos (φ) W en vatios, I en amperios y V en voltios Sin embargo la tensión entre cada fase y neutro será únicamente V. En la conexión delta ocurre similar a la conexión estrella, pero en este caso la corriente entre líneas es de 1,73 la corriente de fase y la tensión de línea es igual a la tensión de fase. 52

yy En la práctica se emplea una conexión “estrella” trifásico sin neutro, en el cual tendríamos una tensión de 240 voltios entre cada par de fases. yy Para la parte residencial que necesitamos una tensión de 120 voltios entre el neutro y la fase, el potencial entre dos fases debe ser de 1,73 * 120V = 208 voltios. yy Si se usa un sistema trifásico con una conexión delta con neutro debe tenerse mucho cuidado porque si se toma erróneamente el punto de neutro (ver figura 6.10) en lugar de los puntos b o c, el voltaje entre el punto a y neutro será mucho mayor pudiendo causar daños en los diferentes aparatos eléctricos.

CAPÍTULO 7. Generación - transformación - transporte - distribución de la corriente eléctrica a escala industrial

CAPÍTULO 7 Generación - transformación - transporte - distribución de la corriente eléctrica a escala industrial

7.1 FUENTES DE ENERGÍA

el vapor térmico (a partir del carbón), el combustible nuclear (uranio) y el flujo hídrico (agua)”.1

La naturaleza ofrece al hombre infinidad de fuentes de energía. “Esta energía no es otra que el producto de transformaciones en el que el primer eslabón es definido como ´fuente primaria de energía’. Con relación a la fuente primaria de energía, tenemos el combustible tradicional (petróleo),

Con algunas de estas fuentes energéticas se produce la electricidad por medio de generadores (de cc o ca. Tales generadores son movidos por agua, vapor, gas, etc. dando origen a las denominaciones de plantas hidroeléctricas, térmicas, etc.

Figura 7.12 Esquema fuentes de energía y su proceso de transformación

1 2

Elkin Ospina Cataño, Producción de la energía eléctrica, Segunda Edición, Capítulo 1.3, 2004, p 8. Ibid, p 9.

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Según lo planteado en el RETIE, en su capítulo tercero, se define una central o planta de generación como el conjunto de instalaciones que contiene máquinas, generadores, motores, aparatos de control, maniobra, protección y medida, que sirven para la producción de energía eléctrica. En cuanto a la parte de estructuras, edificaciones, distancias de seguridad y puestas a tierra de toda central de generación se pueden estudiar con mayor profundidad en los artículos 18, 19 y 20 del capítulo III del RETIE.

7.2 CENTRAL HIDROELÉCTRICA Una vez definido y entendido el concepto de una central o planta de generación, planteado por el RETIE, tenemos que en el caso más sencillo y conocido de una central hidroeléctrica, el agua se desplaza por grandes tuberías a partir de un embalse de manera que la energía producida se debe a la caída de la masa de agua desde un punto a otro cuya diferencia de nivel (altura) es H. En síntesis, el ciclo completo de transformación de la energía se puede esquematizar tal como lo muestra la figura 7.2a.

Figura 7.2 a Hidroeléctrica

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Figura 7.2 b Central

En la figura 7.3 se muestran dos tipos de ruedas tradicionales, denominadas turbinas, dentro de las cuales se destacan la Pelton y la Francis que poseen cucharas y paletas que reciben la corriente de agua para ponerse en movimiento, permitiendo así que se transmita por medios mecánicos a los generadores. Estas turbinas cuentan con reguladores automáticos para controlar su velocidad y potencia. Figura 7.3 Ruedas tradicionales

1. Agua embalsada. 2. Presa. 3. Rejas filtradoras. 4. Tubería forzada. 5. Conjunto de grupos turbina-alternador. 6. Turbina. 7. Eje. 8. Generador. 9. Líneas de transporte de energía eléctrica. 10. Transformadores.

Figura 7.2 c Ciclo

La figura 7.4 muestra los dos elementos fundamentales de un generador: un cuerpo móvil, rotor, que puede girar dentro de un campo magnético suministrado por la parte fija del generador, es decir, el estator, que en otras palabras es el electroimán o inductor. Y el rotor que contiene devanados de espiras con características particulares (inducido). Figura 7.4 Generador

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Sin embargo, como se mencionó en el capítulo 5, tal disposición puede ser a la inversa; es decir, el inducido es fijo y gira entonces la corona polar.

Los equipos de generadores y turbinas, junto con sus auxiliares, se localizan en la llamada casa de máquinas.

Este es el caso práctico más general de alternadores multipolares en los cuales se llamará estator al inducido fijo y rotor al campo móvil.

De los generadores, la corriente obtenida con una tensión relativamente baja, es llevada a unos transformadores elevadores dispuestos en forma de banco, con el fin de servir a grupos de generadores. Se efectúa una elevación del voltaje de manera que el transporte a los centros urbanos sea más económico, con base en W = V x I en la cual, manteniendo W constante si se eleva el voltaje, debe rebajarse la intensidad de corriente.

7.3 GENERACIÓN Y TRANSFORMACIÓN Antes de abordar el tema de generación y transmisión es indispensable que se tenga un conocimiento previo sobre la clasificación de los niveles de Tensión en corriente alterna, establecidos por el RETIE (Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas) en su Capítulo II, artículo 8º. yy Extra alta tensión (EAT): corresponde a tensiones superiores a 230 kV. yy Alta tensión (AT): corresponde a tensiones mayores o iguales a 57,7 kV y menores o iguales a 230 kV. yy Media tensión (MT): los de tensión nominal superior a 1000 V e inferior a 57,5 kV. yy Baja tensión (BT): los de tensión nominal mayor o igual a 25 V y menor o igual a 1 000V. yy Muy baja tensión: tensiones menores de 25V. Es importante aclarar en este punto, que toda instalación debe asociarse a uno de los anteriores niveles. Si en la instalación existen circuitos o elementos en los que se utilicen distintos niveles de tensión, el conjunto del sistema se clasificará para efectos prácticos, en el grupo correspondiente al valor de la tensión nominal más elevada. Una vez aclarados los diferentes niveles de tensión, tenemos que el valor de tensión más común y manejado en el proceso de generación es de 13,8 kV. 3

En consecuencia, los transformadores elevadores fabricados de acuerdo con la capacidad de los generadores y ceñidos a otras reglamentaciones tienen la tarea de elevar la tensión obtenida, hasta 110kV. Si la central generadora está muy distante de los lugares abastecidos, conviene elevar aún más la tensión. Por ejemplo, la energía proveniente de la central de Guatapé y la interconexión nacional se transporta a 220kV. Por otra parte, una subestación3 puede estar asociada con una central de generación, controlando directamente el flujo de potencia al sistema, con transformadores de potencia convirtiendo la tensión de suministro a niveles más altos o más bajos, o puede conectar diferentes rutas de flujo al mismo nivel de tensión. Es importante aclarar que en los espacios en los cuales se encuentran instalados los equipos de transformación, deben colocarse cercas, pantallas, tabiques o paredes, de tal modo que se forme un recinto que limite la posibilidad de acceso a personal no autorizado. Si las subestaciones tienen el transformador montado sobre postes, estos no deben superar potencias mayores a 250 kVA. Téngase en cuenta que el transformador deberá tener el punto neutro y la carcasa solidamente conectados a tierra.

Subestación: es un conjunto único de instalaciones, equipos eléctricos y obras complementarias, destinado a la transferencia de energía eléctrica mediante la transformación de potencia.

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7.4 TRANSMISIÓN Se considera transmisión, según los lineamientos del RETIE en su capítulo IV sobre requisitos para el proceso de transmisión, a la transferencia (transporte) de energía eléctrica en tensiones iguales o mayores a 57,5 kV y no se debe relacionar con aspectos de tipo comercial o de calidad del servicio.

Toda línea de transmisión con tensión nominal igual o mayor a 57,7 kV, debe tener una zona de servidumbre,4 también conocida como zona de seguridad o derecho de vía (ver figura 7.5 y tabla 7.1). Dentro de la zona de servidumbre se debe impedir la siembra de árboles o arbustos que con el transcurrir del tiempo alcancen las líneas y se constituyan en un peligro para ellas. Así mismo, no deben construirse edificaciones o estructuras, en estas zonas, debido al riesgo que genera para personas, animales y la misma estructura.

Los sistemas de transmisión entregan la energía desde las plantas generadoras a las subestaciones y a grandes instalaciones industriales desde las cuales los sistemas de distribución proporcionan el servicio a las zonas residenciales y comerciales. Los sistemas de transmisión también sirven para interconectar plantas de generación, permitiendo el intercambio de energía, cuando las plantas generadoras están fuera de servicio por haber sufrido un daño o por reparaciones de rutina.

El transporte desde la subestación de cada una de las represas hasta las subestaciones locales, urbanas, se hace por medio de cables especiales debidamente calculados para evitar pérdidas y generalmente del tipo ACSR (cable de aluminio con alma de acero), sostenidos por aisladores colocados en altas torres metálicas las cuales se conectan a tierra. Estos cables son de alta tensión (110kV; 220kV) y constituyen las líneas de transmisión que alimentan el área metropolitana.

Figura 7.5 Ancho de la zona de servidumbre

Tabla 7.1 Transmisión

TIPO DE ESTRUCTURA Torres

Postes Torres Postes Zona de Servidumbre

Torres/Postes

TENSIÓN (Kv) 500 220/230 (2 ctos) 220/230 (1 cto) 220/230 (2 ctos) 220/230 (1 cto) 110/115 (2 ctos) 110/115 (1 cto) 110/115 (2 ctos) 110/115 (1 cto) 57,5/66

ANCHO MÍNIMO (m) 60 32 30 30 28 20 20 15 15 15

Zona de servidumbre: es una franja de terreno que se deja sin obstáculos a lo largo de una línea de transporte de energía eléctrica, como margen de seguridad para la construcción, operación y mantenimiento de dicha línea, así como para tener una interrelación segura con el entorno. Tomado del Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas RETIE, 2007. 4

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7.5 DISTRIBUCIÓN Como lo menciona el RETIE en su capítulo VI, sobre los requisitos específicos para el proceso de distribución, se clasificará como instalación eléctrica de distribución todo conjunto de aparatos y de circuitos asociados para transporte y distribución de la energía eléctrica cuyas tensiones nominales sean iguales o superiores a 110 V y menores a 57,5 kV. Un sistema típico de distribución consta de: yy Subestaciones de distribución. yy Circuitos primarios o “alimentadores”, que suelen operar en el rango de 7,6 kV a 44 kV y que alimentan a la carga en una zona geográfica bien definida. yy Transformadores de distribución, en las capacidades nominales superiores a 5 kVA los cuales pueden instalarse en postes, sobre emplazamientos a nivel del suelo o en bóvedas, en la cercanía de los consumidores y que llevan la media tensión hasta el consumidor. yy Celdas de maniobra, medida y protección para los transformadores de distribución secundaria en el caso de subestaciones de potencia. yy Circuitos de baja tensión, que llevan la energía desde el transformador de distribución, a lo largo de las vías, espacios públicos o terrenos particulares. yy Ramales de acometida que entregan la energía al equipo de entrada de servicio del usuario.

Esto significa que la energía generada en las centrales y transportada a 110kV se recibe en dichas subestaciones para convertirla o transformarla y luego distribuirla a las tensiones intermedias de utilización; es decir, a 13,2 kV para el sistema primario de la ciudad (distribución) y a 44kV para el servicio industrial y alimentación de otros municipios (subtransmisión). La red de distribución urbana puede ser aérea o subterránea; cuenta con transformadores urbanos de distribución que rebajan aún más el voltaje para afrontar las acometidas5 domiciliarias, comerciales, etc. Esos voltajes son en la práctica 110 V, 120 V, 220 V y 240 V, para las más pequeñas instalaciones bifilares y trifilares monofásicas. Las figuras 7.6 y 7.7 sintetizan gráficamente las explicaciones anteriores, a saber: Figura 7.6: 1. Generación, v. gr, a 13,2 kV. 2. Primera transformación: se eleva el voltaje de 13,2 kV a 110 kV. 3. Transmisión: se transporta la corriente por conductores especiales de alta tensión, v. gr, 110 kV o 220 kV según sea el caso.

Las redes de distribución se soportarán sobre estructuras tales como torres, torrecillas, postes de concreto, postes de hierro, postes de madera, entre otros. La vida útil de las torrecillas o postes metálicos no será menor a 25 años.

Figura 7.7: 1. Segunda transformación: se rebaja el voltaje en la subestación receptora, según las necesidades de distribución. 2. Esa distribución toma los siguientes nombres: a. Distribución, para zonas residenciales, comerciales, etc. b. Distribución, para zonas industriales. c. Distribución, para la alimentación de otros municipios.

Existe lo que se llama “el anillo de Medellín”, el cual es un conjunto de líneas de transmisión que conectan las subestaciones receptoras y tienen funciones de transformación, reducción de tensión y de distribución en la ciudad.

La distribución puede hacerse a 7,62 kV, 13,2 kV y 44 kV para alimentar zonas industriales y otros municipios; estas tensiones se bajan con transformadores a 440, 220 y 110 V.

Según RETIE, una acometida es una derivación de la red local del servicio respectivo, que llega hasta el registro de corte del inmueble, es decir, las líneas desde las redes de distribución de la empresa de energía hasta el contador de la edificación. 5

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La distribución urbana regularmente se hace a 7,6 y 13,2 kV que también se rebajan a las tensiones normales de utilización.

Figura 7.6 generación primera transformación transporte

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Figura 7.7 Transporte – segunda transformación - distribución

7.5.1 Impedancia Z de una línea de transmisión (sistema bifilar monofásico) Conviene saber que la “resistencia total” (impedancia Z) de una línea de transmisión, es decir, la oposición al flujo de la ca en la línea, es la suma vectorial de tres clases de resistencias, a saber: 1. Resistencia óhmica simple (Ω/Km): se encuentra en función de las características físicas de la línea, mediante la fórmula:

R=ρ 60

L   A

Donde: ρ= resistividad o resistencia específica [Ω•m] L=Longitud [m] A=Área o superficie transversal [m2] Para mayor precisión, puede considerarse como temperatura de operación, la ambiente. Generalmente, se trata de líneas ACSR (cable de aluminio con alma de acero). Una vez averiguada la resistencia óhmica (Ω/Km), se dibuja como el cateto adyacente de un triángulo rectángulo de impedancias.

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Figura 7.8 esquema del sistema eléctrico de alta tensión que alimenta a Medellín EPM

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2. Reactancia inductiva XL (Ω/Km.): debido a los fenómenos de autoinducción que experimenta una línea sometida al vaivén de la ca, la línea tiene en primer lugar la llamada inductancia L que se encuentra como:

dor”. Las placas del condensador son las dos líneas y el dieléctrico, es el aire entre ellas. La capacitancia de una sola línea puede averiguarse así: D⎤ ⎡ L = 1000 μ 0 ⎢0.5 + 2 × 2.303 ⋅ ln ⎥ R⎦ ⎣

Téngase en cuenta que tanto D como R se deben dar en las mismas unidades para que su relación en la anterior fórmula sea adimensional. Ahora, conocida la inductancia L de la línea en H/Km, se determina su reactancia inductiva, mediante XL = 2πf•L. De allí, se obtiene XL en Ω/Km y se dibuja como el cateto opuesto del triángulo rectángulo de impedancias. 3. Reactancia capacitiva XC (Ω/Km): sólo se justifica encontrarla en líneas de grandísima longitud (caso de interconexión eléctrica). Debido a que la c.a. carga alternativamente las líneas, tiene lugar la aparición de la capacitancia entre ellas, en otras palabras “efecto de condensa-

De esta forma se obtiene Xc en Ω/Km. En el triángulo rectángulo que estamos dibujando, el valor Xc obtenido rebaja el anterior cateto adyacente, ya que Xc se toma verticalmente hacia abajo, en caso de considerarla, según se advirtió, ya que no siempre es necesario hacerlo. Impedancia Z de la línea: suponiendo que sólo se tienen en cuenta la resistencia simple R y la reactancia inductiva, entonces dibujamos el triángulo rectángulo:

La impedancia Z de la línea es la hipotenusa del triángulo y puede expresarse Z de varias maneras, por ejemplo: Por Pitágoras:

Z=

Por notación compleja: Z = R + jXL Por notación polar:

62

 

Ahora bien, una vez averiguada la capacitancia de una línea (F/Km) se procede a encontrar, si es el caso, el valor de la reactancia capacitiva XC = 1/(2πf•C).

Figura 7.9 Impedancia

R

Km

D y R se interpretan tal como se hizo arriba para el caso de la reactancia inductiva.

Donde: μ0 = 1x10-7 H/m (permeabilidad magnética del aire o del vacío) D = separación entre los centros de las dos líneas R = Radio de la línea

XL

H

Z = Z ∠φ

2

R + XL

2

CAPÍTULO 8. Redes de distribución

CAPÍTULO 8 Redes de distribución

8.1 REDES SECUNDARIAS EN LA CIUDAD Nos referiremos en este capítulo a sistemas de distribución y transformación local, después de que la energía eléctrica ya ha pasado por las subestaciones reductoras de voltaje. Esta distribución se puede hacer por medio de redes elevadas (aéreas) o por medio de redes subterráneas. En el caso de las redes aéreas se utilizan postes de diferentes materiales y en las redes subterráneas se utilizan canalizaciones por debajo de las vías y los andenes, según las necesidades que se tengan.

Desde esta perspectiva no se tratará la corriente continua, dado que su voltaje no se puede cambiar a base de trasformadores y por eso su empleo resulta muy limitado. Existen varios tipos de disposiciones para la distribución de la corriente alterna, teniendo en cuenta que deben contemplarse dos casos: yy Distribución a media tensión (distribución primaria). yy Distribución baja tensión (distribución secundaria).

Estas redes de distribución proveen de energía a sectores residenciales, industriales, comerciales, etc. pues cada uno tiene sus propias características de demanda.

En el primer caso, las líneas de media tensión salen de la subestación y toman el nombre de líneas primarias, con una tensión que esta en el rango de 7,62kV y los 57,5kV; con estos niveles de tensión se lleva hasta los puntos de distribución donde se baja el voltaje con los transformadores de servicio que están ubicados en los postes de energía.

En este capítulo hacemos alusión a la distribución de corriente alterna y a los sistemas trifásicos de 3 o 4 hilos en estrella o en triángulo a los cuales pueden conectarse los circuitos trifásicos y monofásicos de consumo más comúnmente utilizados. Luego ampliaremos más el tema especifico al estudiar los tipos de circuitos corrientes.

A la salida de los transformadores de servicio tenemos baja tensión y es allí donde comienza la distribución de esta. Generalmente se distribuye a unos voltajes de 220V, 208V, 127V, 110V para las casas o niveles de tensión más elevados dependiendo de la necesidad de una industria, estas líneas toman el nombre de líneas secundarias. 63

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Los sistemas de distribución en líneas secundarias que se emplean en nuestro medio son: yy Sistema Radial: un solo transformador de servicio puede alimentar varias manzanas a la vez. Este es un sistema muy económico, utilizado en zonas residenciales con poca densidad poblacional, cuya demanda no es muy alta, como lo vemos en la figura 8.1.

yy Sistema parrilla: es una modificación del sistema de anillo, en el sentido de que cada manzana tiene su propio transformador y todos están conectados entre sí, de modo que nunca falte energía en el sector. Es usado subterráneamente especialmente en el centro de las ciudades, como lo vemos en la figura 8.3. Figura 8.3 Sistema parrilla

Figura 8.1 Poca demanda

yy Sistema de anillo o cerrado: en este caso un grupo de manzanas de usuarios está rodeado por las líneas de transmisión y por los transformadores. Se emplea cuando hay demandas superiores, como lo vemos en la figura 8.2. Figura 8.2 Demanda superior

8. 2 SISTEMAS AÉREOS Para la distribución en zonas rurales, residenciales y campestres se utilizan postes, cables y transformadores que constituyen los sistemas elevados o aéreos. En las nuevas construcciones de urbanización generalmente no se utilizan las redes aéreas por estética y se prefiere el sistema subterráneo, pero en poblaciones lejanas y en el campo, aún se siguen instalando las redes aéreas. Este es un sistema tradicionalmente abierto para la distribución suburbana, muy común en nuestro medio. Este sistema requiere de dos fases y un neutro para poder atender las instalaciones bifilares (110V) y trifilares (220V) de las casas.

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Figura 8.4 Cable de par trenzado

Red EPM (Empresas Públicas de Medellín) Caja de distribución

Acometidas para varias casas

En Medellín se emplea actualmente el cable de par trenzado, que son tres cables de aluminio trenzados entre si. La instalación se hace en postes de concreto (también se pueden postes metálicos, de madera, o en fibra de vidrio) y de allí se derivan las acometidas aéreas o subterráneas; en la figura 8.4 vemos un cable de par trenzado que llega a la caja de distribución y de allí salen varios conductores para varias acometidas. Adicionalmente tenemos que las lámparas de las calles están conectadas al cable de par trenzado antes mencionado; se conectan a las dos líneas vivas para quedar a una tensión de funcionamiento de 240V aprovechando el mismo conductor que se envía desde el transformador hacia las cajas de distribución, que posteriormente alimenta las casas.

8.3 SISTEMAS SUBTERRÁNEOS Estos sistemas son utilizados en zonas céntricas por razones de seguridad y estéticas, pues es más conveniente utilizar sistemas cerrados o subterráneos por medio de cárcamos o canalizaciones especiales para proteger los cables y equipos. Se localizan bajo las vías y andenes dejando pozos de inspección adecuadamente espaciados (Man-holes). Estas canalizaciones y cárcamos mencionados se deben sellar y drenar adecuadamente, pues en época de lluvias el exceso de agua puede afectar peligrosamente la instalación. En algunas ciudades las canalizaciones se construyen herméticamente cerradas de modo que permitan una presurización para evitar la entrada de 65

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agua y lodo. En otros lugares se instalan equipos resistentes a la humedad y el lodo, pero estos equipos son mucho más costosos que los convencionales; se toman en cuenta los anteriores factores para hacer la construcción e instalar el equipo adecuado acorde a la necesidad. Adicionalmente debemos tener en cuenta el artículo 34.2 del RETIE donde se nos habla de los requisitos para el tendido de cables subterráneos, como la posibilidad de accesos a los empalmes así como su debida hermeticidad, la separación que debe haber entre la canalización eléctrica y alguna canalización de agua o gas, la forma de enterrar las canalizaciones o los conductores, el tipo de conductor que se puede enterrar directamente, entre otros requisitos de seguridad. Estos requisitos de seguridad que exige el RETIE sirven para tratar de evitar el deterioro del tendido eléctrico y un probable contacto de un ser vivo (persona o animal) con un punto energizado de la línea, así como también velan por su fácil mantenimiento, dado que cualquier empalme debe estar en una caja de conexión y no esta permitido meterlo dentro de una canalización.

es un cable desnudo, se necesita podar los árboles porque cuando el árbol está en contacto con el cable desnudo produce un corto circuito. Para obtener una información completa sobre los detalles de construcción de redes, se puede consultar las normas de EPM sobre el diseño y la construcción de redes de distribución de energía eléctrica que están en su página Web. Y para mirar algunos requisitos de seguridad se puede consultar el reglamento técnico de instalaciones eléctricas RETIE, o en la norma técnica colombiana 2050 (NTC 2050). Como ilustración podemos ver en la figura 8.5, sacada de la norma RA4020 de EPM, en la que observamos las especificaciones de cómo debemos instalar un contador de energía según el diseño adoptado por EPM. Figura 8.5 Sistemas mixtos

8.4 SISTEMAS MIXTOS Un sistema muy frecuente en nuestro medio, especialmente en zonas residenciales, consiste en llevar las líneas primarias (13,2kV o 7,6kV) en conductores ACSR aéreos apoyándolos en los postes; en estos mismos postes se instalan los transformadores y el alumbrado público. Al transformador conectamos la línea primaria y sacamos la línea secundaria a un menor nivel de tensión que se baja por el interior del poste a una caja de distribución, de allí se distribuye por los andenes empleando elementos de concreto con huecos longitudinales, llamados condulines, y finalmente, llega a otras cajas especiales donde se toman las acometidas subterráneas por medio de tuberías metálicas hasta llegar a las casas. Para las líneas primarias aéreas también se está instalando el cable ecológico, este tiene un aislamiento del 80% y permite que los árboles estén en contacto con los cables sin ningún problema, mientras que con el conductor ACSR, que 66

Y a continuación vemos en la figura 8.6 (norma RS1-036 de EPM) las especificaciones que da EPM para la instalación de acometidas para las casas y de redes telefónicas. Adicionalmente, EPM también nos dice cómo debemos enterrar los tubos y que tipo de compactación debe tener la arenilla o el concreto dependiendo de donde se entierre, porque no es lo mismo una vía pública a un andén peatonal. Las gráficas que se aprecian en este punto nos remiten a otras normas, por ejemplo, en el caso de las cajas, es necesario dirigirse a la norma RS3-015.

CAPÍTULO 8. Redes de distribución

Figura 8.6 Especificaciones EPM

Al final de las figuras se nos dice cuál es el significado de la simbología utilizada, así como algunas medidas que se usaron con la posibilidad de que pudieran variar, como se ve en la figura 8.7 (sacada de la norma RS1-036 de EPM). La anterior figura esta regida por varias normas técnicas, las normas de EPM son una recopilación de normas que aquí se ven aplicadas y nos dan un ejemplo de cómo se debe hacer la instalación. Adicionalmente como EPM tiene ya experiencia en estas instalaciones, hace algún tipo de recomendaciones que es bueno seguir.

8.5 POSTES Los postes son elementos verticales empleados en los sistemas elevados de distribución, como soportes de los cables y de los transformadores de servicio. No se incluyen aquí las grandes torres metálicas de energía que soportan cables de alta tensión, puesto que sólo nos interesa el campo práctico de las instalaciones comunes. Una sencilla clasificación puede ser la siguiente:

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Figura 8.7 Norma de EPM

Vibrado Concreto (huecos o macizos) Postes

Madera

Metal

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Reforzado Postensado

Centrifugado

Pino, eucalipto, etc. Los cuales deben ser sometidos a un Madera tratamiento especial: secado, inmunización e impermeabilización (sistemas de autoclave, inmersión, etc.) Tubulares Triangulares

CAPÍTULO 8. Redes de distribución

Actualmente también hay postes de fibra de vidrio, que son muy livianos y se utilizan principalmente para llevarlos a sitios de difícil acceso, como algunas zonas rurales.

Es muy frecuente ayudar a la estabilidad del poste por medio de cables tensores de arriostramiento (llamados vientos). También se les llama “retenidas” y se usan en temples, ángulos y terminales.

Generalmente, la longitud de los postes está comprendida entre los 7 y 12 metros. La longitud que se debe enterrar se calcula en términos generales, por la fórmula:

Los postes de madera exigen tratamientos especiales; estos no deben tener corteza ni deterioros importantes. Sólo se permiten hendiduras longitudinales siempre y cuando no sean muy evidentes. Se utilizan procesos de secamiento al aire o al vapor, o calentándolos en aceite. Se inmunizan generalmente con creosota de alquitrán de hulla o de coque, o también a base de petróleo pentaclorofénico.

,

H = altura del poste en metros L = longitud del poste que se debe enterrar La acción del viento sobre los postes y los cables debe tenerse en cuenta para los cálculos. Los vientos más comunes están entre los 80 y los 96 Km /h, como máximo. La escala de Beaufort clasifica los vientos entre 0,3m/s (1Km/h) calmo y 29,3m/s (104Km/h) huracán respectivamente. Tabla 8.1 Vientos

Velocidad m/s Km/h 7 25,2 15 54 24 86,4  

Presión (Kg/m2) 9 30 78

Los postes que tengan transformadores deben tener pararrayos, con su correspondiente conexión a tierra, sobretodo en ausencia de construcciones más altas que los postes. Las especificaciones de los postes se describen en el RETIE, que hace referencia a la norma NTC 1 329, en la cual se definen las condiciones de los postes y cómo deben estar construidos. Estas normas hacen referencia a las dimensiones de los postes, la carga que deben resistir, hasta qué nivel de tensión (inferior a 57,5 kV), adicionalmente exige que cuando se vaya a instalar un poste, este no debe tener fisuras. Para mayor información se puede mirar el RETIE y la norma NTC 1 329.

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CAPÍTULO 9. Transformadores

CAPÍTULO 9 Transformadores

9.1 TRANSFORMADORES En capítulos anteriores se mencionaron los equipos de transformación. Ahora es conveniente entrar a detallarlos. La figura 9.1 muestra el aspecto convencional que tiene un transformador de servicio para distribución a bajo voltaje, como es el caso de una zona residencial.

En la figura 9.2 se representa esquemáticamente la misma instalación, tal como podría dibujarse en los planos de instalaciones eléctricas de manera simplificada. Figura 9.2 Esquema de una instalación monofásica1

Figura 9.1 Red ac monofásica para acometidas bifilares y trifilares residenciales

9.2 PRINCIPIO DE UN TRANSFORMADOR En su forma más simple un transformador está compuesto por un núcleo de hierro formado por placas superpuestas; tiene dos arrollamientos de alambre uno al frente del otro (devanado primario y devanado secundario). Su funcionamiento se basa en el fenómeno que se produce cuando un flujo magnético cambia de dirección en el núcleo de hierro y es capaz de inducir una f.e.m. en cualquier solenoide, o devanado, que inducirá otra corriente alterna en el devanado secundario, cuyo voltaje puede ser mayor o menor que el introducido en el primario. 1

Como se observa, el neutro se conecta a tierra y no debe ser interrumpido.

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Cuando no hay variaciones (o alternancias) en la corriente no se inducirá corriente en el secundario; de allí que la corriente continua no se preste para su transformación. 9.3 TRANSFORMADORES ELEVADORES Y REDUCTORES 9.3.1 Transformador elevador Es el que tiene más espiras en el devanado secundario que en el primario. Las espiras del primario son gruesas, las del secundario son delgadas. Es empleado para elevar la tensión. Ver figura 9.3. Figura 9.3 Transformador elevador

9.3.2 Transformador reductor Comparado con el anterior, su función es completamente inversa. Las espiras del primario son muchas y delgadas; las del secundario son pocas y gruesas, ver figura 9.4. Como su nombre lo indica, se utiliza para reducir el nivel de tensión. Figura 9.4 Transformador reductor

En conclusión, los transformadores convierten las corrientes de alta tensión y baja intensidad, en corrientes de baja tensión y alta intensidad y viceversa. 9.4 LEYES DE LOS TRANSFORMADORES Conviene conocer, así sea de manera rápida, las leyes que rigen el comportamiento de los transformadores pues son importantes para los efectos prácticos. Es importante resaltar qué términos, como los que a continuación se mencionarán, son importantes para entender las relaciones entre los devanados primario y secundario de un transformador. N1 = número de espiras en el devanado primario (o circuito que cede energía) N2 = número de espiras en el devanado secundario (o circuito que recibe energía) I1 = intensidad de la corriente que llega (primario) I2 = intensidad de la corriente que sale (secundario) V1 = voltaje que llega (primario) V2 = voltaje que sale (secundario) Según la figura 9.3, como el transformador es elevador, se tendrá que: N 1 < N 2 ; I 1 > I 2 ; V1 < V2  

Según la figura 9.4, dado que el transformador es reductor, luego se tiene que: N 1 > N 2 ; I 1 < I 2 ; V1 > V2  

Se advierte además que estamos transformando una sola fase de la corriente alterna, por lo tanto los ejemplos se han referido a transformadores monofásicos. Las leyes de los transformadores se resumen en las siguientes: 72

CAPÍTULO 9. Transformadores

Primera: “Los voltajes son directamente proporcionales al número de espiras”. V1 N 1   = V2 N 2

En otras palabras, a menor corriente, corresponde un mayor número de espiras; a mayor corriente, menor número de espiras. Esta fórmula la obtenemos combinando las dos primeras: Si

Es importante resaltar que el mayor voltaje requiere mayor número de espiras en el devanado.

V1 N 1 = V2 N 2

A la fórmula anterior se llega teniendo en cuenta que en función de la demanda en vatios y considerando un alto rendimiento del transformador, prácticamente del 100%, se puede suponer que la potencia suministrada es igual a la potencia producida, es decir, W1 = W2. Si:

W1 = V1 x I1 x Cos Φ W2 = V2 x I2 x Cos Φ

Se concluye que:

(Cos Φ = factor de potencia)

V1 x I 1 = V2 x I 2  

Obteniéndose así la expresión inicial. Tercera: “Las intensidades de corriente son inversamente proporcionales al número de espiras”. N1 I 2 =   N 2 I1

V1 I 2 = V2 I 1

entonces entonces

N1 I 2 =   N 2 I1

En conclusión, y remitiéndonos a las figuras 9.3 y 9.4 para su comprobación, se pueden sintetizar todas estas fórmulas en la siguiente:

Segunda: “Los voltajes son inversamente proporcionales a las intensidades de corriente”. En otras palabras, al de mayor tensión corresponde menor intensidad de corriente y al de menor tensión, alta intensidad de corriente. V1 I 2 =   V2 I 1

yy

V1 N 1 I 2 = =   V2 N 2 I 1

Esto quiere decir que el mayor voltaje requiere mayor número de espiras por las cuales circula una corriente de baja intensidad. El menor voltaje requiere menor número de espiras por las cuales circula una corriente de alta intensidad. Por todas las razones anotadas, en el caso de un transformador reductor, figura 9.4, se tiene un devanado primario para el alto voltaje, formado por un gran número de espiras delgadas, pequeña sección, que soportan una baja intensidad de corriente. En cambio el devanado secundario, para niveles de tensión bajos, está constituido por pocas espiras gruesas, mayor sección, que soportan una alta intensidad de corriente relativa. Existe otra relación muy empleada en la electrónica para igualar impedancias entre dos circuitos acoplados por transformador. Es la siguiente: Z1 N1 = N 11 Z 11

también o otambién

N 12 Z = 1   2 N 11 Z 11

73

Instalaciones eléctricas

Las impedancias Z (Ω) son proporcionales a los cuadrados de los números de espiras N (vueltas). Al igualar las impedancias se obtiene la máxima transferencia de potencia hacia el circuito de salida.

Las figuras 9.6, 9.7 y 9.8, muestran diferentes esquemas usuales de conexiones para transformadores bifásicos y trifásicos. Esquemas de conexiones para transformadores Figura 9.6 Conexiones

9.5 TRANSFORMADORES MONOFÁSICOS, BIFÁSICOS Y TRIFÁSICOS Es natural que existan estos transformadores para los tres tipos de ca estudiados. Las figuras 9.3 y 9.4 representan ejemplos de transformadores monofásicos. Sin embargo, cuando aumenta el núcleo de hierro, como en la figura 9.5, se obtienen otras formas comerciales de transformadores monofásicos. Como se puede observar, hay un devanado primario y otro secundario. Figura 9.5 Transformador

Corriente monofásica: 120 y 240 voltios

Figura 9.7 Conexiones

Línea delgada: media tensión

Línea gruesa: baja tensión

Si en este mismo ejemplo cada núcleo de hierro tuviera sus propios devanados, uno primario y otro secundario, correspondientes a las tres fases de ca trifásica, se tendría entonces un ejemplo de transformador trifásico. Así mismo, un transformador bifásico contiene dos núcleos magnéticos, cada uno de los cuales tiene un devanado primario y otro secundario. Por arreglos especiales internos puede llegarse a transformar energía bifásica en trifásica. De todas maneras los transformadores más usados son los monofásicos y los trifásicos, para baja y alta tensión, respectivamente. 74

Figura 9.8 Conexión estrella - estrella

CAPÍTULO 9. Transformadores

9.6 REFRIGERACIÓN DE LOS TRANSFORMADORES Debido a que durante la operación de los transformadores se genera calor por pérdidas internas, es necesario proveer sistemas de enfriamiento especialmente en los transformadores de gran capacidad. Los más importantes son: enfriamiento por baño de aceite y refrigeración por agua. Por tal razón es característica en los transformadores la presencia de tubos o de aletas – radiadores- para evacuar el exceso de calor.

1. Transformadores de distribución monofásicos: de 5 a 100 kVA, sus relaciones de tensión son: 7,6 kV a 240/120 V 13,2 kV a 240/120 V 7,6 kV a 480/240 V 13,2 a 480/240 V 2. Transformadores trifásicos para alta tensión: de 20 a 400 kVA, sus relaciones de tensión son: = 440 V 254 x 13,2 kV a 440/254 V 127 x = 220 V 13,2 kV a 220/127 V

Por otra parte, deberán instalarse en locales bien ventilados, con todas las protecciones del caso para evitar el acceso del público.

120 x = 208 V 13,2 kV a 208/120 V

A veces se construyen cárcamos especiales sobre los cuales se monta el transformador con el fin de contribuir a la ventilación y facilitar el mantenimiento.

Figura 9.9 transformadores monofásico y trifásico2

Los pequeños transformadores no necesitan sistemas de ventilación; simplemente comunican su calor al aire que los rodea. 9.7 ELECCIÓN DE UN TRANSFORMADOR Los transformadores se eligen según la capacidad requerida en Kilovoltamperios (kVA) teniendo en cuenta los voltajes de entrada y salida, la frecuencia, la temperatura máxima de operación, el sistema de enfriamiento y el número de fases. Influye además el rendimiento del transformador. Ejemplo de lo anterior son los transformadores de 37,5 kVA, 7,62 kV a 240/120 V, monfásico, 60 ciclos, 50ºC, refrigeración por aceite. En nuestro medio son generalmente usados los siguientes tipos y relaciones de tensiones: 2

Transformador monofásico (1Ф)

Transformador trifásico (3Ф)

Como se observa, en los transformadores trifásicos, con neutro, cuando la diferencia de tensión entre fase y neutro es V, entonces la diferencia de tensión entre cada par de fases será V, tal como se explicó al tratar el tema de los alternadores trifásicos.

Para pequeñas residencias campestres es muy común emplear transformadores monofásicos de 5 a 10 kVA.

75

Instalaciones eléctricas

9.8 POLARIDAD DE UN TRANSFORMADOR MONOFÁSICO

Figura 9.11 Disposición de los devanados

Este es un tema de interés, relación a la definición de la polaridad de un transformador monofásico, importante para su futura conexión ya sea en serie o en paralelo. 1. Polaridad sustractiva (bobinados de los devanados en sentidos contrarios) Tal como se observa en la figura 9.10, se conecta el primario de alta tensión (2,2kV) y se deja abierto el secundario. Se unen los terminales H1 y X1 por medio de un puente (conductor). Después se conecta un voltímetro entre los puntos H2 y X2. La lectura en este ejemplo es: Figura 9.10 Disposición de los devanados

2200 V + 110 V = 2310 V (las tensiones se suman) En este caso las tensiones se ayudan entre sí y se dice que existe polaridad aditiva. En la pequeña figura a la derecha, las flechas de voltaje se dirigen hacia los puntos negros que indican las polaridades contrarias de las bobinas (ahora devanadas en el mismo sentido). Es importante tener en cuenta que en el funcionamiento normal del transformador, si las dos bobinas están devanadas en igual sentido la corriente secundaria es contraria a la primaria.

2200 V -110 V =2090 V. Los voltajes se restan (se oponen) En este caso se dice que la polaridad es sustractiva. En la pequeña figura a la derecha, las dos flechas de voltaje (V1 y V2) se dirigen hacia los puntos negros. Significa que las bobinas tienen la misma polaridad (y normalmente están devanadas en sentidos contrarios). 2. Polaridad aditiva (bobinas en el mismo sentido). En la primera figura se conecta el primario a la alta tensión y se deja abierto el secundario. Se unen H1 y X2 por puente (conductor). El voltímetro se conecta entre H2 y X1. La lectura en este ejemplo es: 76

Cuando los dos bobinados están devanados en sentido contrario, la corriente secundaria tiene el mismo sentido de la corriente primaria. Cuando se dice corriente contraria, nos referimos al hecho de que están desfasadas 180º con respecto a la tomada como referencia. Es importante destacar en este capítulo los requerimientos exigidos por el RETIE para los transformadores eléctricos de distribución o potencia cuya capacidad sea mayor o igual a 5 kVA, dentro de los requisitos se tiene:

CAPÍTULO 9. Transformadores

Requisitos de Instalación: 1. En las subestaciones tipo pedestal, cuando en condiciones normales de operación se prevea que la temperatura exterior del cubículo supere en 45 °C la temperatura ambiente, debe instalarse una barrera de protección para evitar quemaduras y colocar avisos que indiquen la existencia de una “superficie caliente”. Si el transformador posee una protección que garantice el corte o desenergización cuando exista una sobretemperatura, quedará eximido de dicha barrera. 2. En las subestaciones dentro de edificios, el local debe estar ubicado en un sitio de fácil acceso desde el exterior, localizado en áreas comunes, con el fin de permitir al personal calificado las labores de mantenimiento, revisión e inspección y el acceso de vehículos que transportan los equipos. 3. Las subestaciones a nivel de piso, deben tener una placa en la entrada con el símbolo de “peligro” y con puerta de acceso hacia la calle, preferiblemente. 4. En las subestaciones está prohibido que crucen canalizaciones de agua, gas natural, aire comprimido, gases industriales o combustibles, excepto las tuberías de extinción de incendios y de refrigeración de los equipos de la subestación. 5. Los locales ubicados en semisótanos y sótanos, con el techo debajo de antejardines y paredes que limiten con muros de contención, deben ser debidamente impermeabilizados para evitar humedad y oxidación. 6. En las zonas adyacentes a la subestación no deben almacenarse combustibles. 7. Los transformadores refrigerados en aceite no deben ser instalados en niveles o pisos que estén por encima o contiguos a sitios de habitación, oficinas y en general lugares destinados a ocupación permanente de personas.

8. Cuando un transformador aislado en aceite requiera instalación en bóveda (conforme a la sección 450 de la norma NTC 2050), esta debe construirse con materiales que ofrezcan una resistencia al fuego de mínimo tres horas. Para transformadores secos con potencia superior a 112,5 kVA la resistencia al fuego de la bóveda debe ser mínimo de una hora. Las puertas cortafuegos, deberán ser certificadas por un organismo de certificación de producto acreditado por la SIC (Superintendencia de Industria y Comercio). Requesitos de Producto: 1. Los transformadores sumergidos en aceite deben tener un dispositivo de puesta a tierra para conectar solidamente el tanque, el gabinete, el neutro y el núcleo. Para transformadores de mayor potencia, el fabricante debe proveer dicho dispositivo con las características que requiera la operación del transformador. 2. Todos los transformadores sumergidos en líquido refrigerante que tengan cambiador o conmutador de derivación de operación exterior sin tensión, deben tener un aviso: “manióbrese sin tensión” según criterio adoptado de la NTC 1490. 3. Todos los transformadores sumergidos en líquido refrigerante deben tener un dispositivo de alivio de sobrepresión automático fácilmente reemplazable, el cual debe operar a una presión inferior a la máxima soportada por el tanque según criterio adoptado de las NTC 1490, NTC 1656, NTC 3607, NTC 3997 y NTC 4907. 4. Los transformadores de distribución con bobinados sumergidos en líquido refrigerante, deben poseer un dispositivo para levantarlos o izarlos, el cual debe ser diseñado para proveer un factor de seguridad mínimo de 5, definido como la relación entre el esfuerzo de rotura y el esfuerzo de trabajo del material usado. El esfuerzo de trabajo es el máximo desarrollado en los dispositivos del levantamiento por la carga estática del transformador completamente ensamblado, según criterio tomado de la NTC 3609. 77

Instalaciones eléctricas

5. Los dispositivos de soporte para colgar en poste, deben ser diseñados para proveer un factor de seguridad de 5, cuando el transformador es soportado en un plano vertical únicamente desde el dispositivo superior, según criterio adoptado de la NTC 3609. 6. El fabricante debe entregar al usuario las indicaciones y recomendaciones mínimas de montaje y mantenimiento del transformador. 7. Rotulado. Todo transformador debe estar provisto de una placa de características que contenga la información de la siguiente lista en forma indeleble, debe ser fabricada en material resistente a la corrosión y fijada en un lugar visible; según criterio adoptado de la NTC 618. • Marca o razón social del fabricante • Número de serie dado por el fabricante • Año de fabricación • Clase de transformador • Número de fases • Diagrama fasorial

78



• Frecuencia nominal • Tensiones nominales, número de derivaciones • Corrientes nominales • Impedancia de cortocircuito • Peso total en kilogramos • Grupo de conexión • Diagrama de conexiones

8. La siguiente información deberá ser suministrada al usuario en catálogo para transformadores de potencia mayor o igual a 5 kVA. • Corriente de cortocircuito simétrica • Duración del cortocircuito simétrico máximo permisible • Métodos de refrigeración • Potencia nominal para cada método de refrigeración • Clase de aislamiento • Líquido aislante • Volumen del líquido aislante • Nivel básico de asilamiento de cada devanado, BIL

CAPÍTULO 10. Circuitos eléctricos

CAPÍTULO 10 Circuitos eléctricos

En forma general, un circuito eléctrico es toda combinación de conductores y dispositivos empleados para que la electricidad se transforme en un trabajo: alumbrado, calefacción, fuerza motriz, etc.

Figura 10.1 Lámparas conectadas en serie

Desde el punto de vista de las instalaciones fundamentales, nos interesa distinguir los circuitos en serie y en paralelo. Para explicarlos de una manera sencilla, supongamos su aplicación en una instalación de lámparas. 10.1 CIRCUITOS EN SERIE Se dice que unas lámparas están en serie, cuando están conectadas una a continuación de la otra de tal manera que la misma corriente circula consecutivamente por todas las lámparas y el voltaje se reparte entre ellas, ver figura 10.1: V= V1+ V2+ V3+ V4+ V5+ V6 I= CONSTANTE R = R1 + R2 + R3 + R4 + R5 + R6 El ejemplo mas común es el alumbrado decorativo navideño (el antiguo). Si una lámpara se funde o se afloja, el circuito se interrumpe y se apagan todas las lámparas de ese circuito. En el caso de la figura 10.1 tenemos seis lámparas conectadas en serie y una fuente de alimentación de 120 voltios, si todas las lámparas son de la

misma potencia, a cada lámpara le corresponde 20 voltios, pero la corriente es igual para todas las lámparas, esto es lo que llamamos circuito en serie. La resistencia total de un circuito en serie, es la suma de todas las resistencias parciales que están conectadas en el circuito. Y la corriente es la misma en todo el circuito. El voltaje necesario para hacer pasar una corriente por un cierto número de resistencias, es igual al total de la suma de todos los voltajes parciales en cada resistencia. 79

Instalaciones eléctricas

En el ejemplo ilustrado en la figura 10.1, vemos que la corriente por cada lámpara es la misma, e inclusive es la misma corriente que cruza por la fuente, pero en el caso de la fuente, significa que es la corriente que le está dando al circuito.

Figura 10.2 Circuitos en paralelo

10.2 CIRCUITOS EN PARALELO En un circuito en paralelo el voltaje permanece constante, en términos generales, por ahora no se tienen en cuenta la caída de voltaje en las líneas de alimentación. Y para este caso, la corriente total es igual a la suma de las corrientes debidas a cada carga. La resistencia total para un circuito en paralelo, es igual a la suma del inverso de cada una de las resistencias. Es decir: 1 RTOTAL

=

1 1 1 1   + + + ... + R1 R2 R3 RN

Este da un circuito con N resistencias. En el caso de las lámparas lo que tenemos es que en estos circuitos el voltaje en cada lámpara es el mismo que en las líneas principales de alimentación, y por la forma del circuito se puede disponer para que cada lámpara se pueda controlar independientemente, en otras palabras, se puede prender o apagar indistintamente una sola sin afectar las otras lámparas, porque ello no ocasiona la interrupción de la corriente en todo el circuito (si se dispone así), tal y como lo vemos en la figura 10.2. Para este caso tenemos: ITOTAL = I1+I2+I3+I4+I5 1   R= 1 1 1 1 1 + + + + R1 R2 R3 R4 R5

V=CONSTANTE 80

Con lo dicho anteriormente, si conectamos una lámpara de 60W a una tensión de 120V, la corriente por su filamento será de 0,5A (deducción hecha en el capítulo 3); y si conectamos dos lámparas de 60W cada una, tendremos que cada una tendrá una corriente de 0,5A pero en la fuente la corriente será de 1A. Similarmente, si conectamos una lámpara de 120W a una tensión de 120, la corriente que pasa por el filamento es de 1A. Y si conectamos varias lámparas de 120V y de 60W, la corriente total será la suma de cada una de las corrientes individuales. Recordamos que entre mayor es la resistencia (menor potencia) el filamento es más delgado y entre menor resistencia (mayor potencia) el filamento es más grueso. 10.3 CIRCUITOS COMBINADOS Aunque es posible este tipo de combinación de lámparas, combinar circuitos en serie y en paralelo no es muy común en nuestro medio, sin embargo, se considera esta posibilidad para complementar la información. La figuras 10.3a y b, muestran los dos casos anteriores. 10.4 RESISTENCIAS EN SERIE Y EN PARALELO Todas las resistencias se pueden conectar en serie, en paralelo o formar combinaciones y por ello vamos a revisar un poco estos casos; en cada caso existe una resistencia resultante en el circuito, como veremos a continuación.

CAPÍTULO 10. Circuitos eléctricos

Figura 10.3a Circuitos en serie

Figura 10.4 Resistencias en serie

Figura 10.3b Circuitos en paralelo

Con esto probamos que la resistencia total en serie es la suma de todas las resistencias parciales del circuito. 10.4.2 Resistencias en paralelo En paralelo significa que todas las resistencias están conectadas a dos puntos comunes A y B, como lo vemos en la figura 10.5. Figura 10.5 Resistencias en paralelo

10.4.1 Resistencias en serie La corriente convencional sale del lado positivo al polo negativo de la fuente de cc (batería) en el circuito externo. Todo el voltaje de la fuente se gasta en las resistencias. La suma de caídas de voltaje en las resistencias, debe ser igual al voltaje de la fuente, por lo tanto: VFUENTE= V1+V2+V3 VFUENTE= I*R1+I*R2+I*R3 VFUENTE= I*RT= I*R1+I*R2+I*R3 RT= R1+R2+R3

La corriente de la fuente If que va por A, se reparte entre las tres corrientes I1, I2 ,I3, que posteriormente se reúnen para salir juntos por B. Pero la tensión entre cada una de las resistencias, es la misma que la tensión que hay entre A y B. 81

Instalaciones eléctricas

En el circuito paralelo, la suma de las corrientes parciales es igual a la corriente total: I F = I1 + I 2 + I 3 ∴

Figura 10.6 Tres series de resistencia

VT V1 V2 V3   = + + RT R1 R2 R3

Pero como los voltajes son iguales, se cancelan. 1 1 1 1 = + +   RT R1 R2 R3

O también: RT =

1   1 1 1 + + R1 R2 R3

Figura 10.7 Reducción de series

El inverso de la resistencia total es igual a la suma de los inversos de las resistencias parciales conectadas en paralelo. NOTA: tanto en el circuito serie como en el paralelo, la resistencia RT sustituyen el arreglo de las tres resistencias. Si nosotros le hacemos la operación inversa a RT, por ejemplo, si la quiero convertir en tres resistencias en serie, sólo tendría que dividirla en tres valores que yo quiera pero que la suma sea RT, o dividirla entre tres y quedan tres valores iguales. 10.4.3 Varias resistencias series conectan un paralelo En la figura 10.6 aparecen tres series de resistencias conectadas en paralelo entre los puntos A y B. Lo que debemos hacer para solucionar el problema es reducir cada serie a una resistencia única, como lo vemos en la figura 10.7, de tal modo que nos queda una resistencia única por cada serie, formando así tres resistencias en paralelo que fue el problema que resolvimos en la página anterior. 82

Existen varias maneras de representar los circuitos. La representación anterior se utilizó por ser más conveniente para la explicación. Y la representación convencional, la vemos en la figura 10.8, pero las figuras 10.6 y 10.4 son equivalentes a las figuras 10.8 y 10.9 respectivamente.

CAPÍTULO 10. Circuitos eléctricos

Figura 10.8 Tres resistencias simples en paralelo entre A y B

Figura 10.9 Dos series de resistencias simples en paralelo entre A y B

83

Instalaciones eléctricas

84

CAPÍTULO 11. Caída de tensión

CAPÍTULO 11 Caída de tensión

11.1 CAÍDA DE TENSIÓN

11.3 LÍMITE PARA LA CAÍDA DE TENSIÓN

Se comprueba experimentalmente que cuando una corriente eléctrica recorre un conductor de longitud considerable, la resistencia opuesta por el mismo conductor al paso de la corriente se traduce en una disminución de la tensión en el punto más lejano del conductor. A este fenómeno se le conoce con el nombre de caída de tensión.

En un circuito de lámparas y tomacorrientes por ejemplo, calculado con base en un cierto nivel de tensión, dicha caída en los puntos más lejanos puede afectar seriamente el correcto funcionamiento de los aparatos conectados: reducción de la cantidad de luz que deben suministrar las lámparas, los motores no alcanzan su velocidad de régimen, etc. ya que han sido calculados para una tensión especificada.

Por ejemplo, si la corriente entra en el conductor a 120 V entonces en el punto más alejado del conductor existirá un voltaje un poco menor que 120 V. Esta pérdida se debe principalmente a la longitud del conductor y al tamaño de su sección transversal (calibre del conductor); evidentemente influyen también la naturaleza del conductor y los aparatos o resistencias conectadas. 11.2 ANALOGÍA CON EL AGUA Se puede comparar la caída de voltaje en las líneas conductoras de electricidad, a la pérdida de presión o de carga en las tuberías de acueducto. En un “sistema hidráulico” la presión del agua en el punto más alejado será menor que la presión a la entrada en el punto de acometida o de alimentación, a causa de las pérdidas debidas a la longitud de la tubería, de su sección y de su misma naturaleza, sin contar las pérdidas localizadas en los accesorios y artefactos.

Por estas razones, las compañías de electricidad establecen en sus reglamentos limitaciones para la caída de tensión. Tal como se mencionó anteriormente, la caída de tensión está relacionada con las características del conductor (calibre y longitud). Debido a ello, la Norma Técnica Colombiana –NTC 2050 en la sección 215-2 inciso b), plantea que los conductores de alimentadores deben seleccionarse con un calibre que evite una caída de tensión superior al 3% en la salida más lejana para potencia, calefacción, alumbrado o cualquier combinación de ellas y en los que la caída máxima de tensión de los circuitos alimentador y ramales hasta la salida más lejana no supere el 5%. 11.4 CONCLUSIONES Según las consideraciones anteriores, el cálculo de las líneas generales y de distribución deberá basarse principalmente en los siguientes puntos: 85

Instalaciones eléctricas

a. Un conductor debe tener la sección suficiente para soportar con seguridad la corriente que lo recorre. b. La caída de potencial en el circuito que se calcula, no debe superar un máximo especificado por el reglamento correspondiente.

En estas fórmulas se observa claramente cómo la caída de tensión será mayor, mientras mayor sea la longitud de los conductores, mayor la corriente que circula y menor la sección transversal de las líneas (expresando su calibre en MC o milésimas circulares). CAÍDA DE TENSIÓN EN UN ALAMBRE DE COBRE (temperatura T=25ºC)

c. La caída de potencial, en voltios, es igual a la intensidad de la corriente en la línea multiplicada por la resistencia de la misma. Dicho valor se puede pasar a porcentaje estableciendo la relación con la tensión inicial. 11.5 FÓRMULAS PARA CALCULAR LA CAÍDA DE TENSIÓN Dependiendo del tipo de sistema que se tenga, el cálculo de la caída de   tensión se puede realizar de acuerdo a las siguientes fórmulas: a. Para circuitos bifilares, trifilares y trifásicos de 4 hilos con neutro:

La caída de tensión en un solo alambre de cobre que opera a una temperatura ambiente de 25ºC puede hallarse por la siguiente fórmula: ΔV = 0,.0175 ⋅

L× I A

Donde: L = Longitud en metros [m] I = corriente en Amperios [A] A = sección en mm2 La resistencia específica del cobre a T= 25ºC es el valor: 0,0175 Ω x mm2/m

b. Para circuitos trifásicos en delta sin neutro:

86

Cuando se trata de un sistema bifilar, basta multiplicar por dos el resultado obtenido para un solo alambre. Por otra parte, si se fija una caída de tensión máxima admisible, puede hallarse el área ideal (la mejor selección del conductor).

CAPÍTULO 12. Conductores eléctricos

CAPÍTULO 12 Conductores eléctricos

12.1 CALIBRE DE LOS CONDUCTORES Para medir el calibre de un conductor, especialmente los de cobre, constituidos por conductores sólidos (alambres) o trenzados (varios hilos, también llamados cables) se ha introducido el sistema American Standard Wire Gauge o simplemente AWG. Este sistema consiste en expresar la sección transversal del conductor, en milésimas circulares (MC). También se emplean las iniciales CM cuando se usa la expresión “circular mil”. Una milésima circular es entonces un área de un círculo cuyo diámetro es una milésima de pulgada, como se muestra en la figura 12.1. Figura 12.1 Circular mil

La unidad de medida es este círculo y se puede expresar en pulgadas cuadradas o milímetros cuadrados, aunque esto casi no se utiliza. 2

⎛ D ⎞ 2 1 M .C    .  = π  ⎜  ⎟ = 0,7854 * D 2   ⎝  ⎠ Esta medida está en pulgadas cuadradas  

,

Para pasarlo a milímetros, sabemos que una pulgada (pul.) es igual a 25,4 milímetros (mm). Pero estamos hablando de una milésima de pulgada, por lo tanto sería 0,0254milimetros y con esto podemos pasar. 2

⎛ ⎞ ⎜ 0,0254mm. ⎟ 2 2 1M   .C     = 0 , 7854 * ⎜ ⎟ * D = 0,0005067 * D ⎜ 1milesima . ⎟ ⎝ de pu lg ada ⎠  

en milímetros cuadrados

Para facilitar las cosas y no estar haciendo cálculos con pulgadas cuadradas y milímetros cuadrados, se utiliza el circular mil, de la manera ya explicada. Para medir el calibre de un conductor con precisión, se utiliza una rueda de calibres llamada galga, esta rueda tiene una serie de huecos, como se ve en la figura 12.2, en la galga se pasa el conductor por el “caminito” mas estrecho por el cual el alambre puede pasar, cuando se determine esto la 87

Instalaciones eléctricas

galga tiene marcado el calibre del alambre para cada orificio y allí se puede saber cuál es el calibre del alambre. Figura 12.2 Galga



Nº 0, Nº 00, Nº 000, Nº 0000, los que también se respectan por: Nº1/0, Nº2/0, Nº3/0, Nº4/0

El calibre 4/0 es el máximo conductor que se puede conseguir como conductor sólido, de allí en adelante sólo se utilizan cables. Esto se hace por el manejo porque el alambre 4/0 es tan grueso que es casi una varilla y se vuelve inmanejable, mientras que un cable es mucho más flexible. Similarmente cuando el conductor es muy delgado, debe ser en alambre. yy Los conductores de calibre superior al Nº 4/0 (cables), se expresan directamente por su área en milésimas circulares (MC) y más comúnmente en miles de MC, es decir, en MCM. En síntesis: Del Nº 40 al Nº 22: sólo alambres Del Nº 22 al Nº 4/0: alambres y cables Del 4/0 en adelante: sólo cables Para mayor claridad se puede ver la tabla 12.1.

12.2 CLASIFICACIÓN DE LOS CALIBRES Con base en lo anterior se han clasificado los conductores eléctricos, tanto para los alambres (un solo hilo sólido) como para los cables (varios hilos trenzados concéntricamente) de la siguiente manera: yy Desde el número 40 que es el más delgado, con un diámetro de 0,079mm. hasta llegar al número 1, cuyo diámetro es de 7,35mm., de tal manera que al descender en numeración aumenta el calibre del conductor. yy Después de llegar al número 1 y en adelante, sigue aumentando sus calibres aún más gruesos, que se denominan así: 88

En la tabla 12.1 se da la clasificación de los calibres standard de los conductores de cobre desnudos según el sistema AWG; se incluyen los diámetros de los conductores para tener una mejor idea del tamaño del conductor. En el caso de los cables, el diámetro es aproximado (la medición es más difícil por ser varios hilos). Calibre AWG 40 38 36 34 32 30 28

Tabla 12.1 Calibres conductores Diámetro en mm Área de la sección en mm2 Alambre 0,079 0,101 0,127 0,16 0,20 0,250 0,32

Cable

Alambre 0,005 0,007 0,012 0,020 0,032 0,050 0,080

Cable

CAPÍTULO 12. Conductores eléctricos

Calibre AWG 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 00 000 0000 250 MCM 300 MCM 350 MCM 400 MCM 450 MCM 500 MCM 550 MCM 600 MCM 650 MCM 700 MCM 750 MCM 800 MCM 900 MCM 1000 MCM 1100 MCM 1200 MCM 1250 MCM 1300 MCM

Diámetro en mm Alambre 0,40 0,51 0,64 0,81 1,02 1,29 1,63 2,05 2,59 3,26 4,11 5,19 6,54 8,25 9,27 10,4 11,68

Cable

0,92 1,16 1,46 1,84 2,32 2,95 3,71 4,67 6,2 7,8 9,4 10,5 11,8 13,3 15,0 16,5 17,5 18,5 19,5 20,5 21,5 22,5 23,5 24,5 25,0 26,0 27,5 29,0 30,5 32,0 32,5 33,5

Área de la sección en mm2 Alambre 0,128 0,20 0,32 0,52 0,82 1,31 2,08 3,31 5,26 8,37 13,3 21,15 33,63 53,48 67,43 85,03 107,20

Cable

0,52 0,82 1,31 2,08 3,31 5,26 8,37 13,3 21,15 33,63 53,48 67,43 85,03 107,2 126,7 152,0 177,3 202,7 228,0 253,3 278,7 304,0 329,4 354,7 380,0 405,4 456,0 506,7 557,4 608,0 633,4 658,7

Calibre AWG 1400 MCM 1500 MCM 1600 MCM 1700 MCM 1750 MCM 1800 MCM 1900 MCM 2000 MCM

Diámetro en mm Alambre

Cable 34,5 35,5 37,0 38,0 38,5 39,0 40,5 41,5

Área de la sección en mm2 Alambre

Cable 709,4 760,0 810,7 861,4 886,7 912,1 962,7 1013,0

Observaciones de la tabla anterior: yy Los conductores de cobre cuyos calibres aparecen descritos en la tabla anterior se usan según su calibre, de la siguiente manera. yy Los conductores del Nº 40 al Nº 20 se usan en la fabricación de aparatos eléctricos de gran variedad. yy Los cordones y cables flexibles Nº 16 y Nº 18 se usan y sólo están permitidos para el uso de sistemas de señales, transmisión de datos y para algunos equipos eléctricos que no sobrepasen la corriente nominal del cable. yy El conductor Nº 14 AWG es el más usado en instalaciones residenciales y es el mínimo calibre de conductor permitido para las instalaciones comunes interiores. yy Los conductores Nº 14 al Nº 2 son los más usados en instalaciones residenciales, comerciales e industriales. yy Los conductores Nº 2 en adelante se usan principalmente en instalaciones de tipo industrial. yy Los calibres impares no aparecen en la tabla porque no son muy comerciales y sólo tienen usos especiales, principalmente para fabricar transformadores y motores. 89

Instalaciones eléctricas

yy Como se dijo anteriormente los conductores vienen principalmente en dos presentaciones: tipo alambre, que es un hilo conductor sólido y macizo, de esta forma se consigue por ejemplo de cobre desnudo desde el calibre Nº 40 hasta el Nº 4/0. La otra forma es el cable, que es un conjunto de alambres trenzados concéntricamente, para este caso en cobre desnudo se consigue desde el calibre Nº 20 hasta el 2000 MCM. Nótese que un cable es más fácil de manejar que un alambre, por ello en calibres mayores sólo se utiliza el cable. Inclusive, en nuestro medio a partir del Nº 6 casi siempre se utilizan los cables ya que un calibre de alambre más grueso que el Nº 6 es difícil encontrar en el comercio. yy Los conductores que se usan para aparatos móviles, sea cual fuere su calibre se usan en forma de cable por su flexibilidad y serán más flexibles mientras mayor sea el número de hilos que forman el conductor.

Calibre SWG 14 12 10 8 3 6/0

Diámetro m.m 2,05 2,59 3,25 4,1 5,8 8,3 9,3 10,4 11,7

Calibre AWG 12 10 8 6 2 1/0 2/0 3/0 4/0

12.3 ALAMBRES Y CABLES COMERCIALES

yy Un conductor puede denominarse así: Nº 12 AWG. O en el caso de un cable, se puede escribir 250.000 CM o su equivalente 250MCM.

Dada la gran cantidad de conductores eléctricos en el mercado, resulta muy difícil detallar aquí cada uno de ellos con sus características particulares. Es recomendable remitirnos a la consulta de catálogos especializados sobre el tema que suministran los fabricantes.

yy Debemos tener cuidado en no confundir el sistema americano AWG con otros similares, como el sistema ingles SWG con el inconveniente de que el mismo calibre en los dos sistemas corresponde a diferentes diámetros como lo vemos en la tabla 12.2 que muestra las diferencias.

Sin embargo mostraremos aquí un cuadro reducido con algunos conductores (no todos) para dar una información fundamental. Este cuadro es sacado de los catálogos de CENTELSA, los cuales están en Internet (http://www.centelsa.com.co/), allí se encuentran sus catálogos y algunas características de su producción.

Tabla 12.2 Diferencias entre sistemas

Como complemento del cuadro hagamos un listado de los tipos de conductores:

Calibre SWG 40 38 36 33 25 21 19 18

90

Diámetro m.m 0,08 0,101 0,127 0,16 0,20 0,25 0,51 0,81 1,02 1,29

Calibre AWG 40 38 36 34 32 30 14 20 18 16

• • • • • • • • • • •

Alambres y cables desnudos Alambres y cables para edificaciones Alambres y cables para distribución y acometidas Cables industriales Cordones flexibles Cables para vehículos Cables de control Cables de radio frecuencia y video Alambres y cables telefónicos Alambres y cables de aluminio Cables enchaquetados para enterrar directamente

CAPÍTULO 12. Conductores eléctricos

Cuadro 12.1 Conductores

Dibujo

Tipo

Descripción

Desnudo

Los metales más utilizados para su fabricación son aluminio 1350-H19, aleación de aluminio 6201-T81 y acero recubierto con zinc o con aluminio. Son utilizados en líneas de transmisión, distribución y sistemas de puesta a tierra.

Desnudo

Conductores de cobre en tres tipos de temple: duro, semiduro y suave. Los primeros son utilizados en líneas aéreas, donde es requerida una mayor carga de rotura, mientras que los otros temples son utilizados en sistemas de puesta a tierra.

PVC retardante a la llama

Son cables multiconductores en cobre o aluminio, con un aislamiento PVC retardante a la llama que llevan señales eléctricas usadas para monitorear o controlar sistemas eléctricos de potencia y sus procesos asociados. La tensión de operación de estos cables es de 600 V.

PVC retardante a la llama

Son usados para llevar señales desde procesos de monitoreo a procesos de analizadores, usualmente equipo electrónico y de los analizadores al equipo de control en el sistema eléctrico de potencia, la tensión de operación es de 300V.

PE XLPE PVC

Se usa en instalaciones industriales, distribución interior de energía en baja tensión. Sitios secos o húmedos, cárcamos, canalizaciones o enterrado directo. Los cables internos tienen aislamiento tipo PE, XLPE, y PVC como chaqueta exterior.

THW/ THWN

Los alambres THHN/THWN son usados especialmente en instalaciones eléctricas residenciales. También son utilizados para instalaciones en sitios abrasivos o contaminados con aceite, grasas, gasolina y otras sustancias químicas. Este tipo de conductores son diseñados para una tensión de operación de 600 V.

THW

Son usados en equipos y herramientas portátiles. Se fabrican con cables de cobre suave flexible aislados individualmente, cableados y con chaqueta exterior. Los materiales usados para aislamiento y chaqueta son termoplásticos con contenido elastomérico.

91

Instalaciones eléctricas

12.4 MATERIALES PARA LA FABRICACIÓN DE CONDUCTORES ELÉCTRICOS Conviene conocer un poco más acerca de los materiales con los cuales se fabrican los alambres y cables apropiadamente y además aquellos materiales que se utilizan para construir las cubiertas o aislamientos especiales. Sólo consignaremos algunos datos sobre el cobre y el aluminio, dado que estos son los más importantes. Una información técnica más especializada se puede encontrar en los catálogos ya mencionados. Además se incluye algunos materiales propios para el aislamiento de uso muy frecuente. 12.4.1 Datos para el cobre El cobre es un metal rojizo, con una densidad media de 8,8, la temperatura de fusión es de 1 083ºC y no es un material magnético. Por sus extraordinarias propiedades eléctricas, físicas y químicas es el conductor eléctrico preferido. El cobre tiene baja resistencia eléctrica, bajo coeficiente de oxidación (se oxida al aire dando una capa protectora que impide la oxidación al resto). Al aire húmedo, el cobre también hace una oxidación en la superficie con una capa verdosa llamada cardenillo. Tiene baja capacidad de corrosión, de modo que cuando está expuesto al medio natural e industrial y en presencia del aire, no es afectado gravemente por vapores de H2SO4 (acido sulfúrico) o de HCl (acido clorhídrico) en baja concentración, sin embargo el agua de mar lo corroe ligeramente y es muy susceptible a la acción del ácido nítrico. Tiene alta conductividad térmica, si su superficie se prepara adecuadamente, es capaz de disipar gran cantidad de calor al ambiente. Se puede fundir, laminar, estirar, forjar y maquinar fácilmente. Se puede cubrir con plata, estaño, laca y soldar; también se usa para cubrir otros metales (cobrizar). El cobre electrolítico es el que ha sido refinado por precipitación de impurezas.

92

Se consideran tres clases de durezas: blando, semiduro y duro. Es mayor la conductividad del blando y menor la del duro. El cobre se utiliza como alambre, cable, también en forma de láminas, pantallas, etc. Es el metal más antiguamente conocido y es el más importante después del hierro. 12.4.2 Datos para el aluminio El aluminio abunda en la naturaleza, principalmente en las arcillas (alúmina). Es un metal de color plata, descubierto en 1827 (por Woehler); la densidad media es de 2,5 (la tercera parte del hierro). Su temperatura de fusión es de 650ºC. Es un material liviano, dúctil, maleable, tenaz, muy sonoro, buen conductor del calor y de la electricidad. Su conductividad es el 60% de la conductividad del cobre. Es casi inoxidable al aire seco o húmedo. Durable y estable. sin embargo por acción galvánica es atacado en contacto con el bronce o cobre en presencia de soluciones salinas. 12.5 AISLAMIENTO DE LOS CONDUCTORES Los forros, cubiertas o el aislamiento de los conductores eléctricos, se fabrican en diferentes materiales. Las condiciones que debe cumplir un aislamiento óptimo son las siguientes: Debe presentar buenas características eléctricas, buenas propiedades mecánicas (resistencia, flexibilidad), resistencia a la temperatura y a los agentes atmosféricos, resistencia a los agentes químicos (humedad, ácidos, sales, etc.). Finalmente también interesan su duración y economía. Los tipos de aislamientos más frecuentes son: yy Cloruro de polivinilo (PVC) yy THW yy THWN yy THHN yy Caucho (caucho sintético, caucho butílico, neopreno)

CAPÍTULO 12. Conductores eléctricos

12.5.1 Aislamiento de cloruro de polivinilo (PVC) Conocido como plástico en el comercio. Algunas de sus características son: yy Propiedades eléctricas bajas (baja conductividad) yy Gran resistencia a la humedad, aceites y la mayoría de las sustancias químicas yy Resistencia al fuego yy Pigmentaciones diferentes yy Económico Se emplea comúnmente en la fabricación de conductores tipo TW, alambre duplex y cable duplex SPT (garantizados para una temperatura de operación de 60ºC). También tipo THW. 12.5.2 Aislamiento THW Este tipo de aislamiento es un termoplástico retardante de la llama y resistente a la humedad y al calor (60ºC), se usa en lugares secos y húmedos. Este tipo de conductor actualmente se esta dejando de utilizar y se está reemplazando por el THWN y el THHN, que lo veremos a continuación. 12.5.3 Aislamiento THHN/THWN En este caso tenemos un alambre o cable de cobre suave, aislado con PVC y con un recubrimiento de nylon (poliamida). Este recubrimiento es resistente

al calor y a la humedad. La nueva tecnología ha hecho unos conductores eléctricos que trabajan a una mayor temperatura y está dejando atrás otros tipos de conductores similares como son los conductores con aislamiento THW y el TW (no tienen nylon). Algunas características son: yy Puede estar en lugares mojados o secos yy La temperatura de operación es de 90º yy Opera por debajo de los 600 voltios yy Resistencia química a grasas aceites e hidrocarburos yy Difíciles de romper yy Muy resistente a la abrasión yy Alta resistencia térmica 12.6 TIPOS DE AISLAMIENTO Actualmente hay una gran cantidad de aislamientos que se pueden consultar en catálogos de fabricantes de conductores; a continuación se muestra la tabla 12.3, que es parte de la tabla 310.13 de la NTC 2050, donde se dan características de los aislamientos para los conductores permitidos actualmente. Cuando no se especifique lo contrario, los siguientes aislamientos son apropiados para 600V.

Tabla 12.3 Tipos de aislamiento Nombre comercial Etileno-propileno fluorado Aislamiento mineral (con recubrimiento metálico)

Letra de tipo FEP o FEPB MI

Temp. máx. de funcionamiento 90°C 200°C 90°C 250°C 60°C

Termoplástico resistente a la humedad, al calor y al aceite

MTW 90°C

Aplicaciones previstas Lugares secos y mojados Lugares secos en aplicaciones especiales Lugares secos y mojados Para aplicaciones especiales Instalaciones de máquinas herramientas en lugares mojados, como permite NFPA 79 (ver Artículo 670). Instalaciones de máquinas herramientas en lugares secos, como permite NFPA 79 (ver Artículo 670)

Aislamiento Etileno-propileno fluorado Etileno-propileno fluorado Oxido de magnesio Termoplástico retardante de la llama y resistente a la humedad, al calor y al aceite

93

Instalaciones eléctricas

Nombre comercial

Letra de tipo

Papel

Temp. máx. de funcionamiento 85°C

Perfluoroalcoxi

PFA

90°C 200°

Perfluoroalcoxi

PFAH

250°C

RH

75°C

RHH

90°C

Plástico termoendurecible resistente a la humedad

RHW

75°C

Plástico termoendurecible resistente a la humedad

RHW-2

90°C

Silicona

SA

90°C 200°C

Plástico termoendurecible

SIS

90°C

Termoplástico y otras mallas externas fibrosas

TBS

90°C

Politetrafluoroetileno extendido

TFE

250°C

Termoplástico resistente al calor

THHN

90°C

Termoplástico resistente a la humedad y al calor

THHW

75°C 90°C

Termoplástico resistente a la humedad y al calor

THW

75°C 90°C

Termoplástico resistente a la humedad y al calor

THWN

75°C

TW

60°C

Plástico termoendurecible Plástico termoendurecible

Termoplástico resistente a la humedad

94

Aplicaciones previstas

Aislamiento

Para conductores subterráneos de acometida o Papel con permiso especial Lugares secos y mojados Perfluoroalcoxi Lugares secos, aplicaciones especiales Sólo para lugares secos. Sólo para cables dentro de aparatos o de conductos conectados a Perfluoroalcoxi aparatos (sólo de níquel o de cobre recubiertos de níquel) Lugares secos y mojados Lugares secos y mojados

Plástico termoendurecible retardante de la llama

Lugares secos y mojados. Si el aislante es de Plástico termoendurecible resistente a la más de 2 000 voltios, debe ser resistente al humedad y retardante de la llama ozono Plástico termoendurecible resistente a la Lugares secos y mojados humedad y retardante de la llama Lugares secos y húmedos. Para aplicaciones especiales Goma de silicona Plástico termoendurecible retardante de Sólo para cableado de cuadros la llama Sólo para cableado de cuadros Termoplástico Sólo lugares secos. Sólo para cables dentro de aparatos o dentro de canalizaciones conectadas Politetrafluoroetileno extendido a aparatos, o como cables desnudos (sólo de níquel o níquel recubierto de cobre) Termoplástico resistente al calor y retarLugares secos y húmedos dante de la llama Lugares húmedos Termoplástico retardante de la llama y Lugares secos resistente a la humedad y al calor Lugares secos y húmedos. Aplicaciones especiales en equipos de iluminación por descarga. Termoplástico retardante de la llama y Limitado a 1000 voltios en circuito abierto o resistente a la humedad y al calor menos (sólo cables de los números 14-8, como permite la sección 410-13) Termoplástico retardante de la llama y Lugares secos y húmedos resistente a la humedad y al calor Termoplástico retardante de la llama y Lugares secos y húmedos resistente a la humedad y al calor

CAPÍTULO 12. Conductores eléctricos

Letra de tipo

Temp. máx. de funcionamiento

UF

60°C 75°C

Ver Artículo 339

Resistente a la humedad Resistente al calor y a la humedad

USE

75°C

Ver Artículo 338

Resistente al calor y a la humedad

Plástico termoendurecible

XHH

90°C

Lugares secos y mojados

Plástico termoendurecible resistente a la humedad

XHHW

90°C 75°C

Lugares secos y mojados Lugares húmedos

Plástico termoendurecible resistente a la humedad

XHHW-2

90°C

Lugares secos y húmedos

Plástico termoendurecible retardante de la llama y resistente a la humedad

Etileno-tetrafluoroetileno modificado

Z

90°C 150°C

Lugares secos y mojados Lugares secos, aplicaciones especiales

Etileno-tetrafluoroetileno modificado

Etileno-tetrafluoroetileno modificado

ZW

75°C 90°C 150°C

Lugares húmedos Lugares secos y mojados Lugares secos, aplicaciones especiales

Etileno-tetrafluoroetileno modificado

Nombre comercial Cable de circuitos subterráneos principales y secundarios de un solo conductor (para cables de tipo UF con más de un conductor, ver el Artículo 339) Cable subterráneo de entrada a la acometida, de un solo conductor (para cables de tipo USE con más de un con- ductor, ver Artículo 338)

NOTAS: yy Cuando en la descripción de las características se hace referencia a algún artículo, se refiere a un artículo de la NTC 2050. yy Cuando habla de aplicaciones especiales, o lugares especiales, se refiere a aquellos lugares donde se trabaja a una temperatura a los 90ºC.

Aplicaciones previstas

Aislamiento

Plástico termoendurecible retardante de la llama Plástico termoendurecible retardante de la llama y resistente a la humedad

12.7 RESISTENCIA DEL AISLAMIENTO Veremos a continuación la tabla 12.4 que es parte de la tabla 32 del RETIE, donde especifica la resistencia del aislamiento de los conductores, esta norma está dispuesta con el objetivo de que las instalaciones no presenten cortocircuitos ni “tierras”. Así también se establece una tensión de prueba.

Tabla 12.4 Resistencia Calibre

Resistencia mínima del aislamiento en MΩ por Km de conductor

Tensión de ensayo dieléctrico V (rms)

Calibre

Resistencia mínima del aislamiento en MΩ por Km de conductor

Tensión de ensayo dieléctrico V (rms)

AWG

TW

THW

THHN

Conductores TW

Conductores THW/THHN

AWG

TW

THW

THHN

Conductores TW

Conductores THW/THHN

4/0 3/0 2/0 1/0

20 20 25 25

70 80 85 95

95 105 115 130

2 500 2 500 2 500 2 500

2 500 2 500 2 500 2 500

1 2 3 4

30 25 25 30

105 95 110 115

140 130 145 155

2 500 2 000 2 000 2 000

2 500 2 000 2 000 2 000

95

Instalaciones eléctricas

Calibre

Resistencia mínima del aislamiento en MΩ por Km de conductor

Tensión de ensayo dieléctrico V (rms)

AWG

TW

THW

THHN

Conductores TW

Conductores THW/THHN

5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

30 35 40 35 40 35 35 40 45 45

125 135 145 130 155 125 135 150 165 175

135 155 170 185 225 180 195 175 190 205

2 000 2 000 2 000 2 000 1 500 1 500 1 500 1 500 1 500 1 500

2 000 2 000 2 000 2 000 2 000 2 000 2 000 2 000 2 000 2 000

12.8 CAPACIDAD DE LOS CONDUCTORES EN AMPERIOS Y TIPO DEL AISLAMIENTO Con todo lo que hemos dicho antes, nos damos cuenta que todavía falta tratar un tema de mayor interés y es el relativo a la capacidad de corriente de un conductor, esta capacidad de corriente depende de varios factores, como son: la sección transversal del conductor, su tipo de aislamiento, el voltaje de operación y las condiciones de temperatura. La capacidad de corriente también está reglamentada de modo que no se vaya a correr riesgos por exigir una corriente mayor a un conductor de la que puede conducir, para ello mostraremos la tabla 12.5 extractada de la tabla 310.16 de la NTC 2050. Tabla 12.5 Capacidad Calibre AWG MCM 14 12 10

96

Capacidad en amperios THW/THWN 75ºC THWN 90ºC 20 25 25 30 35 40

Calibre AWG MCM 8 6 4 3 2 1 1/0 2/0 3/0 4/0 250 300 350 400 500 600 700 750 800 900 1 000 1 250 1 500 1 750 2 000

Capacidad en amperios THW/THWN 75ºC THWN 90ºC 50 55 65 75 85 95 100 110 115 130 130 150 150 170 175 195 200 225 230 260 255 290 285 320 310 350 335 380 380 430 420 475 460 520 475 535 490 555 520 585 545 615 590 665 625 705 650 735 665 750

La anterior tabla está muy simplificada y nos sirve como guía general, vemos la diferencia de capacidad de corriente entre los conductores con aislamiento THW/THWN de 75ºC y los THWN de 90ºC. Si deseamos consultar unas tablas con más información, se puede revisar la NTC 2050 en la sección 310 donde se nos habla de las normas que deben cumplir los conductores y se informa más específicamente las condiciones de operación, entre ellas está la temperatura. De esta manera, si la temperatura del sistema supera la temperatura máxima del conductor, este tipo

CAPÍTULO 12. Conductores eléctricos

de conductor no se puede utilizar allí, se debe buscar otro conductor que sí esté apto para esta temperatura. La máxima corriente permisible a las diferentes temperaturas del ambiente, será determinada empleando unos factores de corrección indicados en el

anexo inferior de las tablas y deberán aplicarse a los valores obtenidos en la tabla principal. En las tablas 12.6a y 12.6b mostraremos la tabla 310.16 de la NTC 2050. En esta tabla también podemos ver la capacidad de corriente de cada tipo de conductor de una forma más detallada, esta tabla es para los conductores que están en ductos.

Tabla 12.6a Temperatura AWG Kcmils

60°C (140°F

TIPOS TW*, UF*

Temperatura nominal del conductor (ver Cuadro 310-13) 75°C 90°C 60°C 75°C 90°C (167°F) (194°F) (140°F) (167°F) (194°F) TIPOS TIPOS TIPOS TIPOS TBS, SA, SIS, FEP*, TBS, SA, SIS, FEPW*, RH*, THHN*, THHW*, FEPB*, MI, RHH*, TIPOS RH*, RHW*, THW-2, THWN-2, RHW*, THHW*, RHW-2, THHN*, THHW*, THW*, RHH*, RHW-2, THW*, THWN*, THHW*, THW-2*, TW*, UF THWN*, XHHW*, XHHW*, USE*, THWN-2*, USE-2, USE-2, XHH, USE* ZW* XHH, XHHW*, XHHW, XHHW-2, XHHW-2, ZW-2 ZW-2 COBRE ALUMINIO O ALUMINIO RECUBIERTO DE COBRE .... 14 .... .... ....

AWG Kcmils

18

....

16

....

....

18

....

....

....

....

14

20#

20#

25

....

....

....

....

12

25#

25#

30#

20#

20#

25#

12

10

30

35#

40#

25

30#

35#

10

8 6

40 55

50 65

55 75

30 40

40 50

45 60

8 6

4

70

85

95

55

65

75

4

3

85

100

110

65

75

85

3

2

95

115

130

75

90

100

2

1 1/0

110 125

130 150

150 170

85 100

100 120

115 135

1 1/0

2/0

145

175

195

115

135

150

2/0

3/0

165

200

225

130

155

175

3/0

4/0

195

230

260

150

180

205

4/0

....

97

Instalaciones eléctricas

Temperatura nominal del conductor (ver Cuadro 310-13) 90°C 60°C (194°F) (140°F) 290 170

AWG Kcmils 250

60°C (140°F 215

75°C (167°F) 255

75°C (167°F) 205

90°C (194°F) 230

AWG Kcmils 250

300

240

285

320

190

230

255

300

350

260

310

350

210

250

280

350

400

280

335

380

225

270

305

400

500 600

320 355

380 420

430 475

260 285

310 340

350 385

500 600

700

385

460

520

310

375

420

700

750

400

475

535

320

385

435

750

800

410

490

555

330

395

450

800

900 1000

435 455

520 545

585 615

355 375

425 445

480 500

900 1000

1250

495

590

665

405

485

545

1250

1500

520

625

705

435

520

585

1500

1750

545

650

735

455

545

615

1750

2000

560

665

750

470

560

630

2000

1,04 1,00 0,96 0,91 0,87 0,82 0,76 0,71 0,58 0,41

Temperatura ambiente en °F 70- 77 78- 86 87- 95 96-104 105-113 114-122 123-131 132-140 141-158 159-176

Tabla 12.6b Factores de corrección Temperatura ambiente en °C 21-25 26-30 31-35 36-40 41-45 46-50 51-55 56-60 61-70 71-80

98

1,08 1,00 0,91 0,82 0,71 0,58 0,41 .... .... ....

FACTORES DE CORRECCIÓN Para temperaturas ambientes distintas de 30°C (86°F), multiplicar las anteriores intensidades por el correspondiente factor de los siguientes 1,05 1,08 1,04 1,05 1,00 1,00 1,00 1,00 0,94 0,91 0,96 0,94 0,88 0,82 0,91 0,88 0,82 0,71 0,87 0,82 0,75 0,58 0,82 0,75 0,67 0,41 0,76 0,67 0,58 .... 0,71 0,58 0,33 .... 0,58 0,33 .... .... 0,41 ....

CAPÍTULO 12. Conductores eléctricos

También se presentó la tabla 12.7, que es la misma tabla 310.17 de la NTC 2050, aquí se describen las características de operación de los conductores al aire libre, a una temperatura de 20ºC y en la parte inferior de la tabla están los respectivos factores de corrección. Tabla 12.7 Temperaturas Sección AWG Kcmils

60°C (140°F)

Temperatura nominal del conductor (ver Cuadro 310-13) 75°C 90°C 60°C 75°C (167°F) (194°F) (140°F) (167°F) TIPOS TIPOS

TIPOS TW*, UF*

FEPW*, RH*, RHW*, THHW*, THW*, THWN*, XHHW*, ZW*

TBS, SA, SIS, FEP*, FEPB*, MI, RHH*, RHW-2, THHN*, THHW*, THW-2*, THWN-2*, USE-2, XHH, XHHW*, XHHW-2, ZW-2

90°C (194°F) TIPOS

TBS, SA, SIS, THHN*, THHW*, RH*, RHW*, TIPOS THW-2, THWN-2, THHW*, THW*, TW*, UF* RHH*, RHW-2, THWN*, XHHW*, USE-2, XHH, USE* XHHW, XHHW-2, ZW-2 ALUMINIO O ALUMINIO RECUBIERTO DE COBRE .... .... ....

Sección AWG Kcmils

TIPOS

18

....

COBRE ....

18

16

....

....

24

....

....

....

....

14

25#

30#

35#

....

....

....

....

12

30#

35#

40#

25#

30#

35#

12

10

40

50#

55#

35#

40#

40#

10

8 6

60 80

70 95

80 105

45 60

55 75

60 80

8 6

4

105

125

140

80

100

110

4

3

120

145

165

95

115

130

3

2

140

170

190

110

135

150

2

1 1/0

165 195

195 230

220 260

130 150

155 180

175 205

1 1/0

2/0

225

265

300

175

210

235

2/0

3/0

260

310

350

200

240

275

3/0

4/0

300

360

405

235

280

315

4/0

....

Los conductores marcados con * se indican en la norma para saber qué tipo de protección se debe tener. 99

Instalaciones eléctricas

Sección AWG Kcmils

60°C (140°F)

75°C (167°F)

Temperatura nominal del conductor (ver Cuadro 310-13) 90°C 60°C 75°C (194°F) (140°F) (167°F) TIPOS

TIPOS TIPOS TW*, UF*

FEPW*, RH*, RHW*, THHW*, THW*, THWN*, XHHW*, ZW*

TBS, SA, SIS, FEP*, FEPB*, MI, RHH*, RHW-2, THHN*, THHW*, THW-2*, THWN-2*, USE-2, XHH, XHHW*, XHHW-2, ZW-2

TBS, SA, SIS, THHN*, THHW*, RH*, RHW*, TIPOS THW-2, THWN-2, THHW*, THW*, TW*, UF* RHH*, RHW-2, THWN*, XHHW*, USE-2, XHH, USE* XHHW, XHHW-2, ZW-2 ALUMINIO O ALUMINIO RECUBIERTO DE COBRE 265 315 355

Sección AWG Kcmils

TIPOS

250

340

COBRE 405

300

375

445

505

290

350

395

300

350

420

505

570

330

395

445

350

400

455

545

615

355

425

480

400

500 600

515 575

620 690

700 780

405 455

485 540

545 615

500 600

700

630

755

855

500

595

675

700

750

655

785

855

515

620

700

750

800

680

815

920

535

645

725

800

900 1000

730 780

870 935

985 1055

580 625

700 750

785 845

900 1000

1250

890

1065

1200

710

855

960

1250

1500

980

1175

1325

795

950

1075

1500

1750

1070

1280

1445

875

1050

1185

1750

2000

1155

1385

1560

960

1150

1335

2000

455

Los conductores marcados con * se indican en la norma para saber qué tipo de protección se debe tener. 100

90°C (194°F) TIPOS

250

CAPÍTULO 12. Conductores eléctricos

Sección AWG Kcmils

60°C (140°F)

75°C (167°F)

TW*, UF*

TBS, SA, SIS, FEP*, FEPB*, MI, RHH*, RHW-2, THHN*, THHW*, THW-2*, THWN-2*, USE-2, XHH, XHHW*, XHHW-2, ZW-2

90°C (194°F) TIPOS

TBS, SA, SIS, THHN*, THHW*, RH*, RHW*, FEPW*, RH*, TIPOS THW-2, THWN-2, THHW*, THW*, RHW*, THHW*, TW*, UF* RHH*, RHW-2, THW*, THWN*, THWN*, XHHW*, USE-2, XHH, XHHW*, ZW* USE* XHHW, XHHW-2, ZW-2 COBRE ALUMINIO O ALUMINIO RECUBIERTO DE COBRE FACTORES DE CORRECCIÓN Para temperaturas ambientes distintas de 30°C (86°F) multiplicar las anteriores intensidades por el correspondiente factor de los siguientes 1,05 1,04 1,08 1,05 1,04 TIPOS

TIPOS

Temperatura nominal del conductor (ver Cuadro 310-13) 90°C 60°C 75°C (194°F) (140°F) (167°F) TIPOS

Sección AWG Kcmils

TIPOS

Temperatura ambiente en °C 21-25

Temperatura ambiente en °F 70- 77

1,08

26-30

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

78- 86

31-35

0,91

0,94

0,96

0,91

0,94

0,96

87- 95

36-40

0,82

0,88

0,91

0,82

0,88

0,91

96-104

41-45

0,71

0,82

0,87

0,71

0,82

0,87

105-113

46-50

0,58

0,75

0,82

0,58

0,75

0,82

114-122

51-55

0,41

0,67

0,76

0,41

0,67

0,76

123-131

56-60

....

0,58

0,71

....

0,58

0,71

132-140

61-70

....

0,33

0,58

....

0,33

0,58

141-158

71-80

....

....

0,41

....

....

0,41

159-176

Los conductores marcados con * se indican en la norma para saber qué tipo de protección se debe tener. Observaciones a la tabla anterior: yy Conductores de aluminio: las capacidades de corriente para los conductores de aluminio se obtienen multiplicando por 0,84 los valores dados en las tablas 12.6a, 12.6b, 12.7 y 12.8 para los respectivos calibres en cobre, con el mismo tipo de aislamiento.

yy Conductores desnudos: cuando se utilicen conductores desnudos con conductores cubiertos sus capacidades deben ser limitadas por las de los cubiertos. yy Uso de la tabla: para canalizaciones abiertas (o sea canalizaciones al aire libre) se debe utilizar la tabla 12.7, pero para los otros sistemas de canalización se debe utilizar la tabla 12.6a y 12.6b. 101

Instalaciones eléctricas

yy Para más de tres conductores en un ducto: en la tabla 12.6a y 12.6b obtenemos los valores de la capacidad para no más de tres conductores en un ducto o cuando se utilice canalización directa a tierra. yy Las capacidades dadas en las tablas 12.6a, 12.6b y 12.7 están limitadas por la temperatura y no contemplan la caída de voltaje. 12.9 CÓDIGO DE COLORES El RETIE lo dice así: “Con el objeto de evitar accidentes por errónea interpretación de los niveles de tensión y unificar los criterios para instalaciones

eléctricas, se debe cumplir el código de colores para conductores establecido en la tabla 13 del RETIE. Se tomará como válido para determinar este requisito el color propio, el acabado exterior del conductor o en su defecto, su marcación debe hacerse en las partes visibles con pintura, con cinta o rótulos adhesivos del color respectivo. Este requisito es también aplicable a conductores desnudos, como los barrajes”. El código de colores establecido en la tabla 13 del RETIE no aplica para los conductores utilizados en instalaciones externas o a la intemperie, diferentes a la acometida, tales como las redes, líneas y subestaciones tipo poste. En la tabla 12.8 pondremos la tabla 13 del RETIE.

Tabla 12.8 Código de colores 1φ 120 1fase

1φ 240/120 2fases

3 φY 208/120 3fases

3 φ∆ 240 3fases

3 φ∆240/208/120 3fases

3 φY 480/277 3fases

3 φ∆ 480 3fases

2hilos

3hilos Negro

3hilos Negro

4hilos Negro

4hilos

Negro

4hilos Amarillo

3hilos Café

Trifásico

Rojo

Azul

Azul

Naranja

Neutro

Blanco

Blanco

Rojo Blanco

Azul Blanco

Tierra de protección

Verde o desnudo

Verde o desnudo

Verde o desnudo

Rojo No aplica Verde o desnudo

Naranja Amarillo

Tierra aislada

Verde o verde/ amarillo

Verde o verde/ amarillo

Verde o verde/ amarillo

Sistema Tensiones nominales (voltios) Conductores activos

Fases

12.10 NOTAS COMPLEMENTARIAS SOBRE CONDUCTORES Para dar por terminado este capítulo hacemos referencia a la sección 310 de la NTC 2050 donde se dan las especificaciones de los conductores para una instalación en general, haremos una pequeña síntesis de esta manera: yy Los conductores que vayan directamente enterrados deben ser de un tipo identificado para ese uso. Los cables de más de 8 000 V deben ser blindados. 102

No aplica

Café

Gris

Verde o desnudo

Verde o desnudo

Verde o verde/ amarillo

No aplica

Naranja Amarillo No aplica Verde o desnudo No aplica

yy Los conductores aislados que se utilicen en lugares mojados deben: estar recubiertos de plomo, ser de los tipos RHW, TW, THW, THHW, THWN o XHHW y ser de un tipo certificado para uso en lugares mojados. yy El mínimo calibre que se debe usar en las instalaciones residenciales es el Nº 14 AWG. yy Los conductores empleados deben tener las condiciones mecánicas adecuadas, así como su aislamiento y su capacidad de corriente.

CAPÍTULO 12. Conductores eléctricos

yy Es muy importante verificar las condiciones de operación para los conductores antes de elegir el tipo de aislamiento y así poder elegir el conductor con el aislamiento adecuado, si es en condiciones húmedas, secas (como se expuso en la tabla 12.3), tipo de temperatura, la corriente que debe transportar, entre otros, como se mostró en las tablas 12.6a, 12.6b y 12.7. 12.11 ALAMBRE FLEXIBLE Como este tipo de conductor se usa con mucha frecuencia en instalaciones pequeñas, especialmente residenciales, el reglamento tiene algunas limitaciones que es bueno conocerlas; las limitaciones las establece la NTC 2050 en la sección 400. Haremos un breve resumen de la tabla 400-4 de la NTC 2050 donde se nos habla de los usos permitidos y sobre sus calibres, en ella se nos dice que depende de la carga que le vamos a conectar debemos usar las tablas 12.6a, 12.6b y 12.7 (en la NTC 2050 tablas 310.16 y 310.17). yy Cable flexible para bombilla

yy Cable para ascensores, el calibre depende de en que parte del ascensor se vaya a instalar el cable (transmisión de datos o energía para el motor) yy Cable para un calentador yy Cable para escenarios de iluminación yy Cable para aspiradoras yy Cable para vehículo Debemos tener en cuenta que su uso no está permitido para reemplazar el alambrado fijo de la estructura, no debe atravesar paredes, techos, pisos, puertas ni ventanas. Tampoco debemos hacer empalmes en estos conductores, sólo está permitido utilizar su punta. En el numeral 17.1 del RETIE se describen cuáles deben ser los requisitos que deben cumplir los cables, entre estos está la resistencia eléctrica, el área mínima del conductor y el rotulado para conductores de baja tensión de uso residencial. Para conductores de media y alta tensión adicionalmente tiene otros requerimientos, tales como la carga de rotura del conductor, el número de hilos que debe llevar el conductor (cable), entre otras características que se pueden consultar directamente en el RETIE.

103

Instalaciones eléctricas

104

CAPÍTULO 13. Sistemas típicos de distribución

CAPÍTULO 13 Sistemas típicos de distribución

(Para corriente alterna hasta 600 voltios)

La gran mayoría de las instalaciones eléctricas en los edificios emplea sistemas de corriente alterna. Sin embargo, la corriente continua también tiene aplicaciones prácticas, sobre todo cuando se convierte la ca en cc, tal como se hace en instalaciones especiales de ascensores (Sistemas Ward Leonard) en las que se introdujo el llamado grupo motor-generador-convertidor actualmente en desuso. De esta forma, en los esquemas que se apreciarán a continuación se muestran los sistemas usuales para distribución de la ca en las edificaciones comunes: residenciales, comerciales e industriales.

13.1 SISTEMA BIFILAR MONOFÁSICO Una fase - Dos Hilos - 120 Voltios La corriente de línea IL = corriente de fase I El voltaje de línea VL = voltaje de fase Vg W = VL × I L × fp

donde usualmente fp = 1

 

Figura 13.1 Una fase - dos hilos - 120 voltios

105

Instalaciones eléctricas

Empleado tradicionalmente para instalaciones residenciales. Se sigue utilizando en casas pequeñas y similares. Admite la presencia de pequeños motores: máquinas de coser, ventiladores, etc. Uso restringido.

Actualmente ha sido reemplazado por otro sistema monofásico de 3 alambres, más económico, como se verá a continuación.

13.2 SISTEMA TRIFILAR MONOFÁSICO Una fase - Tres Hilos - 120/220V Figura 13.2 Una fase -tres hilos- 120/249 V

Este sistema es equivalente a dos circuitos monofásicos cada uno con 2 hilos. Siendo el más utilizado en especial para circuitos monofásicos residenciales y comerciales. Como se observa, la previsión del tercer hilo, duplica la capacidad del sistema bifilar monofásico. 106

El sistema trifilar monofásico permite ramificaciones bifilares a 120 V para circuitos de alumbrado y tomas de corriente. Al mismo tiempo, provee alimentación a 220 V para estufas, motores, calentadores de agua, etc. En la figura 13.3 se aprecia un ejemplo de distribución a 120/240 V.

CAPÍTULO 13. Sistemas típicos de distribución

Figura 13.3 Una fase –tres hilos– 120/240 V

13.3 SISTEMAS BIFÁSICOS (3 Y 4 HILOS - EN DESUSO)

Figura 13.4 Sistema trifilar bifásico

Figura 13.5 Sistema tetrafilar bifásico

Sistema trifilar bifásico Similar a un circuito monofásico con 3 hilos, pero el hilo común no es neutro ya que hay una diferencia de fase de 90º.

Sistema tetrafilar bifásico Es equivalente a dos circuitos monofásicos separados, cada uno con dos hilos, ver figura 13.5.

Actualmente este sistema es poco práctico, pues rara vez la red pública de alimentación es bifásica. En nuestro medio las redes son generalmente monofásicas y trifásicas. Sin embargo, a título de información, se dan los dos ejemplos siguientes. Estos sistemas pueden tener 3 o 4 hilos y aún hasta 5 hilos.

107

Instalaciones eléctricas

13.4 SISTEMAS TRIFÁSICOS Deben distinguirse cuatro casos de posibilidades prácticas más comunes: a. b. c. d.

Trifásicos de 4 hilos, conexión estrella, 208Y/120 V Trifásicos de 4 hilos, conexión delta, 240/120 V Trifásicos de 4 hilos, conexión estrella, 460Y/265 V Trifásico de 3 hilos, conexión delta para 230 o 460 V

13.4.1 Trifásico, 4 hilos, estrella, 120/208 V Veamos separadamente los esquemas de cada uno de ellos. Figura 13.6, 13.7, 13.8 y 13.9. Conviene anotar que los sistemas trifásicos de 4 hilos, son equivalentes a tres circuitos monofásicos separados, cada uno con 2 hilos cuyos potenciales están desfasados 120º entre sí y tienen un retorno común.

Figura 13.6 Trifásico 4 hilos

El voltaje de línea VL es

3 × VF   , siendo VF el voltaje de fase.

V es el voltaje entre 2 fases, es decir V = 3 × Vg .  Vg es el voltaje entre fase y neutro.

108

Este sistema es empleado en edificios de oficinas, almacenes, pequeñas plantas industriales, etc. Provee alimentación a 120 V (monofásica) para circuitos de alumbrado y tomacorrientes normales; además para motores y similares a 208 V. Puede llamarse tetrafilar trifásico. Aumenta en un ±50% la capacidad del trifilar monofásico. Es de anotar que 208 V es producto de de 3 × 120 V ( V = 3 × Vg ).. 

CAPÍTULO 13. Sistemas típicos de distribución

Figura 13.7 Trifásico, 4 hilos, delta, 120/240 voltios (no equilibrado)

Recuérdese lo dicho con relación al neutro. Además: 240 x cos 30º = 208 voltios (entre B y N)

13.4.2 Trifásicos, 4 hilos, delta, 120/240 V Con este sistema se consigue alimentación para fuerza motriz a 240 V y para circuitos de alumbrado a 120 V. Esta última se obtiene entre los puntos A o C y el neutro como se ve en la figura. Sin embargo, el voltaje entre la tercera fase (B a N) y el neutro es de 208 V. Se utiliza especialmente cuando la carga para circuitos de fuerza motriz es mayor que la demandada por el alumbrado.

Figura 13.8 Trifásico, 4 hilos, estrella, 460/265 voltios

13.4.3 Trifásico, 4 hilos, estrella, 460/265 V W = 3 × VL × I L × fp  

Se emplea en grandes instalaciones industriales y comerciales, suministra alimentación a 460 V para motores trifásicos. El voltaje de 265 V es usado para la alimentación de circuitos monofásicos de lámparas fluorescentes. Con la ayuda de transformadores puede además conseguirse alimentación a 230 V si se requiere. 109

Instalaciones eléctricas

13.4.4 Trifásico, 3 hilos, delta para 230 V, 460 V, 550 V (sin neutro) Figura 13.9 Trifásico, 3 hilos, delta para 230 V, 460 V, 550 V (sin neutro)

Este sistema suministra alimentación trifásica a circuitos de fuerza motriz para 230 V, 460 V o 550 V, cada uno considerado independientemente. Se puede usar para grandes cargas de fuerza motriz solicitada.

Finalmente en la figura 13.10 se amplía el esquema del sistema trifásico de 4 hilos (estrella) 120/208 V para mostrar el desarrollo de los diferentes circuitos en un edificio mediano.

Es importante anotar que la corriente de línea IL es . Donde IF, es la corriente de fase, para sistemas con configuración en delta y cuyo Voltaje de línea VL es igual al voltaje de fase VF. Para una mayor ampliación remitirse al capítulo 6.

Así por ejemplo, los cables principales alimentadores (o Feeders) son los portadores de la ca trifásica (4 hilos), los circuitos de fuerza motriz toman generalmente las tres fases (3 hilos), los circuitos de alumbrado con mayor carga pueden tomar 2 fases y el neutro (3 hilos) y los menos cargados apenas toman 2 hilos (una fase y el neutro).

Mediante el empleo de transformadores se pueden conseguir otros voltajes, por ejemplo, 115/230 V, monofásico, 3 hilos; también 120/208 V, 3 fases, 4 hilos; utilizados en iluminación y pequeños motores. No se recomienda este sistema para 600 V, pues para ese voltaje ha entrado en desuso. 110

Los circuitos que toman 2 fases y el neutro de una conexión estrella o Y se llaman circuitos “Net-work”. Estos circuitos exigen contadores especiales y no simplemente monofásicos, que miden menos.

CAPÍTULO 13. Sistemas típicos de distribución

Figura 13.10 Esquema de circuitos en un edificio medio

111

Instalaciones eléctricas

13.5 COMPENDIO DE FÓRMULAS PARA EL CÁLCULO DE LOS CIRCUITOS DE CORRIENTE ALTERNA Como introducción al cálculo de los circuitos antes estudiados conviene hacer una recopilación de las fórmulas más utilizadas.

B. CIRCUITOS MONOFÁSICOS DE CORRIENTE ALTERNA DE 2 Y 3 HILOS A. FACTOR DE POTENCIA DE UN CIRCUITO O SISTEMA Es la relación entre la potencia eficaz (activa en vatios) y la potencia aparente (volt-amperios) y que es igual al coseno del ángulo de la fase en el circuito. fp =

fp =

fp =

112

Es la relación entre la potencia eficaz (activa en vatios) y la potencia aparente (volt-amperios) y que es igual al coseno del ángulo de la fase en el circuito. fp =

Potencia activa W = Potencia aparente VA

1000 W kW Kilovatio = = kVA Kilovoltiamperio 1000 VA

R donde R = Resistencia (Ohmios) Z Z = Impedancia (Ohmios)

fp =

fp =

R Z

Potencia activa W = Potencia aparente VA

1000 W Kilovatio kW = = kVA Kilovoltiamperio 1000 VA donde R = Resistencia (Ohmios) Z = Impedancia (Ohmios)

Es importante tener en cuenta que los circuitos monofásicos admiten motores inferiores a 2 Hp, cuando hay motores de 2 Hp y superiores; tanto los motores como los circuitos deben ser trifásicos, según la normatividad actual.

CAPÍTULO 13. Sistemas típicos de distribución

C. CIRCUITOS BIFÁSICOS DE CORRIENTE ALTERNA DE 4 HILOS (FIG. 13.11) Y 3 HILOS (13.12) W I= 2 × V × fp I=

I=

kW × 1000 2 × V × fp

Hp × 746 2 × V × fp × % efic. I=

kVA × 1000 2 ×V

Nota: para los circuitos bifásicos de 3 hilos la corriente en el conductor común es 2 veces la corriente en uno de los restantes conductores, es decir: IC = 2 ⋅ I W IC = 2 × V × fp

V=

W 2 × I × fp

fp =

W = 2 × V × I × fp

W kW = 2 × V × I kVA

Donde: W [=] vatio I [=] amperios V [=] voltios (tensión entre fase y neutro) fp = factor de potencia kVA = kilovoltio-amperio Hp = Horse power (caballo de fuerza) Hp x 746 = vatios % efic = porcentaje de eficiencia de un motor, etc.

Figura 13.11 2Ø - 3 hilos

Figura 13.12 2Ø - 4 hilos

113

Instalaciones eléctricas

D.

Donde:

I=

I=

kW × 1000 3 × V × fp Hp × 746

3 × V × fp × %efic

I=

kVA × 1000

3 ×V

V=

W

W = 3 × V × I × fp

3 × I × fp

W [=] vatio I [=] amperios

fp =

W

3 ×V × I

=

kW kVA

V [=] voltios (tensión entre 2 fases) fp = factor de potencia kVA = kilovoltio-amperio

NOTA: para circuitos trifásicos de 4 hilos, estrella, el voltaje entre cada

3 veces el par de fases es voltaje entre fase y neutro.

kW = kilovatio Hp = Horse power

Figura 13.13 Delta

(caballo de fuerza) Hp x 746 = vatios .% efic = porcentaje de eficiencia de un motor, etc.

114

CAPÍTULO 13. Sistemas típicos de distribución

E. Una fórmula general complementaria de las anteriores, es la que se emplea para calcular el tamaño de los conductores de alimentación en función de la demanda en vatios. Está dada por: Amperios =

Vatios = IL K × V × fp

No olvidemos que: Fp = Factor de potencia = 1, par corriente continua, cc Fp = 1, para circuitos resistivos simples de corriente alterna, ca a. Para voltaje entre fase y neutro: •

K = 1. Para circuitos monofásicos de 2 hilos, tanto para ca como para cc

•

K = 2. Para circuitos monofásicos de 3 hilos para ca, y para cc de 3 hilos

•

K = 3. Para circuitos trifásicos, estrella, de 4 hilos ca

b. Para voltaje entre cada par de fases: •

K = 1. Para circuitos monofásicos de 3 hilos ca y para cc de 2 hilos

•

K = 3 . Para circuitos trifásicos de 3 y 4 hilos

c. Voltaje considerado en cada caso: •

Entre una fase y el neutro: Vg

•

Entre cada par de fases: Vf = VL = Voltaje de línea

115

Instalaciones eléctricas

F.

CUADRO SINÓPTICO PARA CORRIENTE ALTERNA MONOFÁSICA

BIFÁSICA (No se usa)

W Vg × fp

Hilos exteriores W I= 2 ⋅ Vg × fp

IL =

2 Hilos Vf = Vg Ver Figura 13.1

IC =

Hilo común W

2 × Vg × fp 4 Hilos

IL =

Vf = Voltaje entre fases = VL

116

IL =

IL =

W 2 ⋅ Vf × fp 4 Hilos

W

3 × Vf × fp 3 Hilos Δ Sin neutro I L = 3 ⋅ I fase Ver figura 13.9

IL =

W 2 ⋅ Vg × fp

3 Hilos Vf = 2Vg Ver Figura 13.2

TRIFÁSICA Δ & Y

W

3 × Vf × fp W IL = 3 × Vg × fp

4 Hilos Y Con neutro I L = I fase Ver figura 13.6-13.8

Vg = Voltaje entre fase y neutro

CAPÍTULO 13. Sistemas típicos de distribución

G. POTENCIA BÁSICA EN LOS ALTERNADORES TRIFÁSICOS La potencia básica desarrollada por una sola fase es comparable a la potencia de una bomba centrífuga. En esta última, la potencia generada es el producto de la presión (H) y del caudal elevado (Q) como expresión fundamental. Por analogía, es posible plantear expresiones fundamentales para la potencia de los alternadores trifásicos, a saber:

 

Figura 13.14 Trifásico en estrella

POTENCIA DE UN ALTERNADOR TRIFÁSICO EN ESTRELLA (Y) La potencia propia de una sola fase es también el producto de la “presión” o “fuerza” (V) y del “caudal elevado” (I).

P1 = V ⋅ I = Voltios x Amperios Como son tres fases iguales, la potencia total desarrollada, es:

P = 3 × P1 = 3 × V ⋅ I

(voltiamperios )

En esta expresión V e I son el voltaje y la corriente de fase (eficaces). Pero en la práctica, interesa encontrar la potencia de la “fuente” en función de los valores medidos en las líneas. Por ello cabe otra expresión equivalente para la potencia, a partir de los valores de línea VL e IL, identificados así: •

IL = I. La corriente de línea es igual a la corriente de fase, como es sabido en sistemas dispuestos en estrella o Y

•

VL = 3 ⋅ V . El voltaje de línea (entre dos líneas vivas) es el voltaje de fase multiplicado por V de esta igualdad.

3 . Después se despeja el valor

Finalmente, hacemos las sustituciones para obtener la expresión equivalente:

P = 3×V ⋅ I = 3×

VL 3

⋅ I L = 3 ⋅ VL ⋅ I L

117

Instalaciones eléctricas

Hemos supuesto que el “factor de potencia”, fp, igual a 1 para simplificar (no hay pérdidas de potencia). La potencia generada se expresa usualmente en voltiamperios para distinguirla de la consumida o demandada por las cargas, la cual se expresa básicamente en vatios (exclusivamente para resistencias R). POTENCIA DE UN ALTERNADOR TRIFÁSICO EN DELTA ( Δ) Potencia de una sola fase: P1 = V ⋅ I

 

Potencia de las tres fases: P = 3 × P1 = 3 × V ⋅ I V e I son la tensión y la corriente de fase. Figura 13.15 Trifásico en delta Ahora se expresan estos valores en función de los valores de línea, como antes, para hallar la expresión equivalente. En la conexión delta se tienen los siguientes valores de línea: • •

IL = 3 ⋅ I . La corriente de línea es la de fase multiplicada por VL = V. El voltaje de línea es igual al voltaje de fase. Por lo tanto:

P = 3 × V ⋅ I = 3 × VL ⋅

3 . (Despejamos I)

IL 3

Las dos fórmulas de potencia son idénticas, para los valores de línea y para fp = 1.

118

= 3 ⋅ VL ⋅ I L

CAPÍTULO 13. Sistemas típicos de distribución

De lo anterior, concluimos que: ALTERNADOR EN Y

ALTERNADOR EN Δ

VL = 3 ⋅ V

VL = V

IL = I

IL = 3 ⋅ I

VL = diferencia de tensión entre dos líneas vivas = voltaje de línea V = diferencia de tensión entre los terminales de una fase = voltaje de fase IL = corriente de línea, en el circuito externo I = corriente de fase. (Todos estos valores son eficaces).

119

Instalaciones eléctricas

H. EJEMPLO COMPARATIVO DE INSTALACIONES TRIFÁSICAS Tres cargas iguales de alumbrado demandan 2 400 W cada una y deben operar a 120 V en un sistema trifásico equilibrado, ya sea en Y (con neutro) o en delta (sin neutro). Suponiendo que las cargas son sólo resistivas, hallar: a. La corriente de línea y los diferentes voltajes cuando se use un sistema de cargas en Y (estrella), con neutro. b. La corriente de línea y los voltajes correspondientes, cuando las cargas se instalen en delta, sin neutro. c. La potencia que debe ser suministrada por la “fuente” en ambos casos. SOLUCIÓN a.

Sistema trifásico en Y (estrella) con neutro, equilibrado  

Figura 13.16 Trifásico con neutro equilibrado

•

La corriente de línea IL es la misma corriente de fase y puede determinarse sencillamente en función de la demanda W de una carga y de la tensión a la cual opera, es decir:

W =V ⋅I

∴

I=

W 2400 W = = 20 A 120 V V

IL = 20 A es el valor eficaz de la corriente de línea. Un conductor sólido de cobre, calibre Nº14 AWG soporta en el límite esa corriente, como se aprecia en la tabla 310-16 del Código Eléctrico Colombiano – NTC 2050, aunque por razones de seguridad podría incrementarse el calibre al “paso” más grueso siguiente (Nº12 AWG). • La diferencia de tensión entre la línea neutra y cualquiera de las vivas, corresponde a V = 120 (voltaje al neutro). • La diferencia de tensión entre cada par de líneas vivas, es el voltaje de línea VL = 3 ⋅ V = 208 V .

120

CAPÍTULO 13. Sistemas típicos de distribución

EJEMPLO COMPARATIVO DE INSTALACIONES TRIFÁSICAS Sistema trifásico en delta sin neutro, equilibrado         Figura 13.17 Trifásico en delta sin neutro equilibrado

     

La corriente de línea se encuentra como I L = 3 ⋅ I , donde I es la corriente de fase. Para hallar I se procede tal como antes, es decir:

 

W = V ⋅I

 

∴I =

W 2400 W = = 20 A V 120 V

  Por lo tanto, I = 3 ⋅ I = 3 × 20 A = 34,6 A L

(En la delta )

(En la línea )

 

Es importante notar que la mayor corriente de línea es esta conexión exige un mayor calibre de conductor (por ejemplo, Nº8   AWG capaz de soportar hasta 50 A).   Finalmente, la potencia suministrada puede hallarse por los valores de fase o los de línea, así:   Para estrella (Y):  

P = 3 × V ⋅ I = 3 ⋅ VL ⋅ I L

∴ P = 3 ×120 × 20 = 3 × 208 × 20 = 7,2 kVA

  Para delta (Δ):  

P = 3×V ⋅ I

∴ P = 3 × 120 × 34,6 = 7,2 kVA

  La potencia suministrada es igual en ambos casos, es decir, P = 7,2 kVA.   Por otra, se ha supuesto el fp=1 de tal modo que la potencia consumida en vatios es idéntica a la suministrada en voltiamperios, por no considerar “pérdidas de potencia”.  

121

Instalaciones eléctricas

122

CAPÍTULO 14. Instalaciones y circuitos

CAPÍTULO 14 Instalaciones y circuitos

14.1 PARTES DE UNA INSTALACIÓN En este capítulo trataremos la instalación eléctrica, que está completamente reglamentada por el RETIE. Si nosotros cumplimos con esta norma estamos contribuyendo con la seguridad eléctrica de la instalación. Por ello la reglamentación de este capítulo y en general de todo el libro la estamos haciendo en base al RETIE. Algunas definiciones del RETIE sobre partes de la instalación eléctrica son: Instalación eléctrica: conjunto de aparatos eléctricos y de circuitos asociados, previstos para un fin particular: generación, transmisión, transformación, rectificación, conversión, distribución o utilización de la energía eléctrica. Acometida: derivación de la red local del servicio respectivo, que llega hasta el registro de corte del inmueble. En edificios de propiedad horizontal o condominios, la acometida llega hasta el registro de corte general. Circuito: lazo cerrado formado por un conjunto de elementos, dispositivos y equipos eléctricos, alimentados por la misma fuente de energía y con las mismas protecciones contra sobretensiones y sobretensión. No se toman los cableados internos de equipos como circuitos. Sistema de puesta a tierra (SPT): conjunto de elementos conductores de un sistema eléctrico específico, sin interrupciones ni fusibles, que conectan los equipos eléctricos con el terreno o una masa metálica. Comprende la puesta a tierra y la red equipotencial de cables que normalmente no conducen corriente.

Basándonos en lo anterior, desarrollaremos progresivamente estos elementos fundamentales de las instalaciones eléctricas. 14.2 ACOMETIDAS Conviene comenzar por las acometidas, escribiremos algunos artículos de la NTC 2050 para tener las definiciones y características precisas de la parte preeliminar de toda instalación. Definiciones: Acometida: derivación de la red local del servicio público domiciliario de energía eléctrica, que llega hasta el registro de corte del inmueble. En edificios de propiedad horizontal o condominios, la acometida llega hasta el registro de corte general. Acometida aérea: los conductores aéreos de acometida que van desde el último poste o soporte aéreo, incluidos los conectores de derivación, si los hay, hasta los conductores de entrada de acometida de la edificación u otra estructura. Acometida subterránea: conductores subterráneos de la acometida desde la red de la calle, incluidos los tramos desde un poste o cualquier otra estructura o desde los transformadores, hasta el primer punto de conexión con los conductores de entrada de la acometida en el tablero general, tablero de medidores o cualquier otro tablero con espacio adecuado, dentro o fuera del 123

Instalaciones eléctricas

muro de una edificación. Si no existe tablero general, tablero de medidores u otro con espacio adecuado, se debe considerar que el punto de conexión es el de entrada de los conductores de acometida al edificio.



b) Calibre mínimo: los conductores no deben tener una sección transversal menor a 8,36 mm2 (8 AWG) si son de cobre o a 13,29 mm2 (6 AWG) si son de aluminio o cobre revestido de aluminio.

Algunos artículos importantes de la NTC 2050 son:



Excepciones: 1) Para pequeñas unidades de vivienda que no superen una superficie de planta de 53 m2 cuya carga total corresponda exclusivamente a carga de alumbrado general y tenga sustitutos de la electricidad para calefacción y cocción, los conductores no deben ser de sección transversal inferior a 5,25 mm2 (10 AWG) si son de cobre o a 8,36 mm2 (8 AWG) si son de aluminio o cobre revestido de aluminio. 2) En instalaciones que tengan solamente cargas limitadas de un circuito ramal sencillo, como calentadores de agua controlados, pequeñas cargas polifásicas y similares, los conductores no deben ser de sección transversal menor a 3,3 mm2 (12 AWG) de cobre endurecido en frío o equivalente.

230-3. Una edificación o una estructura no deben estar alimentadas desde otra Los conductores de acometida de una edificación o una estructura no deben pasar a través del interior de otro edificio o estructura. 230-7. Otros conductores en canalizaciones o cables Los conductores que no sean los de acometida no se deben instalar en la misma canalización ni cable que los de la acometida.



230-21. Alimentación aérea Los conductores aéreos de acometida hasta un edificio u otra estructura (como un poste) en los que se instale un medidor o medio de desconexión, se deben considerar acometida aérea y se deben instalar como tales. Nota. Ejemplo, cargas en edificios agrícolas, Sección 220, Parte D.



230-22. Aislamiento o cubierta Los conductores de acometida deben soportar normalmente la exposición a los agentes atmosféricos y otras condiciones de uso sin que se produzcan fugas perjudiciales de corriente. Los conductores individuales deben estar aislados o cubiertos con un material termoplástico extruido o aislante termoajustable. Excepción: está permitido que el conductor de puesta a tierra de un cable de varios conductores esté desnudo. 230-23. Calibre y capacidad de corriente a) Generalidades: los conductores deben tener una capacidad de corriente suficiente para transportar la corriente para la que se ha calculado la carga, según la sección 220 y deben poseer una resistencia mecánica adecuada. 124

c) Conductores puestos a tierra: un conductor puesto a tierra no debe tener una sección menor de la exigida por el artículo 250-23.b).

230-46. Conductores sin empalmar Los conductores de entrada de acometida no deben presentar empalmes. 230-49. Protección contra daños físicos. Conductores subterráneos Los conductores subterráneos de entrada de acometida se deben proteger contra daños físicos según el artículo 300-5. (Capítulo 16). 230-51. Soportes de montaje Los cables o conductores individuales de acometida a la vista, se deben soportar como se especifica en los siguientes apartados a, b o c: a. Cables de entrada de acometida: los cables de entrada de acometida deben ir sujetos por abrazaderas u otro medio aprobado situado a menos de 0,3 m de cada capacete, cuello de cisne (tubo en “U”) o conexión a una canalización o armario y a intervalos que no pasen de 0,8 m.

CAPÍTULO 14. Instalaciones y circuitos





b) Otros cables: los cables que no estén aprobados para montaje en contacto con un edificio u otra estructura, se deben montar sobre apoyos aislantes instalados a intervalos que no pasen de 4,5 m y de manera que mantengan una distancia no menor a 50 mm de la superficie sobre la cual pasan. c) Conductores individuales a la vista: los conductores individuales a la vista se deben instalar según la tabla 230-51.c). Cuando estén expuestos a la intemperie, los conductores se deben montar sobre aisladores o soportes aislantes unidos a perchas, abrazaderas o algún otro medio aprobado. Si no están expuestos a la intemperie, los conductores se deben montar en aisladores (palomillas) de vidrio o porcelana.

230-90. Cuándo es necesario Todos los conductores de acometida no puestos a tierra deben tener protección contra sobrecarga. a) Conductor no puesto a tierra: dicha protección debe consistir en un dispositivo contra sobrecorriente en serie con cada conductor de acometida no puesto a tierra que tenga una capacidad de corriente nominal o ajuste no superior a la del conductor. 230-91. Ubicación de la protección contra sobrecorriente a) Generalidades: el dispositivo de protección contra sobrecorriente debe formar parte integral del medio de desconexión de la acometida o estar situado inmediatamente al lado del mismo. b) Acceso a los ocupantes: en una edificación de ocupación múltiple, cada ocupante debe tener acceso a los dispositivos de protección contra sobrecorriente. Excepción: la que permite el artículo 240-24.b). 250-32. Encerramientos y canalizaciones de la acometida Se deben poner a tierra los armarios y canalizaciones metálicos de los conductores de la acometida. Excepción: un codo metálico instalado en la parte subterránea de un tubo no metálico rígido y que esté aislado de posibles contactos con cualquier parte del codo por una cubierta mínimo de 460 mm.

250-33. Otros encerramientos y canalizaciones para conductores Se deben poner a tierra los cerramientos y canalizaciones metálicos para todos los demás conductores. En las normas de EPM podemos encontrar aplicadas las anteriores indicaciones de la NTC 2050. Adicionalmente en las secciones 210-8 y 210-52 de la NTC 2050 se establece que para el uso de tomacorrientes en zonas húmedas como los baños cocinas, garajes, zona de lavado, zona de planchado, entre otras zonas, se deben usar tomacorrientes GFCI (Ground Fault Circuit Interrupter), estos son tomacorrientes que cortan el suministro de energía en caso de falla a tierra. Uno muy especial es el caso de la ducha, puesto que este tomacorriente debe ser GFCI, resistente al agua (ver secciones 210-8 y 210-52 de la NTC 2050). Finalmente es bueno decir que cuando la construcción es muy grande, es decir, una urbanización, una empresa, se debe dejar un espacio para instalar una subestación de energía. 14.3 ESQUEMA DE UNA INSTALACIÓN RESIDENCIAL (1Φ – 3H – 120 V) Se explicará para servicio residencial bifilar y trifilar, de ca monofásico. Podemos hacer referencia a la figura 9.1 en la cual sólo se había introducido la noción de acometida. Ahora la ampliaremos conforme a los esquemas siguientes. Podemos observar que los conductores de neutro y tierra no se deben interrumpir y siempre se conectan a la tierra física. No debe tener protecciones contra sobrecorrientes como fusibles o breakers. Para la línea “viva” siempre tendrá protecciones tanto en la acometida como en los diferentes circuitos del tablero. 125

Instalaciones eléctricas

Figura 14.1 Esquema de conexiones para distribución de ca bifilar monofásica residencial 110V

El esquema de la figura 14.1 se puede ampliar de manera que se muestre más claramente las partes de la instalación a partir de la acometida (se debe tener en cuenta que la acometida puede ser subterránea o aérea). El ejemplo está hecho para el caso de una acometida aérea. Lo podemos ver en la figura 14.2. En la figura 14.2 se ve una instalación elemental bifilar monofásica de corriente alterna a 120 voltios. En el tablero bifilar monofásico, que es 126

donde se reparten los circuitos, vemos que hay tres barras: la barra izquierda es la tierra, la barra de la mitad es el neutro y la barra de la derecha es la línea. Actualmente el tipo de instalaciones mostrados en la figura 14.2 es muy poco utilizado y está restringido, sólo es utilizado y permitido en algunos casos de la zona rural.

CAPÍTULO 14. Instalaciones y circuitos

Figura 14.2 Estación elemental bifilar

14.4 ESQUEMA DE UNA INSTALACIÓN RESIDENCIAL (2Φ - 4 HILOS - 120/240 V) De la misma manera desarrollaremos el caso muy común y corriente de la instalación residencial trifilar monofásica, sumamente usada en nuestro medio; como se sabe, es fácil obtener circuitos bifilares y trifilares a partir de un tablero, dependiendo de la demanda de cada circuito. El siguiente esquema nos permite visualizar completamente el sistema, partiendo desde las líneas alimentadoras de alta tensión como se ve en la figura 14.3. Generalmente se disponen contadores de 15-60 amperios. De todas maneras la capacidad del contador sale del cálculo, teniendo en cuenta algunos datos particulares que nos dará las especificaciones del contador. Tal como lo hicimos anteriormente para la instalación bifilar, así mismo podemos hacer una ampliación más detallada de la figura 14.3 para diferenciar mejor las partes de esta instalación. Como la acometida es muy similar, no se muestra en la figura 14.4.

Cuando las cargas están “equilibradas” no deberá circular ninguna corriente por el neutro. Nótese que los conductores del neutro y la tierra nunca se interrumpen durante todo el sistema y nunca se les pone fusible. Las instalaciones estudiadas son propias de viviendas unifamiliares. En edificios multifamiliares, es necesario organizar grupos de contadores ubicados convenientemente para facilitar su lectura individual. Pero los sistemas de alimentación pueden ser de las características ya analizadas. Este sistema trifilar (120/240V) permite la presencia de motores monofásicos de hasta 1hp, en pequeñas instalaciones comerciales e industriales. 14.5 CIRCUITOS RAMALES La NTC 2050 tiene una tabla que nos dice qué parte de la norma debe cumplir cierto tipo de instalación. Como lo vemos en el artículo 210.2. Sólo pondremos la tabla 14.1 y algunos artículos que nos puedan interesar, si se quiere ampliar el tema de las normas, el lector puede remitirse de nuevo a la NTC 2050. 127

Instalaciones eléctricas

Figura 14.3 Esquema de conexiones para distribución de ca trifilar monofásica 120V / 240V

Figura 14.4 Tablero trifilar monofásico

128

CAPÍTULO 14. Instalaciones y circuitos

Tabla 14.1 Circuitos ramales TIPO DE CIRCUITO

SECCIÓN

ARTÍCULO

Anuncios eléctricos de contorno

600-6

Ascensores, montacargas, escaleras (eléctricas) y pasillos móviles; ascensores y elevadores para sillas de ruedas

620-61

Casas móviles casas prefabricadas y estacionamientos para casas móviles

550

Circuitos clase 1, clase 2, clase 3 de control remoto, señalización y potencia limitada

725

Circuitos y equipos que funcionan a menos de 50V

720

Computadores y equipos de procesamiento de datos

645-5

Conductores de barras

364-9

Cuadros de distribución y paneles de distribución Distribución de potencia en lazo cerrado y programada

384-32 780 440-6 440-31 440-32

Equipo de aire acondicionado y refrigeración Equipo de calefacción central, excepto equipo de calefacción eléctrica fija de ambiente

422-7

Equipo de calefacción eléctrica fija de ambiente

424-3

Equipo de calefacción industrial por lámparas de infrarrojos

422-15 424-3

Equipo de calefacción por inducción y pérdidas en dieléctrico

665

Equipo eléctrico exterior fijo de deshielo y fusión de la nieve

426-6

Equipos de grabación de sonido y similares

640-6

Equipos de rayos X

660-2 517-73

Estudios de cine y televisión

530

Grúas y elevadores Motores, circuitos de motores y controladores

610-42 430

Órganos eléctricos de tubos

650-6

Puertos y embarcaderos

555-4

Sistemas de alarmas contra incendios

760

Soldadores eléctricos

630 520-41 520-52 520-60

Teatros, zonas de espectadores en estudios cinematográficos y de televisión y lugares similares Vehículos recreativos y parques de vehículos recreativos

551

 

129

Instalaciones eléctricas

210-2. Otras secciones para circuitos ramales con fines específicos Los circuitos ramales deben cumplir esta sección y también las disposiciones aplicables de otras secciones de este código. Las disposiciones sobre circuitos ramales que alimentan equipos de la siguiente lista, modifican o complementan las disposiciones de esta sección y se deben aplicar a los circuitos ramales referidos en las mismas: La clasificación por ramales o circuitos se hace de la siguiente manera según la NTC 2050: 210-3. Clasificación por capacidad de corriente Los circuitos ramales de los que trata este artículo se deben clasificar según la capacidad de corriente máxima o según el valor de ajuste del dispositivo de protección contra sobrecorriente. La clasificación de los circuitos ramales que no sean individuales debe ser de 15, 20, 30, 40 y 50 A. Cuando se usen, por cualquier razón, conductores de mayor capacidad de corriente, la clasificación del circuito debe estar determinada por la corriente nominal o por el valor de ajuste del dispositivo de protección contra sobrecorriente. Excepción: está permitido que los circuitos ramales de más de 50 A con varias salidas suministren electricidad a las salidas que no sean para alumbrado en instalaciones industriales donde el mantenimiento y la supervisión permitan que los equipos sean revisados exclusivamente por personal calificado. A continuación, mostraremos algunos artículos de la NTC 2050, donde se especifican algunas normas a tener en cuenta para los circuitos. 210-19. Conductores: capacidad de corriente y sección transversal mínima a) Generalidades: los conductores de los circuitos ramales deben tener una capacidad de corriente no menor a la carga máxima que van a alimentar. Además, los conductores de circuitos ramales con varias salidas para alimentar tomacorrientes para cargas portátiles conectadas con cordón y clavija, deben tener una capacidad de corriente no menor a la corriente nominal del circuito ramal. Los cables cuyo conductor 130

neutro tenga menor sección transversal que los conductores no puestos a tierra, deben ir así rotulados. Notas: 1) Véase el artículo 310-15, para la capacidad de corriente de los conductores. 2) Véase la sección 430 parte B, para la capacidad de corriente de los conductores de los circuitos ramales de motores. 3) Véase el artículo 310-10, para las limitaciones de temperatura de los conductores. 4) Los conductores de circuitos ramales como están definidos en la sección 100, con una sección que evite una caída de tensión superior al 3% en las salidas más lejanas de fuerza, calefacción, alumbrado o cualquier combinación de ellas y en los que la caída máxima de tensión de los circuitos alimentador y ramal hasta la salida más lejana no supere al 5%, ofrecen una eficacia razonable de funcionamiento. Para la caída de tensión en los conductores del alimentador, véase el artículo 215-2. b) Estufas y artefactos de cocina domésticos: los conductores de los circuitos ramales que alimenten estufas domésticas, hornos montados en la pared, estufas de sobreponer y otros artefactos de cocina domésticos, deben tener una capacidad de corriente no menor a la corriente nominal del circuito ramal y no menor a la carga máxima que deben alimentar. c) Otras cargas: los conductores de circuitos ramales que alimenten a cargas distintas de artefactos de cocina, tal como se indica en el apartado anterior b) y en la lista del artículo 210-2, deben tener una capacidad de corriente suficiente para las cargas conectadas y una sección transversal no menor a 2,08 mm2 (14 AWG). 430-6. Determinación de la capacidad nominal de corriente de los motores La sección transversal de los conductores que alimentan los equipos de los que trata esta sección, se debe elegir según las tablas 310-16 hasta 310-19 o calcular de acuerdo con el artículo 310-15.b). La capacidad de corriente nominal y otros parámetros nominales requeridos de

CAPÍTULO 14. Instalaciones y circuitos



los motores se deben determinar como se especifica en los siguientes apartados a) hasta c): a) Motores para aplicaciones generales: para motores distintos de los de par (baja velocidad) especificados en el apartado b) y los de tensión variable en ca del apartado c), cuando se utilice la capacidad nominal de un motor para determinar la de los conductores o interruptores, dispositivos de protección del circuito ramal contra cortocircuitos y falla a tierra, etc., se deben utilizar los valores de las tablas 430-147, 430-148, 430-149 y 430-150, incluidas las notas, en lugar de la corriente nominal rotulada en la placa de características del motor. La protección independiente del motor contra sobrecargas se debe calcular de acuerdo con la corriente nominal en la placa de características del motor. Cuando un motor esté rotulado en amperios (A) y no en vatios o caballos (W o Hp), se supone que su potencia en vatios o en caballos (W o Hp) es la correspondiente a los valores dados en las tablas 430147, 430-148, 430-149 y 430-150, interpolando si fuera necesario.

Excepciones: 1) Los motores de velocidades múltiples deben cumplir lo establecido en los artículos 430-22.a) y 430-52. 2) Los equipos que utilicen un motor con polo sombreado o con condensador permanente dividido para ventilador o soplador, rotulado con el tipo de motor, para determinar la capacidad nominal u otros valores nominales del medio de desconexión, los conductores del circuito ramal, el controlador, el dispositivo de protección del circuito ramal contra cortocircuitos y falla a tierra y la protección independiente contra sobrecargas, se debe tomar la corriente a plena carga de dicho motor, rotulada en la placa de características del equipo con el que se utiliza el motor del ventilador o soplador en lugar de los vatios nominales (W) o caballos (Hp). Este valor rotulado en la placa de características de los equipos no debe ser menor que el de la corriente nominal rotulada en la placa de características del motor del ventilador o soplador. b) Motores de par (baja velocidad): para los motores de par, la capacidad nominal debe ser la corriente con el rotor bloqueado; la corriente



de la placa de características se debe tomar para determinar la capacidad de corriente de los conductores del circuito ramal, cubierta por los artículos 430-22 y 430-24, la capacidad nominal del dispositivo de protección del motor contra sobrecarga y la del dispositivo de protección del circuito ramal contra cortocircuitos y falla a tierra, de acuerdo con el artículo 430-52.b). Nota: para los controladores y medios de desconexión de los motores, véanse los artículos 430-83. Excepción: nº. 4 y 430-110. c) Motores con tensión variable en ca: para los motores utilizados en ca, tensión variable y sistemas de tracción de par variable, la capacidad nominal de los conductores o de los interruptores y dispositivos de protección del circuito ramal contra cortocircuito y falla a tierra, etc. se debe basar en la capacidad máxima de funcionamiento rotulada en la placa de características del motor, del controlador o de ambos. Si dicha capacidad nominal no consta en la placa de características, el valor de la capacidad nominal debe ser el 150% de los valores dados en las tablas 430-149 y 430-150.

430-22. Un solo motor a) Generalidades: los conductores de los circuitos ramales que alimenten un solo motor deben tener una capacidad de corriente no menor al 125 % de la corriente nominal del motor a plena carga. Para motores de velocidades múltiples, la selección de los conductores del circuito ramal en el lado del suministro del controlador se debe basar en la mayor de las corrientes nominales a plena carga que aparezca en la placa de características del motor; la selección de los conductores del circuito ramal entre el controlador y el motor se debe basar en la corriente nominal del devanado o devanados que energicen esos conductores. Nota: véase el Capítulo 9, Ejemplo 8 y la figura 430-1. Excepciones: 1) Los conductores para un motor usado en servicio por corto tiempo, intermitente, periódico o variable deben tener una capacidad de co131

Instalaciones eléctricas

rriente no menor al porcentaje de la corriente nominal por placa de características del motor mostrado en la tabla 430-22 (tabla 14.2). Excepción: a no ser que la autoridad competente conceda un permiso especial para usar conductores de menor sección transversal. Tabla 14.2 Cuadro 430-22(a) Porcentajes a aplicar en el cálculo de intensidad máxima admisible de los conductores de los circuitos de motores TIPO DE SERVICIO DEL MOTOR TIPOS DE MOTORES

Servicio corto: motores de válvulas, de levantamiento o bajada de bobinas, etc. Servicio intermitente: ascensores y montacargas, cabezales de herramientas, bombas, puentes levadizos, mesas giratorias, etc. Para soldadores de arco, véase la sección 630-21 Servicio periódico: máquinas de manipulación de bobinas, mineral y carbón, etc. Servicio variable

5 MINUTOS NOMINALES

15 MINUTOS NOMINALES

30 Y 60 MINUTOS NOMINALES

CONTINUO

110

120

150

---

85

85

90

140

85

90

95

140

110

120

150

200

 

Recordamos que si se desea más información sobre las normas se debe consultar la NTC 2050, el RETIE y las resoluciones de la Comisión de Regulación de Energía y Gas - CREG. 14.6 CÁLCULO DE LOS CIRCUITOS Es muy importante hacer bien los cálculos de los circuitos, acometidas, etc., el conocimiento de la potencia en vatios solicitada por los elementos receptores localizados en las diferentes instalaciones: alumbrado, calefacción, fuerza motriz principalmente. Por esta razón, se hace un cálculo de lo que consumen los electrodomésticos de la instalación como se muestra en la tabla 14.3: Como los circuitos anteriores no se van a usar todos al tiempo, se utiliza lo que se llama el factor de demanda, este factor de demanda se calcula como la demanda máxima sobre la carga instalada. 132

Tabla 14.3 Cálculo de los circuitos SALIDA Lámparas comunes Lámparas decorativas Tomacorriente ordinario Plancha Parrilla Licuadora Lavadora de ropa Equipo de sonido CPU (parte del computador) Monitor pantalla tubo de rayos catódicos Monitor pantalla plana DVD Televisor Calentador de agua (tina) Ducha de agua Otras salidas Nevera Horno microondas

DEMANDA EN VATIOS 100 Depende de la lámpara 180 1 200 1 100 por parrilla 200-700 1 200 200 50-150 250-450 30-50 15 100-250 2 000 Generalmente 3 000, depende de su marca Se debe indicar su consumo en vatios 200 600-1 800

 

El factor de demanda se usa para no tener un sistema sobredimensionado, puesto que entre mayor es la corriente, los conductores deben ser más gruesos y la instalación es más costosa y en realidad nunca se utilizará el sistema al 100% (en una casa no van a estar encendidos todos los bombillos a la vez y usando todos los tomacorrientes a la vez) y los datos de las tablas son datos estadísticos que podemos utilizar para hacer nuestros cálculos. En la tabla 14.4 tenemos el cuadro 220.11 de la norma NTC 2050 que nos habla de la iluminación y pequeños electrodomésticos (tv, radio, equipo de sonido, etc.) en distintos sitios. Adicionalmente, el artículo 220-17 de la NTC 2050, reglamenta qué factor de demanda puedo utilizar para las unidades de vivienda. 220-17. Carga para artefactos en unidades de vivienda Se permite aplicar un factor de demanda del 75 % de la capacidad nominal por placa de características del artefacto, para cuatro o más artefactos fijos que no sean estufas eléctricas, secadoras, equipo de calefacción de ambiente o de aire acondicionado, servidos por el mismo alimentador en viviendas unifamiliares, bifamiliares y multifamiliares.

CAPÍTULO 14. Instalaciones y circuitos

Ejemplo de aplicación de las tablas 14.3, 14.4 y 14.5.

Tabla 14.4 Iluminación y pequeños electrodomésticos TIPO DE EDIFICIO

PARTE DE LA CARGA DE ILUMINACIÓN A LA QUE SE APLICA EL FACTOR DE DEMANDA (EN VOLTIOAMPERIOS)

FACTOR DE DEMANDA POR 100

Suponemos un edificio de 40 apartamentos con las siguientes condiciones: Consumo de aparatos pequeños 40 aptos X 4 000vatios/apto........................................ 160 000 vatios

Unidades de vivienda

Primeros 3 000 o menos De 3001 a 120 000 A partir de 120 000

100 35 25

Hospitales*

Primeros 50 000 o menos A partir de 50 000

40 20

Este consumo lo dividimos así:

Hoteles y moteles, incluidos bloques de apartamentos sin cocina*

Primeros 20 000 o menos De 20 001 a 100 000 A partir de 100 000

50 40 30

Almacenes

Primeros 12 500 o menos A partir de 12 500

100 50

Todos los demás

Total voltioamperios

100

Primeros 3.000 vatios al 100%.........................................3 000 vatios 120 000vatios al 35%....................................................42 000vatios 37 000vatios al 25%........................................................9 250vatios Total cargas pequeñas.............................................................. 54 250

 

Si nos fijamos bien, el artículo 220-17 nos permite aplicar un factor de demanda del 75% sólo a los electrodomésticos que no tienen mucho consumo; para los electrodomésticos que tienen un consumo más alto, se debe usar el factor de demanda del 100%, pero en el caso de tener varios electrodomésticos de gran consumo, se puede usar un factor de demanda presentado por la NTC 2050, como lo es el cuadro 220.19 que nos habla de las demandas en las cocinas, donde hay estufas eléctricas que son de alto consumo; en la tabla 14.5 transcribiremos parte del cuadro 220.19 de la NTC 2050.

Para calcular el consumo de potencias en las cocinas usamos la tabla 14.5 40 cocinas * 9.000 vatios/cocina.....................................36 000vatios 36.000*28%.................................................................10 080vatios Total cargas de las cocinas...............................................10 080vatios Demanda total calculada = cocina+cargas pequeñas......64 330vatios NOTA: con los valores anteriores se calculan los calibres de los conductores de la acometida.

133

    Instalaciones  eléctricas             Tabla 14.5 Factores de demanda para cocinas eléctricas domésticas, hornos de pared, cocinas montadas en encimeras y otros aparatos electrodomésticos de cocina   de más de 1 3/4 kW nominales (la columna A se debe aplicar en todos los casos, excepto los recogidos en la nota 3)   NÚMERO DE APARATOS

134

DEMANDA MÁXIMA (VÉANSE NOTAS)

FACTOR DE DEMANDA POR 100 (VÉASE NOTA 3)

COLUMNA A (NO MÁS DE 12 KW NOMINALES)

COLUMNA B (MENOS DE 3 1/2 KW NOMINALES)

COLUMNA C (DE 3 1/2 A 8 3/4 KW NOMINALES)

1

8 kW

80%

80%

2

11 kW

75%

65%

3

14 kW

70%

55%

4

17 kW

66%

50%

5

20 kW

62%

45%

6

21 kW

59%

43%

7

22 kW

56%

40%

8

23 kW

53%

36%

9

24 kW

51%

35%

10

25 kW

49%

34%

11

26 kW

47%

32%

12

27 kW

45%

32%

13

28 kW

43%

32%

14

29 kW

41%

32%

15

30 kW

40%

32%

CAPÍTULO 14. Instalaciones y circuitos

NÚMERO DE APARATOS

DEMANDA MÁXIMA (VÉANSE NOTAS)

FACTOR DE DEMANDA POR 100 (VÉASE NOTA 3)

COLUMNA A (NO MÁS DE 12 KW NOMINALES)

COLUMNA B (MENOS DE 3 1/2 KW NOMINALES)

COLUMNA C (DE 3 1/2 A 8 3/4 KW NOMINALES)

16

31 kW

39%

28%

17

32 kW

38%

28%

18

33 kW

37%

28%

19

34 kW

36%

28%

20

35 kW

35%

28%

21

36 kW

34%

26%

22

37 kW

33%

26%

23

38 kW

32%

26%

24

39 kW

31%

26%

25

40 kW

30%

26%

26-30

15 kW más 1 kW

30%

24%

31-40

por cada cocina

30%

22%

41-50

25 kW más 3/4 kW

30%

20%

51-60

por cada cocina

30%

18%

30%

16%

De 61 en adelante

        135

Instalaciones eléctricas

136

CAPÍTULO 15. Control, medida y protección

CAPÍTULO 15 Control, medida y protección

15.1 APARATOS Y SISTEMAS En este capítulo trataremos principalmente los contadores, los fusibles comunes y los interruptores automáticos (breakers), la conexión a tierra y la normatividad relacionada a este respecto para los elementos constitutivos de las instalaciones.

Sin embargo, no interesa en un contador eléctrico medir la potencia en un instante dado sino más bien medir la energía o trabajo consumido durante el tiempo que se mantiene una potencia dada. De esta forma, los contadores miden vatios – hora o kWh y por esta razón se les llama también vati-horímetros.

Esencialmente son una aplicación de los electrodinamómetros que sirven para medir la potencia eléctrica (W), es decir, en principio son vatímetros.

Deberán colocarse contadores apropiados para cada uno de los circuitos de ca estudiados con anterioridad. Los más comunes son los siguientes: monofásicos, doble monofásico, trifásico trifilar, trifásico tetrafilar. Algunos esquemas ilustrativos se muestran a continuación:

Figura 15.1 Contador monofásico 2 hilos

Figura 15.2 Contador monofásico 3 hilos

15.2 CONTADORES

137

Instalaciones eléctricas

Figura 15.3Trifásicos trifilares (trifásico sin neutro)

Figura 15.4 Trifásicos cuatrifilares (trifásico con neutro)

Conviene tener en cuenta la diferencia en las conexiones para los contadores de fabricación norteamericana y europea, como se aprecia en la figura 15.5. Figura 15.5 Diferencia en las conexiones

138

CAPÍTULO 15. Control, medida y protección

Igualmente, se debe recordar que las líneas de acometida entran primero al contador y luego pasan a los interruptores automáticos, para evitar fraudes. El neutro no debe ser interrumpido. 15.2.1 Partes de un Contador (monofásico) Figura 15.6 Partes de un contador

El torque que causa el movimiento del disco, resulta de la interacción de las bobinas sobre el disco. Para hacer que el disco gire con movimiento uniforme, se le coloca entre los polos dos imanes permanentes que producen una acción frenante. El movimiento de rotación del disco se transmite por medio del vástago (tornillo sinfin) a una especie de mecanismo de reloj que de las diferentes lecturas.

Hoy día, el sistema debe ser ciclométrico o totalizador por sí mismo sin necesidad de hacer lecturas en diferentes cuadrantes, ya que únicamente aparece un guarismo total, directamente en números. En la actualidad se maneja la siguiente clasificación de circuitos y su respectivo equipo de medida (ver también tabla de la página 220 al final del texto): 139

Instalaciones eléctricas

Tabla 15.1 Circuitos residenciales

CIRCUITOS MONOFÁSICOS RESIDENCIALES (contadores con registro de consumo) Circuitos bifilares a 120 V Contadores de un elemento 120 V

Circuitos trifilares a 240/120 V Contadores de un elemento 240 V

Circuitos Net-Work a 208/120 V Contadores de 2 elementos 120 V

5, 10, 15 amperios

5, 10, 15, 20, 25, 30 y 50 amperios

5, 15, 50 amperios

 

Los contadores Net-work también se llaman “bifásicos” y no deben confundirse con los “realmente” bifásicos ya en desuso total. Tabla 15.2 Circuitos monofásicos comerciales

CIRCUITOS MONOFÁSICOS COMERCIALES E INDUSTRIALES (contadores con registro de demanda) Circuitos trifilares a 240 V Contadores de un elemento 240 V

Circuitos Net-Work a 208/120 V Contadores de 2 elementos. 120 V

5, 15, 50 amperios

5, 15 y 50 amperios

 

Tabla 15.3 Circuitos trifásicos comerciales

CIRCUITOS TRIFÁSICOS COMERCIALES E INDUSTRIALES (contadores con registro de demanda) Trifásicos con o sin neutro. Contadores de 2 elementos a 240V

Trifásicos con neutro. Circuito estrella (Y). Contadores de 3 elementos 120 V

Trifásicos con neutro. Circuito Delta. Contadores de 3 elementos 240V

5, 15, 50 amperios

5, 15 y 50 amperios

5, 15, 50 amperios

 

Como es obvio, hay contadores para mayores capacidades, v. gr., para 100 A pero estos casos mayores de 50 A, deben ser consultados por escrito a la sección de calibración de la Empresa de Energía Eléctrica (en nuestro caso, Empresas Públicas de Medellín). Los contadores que aparecen en los cuadros anteriores, todos deben resistir el 400% de la carga nominal, menos los contadores de 50 A, que son fabricados para resistir en forma continua el 300% de la carga nominal. Esto quiere decir que si la capacidad total calculada para una instalación determinada es de 75 A por ejemplo, el contador adecuado será de 20 A. 140

75 ≅ 20 A   4

Observación: otros datos importantes como los relativos a la potencia en vatios admisible en los diferentes casos y las especificaciones que la empresa exige como requisitos indispensables para la aceptación de contadores, deberán ser consultados en el reglamento de Empresas Públicas de Medellín. Consultar también el “American Standard Code for electricity Meters” sección Nº4.

CAPÍTULO 15. Control, medida y protección

15.3 INSTALACIÓN DE CONTADORES

También pueden darse otros casos que requieran más de un contador.

Cuando debido a las características de la instalación, se requiera un solo contador, éste deberá colocarse en un lugar adecuado sobre la fachada de la edificación y a una altura que no debe exceder de 2,50 m.

El reglamento dispone que en aquellas instalaciones en que se requiere más de un contador, éstos deberán instalarse en un tablero general. Además, debe existir en este tablero un compartimiento sellado por la empresa para colocar los aparatos de desconexión de los diferentes contadores.

La caja metálica que sirve de receptáculo al contador deberá tener las siguientes dimensiones mínimas: yy Largo: 30 cm yy Ancho: 20 cm yy Fondo: 16 cm

En la figura 15.10 se muestra un ejemplo de agrupación de contadores para varios apartamentos de vivienda, con su correspondiente sistema de desconexión general. Figura 15.7 Caja sencilla

15.3.1 Cajas para contadores a. Caja sencilla: de 30x20x18 cm b. Caja doble: contador y portafusibles, 30x40x18 cm c. Caja doble (de muñeca): contador y portafusibles, 55x20x18 cm También se fabrican cajas para contadores en asbesto-cemento, aunque su uso no está muy generalizado. La importancia es que las cajas para contadores, sea cualquiera su material, sean durables, aislantes, incombustibles y resistan la oxidación. En todos los casos consultar los catálogos de los fabricantes.

Figura 15.8 Caja doble

Los modelos de cajas para contador muy utilizados para las instalaciones monofásicas residenciales se aprecian en las figuras 15.7, 15.8, 15.9 y 15.10. Otro caso muy corriente es el de edificios multifamiliares en los que es preciso colocar medidores para cada apartamento. En vista de que resultaría muy incómoda su lectura en caso de colocarlos en los diferentes pisos, se prefiere entonces acumularlos en grupos, en un nivel fácilmente accesible por los encargados de las lecturas. Los contadores y la desconexión general se organizan en un gabinete o subestación en el sótano o primer piso. 141

Instalaciones eléctricas

Figura 15.9 Caja doble (de muñeca)

Figura 15.10 Caja sellada

142

CAPÍTULO 15. Control, medida y protección

15.4 INTERRUPTORES DE SEGURIDAD (SAFETY SWITCHES) Los de servicio pesado sirven especialmente a motores. Este tipo de dispositivo de protección y control puede ser de tres clases: yy Interruptores de seguridad para servicio general yy Interruptores de seguridad para servicio pesado yy Interruptores de seguridad para servicio pesado – industrial Nos interesan aquí especialmente los primeros: Están diseñados para “usos generales”, como para entrada de servicio, desconexión de circuitos de alumbrado y otras cargas no inductivas. Sin embargo, también pueden usarse para gobernar o controlar motores. Constan esencialmente de un interruptor de cuchillas, provisto de portafusibles y el conjunto cubierto por una caja metálica; el interruptor puede accionarse desde el exterior por medio de una palanca. Algunos modelos nacionales obedecen las normas NEMA (National Electric Manufacturers Association) de EEUU. Los interruptores de seguridad para servicio general más comunes son bipolares (para 2 fusibles tipo cartucho), 260 V ca, 30, 60 y 100 A; tripolares (para 3 fusibles tipo cartucho), 260 V ca, 30, 60, 100, 200 y 400 A. Figura 15.11 Interruptor

Dentro de los dispositivos de protección ocupan lugar destacado los fusibles y sistemas automáticos de desconexión, junto con los receptáculos o cajas especiales utilizados para su montaje (tableros). 15.4.1 Fusibles Están destinados a la protección de los conductores eléctricos. Cuando un conductor eléctrico está sometido a una alta intensidad de corriente, mayor que su capacidad conductora (en amperios) correría el peligro de fundirse y quemar su propio aislamiento. Por esta razón se colocan fusibles o automáticos que se funden, o interrumpen automáticamente el circuito cuando la intensidad de corriente es tal, que se acerca a la máxima capacidad conductora de la línea que protegen (capacidad nominal). Los fusibles más sencillos están construidos con hilos o láminas de aleaciones cuyas temperaturas de fusión son relativamente bajas. Algunos modelos que tienen un elemento “fusible” son los siguientes: Figura 15.12 Fusible de tapón

Las cajas se fabrican en lámina metálica pesada (calibre 16) y presentan una serie de KO (knock-outs) o desprendibles en las caras convenientes, para instalación de las tuberías. Deben recibir un tratamiento contra la corrosión y esmaltado al horno para garantizar su empleo en el medio tropical. Hay modelos a prueba de lluvia. Otros modelos podrán conocerse en los catálogos que suministran los fabricantes. 143

Instalaciones eléctricas

Figura 15.13 Fusible de cartucho

alambre común, latón, etc.), pues antes de fundirse un elemento de los antes mencionados lo más probable es que se “derrita” la instalación. Dentro de estos equipos de protección se cuentan también los fusibles de manija en los que la misma manija es el portafusibles. El fusible la recorre interiormente (figura 15.17).

Figura 15.14 Fusible miniatura

Hay también fusibles cortacircuitos para redes eléctricas, de construcción especial, tipo cartucho o portafusible a base de fibra de vidrio. Algunos de estos cortacircuitos están especialmente fabricados para ambientes salinos, por medio de tratamientos electroquímicos. Un esquema ilustrativo de estos últimos aparece en la figura 15.16. Figura 15.16 Portafusible

Figura 15.15 Fusible

Figura 15.17 Fusibles de manija

Hay otros fusibles más particulares, por ejemplo de “acción lenta” porque tardan cierto tiempo en fundirse si persisten intensidades de corriente superiores a las calculadas. Es decir, no se funden con sobre-intensidades de corta duración. Un tipo de estos es el llamado “fusetron”. Es del todo reprochable la práctica de algunas personas que hacen reparaciones de urgencia, cambiando las laminillas o los hilos de los fusibles por materiales totalmente inadecuados para trabajar como fusibles (clavos, 144

Cortacircuitos y portafusible (para alta tensión)

Contactos ejemplo de manija portafusible

CAPÍTULO 15. Control, medida y protección

15.4.2 Dispositivos protectores automáticos (breakers) Estos no son propiamente fusibles porque no se funden, son entonces interruptores automáticos, cortacircuitos automáticos o disyuntores. Existen innumerables tipos según las características de la corriente y de las líneas que protegen. En líneas generales se puede establecer una clasificación de los más comúnmente usados, de la siguiente manera: a. Dispositivo térmico: este sistema es el más apropiado para las sobrecargas de corriente. El dispositivo térmico es un termostato bimetálico constituido por hojas de distintos coeficientes de dilatación. El paso de una corriente excesiva provoca una dilatación diferencial del sistema dando origen a una flexión del contacto. Si el exceso de corriente es bajo, la reacción del termostato bimetálico es lenta. En caso contrario su reacción es rápida. Figura 15.18 Dispositivo térmico

b. Dispositivo magnético: consta de un electroimán como elemento activo. Siempre que una corriente de cierta intensidad pasa por la bobina del electroimán, la armadura del mismo es atraída por el núcleo. La armadura actúa sobre el contacto y provoca su separación.

Si se varía la distancia entre el núcleo y la armadura del electroimán, se gradúa el valor de la corriente que hará abrir los contactos.



Sin embargo, se ha demostrado que un dispositivo únicamente de tipo magnético, no es protector suficiente contra los cortocircuitos.



Por esta razón los modelos más utilizados son del tipo siguiente.

Figura 15.19 Dispositivo magnético

c. Dispositivo termomagnético: es una combinación de los dos sistemas anteriores y por lo tanto reúne sus ventajas. Son entonces los más eficientes y seguros en la mayoría de las instalaciones corrientes. Cabe todavía otro sistema más refinado y es el que se tratará a continuación. Figura 15.20 Dispositivo termomagnético

d. Termomagnético compensado: es prácticamente el mismo anterior con la diferencia de que éste introduce un elemento bimetálico suplementario para contrarrestar los efectos de la temperatura ambiente sobre el elemento principal bimetálico. Se obtiene así un dispositivo de desconexión prácticamente uniforme dentro de un amplio rango de temperaturas. El elemento bimetálico suplementario no está incluido en el circuito eléctrico; es únicamente sensible a la temperatura ambiente. 145

Instalaciones eléctricas

e. Termomagnético con limitador de corriente: para tipos pesados, por ejemplo los llamados disyuntores, además de la protección termomagnética que proporcionan se introducen dispositivos limitadores de corriente. Tiene fusibles (por ejemplo de plata) y es imposible volverlos a su posición original mientras no se cambie el fusible. Para nuestros fines es suficiente con los dos primeros o su combinación. En nuestro medio a estos dispositivos de protección para las instalaciones más comunes se les conoce con el nombre de “breakers” (del inglés break: quebrar, romper) o simplemente “automático”. En la práctica es común entre los operarios llamarlos a veces impropiamente como “breques” o “tacos” y se ofrecen modelos de éstos (figuras 15.21, 15.22 y 15.23).

Figura 15.22 Bipolar

146

Los interruptores automáticos bipolares: para circuitos de fogones, calentadores de agua, lavadoras, circuitos monofásicos de fuerza. Los interruptores automáticos tripolares: para circuitos generales, circuitos trifásicos de fuerza. Estos últimos se usan para 30, 40, 50, 70, 100, 125, 150… 3 000 y más amperios. Generalmente tienen dos disparadores, uno magnético y otro bimetálico. Como norma general se calculan para que actúe el disparador térmico en caso de sobrecargas y el magnético para cortocircuitos. Las capacidades más comunes son: 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 70 y 100 A.

Figura 15.21 Unipolar

Figura 15.23 Tripolar

Los interruptores automáticos monopolares se utilizan para circuitos de alumbrado y de tomas.

En cuanto a los lineamientos propuestos por el RETIE en su artículo 17 numeral 7 sobre interruptores automáticos, es importante destacar los siguientes puntos de carácter obligatorio: a. Un interruptor automático debe fijarse en una posición tal que al conectarse el circuito alimentador llegue al terminal de línea y la salida se conecte a los terminales de carga. b. Un interruptor automático debe tener unas especificaciones de corriente y tensión, no menores a los valores nominales de los circuitos que controla. c. Debe instalarse protección contra falla a tierra de equipos, en acometidas eléctricas en estrella puestas a tierra sólidamente, con una tensión a tierra superior a 150 V, pero que no supere los 600 V entre fase. Para cada dispositivo de desconexión de la acometida de 1 000 A nominales o más. d. Cada circuito ramal de un panel de distribución debe estar provisto de protección contra sobrecorriente. e. No se debe conectar permanentemente en el neutro de cualquier circuito un dispositivo contra sobrecorriente, a menos que la apertura del dispositivo abra simultáneamente todos los conductores de ese circuito.

CAPÍTULO 15. Control, medida y protección

f. Los dispositivos de protección contra sobrecorriente deben estar fácilmente accesibles. g. Los interruptores deben tener un mecanismo de disparo libre. 15.5 TABLEROS Los breakers estudiados antes se disponen en una caja especial de manera que el conjunto (multibreaker) toma el nombre de centro de carga (panelote) ó tablero de alumbrado de fuerza, según la categoría de la instalación servida. En instalaciones más complejas se utilizan los tableros de distribución. Y finalmente, en instalaciones de gran capacidad, en especial de índole industrial y en grandes edificios, es necesario emplear subestaciones. Antes de detallar un poco cada uno de los sistemas enunciados, es conveniente tener en cuenta las siguientes recomendaciones dadas por el Operador de red:

motores pequeños, hasta 0,5 Hp, tratándose de motores que arranquen sin carga. yy Debe tomarse especial cuidado con la construcción de los tableros. En general, todos ellos deben quedar incrustados en la pared y protegidos por medio de una caja metálica bien construida y debidamente cerrada. Los interruptores, fusibles y demás aparatos deben colocarse sobre tableros metálicos especialmente construidos con este fin. Los tableros, cuando sean de cierta magnitud, y de tipo fijo, cuyo barraje sea accesible por la parte de atrás, deben fijarse a una distancia no inferior a 60 cm, de la pared a fin de permitir el fácil acceso a los barrajes y conexiones posteriores. yy Como norma general todo tablero debe ser construido empleando un material incombustible y además debe tomarse las precauciones del caso para evitar que éste presente partes vivas exteriores.

yy Toda instalación eléctrica debe disponer al menos de un tablero de distribución dotado de equipo de protección de tipo automático, en serie con cada uno de los circuitos en que se subdivide la instalación; estos tableros de distribución deben estar localizados en lugares accesibles y controlados desde el interior de la casa o el edificio. (En las instalaciones cuya carga conectada sea de 10 kW o más, debe usarse equipo de protección de tipo automático (multibreaker).

yy Los interruptores deben colocarse de tal forma, que cuando estén abiertos no tiendan a cerrarse por su propio peso, y deben conectarse de tal modo que al estar abiertos no haya corriente en el respectivo portafusible. Los circuitos de los diferentes tableros se enumerarán debidamente, con el fin de identificar las salidas que controlen. Los interruptores deben indicar por medio de líneas curvas delgadas las salidas que gobiernen.

yy Todo tablero debe proteger cada una de las líneas vivas por medio de su respectivo automático; la protección no debe ser de mayor graduación que la máxima capacidad conductora de la línea en su parte de menor calibre, según las tablas 12.7 a), 12.7 b) y 12.8. Nunca se debe usar fusible u otra protección sobre los neutros; al contrario, éstos no deben presentar interrupción alguna y se llevarán directamente al barraje de neutro del tablero.

En cuanto a lo que expone el reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas – RETIE, en su capítulo 2, artículo 17.9, para el caso de los tableros eléctricos de baja tensión, es importante considerar los siguientes puntos:

yy Ningún tablero parcial de fuerza debe servir circuitos de alumbrado; los tableros de alumbrado pueden servir sólo un número limitado de

a. El tablero de distribución, es decir, el gabinete o panel de empotrar o sobreponer, accesible sólo desde el frente, debe construirse en lámina de acero de espesor mínimo 0,9 mm para tableros hasta de 12 circuitos y en lámina de acero de espesor mínimo 1,2 mm para tableros desde 13 hasta 42 circuitos. Los encerramientos de estos tableros deben resistir los efectos de la humedad y la corrosión, verificados mediante 147

Instalaciones eléctricas

b.

c.

d. e. f. g. h. i. j.

pruebas bajo condiciones de rayado en ambiente salino, durante al menos 400 horas, sin que la progresión de la corrosión en la raya sea mayor a 2 mm. Para asegurar los conectores a presión y los barrajes se deben utilizar tornillos de acero, tuercas y clavijas de conexión. El cobre y el latón no son aceptables para recubrir tornillos de soporte, tuercas y terminales de clavija de conexión, pero se acepta un revestimiento de cadmio, cinc, estaño o plata. Todo terminal debe llevar tornillos de soporte de acero en conexión con una placa terminal no ferrosa. La capacidad de corriente de los barrajes de fase no debe ser menor que la proyectada para los conductores del alimentador del tablero. Todos los barrajes, incluido el del neutro y el de tierra se deben montar sobre aisladores. Todas las partes externas del panel deben ser puestas sólidamente a tierra mediante conductores de protección y sus terminales se deben identificar con el símbolo de puesta a tierra. Cada circuito de derivación debe disponer de un terminal de salida para la conexión de los conductores de neutro o tierra requeridos. Debe indicarse la tensión de trabajo del tablero y la capacidad de corriente de los barrajes de las fases, el neutro y la tierra. Debe proveerse un barraje aislado para los conductores neutros del circuito alimentador y los circuitos derivados. La capacidad de interrupción del totalizador del tablero debe ser al menos del mismo valor que la sumatoria de las capacidades de los interruptores que protegen los circuitos derivados. El tablero debe tener un barraje para conexión a tierra del alimentador, con suficientes terminales de salida para los circuitos derivados. Un tablero de distribución debe tener adherida de manera clara, permanente y visible, por lo menos la siguiente información: • Tensión(es) nominal(es) de operación • Corriente nominal de operación • Número de fases • Número de hilos (incluyendo tierras y neutros) • Razón social o marca registrada del fabricante

148



• El símbolo de riesgo eléctrico • Cuadro para identificar los circuitos

15.5.1 Tableros de alumbrado Son los utilizados para la distribución de la energía eléctrica a los circuitos que alimentan las instalaciones de alumbrado, tanto de tipo industrial como comercial y residencial. Figura 15.24 Tablero de alumbrado

El conjunto tiene tres componentes básicos: caja, frente e interruptores automáticos (breakers). La caja es el elemento fundamental; tiene Knock-outs desprendibles para colocar las tuberías. Es el soporte de los interruptores automáticos ya descritos. La tapa puede tener llave. Algunos modelos pequeños tienen tapas fijas que dejan a la vista las palancas de los interruptores (caso frecuente en residencias). El número de interruptores automáticos que pueden colocarse en un tablero de alumbrado, varían desde dos hasta 42, correspondiendo a igual número de circuitos. Como norma general, se numeran los automáticos de modo que los impares se sitúan a la izquierda y los pares a la derecha.

CAPÍTULO 15. Control, medida y protección

Las dimensiones son variables de acuerdo con el número de circuitos atendidos. Algunos esquemas convencionales representativos de los tableros de alumbrado son los siguientes: Figura 15.25 Tablero trifilar Alimentación: 120/240 V 2 Ø 4 H

En síntesis, se utilizan los tableros de alumbrado en especial para sistemas de distribución de energía eléctrica a circuitos secundarios como por ejemplo de alumbrado, tomacorrientes y aparatos eléctricos de consumo regular. 15.5.2 Centros de carga (panelotes) Similares a los anteriores pero más pequeños y de menor capacidad para alojar breakers. Regularmente admiten de dos a 20 interruptores automáticos. Se emplean para distribuir energía eléctrica a circuitos de alumbrado, tomacorrientes y artefactos de bajo consumo. De gran aplicación en instalaciones residenciales. 15.5.3 Tableros de distribución

Figura 15.26 Tablero cuatrifilar trifásico Alimentación: 120/208 V 3 Ø 5H

“Los tableros de distribución consisten en paneles sencillos o conjuntos de paneles diseñados para ser ensamblados en forma de un solo panel que incluye: barrajes, elementos de conexión, dispositivos de protección contra sobrecorriente y que pueden estar equipados con interruptores para accionamiento de circuitos de alumbrado, calefacción o fuerza. Los tableros de distribución son diseñados para instalación en gabinetes o cajas o montados sobre la pared y son accesibles solo por su frente. Los tableros de distribución deben ser debidamente rotulados por el fabricante con: yy El nombre del fabricante o la marca comercial yy La tensión nominal yy La corriente nominal yy El número de fases Los tableros de distribución se deben alojar y soportar en cajas de corte o encerramientos diseñados para esta aplicación y deben ser de frente muerto. La construcción del tablero de distribución debe permitir la identificación clara y duradera de cada uno de los circuitos. 149

Instalaciones eléctricas

Los tableros de distribución se clasifican en dos grupos: yy Tableros de distribución para circuitos ramales de alumbrado y pequeños artefactos yy Tableros de distribución para circuitos ramales de fuerza Para la localización del tablero de distribución se deben considerar entre otros los siguientes aspectos: yy La localización de las cargas de mayor consumo yy La distancia entre el sitio propuesto para la localización del tablero y el punto de entrada del alimentador en el interior de la vivienda yy La necesidad de tener acceso directo y oportuno a los diversos interruptores, tanto para labores de mantenimiento como para cortes de emergencia de la electricidad”.1 Sirven para distribuir energía a tableros secundarios. En otras palabras, en instalaciones de cierta importancia, los tableros de distribución alimentan tableros de alumbrado, centros de carga o tableros de fuerza motriz. Su construcción es análoga a la estudiada para los tableros de alumbrado; la diferencia está en la capacidad de los interruptores automáticos que protegen las respectivas líneas de alimentación. Dado el caso de que la energía llegue a un edificio a bajo voltaje (v. gr., 220 V, 3Φ y neutro) únicamente requerirá un tablero de distribución que reparte a tableros de alumbrado comunes. Pero cuando se trata de grandes edificios, por ejemplo de oficinas, y especialmente de tipo industrial con gran demanda de energía eléctrica, normalmente se disponen acometidas de alta tensión que exigen la introducción de ciertos aparatos y dispositivos especiales para poder llevar la corriente a los tableros de distribución y posteriormente a los tableros de alumbrado y centros de carga. Dichos equipos son las subestaciones eléctricas. 1

15.6 SUBESTACIONES Dependiendo de la cantidad de potencia necesaria para los conjuntos residenciales o edificios, es típico distinguir entre subestaciones eléctricas tipo poste y subestaciones eléctricas de tipo interior. Para el caso de las subestaciones tipo poste el RETIE plantea en su artículo 30.3 que dichas subestaciones, que tienen el transformador montado sobre postes, deberán cumplir los siguientes requisitos de montaje: yy S e podrán aceptar subestaciones con transformador en poste, sin ningún tipo de encerramiento, siempre que no supere 250 kVA ni 800 kgf de peso. Los transformadores menores a 112,5 kVA y con un peso inferior o igual a 600 kgf, se podrán instalar en un sólo poste siempre que este tenga una resistencia de rotura no menor a 1 050 kgf. yy Toda subestación tipo poste debe tener en el lado primario del transformador protección contra sobrecorrientes y contra sobretensiones (DPS) (figura 15.27). yy No se permite el uso de fusibles de capacidad mayor a la corriente nominal del transformador. yy El DPS debe instalarse en el camino de la corriente de impulso y lo más cerca posible de los bujes del transformador. yy El transformador deberá tener el punto neutro y la carcasa sólidamente conectados a tierra. yy En la instalación se debe garantizar que se cumplan las distancias de seguridad que le apliquen, establecidas en el artículo 13º del RETIE. yy Las conexiones en media tensión, deberán tener una forma y rigidez mecánica que no les permita moverse con el viento o vibraciones, de tal forma que las ponga en contacto con partes que no se deben energizar. yy Con el fin de garantizar la seguridad tanto del personal del OR, como del público en general, se deben cumplir los requisitos de puesta a tierra que le apliquen.

Juan A. González, Diseño de instalaciones eléctricas, Primera actualización, Pereira, Universidad Tecnológica de Pereira, 2000, pp. 45-64.

150

CAPÍTULO 15. Control, medida y protección

Ahora en el caso de las subestaciones de tipo interior de un edificio, es necesario prever en los planos la localización adecuada de dicha subestación, “cuya función principal es la de adecuar el nivel de tensión en las redes de suministro con el nivel requerido por las cargas”,2 como

también la ubicación de las diferentes categorías de tableros generalmente reunidos en torno de un buitrón que es recorrido interiormente por los ductos. Para mayor ilustración, observemos la siguiente figura:

Figura 15.27 Esquema de distribución de energía eléctrica en un gran edificio

2

Ibid, p. 137.

151

Instalaciones eléctricas

Conviene ahora conocer un poco más en detalle la constitución y el funcionamiento de una subestación. Si la energía eléctrica llega a media tensión (por ejemplo 13,2 kV, 6,6 kV y 2,2 kV) y es preciso reducirla a voltajes menores, esto significa que la subestación debe tener en primer lugar una sección de media tensión con medios de desconexión y de protección adecuados, y en segundo lugar, una sección de transformación (reductora de tensión) con DPS en los bujes de media tensión. El transformador puede ser del tipo de aceite o seco. En nuestro medio las tres secciones consideradas se conocen con el nombre de celdas. Se tendrán entonces: a. Celdas de media tensión: debidamente protegidas y tratadas con materiales aislantes. Los cables pueden llegar por un cárcamo o coraza protectora. b. Celdas de transformación: generalmente dotadas de transformador reductor con salidas múltiples para los distintos voltajes y con DPS en el lado de media tensión. Es la parte generadora de calor en la subestación (figura 15.28).

Figura 15.28 Celdas de transformación

c. Celdas de distribución: provista de interruptores automáticos y manuales para controlar los llamados circuitos de primera derivación. Estos circuitos se designan en los planos con una C mayúscula. dentro de un círculo, también hay circuitos de segunda derivación, para las distintas secciones del edificio. El tamaño de la subestación está determinado por las exigencias de la instalación y las especificaciones de los fabricantes, dependen básicamente de su capacidad en kW y del nivel de tensión. Sin embargo, se acostumbra limitar su altura a 2,20 m para facilitar el trabajo del operario. La longitud es variable y será una función del número de unidades que sean agrupadas. El peso de este equipo es un factor determinante para su localización generalmente en los sótanos, pues fácilmente puede sobrepasar a una tonelada. Se debe procurar su ubicación en una zona de servicios y centralizar la subestación para reducir el costo de los conductores. Debe proveerse fácil acceso para efectos de mantenimiento pero con la suficiente seguridad para que no quede al alcance de personal no especializado. El local que aloja la subestación debe tener las dimensiones adecuadas además de ser seco y bien ventilado, asegurando una temperatura estable y una corriente de aire que puede penetrar por medio de un cárcamo colocado en la parte inferior de la subestación. Este aspecto de la ventilación es muy importante puesto que un posible recalentamiento del equipo, disminuye notoriamente su capacidad. Tanto es así, que si no es posible la ventilación natural es indispensable suministrarla por medios mecánicos. De lo anterior, se tiene que el RETIE plantea: yy En las subestaciones dentro de edificios, el local debe estar ubicado en un sitio de fácil acceso desde el exterior, localizado en áreas comunes con el fin de permitir al personal calificado las labores de mantenimiento, revisión e inspección y el acceso de vehículos que transportan los equipos.

152

CAPÍTULO 15. Control, medida y protección

yy En las subestaciones está prohibido que crucen canalizaciones de agua, gas natural, aire comprimido, gases industriales o combustibles, excepto las tuberías de extinción de incendios y de refrigeración de los equipos de la subestación. yy Los locales ubicados en semisótanos y sótanos, con el techo debajo de antejardines y paredes que limiten con muros de contención, deben ser debidamente impermeabilizados para evitar humedad y oxidación. yy En las zonas adyacentes a la subestación no deben almacenarse combustibles. Para una mayor ampliación del tema sobre subestaciones y su normatividad, se recomienda dirigirse a la sección 450 del Código Eléctrico Colombiano - NTC 2050, sobre bóvedas para transformadores. La iluminación natural sería conveniente que existiese para poder efectuar reparaciones en caso de faltar el flujo eléctrico. Se recomienda también que las paredes del local sean a prueba de fuego para evitar la propagación de incendios que podrían originarse en la subestación. Si el edificio es aislado y se puede disponer de áreas auxiliares, se recomienda ubicarlas independientemente y bajo el nivel de tierra para evitar accidentes causados por cortocircuitos o explosión del transformador. Si ello no es posible, de todas maneras deberán localizarse en los sótanos o en la planta más baja del edificio (en un sitio no inundable).

yy Toda subestación (transformador) y toda transición de línea aérea a cable aislado de media, alta o extra alta tensión, deben disponer de DPS. En los demás equipos de media, alta o extra alta tensión o en redes de baja tensión o uso final, la necesidad de DPS dependerá de una evaluación técnica objetiva del nivel de riesgo por sobretensiones transitorias a que pueda ser sometido dicho equipo o instalación. Tal evaluación técnica, deberá tener en cuenta entre otros factores: • El uso de la instalación • La coordinación de aislamiento • La densidad de rayos a tierra • Las condiciones topográficas de la zona • Las personas que podrían someterse a una sobretensión • Los equipos a proteger yy Para la instalación de un DPS se debe tener en cuenta que la distancia entre los bornes del mismo y los del equipo a proteger debe ser lo más corta posible, de tal manera que la inductancia sea mínima. En baja tensión los conductores de conexión a la red y a tierra no deben ser de calibre inferior a 14 AWG en cobre. En media, alta y extra alta tensión los conductores de conexión a la red y a tierra no deben ser de calibre inferior a 6 AWG. yy El DPS debe estar instalado como lo indica la siguiente figura. Se debe tener como objetivo que la tensión residual del DPS sea casi igual a la aplicada al equipo. Figura 15.29 Instalación DPS

Finalmente, la subestación además de estar dotada de interruptores automáticos y manuales, tiene instrumentos de medición como amperímetros, voltímetros, vatímetros y vatihorómetros, que pueden ubicarse en una celda especial. Con respecto a la parte de los dispositivos de protección tratados con anterioridad es importante tener en cuenta los requisitos para su instalación adaptados de las normas IEC 61643-12, IEC 60664, IEC 60664-1, IEC 60071, IEC 60099, IEC 60364-4-443, IEC 60364-5-534, IEC 61000-5-6, IEC 61312, IEEE 141, IEEE 142 y NTC 4552:

  yy La instalación de los DPS debe ser en modo común, es decir, entre conductores activos y tierra. 153

Instalaciones eléctricas

yy Cuando se requieran DPS, se debe dar preferencia a la instalación en el origen de la red interna. Se permite instalar DPS en interiores o exteriores, pero deben ser inaccesibles para personas no calificadas. Se permite que un bloque o juego de DPS proteja varios circuitos. Cuando se instalen varias etapas de DPS, debe aplicarse una metodología de zonificación y deben coordinarse por energía y no sólo por corriente. yy No se deben instalar en redes eléctricas de potencia DPS construidos únicamente con tecnología de conmutación de la tensión. yy La capacidad de cortocircuito del DPS debe estar coordinada con la capacidad de falla en el nodo donde va a quedar instalado. yy En caso de explosión del DPS, el material aislante no debe lanzar fragmentos capaces de hacer daño a las personas o equipos adyacentes. En baja tensión, este requisito se puede reemplazar por un encerramiento a prueba de impacto, el cual será demostrado con la instalación ya construida. En cuanto a requisitos del producto para los DPS, que deben ser respaldados con una certificación, se tiene según el RETIE en su artículo 17.6.2 que: yy Los DPS utilizados en media, alta y extra alta tensión con envolvente en material de porcelana, deben contar con algún dispositivo de alivio de sobrepresión automático que ayude a prevenir la explosión del equipo.

yy Los parámetros básicos que debe cumplir un DPS de baja tensión y que deben estar a disposición del usuario, en el equipo o en catálogo, son: yy Corriente nominal de descarga, que en ningún caso será menor a 5 kA por módulo, para DPS instalados en el inicio de la red interna. yy Tensión nominal, según la red eléctrica en que se instalará. yy Máxima tensión de operación continua, que debe ser mayor o igual a 1,1 veces la tensión máxima del sistema en régimen permanente. yy El nivel de protección en tensión, que debe ser menor que el nivel básico de aislamiento. En caso de una mayor ampliación del tema sobre subestaciones y su normatividad, se recomienda dirigirse a la sección 450 del Código Eléctrico Colombiano - NTC 2050, sobre bóvedas para transformadores. La iluminación natural sería conveniente que existiese para poder efectuar reparaciones en caso de faltar el flujo eléctrico. Se recomienda también que las paredes del local sean a prueba de fuego para evitar la propagación de incendios que podrían originarse en la subestación. En el anexo gráfico siguiente se incluyen estos ejemplos: yy Pequeña subestación para cuatro apartamentos y servicios colectivos. No tiene transformador. Es más bien un grupo unificado de medidores.

yy Los DPS utilizados en media tensión con envolvente en material polimérico, deben contar con algún dispositivo externo de desconexión en caso de quedar en cortocircuito.

yy S ubestación especial trifásica para un edificio particular, por ejemplo, facultad en un conjunto universitario con requerimientos debidos a equipo eléctrico particular.

yy Bajo ninguna condición los materiales constitutivos de la envolvente del DPS deben entrar en ignición.

yy Subestación para un edificio de 32 apartamentos, locales comerciales, servicios colectivos, trifilar monofásica con transformador en el propio edificio.

154

CAPÍTULO 15. Control, medida y protección

Figura 15.30 Pequeña subestación para cuatro apartamentos y servicios comunes trifilar monofásica 120/220 V

155

Instalaciones eléctricas

Figura 15.31 Subestación trifásica con transformador en el mismo local para 120/208 V

156

CAPÍTULO 15. Control, medida y protección

Figura 15.32 Subestación trifilar monofásica 110/220 V, de doble acceso, con transformador en el mismo local

157

Instalaciones eléctricas

Figura 15.33 Ejemplo de subestación para un gran edificio - con celda de transformación

Deben consultarse los catálogos de las firmas fabricantes para completar la información sobre este importante aspecto de las instalaciones en grandes edificios. Según la sección 110-16 del Código Eléctrico Colombiano – NTC 2050, respecto a los espacios alrededor de los equipos eléctricos para 600 V nominales o menos, planea lo siguiente: Alrededor de todos los equipos eléctricos debe existir y se debe mantener un espacio de acceso y de trabajo suficiente que permita el funcionamiento y el mantenimiento fácil y seguro de dichos equipos 158

a. Espacio de trabajo: la medida del espacio de trabajo para equipos que funcionen a 600 V nominales o menos a tierra y que pueden requerir examen ,ajuste, servicio o mantenimiento mientras están energizados, debe cumplir con: • Profundidad del espacio de trabajo: la profundidad del espacio de trabajo en la dirección del acceso hacia las partes energizadas no debe ser inferior a la indicada en la siguiente tabla. Las distancias se deben medir desde las partes energizadas, si están expuestas, o desde el frente de le encerramiento o abertura, si están encerrados.

CAPÍTULO 15. Control, medida y protección

Las condiciones son las siguientes:

3. Partes energizadas expuestas en ambos lados del espacio de trabajo (no protegidas como está previsto en la condición 1), con el operador entre ambas.

Tabla 15.4 Distancia mínima Tensión nominal a tierra (V) 0-150 151-600

Distancia mínima en (m) según la condición Condición 1

Condición 2

Condición 3

0,9

0,9

0,9

0,9

1,1

1,2

Según el operador de red: Las partes vivas expuestas de equipo eléctrico que operen a 50 V o más deberán ser protegidas con barreras para evitar contactos accidentales o instaladas de la siguiente manera:

 

1. Partes energizadas expuestas en un lado y ninguna parte energizada o puesta a tierra en el otro lado del espacio de trabajo, o partes energizadas expuestas a ambos lados protegidas eficazmente por madera u otros materiales aislantes adecuados. No considerarán partes energizadas los cables o barras aislados que funcionen a menos de 300 V.

a. En un cuarto o gabinete accesible sólo a personas idóneas. b. En un balcón apropiado o plataforma a una altura conveniente para excluir al personal no capacitado. c. Protegido por un pasamano cuando el equipo opere a una tensión mayor de 600 V.

2. Partes energizadas expuestas a un lado y puestas a tierra en el otro. Las paredes del hormigón, ladrillo o baldosa se deben considerar como puestas a tierra.

Conviene finalmente agregar la siguiente tabla sobre distancias libres mínimas alrededor de partes vivas, tal como lo especifica el RETIE, en su capítulo 2, artículo 13.3.

Tabla 15.5 Límites de aproximación a partes energizadas de equipos Límite de aproximación seguro (m)

Tensión nominal del sistema (fase – fase)

Parte móvil expuesta

Parte fija expuesta

Límite de aproximación restringida (m) Incluye movimientos involuntarios

Límite de aproximación técnica (m)

51 V – 300 V

3,00

1,10

Evitar contacto

Evitar contacto

301 V – 750 V

3,00

1,10

0,30

0,025

751 V – 15 kV

3,00

1,50

0,66

0,18

15,1 kV – 36 kV

3,00

1,80

0,78

0,25

36,1 kV – 46 kV

3,00

2,44

0,84

0,43

46,1 kV – 72,5 kV

3,00

2,44

0,96

0,63

72,6 kV – 121 kV

3,25

2,44

1,00

0,81

138 kV – 145 kV

3,35

3,00

1,09

0,94

161 kV – 169 kV

3,56

3,56

1,22

1,07

230 kV – 242 kV

3,96

3,96

1,60

1,45

345 kV – 362 kV

4,70

4,70

2,60

2,44

500 kV – 550 kV

5,80

5,80

3,43

3,28

159

Instalaciones eléctricas

Figura 15.34 Límites de aproximación Personas no calificadas únicamente si están acompañadas por personal CALIFICADO

Sólo personal CALIFICADO

LÍMITE DE APROXIMACIÓN TÉCNICA

LÍMITE DE APROXIMACIÓN RESTRINGUIDA

LÍMITE DE APROXIMACIÓN SEGURO

EQUIPO ELÉCTRICO Nivel de tensión

Corriente de falla trifásica [A] Tiempo de la falla [segundos]

• Sólo personal CALIFICADO • EPP para contacto directo con partes energizadas • Autorización requerida

15.7 CONEXIÓN A TIERRA Siguiendo el orden del reglamento de Empresas Públicas de Medellín, dentro del mismo capítulo de control, medida y protección, se incluye la conexión a tierra. Así pues, es interesante averiguar la razón de ser de las conexiones a tierra y la práctica normal en nuestro medio tal como lo recomienda el reglamento

propio. El RETIE lo plantea como “la más eficiente protección de las vidas y las propiedades”. El término “tierra”3 significa establecer una conexión eléctrica de algún punto de una instalación al suelo. Se hace principalmente con el fin de limitar la tensión en los circuitos que pueden estar expuestos a tensiones más altas que aquellos para los cuales han sido calculados; o para limitar el máximo potencial a tierra debido a la tensión normal.

Según el RETIE la tierra para sistemas eléctricos, es una expresión que generaliza todo lo referente a conexiones con tierra. En temas eléctricos se asocia a suelo, terreno, tierra, masa, chasis, carcasa, armazón, estructura o tubería de agua. El término masa sólo debe utilizarse para aquellos casos en que no es el suelo, como en los aviones, los barcos y los carros. 3

160

CAPÍTULO 15. Control, medida y protección

Veamos además cómo puede proteger la conexión a tierra a las personas y a las instalaciones. En la siguiente figura se muestra un tramo de red trifilar monofásica residencial (figura 15.35).

y suponemos que la línea viva L2 ha sufrido en algún punto (A) la pérdida del forro o aislamiento y que su parte descubierta ha quedado en contacto con el interior del ducto.

La línea neutra está conectada a tierra. Si una persona (no aislada del piso) toca el neutro, no deberá recibir corriente alguna pues no hay diferencia de potencial entre el neutro y la tierra. En cambio si toca una de las líneas L1 o L2, recibirá en cada caso una descarga de 110 V, pues no hace más que actuar como conductor eléctrico entre dos puntos de diferente potencial, la línea viva a 110 V y la tierra a cero.

En este caso podemos decir gráficamente que toda la tubería se electriza igualmente las cajas y tableros a los cuales está conectada, representando un grave peligro para las personas que desprevenidamente hacen conexión a tierra y pueden recibir grandes descargas sobretodo en circuitos mayores.

Desde este punto de vista, la protección a las personas resulta muy relativa; se supone además que para manipular estas líneas es necesario tomar las debidas precauciones de aislamiento. Es entonces más importante el aspecto que trataremos a continuación: Si en la misma figura consideramos que las líneas van colocadas dentro de una tubería metálica (caso corriente en la gran mayoría de las edificaciones)

De esta forma resulta indispensable introducir previamente la conexión a tierra, es decir, conectar a tierra la red de tubería de otros aparatos, de tal manera que si por cualquier motivo hay fallas en el aislamiento de los conductores vivos, en el punto de avería se establece el contacto vivo, tierra (neutro), que hará saltar los fusibles o automáticos como respuesta a ese contacto accidental, dando así una definitiva protección tanto en el sistema como a las personas. Es bueno anotar que las compañías de electricidad recomiendan por razones como las anteriores, las canalizaciones en tubería metálica e introducen ciertas restricciones en el empleo de otras tuberías que trabajan como aisladoras haciendo imposible encontrar fallas como las anotadas.

Figura 15.35 Tramo de red trifilar

161

Instalaciones eléctricas

La siguiente figura muestra el caso explicado de conductores en tubería metálica. Uno de ellos (vivo) ha perdido el aislamiento, por ejemplo al sufrir una raspadura en el momento de la pesca3 de los mismos (figura 15.36). Figura 15.36 Conexión a tierra en tubería metálica -conduit- Tubería metálica conduit

Así pues, de acuerdo con las recomendaciones del operador de red: “Se conectará permanentemente a tierra, según las prescripciones de este Reglamento: el neutro de la línea de entrada en el tablero general, todas las partes metálicas de los motores, transformadores, cocina, resistencia o aparatos de arranque para motores, las armaduras de los tableros, los tubos y corazas metálicas, etc.”. Con respecto a lo que plantea el RETIE, en su capítulo 2, artículo 15, sobre sistemas de puesta a tierra; es importante destacar lo siguiente: yy Toda instalación eléctrica cubierta por el presente reglamento, excepto donde se indique expresamente lo contrario, debe disponer de un sistema de puesta a tierra (SPT) de tal forma que cualquier punto del interior o exterior, normalmente accesible a personas que puedan transitar o permanecer allí, no estén sometidos a tensiones de paso, de contacto o transferidas, que superen los umbrales de soportabilidad del ser humano cuando se presente una falla. 3

yy Los objetivos de un sistema de puesta a tierra (SPT) son: la seguridad de las personas, la protección de las instalaciones y la compatibilidad electromagnética. yy Las funciones de un sistema de puesta a tierra son: • Garantizar condiciones de seguridad a los seres vivos • Permitir a los equipos de protección despejar rápidamente las fallas • Servir de referencia al sistema eléctrico • Conducir y disipar las corrientes de falla con suficiente capacidad • Transmitir señales de RF en onda media yy Las puestas a tierra deben cumplir los siguientes requisitos: • Los elementos metálicos que no forman parte de las instalaciones eléctricas, no podrán ser incluidos como parte de los conductores de puesta a tierra. Este requisito no excluye el hecho de que se deben conectar a tierra, en algunos casos. • Los elementos metálicos principales que actúan como refuerzo estructural de una edificación deben tener una conexión eléctrica permanente con el sistema de puesta a tierra general. • Las conexiones que van bajo el nivel del suelo en puestas a tierra, deben ser realizadas mediante soldadura exotérmica o conector certificado para tal uso. • Para verificar que las características del electrodo de puesta a tierra y su unión con la red equipotencial cumplan con el presente reglamento se deben dejar puntos de conexión y medición accesibles e inspeccionables. Cuando para este efecto se construyan cajas de inspección, sus dimensiones deben ser mínimo de 30 cm x 30 cm, o de 30 cm de diámetro si es circular y su tapa debe ser removible. • No se permite el uso de aluminio en los electrodos de las puestas a tierra. • En sistemas trifásicos de instalaciones de uso final con cargas no lineales, el conductor de neutro, debe ser dimensionado con, por lo menos, el 173% de la capacidad de corriente de la carga de diseño de las fases, para evitar sobrecargarlo.

Pesca: procedimiento en el cual se hacen pasar los conductores (fases y neutros) por las respectivas tuberías, para llevarlos a los puntos de salida y suministro de energía.

162

CAPÍTULO 15. Control, medida y protección



• A partir de la entrada en vigencia del presente reglamento queda expresamente prohibido utilizar en las instalaciones eléctricas, el suelo o terreno como camino de retorno de la corriente en condiciones normales de funcionamiento. No se permitirá el uso de sistemas monofilares,



es decir, donde se tiende sólo el conductor de fase y donde el terreno es la única trayectoria tanto para las corrientes de retorno como de falla. • Cuando por requerimientos de un edificio existan varias puestas a tierra, todas ellas deben estar interconectadas eléctricamente, según criterio adoptado de IEC-61000-5-2, tal como aparece en la figura 15.37.

Figura 15.37 Sistemas con puestas a tierra dedicadas e interconectadas

163

Instalaciones eléctricas

yy La puesta a tierra debe estar constituida por uno o varios de los siguientes tipos de electrodos: varillas, tubos, placas, flejes o cables.

Tabla 15.6 Sección mínima de los conductores de tierra de equipos para canalizaciones y equipos

yy Se podrán utilizar electrodos de cable de acero galvanizado siempre que se garanticen las condiciones de seguridad establecidas en el RETIE. yy El electrodo tipo varilla o tubo debe tener mínimo 2,4 m de longitud; además debe estar identificado con la razón social o marca registrada del fabricante y sus dimensiones, esto debe hacerse dentro los primeros 30 cm desde la parte superior. yy Para la instalación de los electrodos se deben considerar los siguientes requisitos: • La unión entre el electrodo y el conductor de puesta a tierra debe hacerse con soldadura exotérmica o un conector certificado para este uso. • Cada electrodo debe quedar enterrado en su totalidad. • El punto de unión entre el conductor del electrodo de puesta a tierra y la puesta a tierra debe ser accesible y la parte superior del electrodo enterrado debe quedar a mínimo 15 cm de la superficie. Este ítem no aplica a electrodos enterrados en las bases de estructuras de líneas de transmisión ni a electrodos instalados horizontalmente. El conductor para baja tensión, debe cumplir con la tabla: sección mínima de los conductores de tierra de equipos para canalizaciones y equipos. • Los conductores del sistema de puesta a tierra deben ser continuos, sin interruptores o medios de desconexión y cuando se empalmen, deben quedar mecánica y eléctricamente seguros por medio de soldadura o conectores certificados para tal uso. 164

Intensidad o posición máxima del dispositivo automático de protección contra sobreintensidad en el circuito antes de los equipos, conductos, etc. (amperios)

CABLE DE COBRE Nº

Cable de aluminio o de aluminio revestido de cobre* Nº

15

14

12

20

12

10

30

10

8

40

10

8

60

10

8

100

8

6

200

6

4

300

4

2

400

3

1

500

2

1/0

SECCIÓN

600

1

2/0

800

1/0

1/0

1 000

2/0

4/0

1 200

3/0

250 Kcmils

1 600

4/0

350 Kcmils

2 000

250 Kcmils

400 Kcmils

2 500

350 Kcmils

600 Kcmils

3 000

400 Kcmils

600 Kcmils

4 000

500 Kcmils

800 Kcmils

5 000

700 Kcmils

1200 Kcmils

6 000

800 Kcmils

1200 Kcmils

 



• El conductor de puesta a tierra de equipos, debe acompañar los conductores activos durante todo su recorrido y por la misma canalización. • Los conductores de los cableados de puesta a tierra que por disposición de la instalación se requieran aislar, deben ser de aislamiento color verde, verde con rayas amarillas o identificados con marcas verdes en los puntos de inspección y extremos. • Antes de efectuar trabajos de conexión o desconexión en los conductores del sistema de puesta a tierra se debe verificar que el valor de la corriente sea cero.

CAPÍTULO 15. Control, medida y protección

15.8 TIERRA DE LOS SISTEMAS DE CORRIENTE ALTERNA 1. Hasta 150 V de diferencia de potencial a tierra.

Figura 15.38 Sistemas de corriente alterna a

165

Instalaciones eléctricas

2. Hasta 300 V de diferencias de potencial a tierra Figura 15.39 Sistemas de corriente alterna b

La conexión a tierra debe estar próxima al servicio de desconexión general, para todos los sistemas. El sistema anterior es requerido cuando sirve a un autotransformador, parte de una balasta que alimenta unidades de iluminación y que eleva el voltaje a más de 300 V. Es importante saber que en nuestro medio se emplea de preferencia la conexión estrella (Y) por requerir menor calibre de líneas que la conexión delta (D) para la misma potencia demandada. 15.8.1 Continuidad a tierra en conduit de PVC

c) Para más de 300 V de Diferencia de Potencial a Tierra Figura 15.40 Sistemas de corriente alterna c

yy La continuidad a tierra en instalaciones eléctricas en tubería Conduit metálica, se hace a través de la misma tubería metálica (neutro) y queda garantizada mientras no se oxiden las roscas en los extremos de tubería o mientras no se presente desconexión entre los tubos y las cajas. yy En el caso de tubería conduit de PVC, como no es conductora de electricidad, deberá introducirse un alambre desnudo cuyo calibre mínimo sea Nº14 AWG que además de recorrer las tuberías, está interconectado a través de las cajas e igualmente a tierra según las modalidades estudiadas. Se supone que en todos los casos, las cajas son metálicas. Por otra parte, puede ser aprovechada esta conexión a tierra, como la correspondiente a artefactos eléctricos, cuyos enchufes deberán tener 3 patas y el tomacorriente 3 orificios, siendo uno de ellos el conectado a la caja y a tierra. Nuestro siguiente interrogante será entonces, ¿cómo se hace la conexión a tierra? Al respecto, el operador de red, responde: “Como tierra se debe tomar siempre que sea posible, una tubería de agua; la conexión con la tubería debe hacerse firmemente, soldándola o sujetándola con abrazaderas adecuadas, y utilizando un calibre no inferior al del neutro”.

166

CAPÍTULO 15. Control, medida y protección

Figura 15.41 Esquema tubería plástica

15.8.2 Tierra artificial a. Láminas metálicas Figura 15.42 Tierra artificial

Sin embargo, cabe agregar que en la práctica se usa el Nº8 AWG (cobre) como calibre mínimo para tierra, en las instalaciones más comunes. De todas maneras el calibre más adecuado estará determinado por el cálculo según la capacidad en amperios.

NOTA: debe elegirse un lugar húmedo para esta conexión. En algunos casos se puede aún colocar un tubo para humedecer el carbón con agua. Figura 15.43 Tierra artificial

Por otra parte, puede suceder que sea difícil la cercanía de agua, en cuyo caso deberá usarse una tierra artificial. “Cuando no pueda usarse como tierra alguna tubería de agua, se empleará una tierra artificial. La tierra artificial puede ejecutarse con planchas de 0,30 m por 0,30 m por 1,50 m de espesor; o con tubos o varillas de un diámetro mínimo de ¾’’ por 1,50 m de largo. Como material se permite: Cobre, hierro cobrizazo o hierro galvanizado”. Este artículo coincide en lo esencial con las recomendaciones de la NTC 2050. Las figuras del siguiente numeral corresponden a este último. 167

Instalaciones eléctricas

b. Varillas metálicas (rods): de hierro con cubierta de cobre, varillas Copperweld. Se emplean varillas de Φ ½’’ y Φ 1’’ y de 8ft de longitud. En caso de usar Φ 1’’, basta con una sola varilla. Si se trata de Φ ½’’, deberán tomarse dos varillas paralelas separadas unas 6 pulgadas. En la figura 15.44 se aprecia gráficamente el caso de varillas metálicas. Figura 15.44 Varillas metálicas

c. Tubos metálicos (pipes): tubos de hierro galvanizado. En este caso, se conserva la misma longitud de 8 pies, pero se introducen en diámetro intermedio Φ ¾’’ y algunos dispositivos para los extremos: punta y cabeza o tapa roscada interiormente. Figura 15.45 Tubos metálicos

A continuación se establecen los requisitos esenciales para los productos de mayor utilización en instalaciones eléctricas los cuales deben presentar certificado de conformidad antes de su instalación, según lo establecido en el artículo 44º del Capítulo X. Toda información relativa al producto que haya sido establecida como requisito por el RETIE, incluyendo la relacionada con marcaciones, rotulados, información de catálogo e instructivos de instalación, debe ser verificada dentro del proceso de certificación del producto. Las normas referenciadas pueden indicar métodos para probar los requisitos establecidos en el Reglamento; pero si dichas normas no contemplan tales pruebas, el Organismo de Certificación Acreditado podrá recurrir a otras normas técnicas internacionales, normas técnicas de reconocimiento internacional o NTC relacionadas con dicho producto. Si en estas normas tampoco existen los métodos para probar tal requisito, el certificador podrá utilizar otros referentes reconocidos por las buenas prácticas de la física. Cuando un producto de los reglamentados en el RETIE sea parte integrante de una instalación, aparato, máquina o herramienta excluida de su alcance, no requerirá demostrar la conformidad con el RETIE, sin perjuicio de los requerimientos de otros Reglamentos Técnicos que lo cobijen.

El tipo de conexión a tierra explicado para láminas metálicas, es muy utilizado en pararrayos; otro aspecto importante en la protección eléctrica de los edificios. 15.9 CONTROL DE CALIDAD Y GARANTÍA DE LOS MATERIALES ELÉCTRICOS Para finalizar este capítulo hacemos referencia a las disposiciones del artículo 17, capítulo 2 del RETIE, sobre requisitos de productos; citado textualmente a continuación: 168

Para efectos del Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas, el Código Eléctrico Colombiano NTC 2050 (Primera Actualización), es una norma técnica aplicada a las instalaciones eléctricas, por lo tanto, los requisitos de productos contemplados en dicha norma, no serán de obligatorio cumplimiento ni exigible la certificación de conformidad, a menos que el presente Reglamento exija tales condiciones. Cuando un producto se construya para una o más funciones propias de otros productos contemplados en este artículo, este producto deberá demostrar el cumplimiento de los requisitos indi-

CAPÍTULO 15. Control, medida y protección

viduales que le apliquen. Por ejemplo para el caso de los denominados “benjamines” y adaptadores. Productos como: yy Alambres y cables • Bombillas y portalámparas • Cercas eléctricas • Cintas aislantes eléctricas • Clavijas y tomacorrientes • Dispositivos de protección contra sobretensiones (DPS) • Interruptores de baja tensión • Motores y generadores • Tableros eléctricos de baja tensión • Transformadores de distribución y de potencia • Bandejas portacables, canalizaciones, canaletas, tubos y tuberías • Cajas y conduletas • Extensiones y multitomas para baja tensión • Aisladores • Estructuras o postes para redes de distribución • Puertas cortafuego Deberán cumplir con los lineamientos planteados por el RETIE en toda instalación eléctrica donde sean empleados. Otras siglas que conviene conocer y que responden a entidades o normas cuyas recomendaciones son acogidas por los fabricantes de materiales eléctricos colombianos son:

ASTM: American Society For Testing And Materials IPCEA: Insulated Power Cable, Engineers Association NEMA: National Electrical Manufactures Association REA: Rural Electrification Administration NBFU: National Board of Fire Underwriters MIL: Military Specification NEC: National Electrical Code (EEUU) Nota: V.D.E significa Verband Deutscher Elektrotechniker. 1 pie (ft) = 30,48 cm = 12 in 1 m = 3,28 ft = 39,37 in = 100cm   1 in = 2,54 cm

ASTM: American Society For Testing And Materials IPCEA: Insulated Power Cable, Engineers Association NEMA: National Electrical Manufactures Association REA: Rural Electrification Administration NBFU: National Board of Fire Underwriters MIL: Military Specification NEC: National Electrical Code (EEUU) Nota: V.D.E significa Verband Deutscher Elektrotechniker. 1 pie (ft) = 30,48 cm = 12 in 1 m = 3,28 ft = 39,37 in = 100cm   1 in = 2,54 cm

169

Instalaciones eléctricas

170

CAPÍTULO 16. Canalizaciones

CAPÍTULO 16 Canalizaciones

Este capítulo se refiere a los diferentes sistemas que pueden ser empleados para la conducción de los cables y alambres conductores de electricidad. También es aplicable el término a las redes de comunicaciones. Las canalizaciones se hacen para redes exteriores y para distribución internas. 16.1 CANALIZACIONES EXTERNAS Ya nos hemos referido antes a las canalizaciones externas al tocar el aspecto de la distribución urbana de la energía eléctrica por medio de redes. Más concretamente se explicó el sistema de cárcamos y bloques de hormigón con huecos cilíndricos longitudinales (condulines). Actualmente tubos de PVC. Algunas anotaciones complementarias pueden ser agregadas con relación a este punto: a. En primer lugar recordamos que los cables conductores de energía eléctrica (y de comunicaciones) pueden colocarse directamente bajo tierra con tal de que cumplan con ciertas especificaciones de protección de su aislamiento, es decir, deberán ser del tipo cable armado (por ejemplo con espiral de acero y cubierta de yute) de manera que resistan la acción del terreno y los esfuerzos mecánicos que eventualmente podrían actuar sobre ellos. Sin embargo, es recomendable disponer algún medio protector, especialmente por la parte superior de los cables, cuando exista grave

peligro de averías mecánicas debido a excavaciones, paso de vehículos, etc., se podrán disponer ladrillos en forma de teja o medios tubos longitudinales. b. Cuando no se utilice cable armado sino otro tipo que no puede ser puesto directamente bajo tierra, se hace imprescindible el empleo de algún medio de canalización como los condulines, cárcamos y aisladores, o también sistemas de ductos como por ejemplo de asbesto – cemento. c. En todos los casos de redes eléctricas subterráneas, es indispensable tener en cuenta que se deben disponer cajas principalmente para empalmes de cables y para inspección. Aún, podrían hacerse cajas provisionales durante el período de construcción. Por otra parte, la canalización propiamente dicha deberá tener un diámetro interno suficiente para alojar los cables y buena resistencia mecánica para soportar esfuerzos como los debidos al paso de vehículos; en este punto es un auxiliar la misma profundidad de la canalización, o el espesor de ella. Conviene darle una pendiente hacia las cajas de empalme a fin de evacuar humedad. Aunque se supone que la canalización debe ser hermética, puede presentarse humedad por algún motivo, o por lo menos debido a las condensaciones. Igualmente se procura que el interior de la canalización sea liso a fin de no deteriorar los cables durante el proceso de su colocación. Finalmente, es importante que el material de la canalización no ataque químicamente los aislamientos propios de los cables; además debe ser impermeable y debe tener una resistencia eléctrica uniforme de modo que no dé lugar a la aparición de fenómenos de electrólisis. 171

Instalaciones eléctricas



Hechas estas observaciones nos ocuparemos de las canalizaciones internas, es decir, aquellas que normalmente son utilizadas para las distribuciones interiores.

16.2 CANALIZACIONES INTERNAS De acuerdo con el RETIE, las bandejas portacables, las canalizaciones, las canaletas, los tubos y las tuberías para instalaciones eléctricas deben cumplir los requisitos correspondientes al Capítulo 3 de la NTC 2050, Primera Actualización, tratados en las siguientes secciones: yy yy yy yy yy yy yy yy yy yy yy yy yy yy yy yy yy yy

Bandejas portacables (cable trays). Sección 318 Canalizaciones superficiales (surface raceways). Sección 352 Canalizaciones bajo piso (under floor raceways). Sección 354 Canalizaciones en pisos metálicos celulares (cellular metal floor raceways). Sección 356 Canalizaciones en piso celulares de concreto (cellular concrete floor raceways). Sección 358 Canaletas metálicas y no metálicas (metal wireways – and nonmetallic wireways). Sección 362 Canalizaciones o buses de barras (blindobarras) (busways). Sección 364 Bus de cables (cable bus). Sección 365 Canaletas auxiliares (auxiliary gutters). Sección 374 Tuberías eléctricas plegables no metálicas. Sección 341 Tubo conduit subterráneo no metálico con conductores. Sección 333 Tubo conduit metálico intermedio tipo IMC. Sección 345 Tubo conduit metálico rígido (tipo rigid). Sección 346 Tubo conduit rígido no metálico. Sección 347 Tubería eléctrica metálica (tipo EMT). Sección 348 Tubería metálica flexible. Sección 349 Tubo conduit de metal flexible. Sección 350 Tubo conduit metálico y no metálico flexible, hermético a los líquidos. Sección 351

172

Igualmente deberán cumplir con los siguientes requisitos que sean de su aplicación, los cuales están relacionados en normas tales como: NTC 2050, NEMA VE1, NEMA FG1, NEMA VE2, IEC601084, IEC60439-1, IEC60439-2, IEC60529, IEC61000-2-4, NTC171, NTC169 y NTC105. a. En ambientes corrosivos, con humedad permanente o bajo tierra, no se aceptan bandejas portacables metálicas, tuberías, canaletas o canalizaciones metálicas que no estén apropiadamente protegidas contra la corrosión. b. En edificaciones de más de tres pisos, las tuberías eléctricas no metálicas plegables, corrugadas, deben ir ocultas dentro de cielorrasos, pisos, muros o techos, siempre y cuando los materiales constructivos usados tengan una resistencia al fuego de mínimo 15 minutos, excepto si se tiene un sistema contra incendio de regaderas automáticas en toda la edificación. c. No se permite el uso de tubería eléctrica no metálica plegable, como soporte de aparatos, enterrada directamente en el suelo, ni para tensiones mayores de 600 V, a no ser que esté certificada para ese uso. d. No deben instalarse tubos, tuberías, canalizaciones o canaletas en lugares expuestos a daños físicos severos que las fracturen, o a la luz solar directa si son no metálicas, si no están certificadas para ser utilizadas en tales condiciones y tipo de aplicación. e. El fabricante de bandejas portacables, canaletas y canalizaciones especificará los máximos esfuerzos mecánicos permitidos que pueden soportar, en ningún caso se aceptarán canaletas o canalizaciones metálicas en lámina de acero de espesor inferior a 0,75 mm. f. No se permite el uso de canaletas no metálicas en instalaciones ocultas (excepto cuando atraviesan muros o paredes), donde estén sujetas a severo daño físico, en los espacios vacíos de ascensores, en ambientes con temperaturas superiores a las certificadas para la canalización o para conductores cuyos límites de temperatura del aislamiento excedan aquellos para los cuales se certifica la canaleta. g. Los accesorios de conexión de bandejas portacables, canaletas, canalizaciones, tubos y tuberías deberán ser diseñados para cumplir su función y no deben presentar elementos cortantes que pongan en riesgo el aislamiento de los conductores.

CAPÍTULO 16. Canalizaciones

h. Los tubos y tuberías de uso eléctrico deben ser de color naranja o marcarse en franjas de este color para distinguirlas de otros usos. i. En un mismo ducto, canalización o bandeja portacables no deben instalarse conductores eléctricos con tuberías para otros usos.

Figuras 16.1 Canalizaciones abiertas en desuso por no conformidad con el RETIE

Una vez especificados los requerimientos exigidos por el Reglamento, podemos hablar de canalizaciones abiertas, como en el caso de conductores a la vista sujetos con aisladores o cerradas si se refieren especialmente a las que se hacen por medio de ductos apropiados como por ejemplo tubería conduit, tubería kópex, etc. De acuerdo con la advertencia hecha por el Reglamento para las canalizaciones que a continuación se explican, no se debe sobrepasar los 600 V. a. Conductores soportados por aisladores o instalaciones a vista También se les llama abiertas o al aire; son las más sencillas. En residencias de construcción antigua se suele encontrar este tipo de instalación, generalmente bifilar. Como todavía puede ser posible su utilización en el medio, el Reglamento hace ciertas recomendaciones como éstas: para soportar los conductores deben emplearse aisladores o prensas de porcelana o loza, con un espaciamiento máximo de 1,50 m. La distancia mínima entre los conductores deber ser de 3 cm, y entre éstos y las superficies construidas la distancia mínima será de 1 cm.



Cuando se combina con alambre de lujo, se emplean otros aisladores como se ve en la figura 16.1; además es posible colocar en pequeñas instalaciones fusibles también de loza en algunas tomas. En estas instalaciones es común el uso de rosetas y tomacorrientes de porcelana, portabombillas metálicas o plásticos de cordón, generalmente con interruptor incluido. En otros casos el interruptor puede colocarse separadamente y no puede ser empotrado mientras la instalación sea abierta.

Las figuras 16.2 a 16.8 muestran los accesorios más utilizados en este tipo de canalización elemental.

Figuras 16.2 Accesorios para canalizaciones abiertas

Hay infinidad de accesorios que por ser suficientemente conocidos no es necesario consignar aquí. En las instalaciones abiertas está prohibido colocar alambres directamente debajo de los revoques o pañetes. Los conductores que terminen en roseta o tomacorriente deberán tener soportes situados a una distancia máxima de 30 cm, de los accesorios mencionados. Se permite la instalación por cielo rasos, con tal de que sean accesibles y se empleen conductores apropiados con las precauciones enunciadas. En los casos en que parte de la instalación esté expuesta a averías mecánicas, deberá colocarse dentro de tubería o moldura metálica hasta una altura 173

Instalaciones eléctricas

mínima de 2 m, en caso de conductores verticales. En tramos horizontales deberá protegerse toda la longitud (tramos horizontales hasta de dos metros de altura sobre el piso).

Cuando se instala este tipo de cable es necesario contar con una serie de accesorios especiales como abrazaderas o grapas que se fijan a la superficie respectiva por medio de tornillos. La distancia entre abrazaderas no será mayor de 1,50 m.

Cuando un conductor o conductores deben atravesar muros, pisos, divisiones, etc., lo mismo en el caso de cruces de alambres de otros circuitos, deben protegerse los alambres con tubería de porcelana, plástico u otro material no conductor. No se permite este tipo de canalización a la intemperie; si un tramo queda expuesto a la intemperie deben colocarse materiales que la resistan. Si por alguna razón la instalación se sigue con tubería o cable acorazado, se deben disponer capacetes terminales con el número de entradas suficientes para pasar los conductores teniendo presente que no se permiten empalmes o uniones en el interior de tales canalizaciones. b. Cables protegidos por cubiertas no metálicas Conocido este sistema también con el nombre de romex. Los conductores son generalmente 2 o 3 agrupados bajo una cubierta común exterior de material aislante, no metálico. En la figura 16.9 se muestra este tipo de conductor.

Figura 16.4 Abrazaderas

Este tipo de canalizaciones requiere cajas, para los terminales existen conectores especiales. Todas las derivaciones deben ser hechas dentro de las respectivas cajas. c. Conductores con cubierta de plomo El caso más frecuente es de uno y dos conductores, figura 16.11. Únicamente se permite en instalaciones a la vista soportada por abrazaderas separadas 1 m como máximo. Figura 16.5 Conductores con cubierta de plomo

Figura 16.3 Cables protegidos

Generalmente se encuentra en calibres del Nº14 AWG al Nº6 AWG; los conductores tienen cubierta en colores por lo regular blanco y negro. El cable en conjunto es bastante flexible y durable. Puede aplicarse a la vista o dentro de paredes huecas de madera. No se puede incrustar en ningún caso en paredes de ladrillo, piedra o concreto, ni permitir su exposición a la lluvia o humedad. 174



La instalación debe ser siempre fácilmente accesible y no debe estar expuesta a averías mecánicas. Puede hacerse en cielo rasos con tal de que exista la posibilidad de inspección. No se puede incrustar en ningún caso, ni colocarse en el interior de paredes huecas y similares. En otras palabras, siempre debe ser una instalación superficial y continua entre salidas. Su altura mínima sobre el piso debe ser de 20 cm, en caso de instalación longitudinal sobre la superficie de una pared.

CAPÍTULO 16. Canalizaciones

d. Cable armado o acorazado (tipos AC, ACV, ACL) Estos tipos de cables están constituidos normalmente por 2, 3, 4 alambres bien aislados y agrupados bajo una misma cubierta de acero corrugado. Regularmente se encuentran calibres del Nº14 al Nº4 AWG. Los alambres tienen cubiertas en diferentes colores para su identificación.

Cuando este tipo de cable se fabrica para estar expuesto a la lluvia o lugares húmedos, debe tener una cubierta de plomo entre los conductores y la coraza protectora. En este caso adopta la denominación de BXL o ACL (Lead Covered Armored Cable). Cuando no existe la cubierta de plomo se le llama simplemente BX, adecuado para lugares secos y con denominaciones particulares como tipo AC y ACV. Figura 16.6 Cable armado



A estas últimas nos referimos a continuación puesto que nos ocupamos de canalizaciones internas no expuestas a humedad.



Los tipos AC y ACV se deben disponer a la vista, adosados a paredes, techos, etc.; también pueden colocarse en el interior de paredes de madera. No se pueden incrustar en muros de materiales pétreos, cerámicos o similares.



No pueden utilizarse en lugares húmedos o expuestos a la lluvia (en este caso utilizar BXL).



El sistema se fija a las superficies por medio de abrazaderas apropiadas, distanciadas 1,50 m como máximo. Exige el empleo de cajas para las salidas y derivaciones y conectores adecuados para las terminales en las cajas.



Los conductores de un circuito deberán ser continuos de salida a salida.



Debe disponerse siempre una caja de unión cuando se cambie de cable armado a tubería, o viceversa.



Cuando sea necesario hacer curvas o dobladuras, deberá tenerse cuidado en no dañar la coraza del cable; por tal razón se recomienda que el radio interior de una curva no sea inferior a 10 veces el diámetro del cable.



Generalmente, la sección transversal de la coraza del cable es circular, sin embargo se puede encontrar un sistema de sección ovalada (Ovaflex); los conectores y abrazaderas para esa instalación, deberán ser los apropiados para este tipo de sección.

e. Molduras metálicas (canalizaciones superficiales metálicas) Este sistema es bastante flexible, en el sentido de que permite fácil movimiento de algunos tramos de la instalación para ajustarla a ciertos requerimientos. Como regularmente los grandes edificios de oficinas, comerciales, etc., están construidos en acero o concreto y utilizan sistemas de tuberías empotradas, hacen muy rígida la instalación, lo que da a veces origen a ciertas dificultades. En estos casos resulta útil el empleo de las molduras metálicas con ciertas modalidades.

Según la sección 352 de la NTC 2050 las canalizaciones metálicas de superficie se pueden instalar a la vista y en lugares secos; donde no estén expuestas a daño físico, excepto que estén aprobadas para tensiones entre conductores menores a 300 V, excepto que la lámina tenga un espesor mayor de 1,02 mm, y en instalaciones de suministro eléctrico a equipos de voz, datos y video.



Se recomienda al respecto que se instalen siempre a la vista en lugares no expuestos a la lluvia y a la humedad. No podrán incrustarse en ningún caso. Deberán emplearse grapas o abrazaderas para soportarlas a una distancia no mayor de 1,50 m entre ellas. El sistema típico de moldura metálica exige el empleo de cajas adecuadas tanto para uniones como para las derivaciones. 175

Instalaciones eléctricas



Ejemplo de canalizaciones superficiales no metálicas se aprecian en la figura 16.7. Figura 16.7 Canalizaciones superficiales

f. Tubería metálica flexible (conductos kópex livianos)

Las normas que rigen este tipo de canalizaciones son las mismas que se aplican para los cables acorzados ya explicados.



Además se debe tener en cuenta que no se permiten empates de conductores en el interior de la tubería y es por tanto necesario hacerlos en cajas.



Los conductores se colocan en la tubería, cuando no existe ningún peligro de humedad, es decir una vez terminados los trabajos de revoque; se tendrá cuidado en secar los ductos antes de introducir los cables. Figura 16.8 Tubería metálica flexible kópex



Las primeras, constituidas por perfiles de secciones sencillas, flexibles, para cerrar fácilmente la canalización. Se usan también para comunicaciones.



En la figura 16.7 se observa un modelo de moldura metálica de sección cuadrada utilizable en oficinas, cocinas, etc. y que suministra bastante comodidad principalmente en la disposición de tomacorrientes como se observa en la figura mencionada.



Es importante que las conexiones puedan realizarse con facilidad.



Esas molduras permiten su colocación a lo largo de muebles corridos, bajo ventanería, en la parte inferior de gabinetes de cocina, laboratorios, oficinas, etc.



También se puede citar el caso de molduras tipo zócalo que se pueden colocar a la altura adecuada y permiten enchufar un aparato en un lugar cualquiera de la moldura. 176



En este tipo de tuberías aparecen limitaciones en cuanto al número de conductores que puede contener cada ducto, con base en su diámetro interno y el calibre de los alambres que lo recorren. Estos datos están tabulados y corresponden a la tabla C3 del Código Eléctrico Colombiano-NTC 2050. Más adelante serán consignadas estas tablas de especial interés en las instalaciones internas.

Conductos kópex pesados Similares a los conductos kópex livianos, pero con la diferencia de que pueden incrustarse en losas de concreto, paredes, muros de concreto, materiales pétreos o cerámicos con la condición de que no estén sometidos a humedad ni siquiera temporalmente. No pueden exponerse a los agentes atmosféricos que ocasionen acidez en los conductos.

Otros detalles relativos a su instalación son los mismos aplicables a los cables acorazados estudiados en el literal d. del presente capítulo.

CAPÍTULO 16. Canalizaciones

g. Tubería conduit liviana o pesada En vista de que este es el tipo de canalización de uso más generalizado la estudiaremos con mayor detenimiento.

A pesar de que es uno de los sistemas más empleados durante años, es todavía superior a cualquier otro método desde el punto de vista de la seguridad. Casi exclusivamente se recurre a él en los grandes edificios de oficinas y comerciales modernos, pues tiene la gran ventaja de que no hay restricciones para su incrustación en losas de concreto, etc.



Además no hay ningún inconveniente en dejar la canalización a la vista, como además se obliga en instalaciones industriales.



Puede emplearse tanto para canalizaciones subterráneas como para locales húmedos; en estos casos se exige que sea conduit pesado y galvanizado y que los conductores tengan el aislamiento apropiado.



En residencias el tipo más común de canalización es un conduit liviano, generalmente incrustado. En escuelas, almacenes, etc., se utiliza profusamente pudiendo colocarse incrustado y aún a la vista.



La tubería conduit es rígida, de hierro, muy semejante a la tubería de acueducto, pero de paredes más delgadas y lisa interiormente. Se presenta en dos tipos de acabado: pintura (negra o gris) aplicada interior y exteriormente y horneada; el otro tipo es de pintura al interior horneada y galvanizado al exterior, u otro acabado similar al galvanizado (para zonas excesiva).



La tubería conduit se fabrica en longitudes normales de 3,05 m (10 pies); los diámetros más comunes en el comercio son: ½’’, ¾’’, 1’’, 1 ¼’’, 1 ½’’, 2’’.



Sin embargo se fabrica tubería conduit hasta de Φ6’’ y las tablas correspondientes incluyen este último diámetro. Esta tubería debe ser

1

roscada convenientemente para acoplarse a las cajas y debe contarse con una serie de accesorios indispensables tanto para los acoplamientos como para los empalmes de tubería. Figura 16.9 Tubería conduit metálica

Figura 16.10 Empalme

Detalles relativos a su instalación Si se instala a la vista deberá fijarse con abrazaderas o grapas distanciadas no más de 2m entre sí. En caso de incrustarse directamente bajo revoques o pañetes deberán dejarse en los muros canales para asentarse en ellos; en nuestro medio a esta operación se le llama canchar o hacer canchas1 y debe llevarse a cabo cuidadosamente para no debilitar los morteros de las juntas entre ladrillos. Cuando sea necesario, se le puede fijar en posición con

En otros sitios se les llama regatas o rozas.

177

Instalaciones eléctricas

abrazaderas que deben quedar cubiertas por el revoque, o también clavos de fijación (figura 16.4).

Los extremos roscados de los ductos se unen a las cajas utilizando accesorios especiales: boquillas y tuercas (figura 16.13).

En losas puede dejarse embebida tanto por encima como por debajo de ellas según las características propias del sistema constructivo que se emplee. Puede colocarse en el interior de cielo rasos; o directamente en los entresuelos bajo pisos acabados, etc.

Figura 16.13 Boquillas y tuercas

En ambos sea expuesta o incrustada, se exige el empleo de cajas para todas las salidas, lo mismo que para las derivaciones (figura 16.7). Esto es válido tanto para la tubería liviana como para la pesada. Igualmente, las uniones de tubería, generalmente para tramos largos, deben hacerse en caja o por medio de mangos roscados, o nicles (figura 16.12).

Figura 16.11 Para las derivaciones siempre se ponen cajas

La boquilla tiene bordes romos a fin de no dañar los aislamientos de los cables en las salidas. Cuando se corta tubería con sierra de arco, es necesario quitar las rebabas o limaduras que quedan en los bordes por medio de un escariador o con lima, también para evitar que esos bordes cortantes puedan estropear los aislamientos de los conductores. Las roscas se hacen con terraja.

Figura 16.12 Las uniones de tubería se hacen por medio de cajas o mangos roscados (no debe usarse unión simple)

La tubería conduit se puede curvar fácilmente por medio de un aparato manual llamado curvador que permite hacer palanca sobre la tubería hasta conseguir la curva deseada. En esta operación se debe tener cuidado para que la tubería conduit no sufra averías mecánicas y para que el diámetro interior no se reduzca de manera considerable. Los tubos no deben perder el esmalte o el galvanizado al ser curvados. La NTC 2050 establece normas para el radio de curvatura interior en codos o dobladuras. Ese radio no podrá ser inferior a los siguientes valores:

178

CAPÍTULO 16. Canalizaciones

Tabla 16.1 Radio mínimo de curvatura de tubos (Tomada del Código Eléctrico Colombiano -NTC 2050, Sección 346-10 y 346-11)

Tabla 16.2 Excepción Radio de curvatura de los tubos (en pulgadas)

Radio de curvatura de los tubos (en pulgadas) Tamaño comercial del tubo

Conductores sin recubrimiento de plomo

Conductores con recubrimiento de plomo

Tamaño comercial del tubo

Radio al centro del tubo

mm

pulgadas

cm

16

1/2

10,2

21

3/4

11,4

27,9

27

1

14,6

20,3

35,6

35

1 1/4

18,4

1 1/2

25,4

40,6

41

1 1/2

21

53

2

30,5

53,3

53

2

21,1

63

2 1/2

38,1

63,5

63

2 1/2

26,7

78

3

45,7

78,7

78

3

33,9

91

3 1/2

53,3

91,4

91

3 1/2

38,1

103

4

61

101,6

103

4

40,6

129

5

76,2

127

129

5

61

155

6

91,4

154,9

155

6

76,2

mm

pulgadas

cm

cm

16

1/2

10

15,2

21

3/4

12,7

20,3

27

1

15,2

35

1 1/4

41

 

 

Nota: número de curvas en un tramo. Entre dos puntos de sujeción, por ejemplo, entre conduletas o cajas, no debe haber más del equivalente a cuatro curvas de un cuadrante (360° en total).

179

Instalaciones eléctricas

Tabla 16.3 Radio de curvatura de los tubos (en pulgadas)

Sección del tubo (en pulgadas)

½ ¾ 1 1¼ 1½ 2 2½ 3 3½ 4 5 6  

Conductores sin recubrimiento de plomo (pulgadas)

Conductores con recubrimiento de plomo (pulgadas)

4 5 6 8 10 12 15 18 21 24 30 36

6 8 11 14 16 21 25 31 36 40 50 61

Unidades SI: 1 pulgada (radio) = 25,4 mm

Nota: número de curvas en un tramo. Entre dos puntos de sujeción, por ejemplo, entre conduletas o cajas, no debe haber más del equivalente a cuatro curvas de un cuadrante (360° en total). La operación de introducir los conductores por el sistema de tuberías ya instalado se denomina en nuestro medio pescar los cables. Se utiliza para el efecto una cinta de pesca o cinta metálica flexible (de acero) aplanada; generalmente esta cinta tiene una longitud de 100 ft (30,48 m), ¼’ (6,35 mm) de ancho y espesor 1/16’’ (1,58 mm). En primer lugar se introduce por una boca de la tubería la cinta hasta conseguir que asome por otra, enseguida se fijan en el extremo de la cinta los conductores que se van a llevar a la tubería, se tiran con cuidado por el extremo opuesto de modo que las cabezas de los conductores salgan por la primera boca. 180

Tabla 16.4 Excepción Radio de curvatura de los tubos (en pulgadas)

Sección del tubo (pulgadas)

Radio al centro del tubo (pulgadas)

½ ¾ 1 1¼ 1½ 2 2½ 3 3½ 4 5 6

4 4½ 5¾ 7¼ 8¼ 9½ 10 ½ 13 15 16 24 30

 

Unidades SI: 1 pulgada (radio) = 25,4 mm

Los instaladores acostumbran usar algunas sustancias para facilitar las pescas; lo más importante es que tales materiales no ataquen químicamente los aislamientos de los conductores. Algunos usan grasas que pueden ser peligrosas por cuanto ataca el caucho. Mejor usar parafina y preferiblemente polvo talco (tipo venecia); también grafito. No se permiten pescas demasiado largas, esto significa que un tramo continuo de canalización no debe tener más de 35 m de largo. También hay restricciones en cuanto al número de curvas que permite la canalización, dado que no pueden tenerse más de los equivalentes a 4 codos de 90º o más de tres de 45º, (remitirse a la sección 346-11 del Código Eléctrico Colombiano NTC 2050 sobre este respecto).

CAPÍTULO 16. Canalizaciones

Por otra parte, todos los conductores de un circuito o ramificación del mismo deberán colocarse dentro del mismo ducto.

FEP:

Fluorinated Ethylene Propylene

MI:

Mineral insulation (Metal Sheathed)

El empalme de conductores siempre se hace dentro de cajas; por tal motivo no se permiten empalmes en el interior de los ductos. Para las derivaciones siempre se dispondrán cajas, como se advirtió antes.

RH:

Heat – Resistant Rubber

RHH:

Heat – Resistant Rubber

RHW:

Moisture and Heat – Resistant Rubber

RUH:

Heat – Resistant Latex Rubber

RUW:

Moisture – Resistant Latex Rubber

T:

Thermoplastic

TW:

Moisture – Resistant Thermoplastic

THW:

Moisture and Heat – Resistant Thermoplastic

Las cajas mencionadas y adecuadas para tubería conduit se verán en el próximo capítulo. También puede darse una modalidad de cajas muy particular, tipo accesorio, que se conoce con el nombre de conduletes para usar conjuntamente con la tubería conduit. yy Determinación del número de conductores admisibles en una tubería conduit

Un aspecto muy interesante tanto para calculistas como para los instaladores, es el conocimiento del número de conductores que se puede llevar por el interior de las tuberías.

Como es obvio, este dato dependerá principalmente del diámetro interior del ducto; otros factores que intervienen son: el calibre de los conductores, la cubierta propia o aislamiento de los conductores y aún la limitación de la tensión.

THWN: Moisture and Heat – Resistant Thermoplastic THHN: Moisture and Heat – Resistant Thermoplastic XHHW: Moisture and Heat – Resistant V:

Varnished Cambric

AVA:

Asbestos and Varnished Cambric – Asbestos Braid

AVL: AVB:

Asbestos and Varnished Cambric – Lead Sheath Asbestos and Varnished Cambric

Las tablas correspondientes se encuentran en la Norma Técnica Colombiana 2050, primera actualización, identificadas en el apéndice C y pueden ser consultadas a continuación en las tablas 16.2 y 16.3.

Nota: véase también la tabla 12.3 del capítulo 12. En esta tabla se observa cómo para cada tipo de aislamiento se especifica la temperatura ambiente máxima de operación para la cual se permite la utilización del conductor; igualmente la modalidad de empleo para lugares húmedos o secos.

Para interpretar correctamente dichas tablas es necesario consignar los equivalentes de las siglas correspondientes a la nomenclatura de los conductores.

Como complemento importante de estas tablas conviene consignar la siguiente:

181

Instalaciones eléctricas

   

TABLA 16.5 CONDUIT METÁLICA (TOMADA DEL CÓDIGO ELÉCTRICO COLOMBIANO – NTC 2050)

 

Cuadro C1. Número máximo de conductores y cables de aparatos en tuberías eléctricas metálicas (según el cuadro 1 del Capítulo 9)

 

Letras de tipo

RH RHH, RHW, RHW2

182

Sección del cable AWG Kcmils 14 12

Sección comercial en pulgadas ½

¾

1

1¼

1½

2

2½

3

3½

4

6 4

10 8

16 13

28 23

39 31

64 51

112 90

169 136

221 177

282 227

14 12

4 3

7 6

11 9

20 17

27 23

46 38

80 66

120 100

157 131

201 167

10 8 6 4 3 2 1 1/0 2/0 3/0 4/0 250 300 350 400 500

2 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

5 2 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0

8 4 3 2 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0

13 7 5 4 4 3 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0

18 9 8 6 5 4 3 2 2 1 1 1 1 1 1 1

30 16 13 10 9 7 5 4 4 3 3 1 1 1 1 1

53 28 22 17 15 13 9 7 6 5 5 3 3 3 2 2

81 42 34 26 23 20 13 11 10 8 7 5 5 4 4 3

105 55 44 34 30 26 17 15 13 11 9 7 6 6 5 4

135 70 56 44 38 33 22 19 17 14 12 9 8 7 7 6

CAPÍTULO 16. Canalizaciones

Letras de tipo

Sección del cable AWG Kcmils 600 700 750 800 900 1000 1250 1500 1750 2000

Sección comercial en pulgadas ½

¾

1

1¼

1½

2

2½

3

3½

4

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

1 0 0 0 0 0 0 0 0 0

1 1 1 1 1 1 0 0 0 0

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

3 2 2 2 1 1 1 1 1 1

4 3 3 3 3 2 1 1 1 1

5 4 4 4 3 3 2 1 1 1

TW

14 12 10 8

8 6 5 2

15 11 8 5

25 19 14 8

43 33 24 13

58 45 33 18

96 74 55 30

168 129 96 53

254 195 145 81

332 255 190 105

424 326 243 135

RHH*, RHW*, RHW-2*, THHW, THW, THW-2

14

6

10

16

28

39

64

112

169

221

282

12 10

4 3

8 6

13 10

23 18

31 24

51 40

90 70

136 106

177 138

227 177

8

1

4

6

10

14

24

42

63

83

106

RHH*, RHW*, RHW-2*, THHW, THW RHH*, RHW*, RHW-2*, THHW, THW, THW-2 RHH*, RHW*,

183

Instalaciones eléctricas

Letras de tipo RHW-2*, TW, THW, THHW, THW-2

Sección del cable AWG Kcmils 6 4 3 2 1 1/0 2/0 3/0 4/0 250 300 350 400 500 600 700 750 800 900 1000 1250 1500 1750 2000

Sección comercial en pulgadas ½

¾

1

1¼

1½

2

2½

3

3½

4

1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

3 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

4 3 3 2 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

8 6 5 4 3 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0

11 8 7 6 4 3 3 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0

18 13 12 10 7 6 5 4 3 3 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0

32 24 20 17 12 10 9 7 6 5 4 4 3 3 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1

48 36 31 26 18 16 13 11 9 7 6 6 5 4 3 3 3 3 2 2 1 1 1 1

63 47 40 34 24 20 17 15 12 10 8 7 7 6 4 4 4 3 3 3 2 1 1 1

81 60 52 44 31 26 22 19 16 13 11 10 9 7 6 5 5 5 4 4 3 2 2 1

 

*    

184

Los cables RHH, RHW y RHW-2, sin recubrimiento externo.

CAPÍTULO 16. Canalizaciones

Letras de tipo THHN, THWN, THWN-2

FEP, FEPB, PFA, PFAH, TFE

Sección del cable AWG/ Kcmils 14 12 10 8 6 4 3 2 1 1/0 2/0 3/0 4/0 250 300 350 400 500 600 700 750 800 900 1000

Sección comercial en pulgadas ½

¾

1

1¼

1½

2

2½

3

3½

4

12 9 5 3 2 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

22 16 10 6 4 2 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

35 26 16 9 7 4 3 3 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0

61 45 28 16 12 7 6 5 4 3 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0

84 61 38 22 16 10 8 7 5 4 3 3 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

138 101 63 36 26 16 13 11 8 7 6 5 4 3 3 2 1 1 1 1 1 1 1 1

241 176 111 64 46 28 24 20 15 12 10 8 7 6 5 4 4 3 2 2 1 1 1 1

364 266 167 96 69 43 36 30 22 19 16 13 11 9 7 6 6 5 4 3 3 3 3 2

476 347 219 126 91 56 47 40 29 25 20 17 14 11 10 9 8 6 5 4 4 4 3 3

608 443 279 161 116 71 60 51 37 32 26 22 18 15 13 11 10 8 7 6 5 5 4 4

14 12 10 8

12 9 6 3

21 15 11 6

34 25 18 10

60 43 31 18

81 59 42 24

134 98 70 40

234 171 122 70

354 258 185 106

462 337 241 138

590 430 309 177

185

Instalaciones eléctricas

Letras de tipo

Sección del cable AWG/ Kcmils 6 4 3 2

Sección comercial en pulgadas ½

¾

1

1¼

1½

2

2½

3

3½

4

2 1 1 1

4 3 2 1

7 5 4 3

12 9 7 6

17 12 10 8

28 20 16 13

50 35 29 24

75 53 44 36

98 69 57 47

126 88 73 60

1

1

1

2

4

6

9

16

25

33

42

1/0 2/0 3/0 4/0

1 0 0 0

1 1 1 1

1 1 1 1

3 3 2 1

5 4 3 2

8 6 5 4

14 11 9 8

21 17 14 11

27 22 18 15

35 29 24 19

Z

14 12 10 8 6 4 3 2 1

14 10 6 4 3 1 1 1 1

25 18 11 7 5 3 2 1 1

41 29 18 11 8 5 4 3 2

72 51 31 20 14 9 7 6 4

98 69 42 27 19 13 9 8 6

161 114 70 44 31 21 15 13 10

282 200 122 77 54 37 27 22 18

426 302 185 117 82 56 41 34 28

556 394 241 153 107 74 54 45 36

711 504 309 195 137 94 69 57 46

XHH, XHHW, XHHW-2, ZW

14 12 10 8 6 4 3

8 6 5 2 1 1 1

15 11 8 5 3 2 1

25 19 14 8 6 4 3

43 33 24 13 10 7 6

58 45 33 18 14 10 8

96 74 55 30 22 16 14

168 129 96 53 39 28 24

254 195 145 81 60 43 36

332 255 190 105 78 56 48

424 326 243 135 100 72 61

PFA, PFAH, TFE PFA, PFAH, TFE, Z

186

CAPÍTULO 16. Canalizaciones

Letras de tipo

XHH, XHHW, XHHW-2

Sección del cable AWG/ Kcmils 2

Sección comercial en pulgadas ½

¾

1

1¼

1½

2

2½

3

3½

4

1

1

3

5

7

11

20

31

40

51

1 1/0 2/0 3/0 4/0 250 300 350 400 500 600 700 750 800 900 1000 1250 1500 1750 2000

1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

4 3 2 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0

5 4 3 3 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0

8 7 6 5 4 3 3 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0

15 13 10 9 7 6 5 4 4 3 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1

23 19 16 13 11 9 8 7 6 5 4 3 3 3 3 2 1 1 1 1

30 25 21 17 14 12 10 9 8 6 5 4 4 4 3 3 2 1 1 1

38 32 27 22 18 15 13 11 10 8 6 6 5 5 4 4 3 3 2 1

       

187

Instalaciones eléctricas

Letras de tipo FFH-2, RFH-2, RFHH-3

Sección comercial en pulgadas

Sección del cable AWG/Kcmils

½

¾

1

1¼

1½

2

18 16

8 7

14 12

24 20

41 34

56 47

92 78

18 16 14

10 8 7

18 15 12

30 25 20

52 43 34

71 58 47

116 96 78

SF-2, SFF-2

SF-1, SFF-1 18

18

33

53

92

125

206

AF, RFH-1, RFHH-2, TF, TFF, XF, XFF

18

14

24

39

68

92

152

AF, RFHH-2, TF, TFF, XF, XFF

16

11

19

31

55

74

123

14

8

15

25

43

58

96

18 16

22 17

38 29

63 48

108 83

148 113

244 186

18 16 14

21 16 12

36 28 21

59 46 34

103 79 60

140 108 81

231 179 134

18 16 14

27 20 14

47 35 25

77 56 41

133 98 72

181 133 98

298 220 161

18 16 14

39 27 19

69 48 33

111 78 54

193 136 93

262 185 127

433 305 209

AF, XF, XFF TFN, TFFN PF, PFF, PGF, PGFF, PAF, PTF, PTFF, PAFF ZF, ZFF, ZHF, HF, HFF KF-2, KFF-2

188

CAPÍTULO 16. Canalizaciones

Letras de tipo KF-1, KFF-1

AX, XF, XFF

Sección comercial en pulgadas

Sección del cable AWG/Kcmils

½

¾

1

1¼

1½

2

12 10

13 8

23 15

37 25

64 43

87 58

144 96

18 16 14 12 10

46 33 22 14 9

82 57 38 25 16

133 93 63 41 27

230 161 108 72 47

313 220 148 98 64

516 362 244 161 105

12 10

4 3

8 6

13 10

23 18

31 24

51 40

Nota: esta tabla es sólo para conductores trenzados concéntricos. Para trenzados compactos se debe aplicar la tabla C1A.  

189

Instalaciones eléctricas

TABLA 16.6 CONDUIT PLÁSTICA (TOMADA DEL CÓDIGO ELÉCTRICO COLOMBIANO – NTC 2050) Cuadro C2A. Número máximo de conductores compactos en tuberías eléctricas no métalicas (según el cuadro 1, Capítulo 9)

     

Letras de tipo

THW, THW-2, THHW

THHN, THWN, THWN-2

190

Sección del cable AWG/Kcmils 8 6 4 2 1 1/0 2/0 3/0 4/0 250 300 350 400 500 600 700 750 1000 8 6 4 2 1 1/0

Sección comercial en pulgadas ½

¾

1

1¼

1½

2

1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

3 2 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

6 4 3 2 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0

11 8 6 4 3 3 2 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0

15 11 8 6 4 4 3 3 2 1 1 1 1 1 1 1 1 0

25 19 14 10 7 6 5 4 4 3 2 2 1 1 1 1 1 1

--1 1 1 1 1

--4 2 1 1 1

--7 4 3 2 1

--12 7 5 4 3

--17 10 7 5 5

--28 17 12 9 8

CAPÍTULO 16. Canalizaciones

Letras de tipo

XHHW, XHHW-2

Sección del cable AWG/Kcmils 2/0 3/0 4/0 250 300 350 400 500 600 700 750 1000 8 6 4 2 1 1/0 2/0 3/0 4/0 250 300 350 400 500 600 700 750 1000

Sección comercial en pulgadas ½

¾

1

1¼

1½

2

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0

1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0

3 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0

4 3 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1

6 5 4 3 3 2 2 1 1 1 1 1

2 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

4 3 2 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0

8 6 4 3 2 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0

14 10 7 5 4 3 3 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0

19 14 10 7 5 5 4 3 3 1 1 1 1 1 1 1 1 1

32 24 17 12 9 8 7 5 4 3 3 3 2 1 1 1 1 1

191

Instalaciones eléctricas

Para grupos o combinaciones de conductores no incluidos en la tabla 16.7 (trabajo nuevo/realambrado), el ducto o tubo tendrá un tamaño tal que las

áreas de las secciones de los conductores no excedan el porcentaje del área de la sección del ducto, de acuerdo con la siguiente tabla:

Tabla 16.7 Combinación de conductores Porcentaje de sección del tubo que puede ser ocupada por los conductores

Es recomendable consultar también las tablas relativas a las áreas de la sección de conductores y espesor de los diferentes tipos de aislamiento consignadas en la NTC 2050, con el fin de precisar la información. h. Otros tipos de conductos A manera de información, nos referimos a otros tipos de conductos muy populares por ejemplo en Europa. Algunos de ellos han comenzado a utilizarse en nuestro medio, pero el reglamento no considera esta canalización en la edición consultada.

Los más interesantes son los tubos de lámina de hierro con aislamiento interior y los tubos plásticos. 192

Los primeros también se conocen con el nombre de tubos bergmann y se consiguen en el comercio con longitudes de 3 m. Figura 16.14 Bergmann

CAPÍTULO 16. Canalizaciones

Se construyen con un tubo interior formado por tiras de papel impregnado que se endurece con sustancias aislantes. Este tubo se envuelve en una lámina de hierro que se fija por medio de una costura longitudinal. Se puede colocar adosado a paredes y muros por medio de grapas o abrazaderas. Se pueden empotrar y colocar bajo revoques con precauciones especiales, tal como se hace con la tubería conduit. Exige cajas; deben usarse conectores especiales. Los ductos de plástico han sido de gran aceptación, fabricados a base de resinas sintéticas aislantes. Se conocen dos tipos principales: flexible (liso o corrugado), tal como una manguera, y rígido. Muy utilizados en sistemas de prefabricación europeos que llevan las instalaciones incorporadas a los grandes elementos prefabricados. En nuestro país también algunos fabricantes los han sacado al mercado. Es de esperar que los reglamentos regionales tengan normas y recomendaciones de utilización. Se afirma que en algunos países este tipo de canalización está desplazando las empleadas tradicionalmente, teniendo en cuenta las ventajas que garantizan las casas fabricantes para los conductos plásticos, a saber: yy Alta resistencia a los agentes químico y atmosféricos; pueden incrustarse en consecuencia. yy Peso ligero: en igualdad de condiciones su peso es cinco veces menor que los ductos metálicos. yy Buenas características como aislante eléctrico. yy Buena resistencia al fuego en cuanto no propaga las llamas, que se extinguen espontáneamente. yy Fácil operación: tanto en la instalación, como en el corte de tubos, dobladuras que en caso de tubos rígidos se hace por calentamiento introduciendo un resorte o cable especial dentro del tubo para evitar el aplastamiento en curva y que después retira; los accesorios se pegan con cemento especial, v. gr., los codos, uniones, entradas en las cajas; todo lo anterior se puede hacer con las herramientas más sencillas.

Las uniones de tubería idealmente deben hacerse con los accesorios apropiados (uniones); sin embargo en algunos países se emplean métodos que parecen bastante rudimentarios pero que resultan prácticos; por ejemplo sin necesidad de usar uniones, simplemente se calienta el extremo de un ducto hasta su reblandecimiento, luego se introduce el extremo del otro ducto 3 o 4 cm, a continuación se calienta el empalme para conseguir su sello hermético y por lo tanto su impermeabilidad. Otro procedimiento consiste en utilizar un trozo plástico o mango que tenga un diámetro interno igual al diámetro externo de los tubos que se van a unir; el conjunto se pega con cemento especial o se calienta, hasta es posible pegarlos por fricción. También se fabrican tubos plásticos blindados que además de suministrar el aislamiento necesario a los conductores, los protegen contra las acciones mecánicas. Algunos ejemplos de tubería plástica (rígida) que se fabrica en el país aparecen en las figuras. Se consigue en los diámetros siguientes: ½’’, ¾’’, 1’’, 1 ¼’’, 1 ½’’ y 2’’, y en longitudes de 3 m. Esta tubería es de PVC. Figura 16.15 Tubería conduit de PVC

Las entradas en las cajas se hacen tal como se practica para tubería conduit. A veces, ensanchando en caliente los extremos de la tubería plástica. 193

Instalaciones eléctricas

Figura 16.16 Unión de tuberías

Hay todavía más sistemas particulares de canalizaciones internas, por ejemplo las utilizadas profusamente en Norteamérica, para edificios especialmente, colocadas bajo piso, con instalaciones muy perfeccionadas pero que

no trataremos para no extender más este capítulo. A continuación se estudiará el tema de las cajas o receptáculos, auxiliares indispensables de las canalizaciones.

Anexo Tabla 16.8 Dimensiones y pesos de la tubería conduit rígida (metálica)2

2

Tomado de La Metálica S.A, catálogo de tubería conduit metálica marca Omega.

194

CAPÍTULO 17. Cajas para tomas, lámparas...

CAPÍTULO 17 Cajas para tomas, lámparas, interruptores

17.1 GENERALIDADES Para hacer posible la colocación de los conductores en el interior de las tuberías, para enchufar empalmes de conductores y para las derivaciones está prescrito el empleo de cajas. Daremos cabida en este punto a las cajas más comúnmente utilizadas, las cuales además de servir para los fines enunciados, son generalmente el soporte de los accesorios especiales para tomacorrientes, interruptores de palanca, salidas para lámparas, etc. De tal manera que siempre deberán colocarse cajas en esos tipos de salidas cuando las canalizaciones son del sistema conduit, tubería metálica, moldura metálica, cables con cubierta no metálica, cable tipo MI y también en el caso de tubería plástica. En las canalizaciones abiertas analizadas, no hace falta colocar cajas, con tal de que se empleen los accesorios particulares estudiados, fabricados con materiales aislantes adecuados. Sin embargo, es corriente su empleo aún en este tipo de canalización. Las cajas están construidas de lámina metálica, normalmente del calibre 18 al 24, siendo más gruesa la lámina calibre 18. Presentan en sus caras orificios parcialmente punzonados, es decir, knock -outs que se pueden desprender muy fácilmente por un golpe. Una vez despegados los orificios, se introducen los extremos de la tubería según conven-

ga. Las uniones de la tubería con las cajas se hacen como quedó explicado antes, a no ser que se trate de cajas especiales que traen orificios roscados interiormente para recibir directamente la tubería igualmente roscada. Tienen también perforaciones para fijarlas a los muros y pequeños bordes doblados en los que hay orificios con rosca interior para recibir los tornillos que fijan los accesorios. 17.2 TIPOS DE CAJAS Las cajas más comunes adoptan formas cuadradas, rectangulares y octagonales principalmente. Las hay también cilíndricas para usos especiales. Conviene conocerlas un poco en detalle con especificación de su uso: a. Cajas rectangulares: usadas principalmente para interruptores y para los tomacorrientes de muro; también en ocasiones para lámparas de muro (figura 17.1). b. Cajas cuadradas: regularmente usadas para tomacorrientes trifilares de parrillas; cuando llegan más de dos tubos de ½’’ o al menos un tubo de ¾’’ (figura 17.2). Para tomas de estufa o fogones se usan cajas cuadradas más profundas. Resulta importante conocer los catálogos de los fabricantes a este respecto. Algunos ejemplos de los modelos que se encuentran en el mercado son: 195

Instalaciones eléctricas

c. Cajas rectangulares: Las cajas rectangulares tienen orificio de entrada generalmente para ½’’ y ¾’’. Las cajas cuadradas se consiguen con orificios de entrada para ½’’, ¾’’ y 1’’. Figura 17.1 Cajas rectangulares

Con referencia a los tipos de cajas estudiados cabe consignar aquí las recomendaciones de la NTC 2050 como del reglamento de Medellín sobre el número de conductores admisibles en una caja, en función de las dimensiones de las cajas y de los propios calibres de los conductores. Tales normas dicen: las cajas deberán tener el tamaño suficiente para alojar todos los conductores que ellas encierran. El máximo número de conductores permitido en cajas para salidas y derivaciones, estará de acuerdo con la siguiente tabla, teniendo en cuenta que la mínima profundidad admitida para cajas empotradas es de 1 – ½’’:

Figura 17.2 Cajas cuadradas

NOTA: estos valores son aplicables en caso de que las cajas alojen únicamente los conductores, pues cuando es necesario introducir en la misma caja accesorios tales como tomacorrientes e interruptores, deberán reducirse al menos en dos unidades. 17.3 DIMENSIONES DE LAS CAJAS Ver tabla 17.1 tomada del Código Eléctrico Colombiano en la pág. 197

d. Cajas octagonales: se emplean principalmente para salidas de lámparas; se colocan embebidas en losas de concreto, en cielo rasos, etc.; pueden también incrustarse en muros de acuerdo con el tipo de “aplique” o accesorio que se desee colocar. Se consiguen en diferentes tamaños, dependiendo como todas del número de conductores que alojan. Figura 17.3 Cajas octagonales

196

17.4 ESPECIFICACIÓN DE CAJAS Con respecto a este tema resulta importante hacer alusión al artículo 17.12 del RETIE, que especifica que las cajas, conduletas y demás accesorios usados para encerramientos, conexión de tuberías o instalación de tomacorrientes, interruptores y otros aparatos, deben cumplir los siguientes requisitos: yy Ser resistentes a la corrosión. El galvanizado, esmalte o recubrimiento anticorrosivo debe aplicarse por dentro y por fuera después de realizado el maquinado y verificarse mediante pruebas bajo condiciones de rayado en ambiente salino, durante al menos 400 horas, sin que la progresión de la corrosión en la raya sea mayor a 2 mm. yy Las cajas de acero de volumen inferior a 1 640 cm3, deben estar fabricadas en lámina de no menos 0,9 mm de espesor.

CAPÍTULO 17. Cajas para tomas, lámparas...

Tabla 17.1 Dimensiones de las cajas (Tomada del Código Eléctrico Colombiano – NTC 2050)

Número máximo de conductores* Dimensiones de la caja, tamaño comercial en mm, pulgadas o tipo

Capacidad mínima en cm³

0,82 mm2

1,31 mm2

2,08 mm2

3,3 mm2

5,25 mm2

8,36 mm2

13,29 mm2

18 AWG

16 AWG

14 AWG

12 AWG

10 AWG

8 AWG

6 AWG

101,6 x 31,8 mm 4 x 1 ¼’’ redonda u octogonal

205

8

7

6

5

5

4

2

101,6 x 38,1 mm 4 x 1 ½’’ redonda u octogonal

254

10

8

7

6

6

5

3

101,6 x 53,9 mm 4 x 2 1/8’’ redonda u octogonal

353

14

12

10

9

8

7

4

101,6 x 31,9 mm 4 x 1 ¼’’ cuadrada

295

12

10

9

8

7

6

3

101,6 x 38,1 mm 4 x 1 ½’’ cuadrada

344

14

12

10

9

8

7

4

101,6 x 53,9 mm 4 x 2 1/8’’ cuadrada

497

20

17

15

13

12

10

6

119,1 x 31,8 mm 4 11/16 x 1 ¼’’ cuadrada

418

17

14

12

11

10

8

5

119,1 x 38,1 mm 4 11/16 x 1 ½’’ cuadrada

484

19

16

14

13

11

9

5

119,1 x 53,9 mm 4 11/16 x 2 1/8’’ cuadrada

689

28

24

21

18

16

14

8

76,2 x 50,8 x 38,1 mm 3 x 2 x 1 ½’’ de dispositivos

123

5

4

3

3

3

2

1

76,2 x 50,8 x 50,8 mm 3 x 2 x 2’’ de dispositivos

164

6

5

5

4

4

3

2

76,2 x 50,8 x 57,2 mm 3 x 2 x 2 ¼’’ de dispositivos

172

7

6

5

4

4

3

2

76,2 x 50,8 x 63,5 mm 3 x 2 x 2 ½’’ de dispositivos

205

8

7

6

5

5

4

2

76,2 x 50,8 x 69,9 mm

230

9

8

7

6

5

4

2

197

Instalaciones eléctricas

Número máximo de conductores* Dimensiones de la caja, tamaño comercial en mm, pulgadas o tipo

Capacidad mínima en cm³

0,82 mm2

1,31 mm2

2,08 mm2

3,3 mm2

5,25 mm2

8,36 mm2

13,29 mm2

18 AWG

16 AWG

14 AWG

12 AWG

10 AWG

8 AWG

6 AWG

3 x 2 x 2 ¾’’ de dispositivos 76,2 x 50,8 x 88,9 mm 3 x 2 x 1 ½’’ de dispositivos

295

12

10

9

8

7

6

3

101,6 x 53,9 x 38,1 mm 4 x 2 1/8 x 1 ½’’ de dispositivos

169

6

5

5

4

4

3

2

101,6 x 53,9 x 47,6 mm 4 x 2 1/8 x 1 7/8’’ de dispositivos

213

8

7

6

5

5

4

2

101,6 x 53,9 x 53,9 mm 4 x 2 1/8 x 2 1/8’’ de dispositivos

238

9

8

7

6

5

4

2

95,3 x 50,8 x 63,5 mm 3 ¾ x 2 x 2 ½’’ caja/hueco de mampostería ladrillo

230

9

8

7

6

5

4

2

95,3 x 50,8 x 88,9 mm 3 ¾ x 2 x 3 ½’’ caja/hueco de mampostería ladrillo

344

14

12

10

9

8

7

4

FS de prof. Mínima 44,5 mm (1 ¾’’), con una tapa/hueco sencilla

221

9

7

6

6

5

4

2

FD de prof. Mínima 60,3 mm (2 3/8’’), con una tapa/hueco sencilla

295

12

10

9

8

7

6

3

FS de prof. Mínima 44,5 mm (1 ¾’’), con varias tapas/huecos sencilla

295

12

10

9

8

7

6

3

FD de prof. mínima 60,3 mm (2 3/8’’), con varias tapas/huecos sencilla

394

16

13

12

10

9

8

4

 

yy Las paredes de cajas o conduletas de hierro maleable y de aluminio, latón, bronce o zinc fundido o estampado permanente, no deben tener menos de 2,4 mm de espesor. yy Las cajas o conduletas de otros metales deben tener paredes de espesor igual o mayor a 3,2 mm. 198

yy Las dimensiones internas mínimas de las cajas rectangulares para instalación de interruptores manuales, o tomacorrientes de uso general serán: para cajas metálicas 53,9 mm de ancho, 101 mm de largo y 47,6 mm de profundidad y para cajas no metálicas 53 mm de ancho, 97 mm de largo y 41 mm de profundidad.

CAPÍTULO 17. Cajas para tomas, lámparas...

emplearse cajas especiales de tipo hermético impermeables (Waterproof, Weather-proof).

yy Las cajas metálicas de volumen mayor de 1 640 cm3, deben estar construidas de modo que sean resistentes y rígidas. Si son de lámina de acero el espesor de la lámina no debe ser inferior a 0,9 mm de espesor.

Figura 17.4 Dispositivos a prueba de polvo

yy Las cajas no metálicas deberán ser de material auto extinguible (soportar un hilo metálico a 650 ºC durante 30 segundos) y sin generación de llama, en el ensayo del hilo incandescente. yy Las cajas y conduletas deben instalarse de conformidad con los lineamientos del Capítulo 3 de la NTC 2050 Primera Actualización. yy Las pestañas usadas para asegurar los aparatos tales como interruptores o tomacorrientes, deben ser perforadas y roscadas de tal forma que la rosca tenga una profundidad igual o mayor a 1,5 mm y el tipo de rosca debe ser el 6-32 o su equivalente (diámetro 6 y 32 hilos por pulgada). Las cajas para empotrar aparatos de mayor tamaño y peso, deberán contar con los elementos de fijación de los aparatos, de tal forma que soporten los esfuerzos mecánicos y eléctricos durante la vida útil de la caja. yy Las cajas utilizadas en las salidas para artefactos de alumbrado (portalámparas), deben estar diseñadas para ese fin y no se permite la instalación de cajas rectangulares. yy En paredes o cielorrasos de concreto, ladrillo o cualquier otro material no combustible, las cajas deberán ser instaladas de modo que el borde frontal de dicha caja no se encuentre a más de 10 mm de la superficie de acabado final. En paredes o cielorrasos construidos en madera u otro material combustible, las cajas deberán quedar a ras o sobresalir de la superficie de acabado. Una vez conocidos los requerimientos planteados por el RETIE, podemos clasificar las cajas de la siguiente forma: a. Cajas especiales: cuando se quiere instalar cajas en lugares muy húmedos o en los cuales estén expuestas al agua o intemperie deberán

b. Igualmente en lugares donde la presencia de polvo (incluyendo explosivo) puede interferir la correcta operación del sistema, deberán utilizarse dispositivos a prueba de polvo (Dust-proof).

•Son cajas inoxidables de aluminio. Reciben los ductos en orificios roscados directamente. •Los accesorios que se colocan en las cajas tienen tapas protectoras con bisagras o cadenas. •Los orificios que no llevan tubería se llenan con tapas roscadas del mismo diámetro con ranura para atornillar desde el exterior.

c. Cajas redondas: impropiamente conocidas como cajas redondas o circulares, son en realidad cajas cilíndricas, especialmente fabricadas para tomacorrientes de piso. Como se observa en la figura 17.5 se tienen tapas protectoras para cuando los tomas no están en servicio. La tubería que llega a estas cajas se atornilla directamente en las bocas de entrada, con roscado interior. Las bocas que queden libres, se ciegan por medio de tapones roscados. 199

Instalaciones eléctricas

Figura 17.5 Cajas redondas

gan previsiones adecuadas, al menos pequeños planos que permitan el ajuste de esos implementos de tal manera que no se permita movimiento alguno a la tubería. Estos son pues los tipos de cajas que con mayor frecuencia se disponen en las instalaciones eléctricas comunes, sin embargo, hay otros tipos; más bien accesorios, como se ve a continuación. 17.5 ACCESORIOS ESPECIALES

d. Cajas cilíndricas para lámparas empotradas: hay otro modelo de caja especialmente usado para lámparas empotradas (incandescentes), se conocen comúnmente con el nombre de ojo de buey, se utilizan incrustadas en marquesinas, losas de concreto, cielo-rasos, etc. (figura 17.6). Figura 17.6 Cajas cilíndricas para ojo de buey o bala

Veamos ahora otros tipos de cajas o accesorios que también se utilizan muy a menudo y que son especialmente diseñados para usar con tubería conduit y conocidas con el nombre de conduletes o condulets; aunque podrían emplearse en canalizaciones incrustadas. Lo más normal es encontrarlas en canalizaciones por tubería, pero adosadas a paredes y techos, precisamente para aprovechar las ventajas de tales accesorios pues permiten el acceso a los conductores de la manera más sencilla. Algunos ejemplos de conduletes se aprecian en las figuras 17.7 y 17.8. Figura 17.7 Condulete tipo “T”

Estas cajas son de lámina de forma cilíndrica y provista de knock - outs para recibir las tuberías. Se acostumbra colocar en su interior una pantalla reflectora generalmente de color blanco y de forma ahusada; en la parte superior soporta el portalámparas protegido por material aislante. Sería más conveniente que en lugar de knock- outs estas cajas tuvieran orificios con rosca interior tal como las cajas para tomas de piso, de modo que pudieran recibir los extremos también roscados de la tubería. Sin embargo, por economía se disponen los knock – outs a pesar de que no es recomendable que una caja redonda reciba canalizaciones directamente unidas con tuerca y boquilla, a no ser que en su fabricación se dispon200

Figura 17.8 Condulete tipo “L”

Pueden darse otras formas, por ejemplo, en L 45º, etc.; las anteriores son las más empleadas.

CAPÍTULO 17. Cajas para tomas, lámparas...

17.6 RECOMENDACIONES

17.7 EMPALMES DE CONDUCTORES

Terminaremos este capítulo con algunas otras recomendaciones generales acerca del uso de cajas.

A este respecto El Código Eléctrico Colombiano – NTC 2050, en la Sección 110-14(b) dice lo siguiente: “Los empalmes se deben soldar, a no ser que se utilicen dispositivos de empalme aprobados. No se deben hacer empalmes en línea o que se puedan romper por tensión”. Es importante tener muy presente que todas las conexiones de los conductores deben ser hechas con conectores apropiados o en su defecto, empalmadas y soldadas con soldadura a bases de resina, no de ácido. Las conexiones deben siempre quedar cubiertas con cinta de caucho y luego con cinta de tela. En todas las cajas deben dejarse colas de 10 cm para los empalmes y conexiones de los artefactos.

Durante las etapas de vaciado de concreto y la aplicación de revoques, es necesario rellenar las cajas con papeles o materiales similares recuperables en su totalidad para evitar la obstrucción de cajas y ductos. Cuando no se está seguro de que tales materiales mantengan su posición, en ocasiones se ponen tapones cerrados en el lugar de las boquillas y además una tapa completa para la caja. El Código Eléctrico Colombiano – NTC 2050 en su sección 370-25 por otra parte dice: “En las instalaciones una vez terminadas, todas las cajas deben tener una tapa, una placa de cierre o una cubierta. a. Tapas y placas metálicas o no metálicas: se permite utilizar con las cajas no metálicas, tapas metálicas o no metálicas. Cuando se utilicen tapas o placas metálicas, deben cumplir los requisitos de puesta a tierra del Artículo 250-42. b. Acabados de paredes o techos combustibles y expuestos: cuando se utilice una cubierta o placa de cierre, todas las paredes o techos con acabados combustibles que estén expuesto y queden entre el borde de la cubierta o placa y la caja de salida, se deben tapar con material no combustible. c. Colgantes de cable flexible: las tapas de cajas de salida y conduletas que tengan agujeros a través de los cuales pasen cables flexibles colgantes, deben estar dotadas de pasacables diseñados para ese uso o tener una superficie suave y bien redondeada en la que se puedan apoyar los cables. No se deben utilizar pasacables de los llamados de caucho duro o mixtos”. Para una mayor ampliación del tema, favor remitirse a la sección 370 de la NTC – 2050, primera actualización, sobre “Cajas de salida, de dispositivos, de paso y de empalmes, conduletas y sus accesorios”.

Interesa sobretodo que las uniones sean mecánicas y eléctricamente seguras (NTC 2050). Es importante tener en cuenta algunas recomendaciones al preparar los conductores para la unión, por ejemplo, los aislamientos no deben cortarse perpendicularmente al conductor, pues se corre el riesgo de cortarlo; conviene entonces proceder en sentido longitudinal, paralelamente al conductor. En la siguiente figura, se muestran ejemplos de conductores entorchados o unidos por el empalme de torsión, los cuales deberán soldarse en toda su longitud si es del caso (figura 17.9). Estos son los empalmes más comunes; existen combinaciones según el número de conductores. Cuando se trata de cables, el sistema resulta más complejo. Es preferible utilizar conectores especiales. Alguna información es conveniente acerca del aislamiento o recubrimiento de los empalmes de conductores: Como norma muy general, debe obedecerse a que la clase de aislamiento usado y su espesor deben ser muy semejantes al aislamiento propio de los conductores, es decir, el que traen de fábrica, (deben tener “la misma rigidez dieléctrica”). 201

Instalaciones eléctricas

Figura 17.9 Conductores unidos por el empalme de torsión

Así por ejemplo, si los conductores están forrados en caucho o plástico, con cubierta exterior de algodón, lo más indicado será colocar una primera caja de cinta aislante de caucho o plástico y la envoltura externa se realizará a base de cinta aislante de tela o de fricción. Es bueno anotar que la llamada cinta de fricción, a veces en contacto directo con los conductores y debido a la elevación de temperatura puede llegar a vulcanizarse, es decir, a endurecerse y resquebrajarse de tal manera que llega a quedar inutilizada. Como es obvio, al aplicar la cinta, debe traslaparse hasta cubrir perfectamente las uniones, procediendo por capas sucesivas para obtener el espesor adecuado.

202

Por otra parte, hay otros tipos de uniones y de empalmes, resultado de la práctica en instalaciones, pero que realmente no están clasificadas en los códigos, cuya recomendación de los entorchamientos practicados, deberá aplicarse soldadura como norma general. A esta última norma no se hace mayor caso en las instalaciones comunes. Sería relativamente útil tratar el tema de las soldaduras empleadas en instalaciones eléctricas y las herramientas de uso más frecuente; por esta razón y por la bóveda, es preferible continuar con el capítulo dedicado a los interruptores, de manera que podamos completar esta visión general de las instalaciones.

CAPÍTULO 18. Interruptores

CAPÍTULO 18 Interruptores

18.1 GENERALIDADES Los interruptores sirven para abrir (des-energizar) o cerrar (energizar) circuitos. Se conocen con el nombre de switches o interruptores. Según el RETIE se define un interruptor como: “Interruptor de uso general: dispositivo para abrir y cerrar o para conmutar la conexión de un circuito, diseñado para ser operado manualmente. Su capacidad se establece en amperios y es capaz de interrumpir su corriente nominal a su tensión nominal. Cumple funciones de control y no de protección.” Existen muchos modelos, adecuados para los diferentes requerimientos del servicio: pueden estar hechos de porcelana superficial, de plástico. Están hechos para ser instalados de varias formas, para poner en la pared, para poner en la mitad de un conductor (lámparas de noche), adaptados a varios electrodomésticos (como los de una estufa, un televisor, etc.), en forma de una cuchilla con varios contactos a la vez (motores), entre otros. hay muchos tipos de presentación de estos.

En una clasificación más técnica se distinguen interruptores uni-polares, bipolares y tripolares principalmente, puesto que también se introducen los interruptores de 3 y 4 vías que son modificaciones de los unipolares. A continuación veremos en detalle el significado de lo enunciado, siendo necesario recordar de nuevo aquí que en la instalación de un interruptor se deberá atender la norma de no interrumpir el neutro, sólo se interrumpen las líneas vivas. 18.2 INTERRUPTORES UNIPOLARES (S1) Este tipo de interruptores tienen dos terminales, su nombre se debe a que sólo interrumpe una línea viva, para mayor precisión, en el caso de corriente continua se le conoce con el nombre de polo y en el caso de la corriente alterna se le conoce con el nombre de fase. Sin embargo se adopta la denominación de interruptores unipolares para el caso en que se interrumpa la línea activa. Podemos ver algunos interruptores en la figura 18.1.

Figura 18.1 Interruptores

203

Instalaciones eléctricas

Estos interruptores son muy conocidos, generalmente se aplican en instalaciones con neutro. A continuación mostraremos el esquema típico de instalación para lámparas comunes.

Para tres palancas se llamará 3S1. Aparecen entonces pequeñas modificaciones en la instalación que buscan ante todo la eliminación de conductores innecesarios.

Según las convenciones se identifica este tipo de interruptor (no de cuchilla) con la letra S. también se acostumbra poner S1 (una fase).

Figura 18.3 Lámparas conectadas en serie

En la figura 18.2 cada interruptor controla una sola lámpara, pero si es necesario, también es posible controlar dos lámparas por medio de un switche sencillo; esto significa que ambas lámparas encienden o apagan simultáneamente y deben estar conectadas en paralelo (en casos especiales pueden estar conectadas en serie), como lo podemos ver en la figura 18.3. Figura 18.2 Dos lámparas con un swiche

Figura 18.4 Lámparas conectadas en serie

En el caso de la figura 18.3 de un solo interruptor controlamos dos lámparas conectadas en paralelo a la vez y podrían conectarse más lámparas, el número de lámparas está determinado por las necesidades particulares del proyecto, o por el cálculo. Regresando a la figura 18.2, puede suceder que se desee controlar las dos lámparas de una forma independiente, pero de un mismo punto. Esto significa que se pueden reunir los dos interruptores, antes independientes, en un solo accesorio con dos palancas y que toma la denominación de 2S1. 204

CAPÍTULO 18. Interruptores

18.3 INTERRUPTORES BIPOLARES

Figura 18.7 Interruptor bipolar

Estos tipos de switches son los que se utilizan para interrumpir dos líneas vivas al mismo tiempo; por tal razón cuando se utiliza en instalaciones de alumbrado, es necesario que las lámparas estén conectadas entre dos conductores vivos (algunas lámparas funcionan a 240V), como se trató en capítulos previos para corriente bifásica y trifásica. 18.4 INTERRUPTORES TRIPOLARES Sirven para interrumpir tres líneas vivas. Se utilizan en instalaciones importantes, especialmente trifásicas con o sin neutro. A manera de información se hacen algunos esquemas de instalación de interruptores bipolares y tripolares como se ve en las figuras 18.5, 18.6 y 18.7, haciendo notar que este tipo de interruptores no se utilizan en instalaciones residenciales, sólo en la industria cuando se necesita conectar una máquina trifásica, haciendo notar que en algunas de ellas, como los motores, se deben conectar las 3 fases al mismo tiempo para no ocasionar daños en el motor.

18.4.1 Interruptor tripolar aplicado a la red trifásica sin neutro Se deben equilibrar las cargas, o sea a cada fase se conecta el mismo número de lámparas con idénticas características. Si se trata de una red trifásica con neutro, se debe modificar la instalación de tal modo que cada lámpara tenga su neutro propio, tal como se observa en la figura 18.8 y 18.9. Figura 18.8 Lámpara con neutro propio apagada

Figura 18.5 Interruptor bipolar

Figura 18.9 Lámpara con neutro propio encendida Figura 18.6 Interruptor tripolar

205

Instalaciones eléctricas

18.4.2 Interruptor tripolar aplicado a red trifásica con neutro Es el mismo caso anterior pero ahora también tenemos el conductor del neutro, este caso se muestra en las figuras 18.10 y 18.11. Figura 18.10 Red trifásica con neutro apagado

18.5 INTERRUPTORES DE TRES Y CUATRO DIRECCIONES (CONMUTABLES) Este tipo de interruptores son una modificación de los interruptores monopolares para aplicaciones especiales y muy frecuentes en instalaciones comunes. Se utilizan principalmente cuando se requiere controlar una lámpara o grupos de lámparas desde dos o más puntos diferentes. Se conocen también con el nombre de interruptores de 3 y 4 vías y en ocasiones se les llama conmutadores alternativos o en serie y conmutadores de cruce, respectivamente. Por lo interesantes que son los estudiaremos con más detalle. 18.5.1 Interruptor de 3 direcciones (triple, tres puntos, tres vías) Identificado comúnmente como S3 y en caso de aplicarse a escaleras, se prefiere a veces llamarlo SE. Sirve fundamentalmente para controlar una lámpara o grupo de lámparas desde dos puntos diferentes, siendo indispensable instalarlo por parejas, como se ve en la figura 18.12. Figura 18.12 Instalación por parejas

Figura 18.11 Red trifásica con neutro encendido

El control desde dos puntos diferentes resulta muy útil para instalarlo en escaleras, sala comedor, garajes, corredores, alcobas, zonas de servicio y todos aquellos lugares donde sea aconsejable el control desde dos puntos diferentes. La instalación se muestra en la figura 18.13. 206

CAPÍTULO 18. Interruptores

Figura 18.13 Control desde dos puntos diferentes

Es necesario tener cuidado cuando se va a solicitar en el comercio puesto que exteriormente no se diferencia del interruptor sencillo (unipolar). La diferencia está en el número de bornes que presenta: el S1 tiene dos bornes, mientras que el S3 tiene tres bornes para la conexión.

Figura 18.15 Interruptor de 3 direcciones b

Figura 18.16 Interruptor de 3 direcciones c

A continuación mostraremos algunos ejemplos de interruptores SE, los presentaremos en planta para simplificar. Figura 18.14 Interruptor de 3 direcciones a

Figura 18.17a Interruptor de 3 direcciones d

Aplicación típica del S3 en alcobas

207

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Figura 18.17b Interruptor de 3 direcciones e

Para simplificar su esquema y facilitar su comprensión, lo asimilaremos a un interruptor giratorio que puede tomar dos posiciones según dos ejes perpendiculares entre sí como lo vemos en la figura 18.18. En realidad su aspecto externo es similar al del sencillo, pero la palanca o pulsador un poco más ancha. Figura 18.18 Interruptor giratorio

La lámpara esta situada entre los S3 Figura 18.17c Interruptor de 3 direcciones f

La lámpara esta situada fuera de los S3

Como se observa, en todos los casos expuestos se trata de controlar una misma lámpara (o grupo de lámparas) desde dos puntos diferentes, más o menos distantes. A continuación veremos cómo se puede controlar una lámpara o un grupo de ellas, desde más de dos puntos diferentes, esto se hace con el interruptor de 4 vías. 18.5.2 Interruptor de 4 direcciones o 4 vías Debe su nombre a que tiene cuatro bornes o dispositivos para la conexión. Debe usarse siempre intercalado entre dos interruptores S3, es decir, los interruptores S3 deben quedar en cada extremo de la instalación. Sirve el sistema así planteado para controlar una misma lámpara o grupo de lámparas desde más de dos puntos diferentes, por ejemplo, se puede controlar de 3-4-5-6-7-10… puntos diferentes, que son sitios deseables y distantes entre si, tanto en el sentido horizontal como en el sentido vertical. 208

18.5.3 Control de una lámpara desde 3 puntos diferentes Tal como lo muestra el sistema, la lámpara está apagada. Se comprueba fácilmente que la lámpara puede prenderse o apagarse indistintamente desde cualquiera de los puntos A, B, C, como se ve en la figura 18.19. Figura 18.19 Control desde puntos diferentes

Note que el S4 debe estar intercalado entre dos interruptores S3.

CAPÍTULO 18. Interruptores

18.5.4 Control de una lámpara desde más de 3 puntos Podemos ver el sistema de la figura 18.20, en este caso la lámpara está encendida. Se comprueba que la lámpara puede ser encendida o apagada indistintamente desde cualquiera de los cinco puntos A, B, C, D, E. En la figura 18.20 se representa el caso de una lámpara controlada desde cinco puntos diferentes. Se intercalan tres interruptores S4 entre dos interruptores S3 en los extremos, con este último caso explicado, podemos ver que es posible controlar una lámpara desde el número de puntos que queramos, sólo se tendrían que agregar los S4 necesarios para la instalación (figura 18.20). Figura 18.20 Lámpara controlada desde cinco puntos diferentes

yy Nunca debe localizarse de modo que al abrir la puerta, el interruptor quede oculto por esta. yy La altura sobre el piso puede variar a voluntad, dependiendo del uso del interruptor. Sin embargo, de una manera general y teniendo en cuenta la posición de una persona parada que acciona el interruptor, la altura más aconsejable es de 1,2m medido del nivel del piso terminado al centro de la palanca. Adicionalmente a lo que hemos estudiado anteriormente, es de interés agregar que en la clasificación de interruptores cabría catalogar también como interruptores los fusibles y no fusibles. Los no fusibles son los que se estudiaron en el presente capítulo y los fusibles son dispositivos de protección o de seguridad, a los cuales nos referimos en el capítulo 15 al tocar el tema de aparatos de control, medida y protección. 18.7 REQUISITOS

18.6 RECOMENDACIONES Los modelos más usados de todos los interruptores son los modelos que vienen para ser empotrados en la pared con ayuda de las cajas adecuadas para ello, que pueden ser metálicas galvanizadas, de plástico o similares. Las medidas standard de las placas comunes rectangulares de los switches son 2-3/4’’ X 4-1/2’’, es decir, 7cm X 11,4cm. Algunas recomendaciones acerca de la ubicación correcta de los interruptores son las siguientes: yy Deberá colocarse cerca de las puertas de entrada de habitaciones, cuartos sanitarios, entrada de la casa, etc. Pero se debe tener cuidado que la cercanía a la puerta no puede interferir con los chazos de los marcos o el sistema de anclaje. La distancia apropiada debe ser de aproximadamente 0,3m.

El RETIE en su artículo 17.7 habla de los requisitos de los interruptores, en este artículo se reglamentan algunas cosas como estas: yy Los interruptores deben ir en serie con el conductor de la fase. yy En ambientes clasificados (peligrosos, se verá en el capítulo 24) deben colocarse interruptores a prueba de explosión. yy La caja del interruptor debe estar aterrizada a tierra, no debe tener partes energizadas que sean accesibles por alguna persona en uso normal. yy En la intemperie se deben usar interruptores especiales. El RETIE en su artículo 17.7.1.2 pide los requisitos del producto, para los interruptores son: las distancias de aislamiento, la marcación de encendido y apagado, y el número de operaciones, entre otros aspectos. 209

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18.8 INTERRUPTORES ESPECIALES

18.9 ATENUADORES DE ILUMINACIÓN ELEMENTALES

yy Reóstato: actualmente existen “interruptores” que gradúan la intensidad de luz en un ambiente, esto se logra según el voltaje que actúa sobre la lámpara o grupo de lámparas, generalmente se instala en una caja o muro, lo podemos ver en la figura 18.21.

En la figura 18.23 vemos una resistencia variable (reóstato) provista de un contacto deslizante, en la posición cero se apaga la lámpara; entre 1 y 2 va aumentando la iluminación hasta alcanzar el máximo de iluminación en 2. Figura 18.23 Resistencia variable

Figura 18.21 Reóstato

yy Control remoto: este es usado para encender un número de lámparas desde un punto determinado, el número de lámparas que se desea encender se busca en el cuadrante circular y se mueve hacia allí la perilla central. Este tipo de interruptores es muy usado en teatros y auditorios, un ejemplo lo podemos ver en la figura 18.22. Figura 18.22 Control remoto

En la figura 18.24 hay dos interruptores en paralelo entre los puntos A y B. Al cerrar el interruptor 1 se obtiene la máxima iluminación. Luego se abre 1 y se cierra el interruptor 2 que está en serie con un diodo (sólido) de potencia suficiente (en vatios). Se obtiene entonces la mitad de la iluminación máxima. La acción del diodo es dejar pasar sólo media onda de corriente alterna y por ello es que tenemos la mitad de la máxima iluminación. Los modelos más refinados de atenuadores de iluminación son “transistorizados” y muy complejos en su representación gráfica. Conviene pues señalar que un diodo sirve para rectificar la corriente alterna, es decir, para convertir en corriente continua la corriente “ondulada”. Las ondulaciones se suavizan con condensadores. A continuación incluiremos un esquema de rectificación de media onda. En páginas posteriores, se muestra la rectificación de onda completa.

210

CAPÍTULO 18. Interruptores

Figura 18.24 Interruptores en paralelo

Adicionalmente al final del capítulo 19 se muestran otros tipos de rectificadores de corriente alterna más evolucionados, como el llamado rectificador de onda completa, que aprovecha tanto las alternancias positivas como las negativas de la corriente alterna, aumentando su eficiencia. Figura 18.26 Corriente alterna

La rectificación de media onda es un rectificador elemental, en la figura 18.25 se muestra el circuito rectificador de media onda, es llamado así porque sólo deja pasar las alternancias del mismo signo y “suprime” (no deja pasar) los contrarios.

Figura 18.27 Alternancias positivas

Figura 18.25 Circuito rectificador de media onda

El circuito se complementa con un condensador para suavizar las alternancias que pasan y con un diodo zener (regulador de voltaje), para mantener constantes las ordenadas máximas del voltaje rectificado. Este rectificador elemental puede servir de “fuente” para una calculadora o radio pequeño. Familiarmente se le llama “convertidor” y es una fuente de cc elemental. Naturalmente está provisto de un transformador para reducir el voltaje al valor requerido. En la figura 18.25, el transformador aparece a la izquierda, al comenzar el circuito. 211

Instalaciones eléctricas

212

CAPÍTULO 19. Instalaciones de timbres y señales

CAPÍTULO 19 Instalaciones de timbres y señales

19.1 TIMBRES Dentro de las señales acústicas más difundidas se cuenta el timbre en sus diferentes modalidades:

c. Zumbadores o timbres vibratorios con campanilla (figura 19.3). Figura 19.3 Zumbadores

a. Timbres de un solo golpe o gong (figura 19.1). Figura 19.1 Gong

En las figuras se muestran modelos tradicionales; existen versiones modernas en los tres casos. b. Timbres vibratorios, con campanilla (figuras 19.2 y 19.2 a). Figura 19.2 Vibratorio

Figura 19.2a Vibratorio

El tipo gong se utiliza en fábricas, almacenes, etc. Se ha generalizado su uso. Se caracteriza por su sonido de un solo golpe o doble golpe de tonos diferentes, nunca continuo, tal como sucede en los demás timbres y zumbadores, cuyo sonido persiste, mientras se presione el pulsador que lo acciona. 19.2 ESQUEMA DE FUNCIONAMIENTO El esquema tradicional de timbre es el siguiente, figura 19.4, teniendo en cuenta que en los timbres modernos el conjunto de bobinas y martillo está cobijado por la misma campanilla para hacerlos más pequeños y compactos (figura 19.2 a). Funcionamiento: es una aplicación del electroimán. Al cerrar el circuito, el electroimán atrae la palanca del martillo junto con la palanca del contacto 213

Instalaciones eléctricas

pues están unidas en la parte inferior. El martillo golpea la campana. Al separarse el contacto, se interrumpe el circuito y las palancas regresan a su posición original; se restablece por tanto el contacto y se sucede la misma operación y así sucesivamente, obteniéndose el sonido característico. Lo anterior tiene lugar mientras se mantenga la acción sobre el pulsador del timbre. Los timbres zumbadores son idénticos a los vibratorios, con la diferencia de que no se les provee de campana. Muy utilizados en residencias, oficinas, etc. y cuando se quiere evitar el ruido molesto de la sonora campanilla. Finalmente, el timbre de un solo golpe o gong, es similar a los anteriores; únicamente se distingue de ellos en que no tiene el contacto C descrito en la figura 19.4 lo que imposibilita el sonido continuo y por lo tanto es preciso accionar el pulsador cada vez para obtener el golpe del martillo sobre la campanilla.

19.3 ESQUEMAS DE INSTALACIÓN Antiguamente todos los timbres funcionaban con pilas o baterías especiales, en otras palabras, a base de corriente continua. Más adelante se hicieron funcionar con corriente alterna de bajo voltaje, a condición de emplear transformadores apropiados (reductores del nivel de tensión) para pasar la ca de 120 V o 220 V a la pequeña tensión necesaria para el funcionamiento del timbre (6, 8 V). En la actualidad se fabrican para alimentación de ca alterna a 120 V sin necesidad de instalar transformadores. Se puede agregar un condensador. En las figuras 19.5, 19.6 y 19.7 se esquematizan los tres casos enunciados. Figura 19.5 Instalación con batería

Figura 19.4 Esquema tradicional

Figura 19.6 Instalación con transformador de ca

Estos dos esquemas fueron por mucho tiempo los típicos para las instalaciones de timbres, particularmente en residencias. 214

CAPÍTULO 19. Instalaciones de timbres y señales

Figura 19.7. Instalación de un timbre para ca 120 V

Este esquema fundamental de circuito puede ser empleado para accionar el mismo timbre o zumbador desde dos o más lugares diferentes; tiene aplicación en grandes almacenes y supermercados. Se emplea profusamente en hospitales para el llamado de enfermeras desde la habitación de enfermos. Si se reemplaza el timbre o zumbador por un sistema de señales ópticas tiene también aplicación práctica en hospitales (para evitar ruidos). En bancos y otros edificios comerciales para el llamado de público. 19.5 TIMBRES INDEPENDIENTES CONTROLADOS DESDE UN MISMO PUNTO

Aceptando el sistema de la figura 19.7 como el más sencillo, práctico y actual, caben algunas modificaciones para instalaciones más complejas como se verá a continuación. NOTA: para ca (120 V) usar Nº14 AWG. La línea viva va al pulsador, aprovechando tuberías de otros circuitos. El neutro se toma donde mejor convenga. Si hay citófonos se necesita una fuente rectificadora de corriente alterna; el calibre de los conductores es para muy baja tensión. Líneas de tensión diferentes no deben llevarse por el mismo tubo.

Por algún motivo particular puede requerirse este tipo de instalación. Es frecuente el caso en pequeños edificios de apartamentos que no cuentan con portero o conserje ubicar en la fachada, junto a la puerta de entrada principal, un grupo de pulsadores, de tal modo que cada uno corresponde a un apartamento. Este sería un caso típico de accionamiento de varios timbres independientes, desde un punto centralizado. Figura 19.9 Timbres independientes controlados desde un mismo punto

Como se observa, el timbre y el pulsador se conectan en serie (línea viva) y deben llevarse por tubería propia y exclusiva para el caso de cc. 19.4 CONTROL DE UN TIMBRE DESDE VARIOS PUNTOS DIFERENTES Figura 19.8 Circuito de un mismo timbre desde varios puntos

Salta a la vista el inconveniente que se presenta, puesto que para responder al llamado es necesario acudir personalmente hasta la puerta de entrada principal; por esta razón, esta instalación es de uso restringido en edificios de apartamentos. 215

Instalaciones eléctricas

Para resolver esta situación y ampliar naturalmente la aplicación del sistema a edificaciones de vivienda mayores, se ideó la apertura automática de la puerta principal por medios eléctricos y la comunicación por citófonos. 19.6 CONTROL ELÉCTRICO DE PUERTAS (PARA CA Y CC) Es simplemente una cerradura de puerta accionada eléctricamente desde diferentes puntos, como pueden ser los apartamentos en los diferentes pisos de un edificio. En nuestro medio se llaman familiarmente cantoneras y las hay izquierdas y derechas. Existen modelos para 120 V de ca directamente. Conjuntamente con la cerradura eléctrica se coloca la cerradura manual de accionamiento con llave como es corriente. Figura 19.10 Cantonera

19.7 INSTALACIONES EN EDIFICIOS DE APARTAMENTOS En instalaciones con mayor refinamiento y funcionales desde el punto de vista práctico, para evitar los inconvenientes anotados antes, se instalan citófonos junto con el control eléctrico de la puerta de entrada al edificio para accionarla indistintamente desde cada piso. Por otra parte, se complementa la instalación colocando pulsadores a la entrada de cada apartamento con el fin de accionar timbres o zumbadores internos. En la figura 19.11 se da un ejemplo de instalación completa, de uso muy generalizado y que comprende: a. Pulsadores centralizados en la fachada, cerca a la puerta de entrada principal del edificio; accionan los timbres (de citófonos) 1, 2, 3 y 4. b. Control eléctrico de la puerta de entrada principal, accionado desde cada apartamento (P1, P2, P3 y P4) y desde el interior del hall de entrada, piso inferior (Pe). c. Zumbadores o timbres internos (Z1, Z2, Z3 y Z4) accionados por los pulsadores a, b, c y d colocados en la entrada propia de cada apartamento. En la figura 19.11, los zumbadores Z1, Z2, Z3 y Z4 son los “timbres” en la puerta de cada apartamento y se hicieron funcionar para 120 V ca, directamente como es común. En cambio, los citófonos, los pulsadores y el control eléctrico de la puerta principal (Pe) se hicieron funcionar con cc de baja tensión. En el ejemplo, es 12 V. Hay otras alternativas de diseño.

Al presionar el pulsador, un electroimán atrae la espiga resortada de la cerradura y la puerta se abre. Las conexiones son similares a las empleadas para accionar un timbre o zumbador. 216

En esta clase de edificios es necesario instalar fuentes rectificadoras de ca para bajar la tensión y usar alambres de calibres muy pequeños. Se debe prever la instalación de una fuente cc generalmente ubicada en la portería del edificio. La fuente alimenta timbres, zumbadores y citófonos. Norma: las líneas que tienen voltajes diferentes deben llevarse por tubería propia para evitar la inducción electromagnética.

CAPÍTULO 19. Instalaciones de timbres y señales

NOTA: en edificios de apartamentos con motores inferiores a 2 Hp (sin ascensores) la red generalmente es trifilar monofásica. Cuando hay ascensores y motores superiores a 2 Hp, la instalación normal-

mente es trifásica en Y (estrella) con neutro. Los apartamentos son alimentados con circuitos “Net – work” y exigen contadores especiales para tal fin.

Figura 19.11 Instalación completa

217

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yy Sistemas de timbres y control –puerta en un edificio de apartamentos– Figura 19.12 Esquema superior

En la figura 19.12 se aplica el esquema superior a un edificio de cuatro pisos (un apto/piso) y no hay portero o conserje. Por ello es indispensable el control eléctrico de la puerta. La fuente cc puede suministrar por ejemplo 8, 12, 24…voltios cc, según las marcas y los requisitos del diseño. 19.8 PULSADORES Son dos los tipos más empleados. El primero semejante a un interruptor S1 en cuanto se refiere a conexiones. Tiene dos terminales entre las cuales se esta218

blece contacto mientras se haga presión sobre el pulsador, ya que el contacto es resortado y en su posición natural mantiene abierto el circuito figura 19.13. El segundo tipo, resulta análogo a un interruptor S3 desde el punto de vista de las conexiones y el servicio que presta. En la figura 19.14a, se observa que las láminas resortadas “a” y “b” están en contacto mientras que la lámina “c” está debajo y separada de ellas. Esta posición se mantiene si no se presiona el botón o pulsador. Si se acciona el botón, la lámina “a” se separa de “b” y puede ser llevada hacia “a” hasta hacer contacto con la lámina “c”.

CAPÍTULO 19. Instalaciones de timbres y señales

Figura 19.13 Pulsador con contacto resortado

Este tipo de pulsador de tres terminales (o doble contacto), tiene aplicación en algunos circuitos particulares como por ejemplo en el caso siguiente: cada timbre es operado por un solo botón, pero además se quiere que un botón maestro controle todos los timbres a la vez, para hacerlos sonar simultáneamente. Es posible este caso en grandes almacenes y otras instalaciones particulares, análogas a sistemas de alarma. Este tipo de pulsador también tiene aplicación en intercomunicación de oficinas. Si únicamente se colocan timbres o zumbadores, la intercomunicación se hará por un código de señales. Este sistema modernamente se complementa con citófonos para hacer más práctica la comunicación.

Figura 19.14a Pulsador

A manera de información se incluye un esquema elemental de intercomunicación de oficinas por señales con aplicación de pulsadores con tres terminales (figura 19.15). Figura 19.15 Intercomunicación de oficinas

Figura 19.14b Pulsador doble contacto

19.9 SEÑALES LUMINOSAS Las más sencillas funcionan por medio de conexiones similares a las ya explicadas. Basta reemplazar los timbres por lámparas y los accesorios necesarios: tableros, cabinas, etc. 219

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Útiles cuando se desea eliminar ruidos molestos de las campanillas o zumbadores.

Se recurre normalmente a los rectificadores de onda completa. Hay dos modelos básicos como se ilustra en las figuras a continuación.

Existen sistemas muy evolucionados de indicadores y anunciadores, con registros de llamadas, etc. y que generalmente se hacen funcionar a base de electroimanes. Pueden darse también sistemas mixtos, de señales ópticas y acústicas combinadas con interesantes aplicaciones, por ejemplo en las instalaciones de alarmas.

a. Secundario del transformador con punto neutro central La corriente rectificada siempre circulará en la carga del punto 1 al punto 2 mientras un pistón de voltaje sube (A) y baja (B) en el primario del pequeño transformador reductor de voltaje. Figura 19.16 Transformador con punto neutro central

El tipo de señales llamadas anunciadores son de aplicación muy práctica por ejemplo en instalaciones hoteleras, de modo que es posible identificar el cuarto desde el que se ha hecho la llamada. Igualmente, aplicables en hospitales, restaurantes, etc. Un caso típico muy conocido, es el sistema de anunciadores para ascensores: flechas que indican la dirección en que viaja el ascensor y números que se iluminan según el recorrido del ascensor. En razón de la brevedad no se ilustran estos ejemplos, ya que son de interés relativo en nuestro caso. NUMERADOR:

1 6  

2 7

3 8

4 9

5 10

Figura 19.17 Rectificador en puente

Una lámpara enciende al llamar; además de la señal acústica. De uso en hospitales. Cada lámpara está alimentada por dos líneas. Se apaga desde el mismo punto de llamada

yy Rectificadores de onda completa (fuentes rectificadoras de ca a cc) Muchos aparatos como grabadoras, radios, equipos de sonido, citófonos, etc., requieren una fuente de corriente continua (cc) para su adecuado funcionamiento. 220

b. Secundario sin punto neutro central – rectificador en puente Los dos diodos en negro se abren y en blanco se cierran en cada golpe de pistón A. Los dos diodos en blanco se abren y en negro se cierran en cada golpe de pistón B. De esta manera siempre circula la corriente del punto 1 al 2 a través de la carga L.

En las dos primeras figuras abajo se muestran otras representaciones equivalentes para los rectificadores en puente y apropiados para corriente alterna (ca) monofásica. A la derecha, se consigna un tipo de rectificador especial para ca trifásica.

CAPÍTULO 19. Instalaciones de timbres y señales

Figura 19.18 Ca monofásica

Figura 19.19 Ca trifásica

SUGERENCIA: siga siempre el golpe de pistón hacia arriba en cada alambre de entrada. Se verá que siempre sale la corriente convencional por el punto 1 del sistema.

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Instalaciones eléctricas

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CAPÍTULO 20. Sistemas de alarma

CAPÍTULO 20 Sistemas de alarma

20.1 CLASIFICACIÓN Las alarmas se hacen con el fin de proteger los edificios bancarios, residencias, etc. contra los robos principalmente; ha sido necesario introducir los sistemas de alarma que de una manera muy general se pueden clasificar así: yy Sistemas de alarma de circuito abierto yy Sistemas de alarma de circuito cerrado

Las más ventajosas son las de circuito cerrado como se explicará más adelante, siendo muy utilizado entre nosotros el sistema de vibración y contacto. Igualmente pueden considerarse en este grupo los tipos de alarmas fotoeléctricas y ultrasónicas. 20.2 SISTEMA DE CIRCUITO ABIERTO Son muy similares a los circuitos de timbres ya conocidos y se pueden activar desde varios puntos como se ve en la figura 20.1.

Figura 20.1 Sistema de circuito abierto

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Instalaciones eléctricas

El circuito más sencillo se compone de un timbre vibratorio (chicharra) conectado en serie con un interruptor o interruptores que están especialmente diseñados para ocultar en las puertas, ventanas y otros lugares, de modo que el intruso haga funcionar la alarma involuntariamente. Estos sistemas se llaman abiertos, precisamente porque es necesario cerrar el circuito para accionar la alarma, es decir, poner en contacto dos terminales de uno de los switches de la alarma como sucede en el pulsador de un timbre común que se estudio en el capítulo 17. En la figura 20.1 se mostró un ejemplo típico de instalación para este tipo de alarmas, en el que se incluye el caso de una puerta y una ventana tipo guillotina.

El objetivo se consigue disponiendo en serie todos los contactos posibles y en lugar de conectarlos directamente al timbre, se conectan a un electroimán. El electroimán actúa sobre la palanca de un interruptor especial, propio del timbre, de tal manera que siempre esté circulando corriente por el electroimán, ocasionando que el interruptor de la alarma se mantenga abierto por la atracción ejercida del electroimán sobre la palanca, como se ve en la figura 20.2. Si se corta la corriente por cualquier motivo, el electroimán deja de recibir la corriente y por tanto se va a cerrar el interruptor por la fuerza que hace el resorte sobre la palanca, operando la alarma. Figura 20.2 Sistema de circuito abierto

El mayor inconveniente de estos sistemas es que los alambres que van entre el interruptor (que está en la puerta o la ventana) y la alarma pueden cortarse fácilmente, inclusive antes de abrir puertas y ventanas, inutilizando la alarma. Finalmente, se acostumbra colocar un interruptor general que aísle completamente la alarma para cuando no se necesite su operación. El esquema de la figura 20.1 equivale al control de un timbre desde varios puntos diferentes. 20.3 SISTEMA DE ALARMAS DE CIRCUITO CERRADO En vista de la gran desventaja que presentan los sistemas abiertos, al quedar aislados cuando se corta la línea en un punto cualquiera, se diseñaron los sistemas de circuito cerrado, que deben su nombre a que permanecen permanentemente cerrados y por lo tanto la alarma se acciona al interrumpir o abrir cualquier punto del circuito.

Como es obvio, si se corta completamente la energía en la edificación, el sistema no funcionará, por eso es recomendable que se tenga un sistema auxiliar de baterías o hacer la instalación completa de la alarma únicamente con baterías.

El esquema de funcionamiento es también diferente, siendo necesario diseñar el sistema de modo que mientas el circuito este cerrado, es decir, todos los contactos estén unidos, la alarma no debe sonar y si por algún motivo se rompe un alambre, se abre la puerta o la ventana, la alarma debe sonar.

En la figura 20.2 podemos ver el esquema simplificado de la instalación descrita, allí aprecian varios contactos, estos pueden tener diseños especiales para ser instalados en puertas, ventanas, etc., dependiendo de los requerimientos. El conjunto de electroimán y palanca resortada (conocido

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CAPÍTULO 20. Sistemas de alarma

como relay o relevador), el rectificador de ca y el timbre propiamente dicho, se pueden instalar en una caja especial, complementada con el interruptor general del sistema y si es del caso, con señales ópticas (bombillo piloto) cerca de la caja, o en cualquier punto del circuito si se desea. Como podemos ver en la figura 20.2 mientas circule corriente por el electroimán E, la palanca P es atraída por la armadura del electroimán y si cualquiera de los contactos S se abre o se rompe la línea en algún punto, la corriente cesa en E y la palanca P automáticamente se une con el contacto C, haciendo sonar el timbre T. El interruptor G sirve para desconectar la alarma cuando no se requiere su funcionamiento.

Los sistemas cerrados tienen infinidad de aplicaciones, adoptando diferentes modalidades. Por ejemplo, es muy común proteger las grandes vidrieras bancarias o para exposición por medio de cintas metálicas adheridas perimetralmente a los vidrios, a cierta distancia de los bordes, tomando la apariencia de elementos decorativos. En la figura 20.3 se ve un sistema similar al de la figura 20.2 pero más refinado pues introduce un rectificador de corriente alterna (una válvula diodo y otros elementos, resistencias y condensadores) con el fin de convertir la ca en cc. Es posible introducir un transformador y generalmente se coloca para reducir el voltaje de la línea antes de entrar en el diodo.1

Figura 20.3 Circuito cerrado

El diodo es un elemento electrónico que deja pasar la corriente en un sentido y bloquea el otro sentido, por esa razón sirve para rectificar la ca en cc. Puede usarse como rectificador metálico de aletas, o también un diodo tipo transistor de germanio o silicio. 1

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Instalaciones eléctricas

El sistema consta de los siguientes elementos: yy Caja de comando, en cuyo interior se ubica el rectificador y una palanca para conexiones. En su perímetro se colocan el interruptor general y el pulsador que pone el funcionamiento el sistema de alarma, como se ve en la figura 20.4.

yy Cuando se abre alguno de los interruptores I, se pierde el circuito de corriente rectificada, cesa la atracción del electroimán sobre la armadura y esta toma la posición 1, accionando la campana.

Figura 20.4 Caja de comando

El condensador C se emplea para filtrar la tensión rectificada de media onda y evitar que la armadura zumbe.

Notas:

El consumo de corriente de la sección rectificada es mucho menor que la del timbre evitando así que se quemen los contactos que a la larga dejarían de funcionar. Sobre los contactos no hay en ningún momento altas tensiones, evitando peligrosos choques eléctricos. El valor de R se calibra para compensar las pérdidas por longitud de los conectores o número de interruptores. yy Circuito del timbre propiamente dicho. yy Circuito cerrado de contactos que puede ser de diferentes tipos dependiendo de los requerimientos particulares: puertas, ventanas, vidrios, etc. Explicación: yy Al cerrar S1 la armadura está en la posición 1. La campana suena indicando operación correcta. yy Se presiona el pulsador P: pasa la corriente por el diodo D y la resistencia R. La corriente así rectificada pasa al electroimán E que atrae la armadura a la posición 2 a condición de que todos los interruptores I estén cerrados. En este momento deja de sonar la campana. 226

20.4 OTROS SISTEMAS DE ALARMAS Como se dijo antes, dentro de los circuitos cerrados caben modalidades como las siguientes: 20.4.1 Alarma fotoeléctrica: también es conocida como fotocelda. Es un rayo de luz visible que mantiene el circuito cerrado, es accionado cuado se corta el rayo de luz entre el elemento emisor y el elemento receptor. 20.4.2 Alarma ultrasónica: esta alarma es más ventajosa que la anterior, pues el fotoeléctrico puede ser superado por un haz luminoso proveniente de una linterna o un haz de luz solar. El tipo ultrasónico consta de un transmisor que emite un haz de sonido inaudible y de un receptor vecino que capta dicho sonido. Generalmente la generación es de 25 kilociclos, o sea aproximadamente 10 kilociclos más alta del poder de captación del oído humano. Como es natural, su funcionamiento es completamente independiente de las

CAPÍTULO 20. Sistemas de alarma

condiciones de iluminación. Cualquier interrupción del haz ultrasónico hace operar la alarma y llega a ser efectivo aún en casos de incendio en que una turbulencia suficientemente fuerte de aire es capaz de activar el sistema.

Figura 20.6 Interruptor de contacto

20.4.3 Vibración y contacto: es un sistema muy utilizado en nuestro medio. Generalmente es un sistema cerrado y recibe su nombre por los dos interruptores característicos que usa; el primero es de vibración para aplicar en vidrios, rejas que al moverse por algún motivo, hacen perder el contacto al interruptor es muy sensible a las vibraciones y a los golpes, poniendo entonces la alarma en funcionamiento. El segundo, es un interruptor de contacto para puertas comunes, corredizas, ventanas corrientes y guillotinas, etc. Siempre que se abra una puerta o ventana, se perderá el contacto y se activará la alarma. En las figuras 20.5 y 20.6 se ilustran dos tipos de interruptores. Figura 20.5 Interruptor vibratorio

Para puertas de garaje, se utilizan los llamados microswitches, de doble acción y que conectan o desconectan al abrir o cerrar la puerta respectivamente. Todo lo anterior expuesto basta para comprender los sistemas de alarma de una manera general. Detalles particulares relativos a instalación deben consultarse con las firmas especializadas. 20.5 ELECTRÓNICA Se observa entonces cómo los sistemas más evolucionados de alarmas se adentran en el campo de la electrónica, que es muy importante en la rama científica y fundamental en el desarrollo moderno. La electrónica se refiere a los fenómenos de conducción de la electricidad en el vacío, en los gases y elementos semiconductores.

En general el sistema puede ser alimentado con corriente alterna, voltaje de entrada 110V, o con corriente continua a 6,5V, que pueden actuar cuando falla la ca.

Es típico el empleo de “válvulas” o “tubos” (para radio y televisión por ejemplo), basados en la emisión termoiónica, o sea el flujo de electrones desde un filamento caliente (cátodo negativo), hasta una placa receptora que los absorbe (ánodo positivo) y en un solo sentido. Este es el principio del diodo, que sirve como rectificador de ca. 227

Instalaciones eléctricas

Otras válvulas, tridiodos, agregan una grilla (rejilla de hilo metálico) entre dos electrodos mencionados y se usan especialmente como amplificadores (aumentan las señales débiles). Los elementos característicos importantes en los circuitos electrónicos son: Resistencia: su función es oponerse al paso de la corriente. Condensador: impide el paso de cc y facilita el paso de ca sobre todo si oscilan rápidamente.

gran éxito a las válvulas electrónicas. Se emplean el germanio “N” o impuro, que es un conductor, y el germanio “P” (que contiene galio o indio), de modo que la combinación de láminas N-P constituyen un diodo. Y de esta manera tres láminas P-N-P forman un triodo o transistor. Por otra parte hay válvulas de gas, pues las antes mencionadas son de vacío; además tubos catódicos de aplicación de televisión, osciloscopios y radar, celdas fotoeléctricas sensibles a la luz, etc.

Inductores: dificultan el paso de ca y facilitan el paso de cc se llaman también bobinas de inducción o inductivas.

La era electrónica ha hecho posible la aparición de sorprendentes instrumentos como los computadores, en los cuales es fundamental el papel de los transistores que funcionan como válvulas, pues los computadores están basados en el lenguaje binario, el cual dice si pasa o no pasa la corriente con un uno y un cero respectivamente.

Finalmente los transistores revolucionaron la electrónica. Los transistores fueron construidos con pequeñas láminas de germanio y reemplazaron con

Actualmente los circuitos integrados son transistorizados, y gracias a ello son tan pequeños y pueden responder rápidamente a un tipo de evento.

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CAPÍTULO 21. Cálculo residencial

CAPÍTULO 21 Cálculo residencial

21.1 GENERALIDADES El cálculo de los circuitos residenciales debe ajustarse a las criterios planteados por el Código Eléctrico Colombiano NTC 2050, primera actualización, y a ciertas previsiones de la práctica, como puede ser la futura ampliación de circuitos sin que ello implique un cambio total de la capacidad de la acometida calculada. Como en general se trata de circuitos no inductivos, la fórmula W=VxI es aplicable en la mayoría de los casos, puesto que el fp=1. Es importante tener en cuenta que casi siempre la alimentación para residencias es del sistema trifilar monofásico de 220 / 120 V. En el perímetro urbano se ha restringido el antiguo sistema bifilar monofásico de 120 V a pequeñas residencias; sin embargo, es común encontrarlo en barrios periféricos, áreas rurales y poblaciones menores. 21.2 CIRCUITOS1 Y PROCEDIMIENTO Para un correcto diseño, instalación y puesta en marcha de una instalación eléctrica, es necesario tener presente los lineamientos que plantea el RETIE en su artículo 36, en especial el artículo 36.1 que habla sobre la aplicación de los siete primeros capítulos del Código Eléctrico Colombiano NTC 2050,

que hacen de una instalación eléctrica una instalación segura y confiable. De acuerdo a lo anterior y según el artículo 37.3, sobre protecciones contra sobrecorrientes del RETIE, es indispensable saber que las instalaciones eléctricas de las unidades de vivienda deberán ser construidas para contener por lo menos los siguientes circuitos: a. Un circuito para pequeños artefactos de cocina, despensa y comedor b. Un circuito para conexión de plancha y lavadora de ropa c. Un circuito para iluminación y tomas de uso general Donde cada circuito debe ser provisto de un interruptor automático que lo proteja de sobrecorrientes y no se debe cambiar el interruptor automático por uno de mayor capacidad, cuando se supera la cargabilidad de los conductores del circuito a proteger. Visto de esta manera, resulta conveniente recurrir a un procedimiento, basado en los criterios de la Norma Técnica Colombiana NTC 2050: 1. Inicialmente se piensa sobre la localización del tablero de distribución (TD), considerando aspectos como: la localización de las cargas de mayor consumo, la distancia entre el sitio donde se ubicará el tablero de distribución y el punto de entrada del alimentador en el interior de la vivienda, la necesidad de tener un acceso directo, rápido y oportuno a los diversos interruptores. De acuerdo a ciertas recomendaciones de la NTC 2050, se sugiere que la distancia entre el punto de entrada del alimentador y el tablero de distribución no sobrepase los 6 m, por razones de regulación.

Según el RETIE, un circuito es un lazo cerrado formado por un conjunto de elementos, dispositivos y equipos eléctricos, alimentados por la misma fuente de energía y con las mismas protecciones contra sobretensiones y sobrecorrientes. No se toman los cableados internos de equipos como circuitos. 1

229

Instalaciones eléctricas

2. Seguido de la localización del TD, se piensa en la localización de las salidas, que en el caso de las instalaciones residenciales se clasifican en salidas de alumbrado y salidas de tomacorriente. En este punto, se hará alusión a la Parte C, de la Sección 210 de la NTC 2050, para definir el número mínimo y la localización de las salidas, así: a. Salidas de Iluminación: definidas por el artículo 210-70.a y b de la NTC 2050 el cual establece que se instalará al menos una salida de alumbrado controlada por un interruptor en cada cuarto habitable, cocinas, salas de baño, vestíbulos, escaleras, garajes integrados y accesos exteriores. b. Salidas de tomacorrientes: definidas por el artículo 210-52 de la NTC 2050 el cual establece que : • General: en cada cocina, sala de estar, comedor, recibo, vestíbulo, biblioteca, terraza, dormitorio, cuarto de juegos o cualquier cuarto similar, las salidas de tomacorrientes deben estar dispuestas para que no hayan puntos en la longitud de pared a lo largo de la línea del piso que están a más de 1,80 m, medidos horizontalmente, desde un tomacorriente en dicha superficie, esto incluyendo longitudes de paredes de 0,60 m o más de ancho. Las superficies de divisiones fijas de una habitación, como los mostradores de bares que se sostienen por sí mismos, deben incluirse al medir los 1,80 m. Los tomacorrientes deberán situarse a iguales distancias entre sí, siempre que sea posible. • Pequeños artefactos: en la cocina, despensa y comedor auxiliar de las unidades de vivienda se deben prever las salidas de tomacorrientes necesarias para pequeños artefactos incluido el equipo de refrigeración. • Mostradores: en las áreas de cocina y comedores auxiliares se instalará una salida de tomacorriente en cada espacio de pared mayor a 0,30m de longitud de mostrador y en tal forma que ningún punto a lo largo de la línea de la pared quede a más de 0,60 m, medidos horizontalmente, de una salida de tomacorriente. Los tramos de mostradores cuyos extremos estén separados por estufas, neveras o lavaderos se considerarán 230

como espacios independientes. Los tomacorrientes para equipos fijados en su sitio que quedan inaccesibles no se tomarán en cuenta en el cálculo de los tomacorrientes requeridos. • Baños: se instalará al menos un tomacorriente de pared adyacente a cada lavamanos. • Salidas en exteriores: se instalará al menos una salida de tomacorriente en exteriores de unidades de vivienda unifamiliares y bifamiliares que lo requieran. • Zonas de lavandería: en las zonas de lavandería de unidades de vivienda se instalará al menos una salida de tomacorriente, excepto cuando en un edificio existe lavandería comunal. • Sótanos y garajes: se instalará un tomacorriente, independiente de los tomacorrientes con destinación específica.

Téngase en cuenta que según el artículo 210-8.a 1, 2 y 3 sobre protección personal contra fallas a tierra, establece que todos los tomacorrientes monofásicos para 15 o 20 A, a 120V instalados en salas de baño, garajes y en exteriores donde haya acceso directo desde el terreno de los tomacorrientes, tendrán un interruptor de falla a tierra para protección personal.

3. Después de la localización de las salidas, se definirán los circuitos ramales también conocidos como circuitos, que según la sección 100, sobre las definiciones, de la NTC 2050, comprende los conductores entre el dispositivo final de protección contra sobrecorriente y la salida o salidas, estos son: • • • •

Circuitos ramales de uso general Circuitos ramales para artefactos Circuitos ramales individuales Circuitos ramales multiconductores

Donde el cálculo de estos circuitos ramales se clasificará de la siguiente manera:

CAPÍTULO 21. Cálculo residencial

• Según la sección 220-2 de la NTC 2050, se establece el cálculo de los circuitos ramales para vivienda así:

• Las cargas de alumbrado para locales listados en la tabla 2203b de la NTC 2050. La carga mínima de alumbrado por metro cuadrado de área será la indicada en esta tabla, para los locales señalados allí mismo. Para viviendas, el área de piso calculada no incluye porches descubiertos, garajes o espacios fuera de uso que no puedan ser adaptados para uso futuro.

• Cargas continuas: la carga continua alimentada por un circuito ramal no debe ser mayor del 80% de la capacidad nominal del circuito. Tabla 21.1 Cargas de iluminación general por tipo de edificio

TIPO DE OCUPACIÓN Cuarteles y auditorios Bancos

Carga unitaria (VA/m3) 10 38**

Barberías y salones de belleza

32

Iglesias

10

Clubes

22

Juzgados

22

Unidades de vivienda*

32

Garajes públicos (propiamente dichos)

5

Hospitales

22

Hoteles y moteles, incluidos bloques de apartamentos sin cocina*

22

Edificios industriales y comerciales

22

Casas de huéspedes

16

Edificios de oficinas

38**

Restaurantes

22

Colegios

32

Tiendas

32

Depósitos

2,5

En cualquiera de los lugares anteriores excepto en viviendas unifamiliares y unidades individuales de vivienda bifamiliares y multifamiliares Lugares de reunión y auditorios

10

Recibidores, pasillos, armarios, escaleras

5

Lugares de almacenaje

2,5

* Todas las salidas de tomacorrientes de uso general de 20A nominales o menos en unidades de vivienda unifamiliares, bifamiliares y multifamiliares y en las habitaciones de los clientes de hoteles y moteles [excepto las conectadas a los circuitos de tomacorrientes especificados en la sección 220-4(b) y (c)] se deben considerar salidas para alumbrado general y en tales salidas no serán necesarios cálculos para cargas adicionales. ** Además se debe incluir una carga unitaria de 10VA por metro cuadrado para tomacorrientes de uso general cuando no se sepa el número real de este tipo de salidas.

Unidades SI: 1 pie cuadrado = 0,093 m²

231

Instalaciones eléctricas

yy La sección 220-4 de la NTC 2050, establece la definición de los circuitos ramales necesarios para vivienda así: • El número mínimo de circuitos ramales de alumbrado se determina a partir de la carga total calculada según el literal anterior y del tamaño o capacidad nominal de los circuitos utilizados. Por ejemplo: una vivienda de 200 m2 requiere una carga mínima para alumbrado de 200 m2 x 32 W/m2 = 6 400 W; como 6 400W/115V=56 A; deberá contar con 4 circuitos ramales de 15 A cada uno, o con 3 circuitos ramales de 20 A cada uno para alumbrado.2 • Circuitos ramales para pequeños artefactos: además del número de circuitos ramales determinados anteriormente, se instalarán dos o más circuitos ramales de 20 A para todas las salidas de tomacorrientes para pequeños artefactos especificados en el artículo 210-52 de la NTC 2050, permitiéndose que uno o los dos circuitos ramales alimenten salidas para tomacorrientes en otros ambientes. • Se proveerá por lo menos un circuito ramal de 20 A para alimentar los tomacorrientes de los baños. Este circuito no debe alimentar otras salidas. • Se proveerá por lo menos de un circuito ramal de 20 A para alimentar los tomacorrientes de la zona de lavandería. Este circuito no debe alimentar otras salidas. Es importante considerar una numeración consecutiva y ordenada para los circuitos ramales. 4. Una vez definidos los circuitos ramales, se pasará a la trayectoria de los circuitos ramales.3 Donde en cada plano se deben trazar detalladamente cada una de las trayectorias que deben recorrer los circuitos ramales correspondientes. Para ello se definen las siguientes pautas: 2 3

• En instalaciones residenciales es habitual el uso de los cielos para localizar los soportes o las canalizaciones que van hacia las salidas de lámparas, y el empleo de los pisos para localizar las canalizaciones que van hacia los tomacorrientes. • Para canalizaciones incrustadas: la canalización se debe trazar de salida a salida, no se deben hacer tomas o derivaciones de tramos intermedios de la canalización a menos que se haga desde una caja de conexiones que vaya a estar siempre accesible. • Las trayectorias que alimenten circuitos alejados del tablero de distribución se pueden indicar mediante flechas que señalen en dicha dirección. • Al delinear una trayectoria se debe revisar cuidadosamente para evitar trazados no adecuados, vueltas innecesarias que señalen en dicha dirección. 5. Luego de saber la trayectoria de los circuitos ramales, pasamos al cálculo de los conductores ramales y la selección del tamaño de la canalización. Para ello nos remitimos al artículo 210-19 de la NTC 2050 que establece las capacidades de corriente y tamaños mínimos de los conductores de circuitos ramales. Además para la selección del tipo de conductor aplicamos la tabla 12.7 b. Para viviendas típicas los circuitos ramales de 15 y 20 A, pueden ser alambrados en conductores de cobre con sección transversal de 3,30 mm2 (No 12 AWG), aislamiento TW, 60ºC. Para viviendas típicas los circuitos ramales de 30 A, pueden ser alambrados en conductor de cobre con sección transversal de 5,25 mm2 (No 10 AWG), aislamiento TW, 60ºC. Para viviendas típicas los circuitos ramales de 40 A, pueden ser alambrados en conductor de cobre con sección transversal de 8,36 mm2 (No 8 AWG), aislamiento TW, 60ºC.

Juan A. González, Diseño de instalaciones eléctricas, Universidad Tecnológica de Pereira, Pereira, 2000, pp. 63-86. Ibíd.

232

CAPÍTULO 21. Cálculo residencial

Los cálculos de la instalación residencial incluyen la elaboración de: • Cuadros de circuitos ramales, cargas conectadas, áreas servidas y equilibrio de fases. • Cálculo de la demanda. • Cálculo de los conductores de acometida. • Selección del equipo de acometida. • Cuadros de carga: consisten en un cuadro que contiene los circuitos ramales, las cargas conectadas, las áreas servidas y el equilibrio de fases para un tablero de distribución. • Cálculo de la demanda: la norma NTC 2050, plantea varias alternativas para el cálculo de la demanda de una instalación residencial. La primera de ellas está basada fundamentalmente en los artículos 220-11, 220-15, 220-16, 220-18 y 220-19. • Cálculo de los conductores de la acometida: la selección de los conductores de la acometida debe considerar inicialmente la forma de acometida, ya sea aérea o subterránea. En el caso de acometidas aéreas se debe aplicar la parte B de la sección 230 de la Norma NTC 2050: conductores de acometida aérea y en el caso de acometidas subterráneas se debe aplicar la parte C de la sección 230 de la NTC 2050: conductores de acometida subterránea. La selección de la sección transversal o calibre y la capacidad de corriente del conductor está determinada en el artículo 230-2 de la norma NTC 2050. La capacidad de corriente se determina según el artículo 310-15 y las tablas 310-16 a 310-19. El dimensionamiento de las canalizaciones se debe hacer con base en las tablas C1, C1A, C2, C2A, C3, C3A, C4, C4A, C9, C9A, C10 y C10A del Apéndice C de la NTC 2050 o en las tablas suministradas por los fabricantes para canalizaciones de tipo conduit y en las especificaciones de fabricación o construcción para las otras formas de canalización. • Selección de equipo de acometida: los equipos de acometida definen el punto de separación entre los conductores de entrada de la acometida y el o los alimentadores de la instalación. El equipo de acometida está compuesto básicamente por el equipo de medida, la protección contra sobrecorriente y los medios de desconexión. Los equipos de acometida se deben instalar según los requerimientos de las partes E, F y G de la

sección 230 de la norma NTC 2050, para acometidas hasta 600 V y la Parte H de la misma sección para acometidas a más de 600 V. Una vez conocido el procedimiento de diseño para una instalación eléctrica residencial, resulta pertinente observar un ejemplo planteado por la NTC 2050, en su capítulo 9, que involucra el desarrollo de dichos puntos. Ejemplo de una Vivienda Unifamiliar Una vivienda unifamiliar tiene una superficie en planta de 1 500 pies² sin contar un sótano vacío, el ático sin terminar y los porches. Tiene instalada una cocina de 12 kW y una secadora de 5,5 kW a 240 voltios. Se supone que la potencia nominal de la cocina y la secadora equivalen a la potencia en kVA de las secciones 220-18 y 220-19. Carga calculada: Carga de iluminación general: 1 500 pies² x 3 VA/pie² = 4 500 VA Número mínimo de ramas necesarias: Carga para iluminación general: 4 500 VA/120 V = 37,5 A. Esto exige 3 circuitos bifilares de 15 A o 2 de 20 A. Carga para pequeños electrodomésticos: 2 circuitos bifilares de 20 A. Carga por la lavadora: 1 circuito bifilar de 20 A. Sección mínima de los cables del circuito de suministro: Iluminación general 4 500 VA Carga para pequeños electrodomésticos 3 000 VA Lavadora 1 500 VA _________ Carga total para iluminación y pequeños 9 000 VA electrodomésticos 233

Instalaciones eléctricas

3 000 VA al 100 por 100

3 000 VA

9 000 - 3 000 = 6 000 VA al 35% Carga neta por iluminación general y pequeños electrodomésticos

2_______ 100 VA 5 100 VA

Carga por la cocina (ver cuadro 220-19) Carga por la secadora (ver cuadro 220-18)

8 000 VA 5_________ 500 VA

Carga total

18 600 VA

tierra, calculada según la tabla 220-19 para las estufas y 220-18 para las secadoras. Para los sistemas de cc o monofásicos de ca trifilares, trifásicos tetrafilares, bifásicos trifilares o bifásicos pentafilares, se permite aplicar otro factor de demanda del 70% para la parte de la carga en desequilibrio superior a 200 A. No debe reducirse la capacidad de corriente del neutro en la parte de la carga que consista en cargas no lineales alimentadas con un sistema trifásico tetrafilar conectado en estrella ni en el conductor puesto a tierra de un circuito trifilar que consista en dos hilos de fase y el neutro o un sistema trifásico tetrafilar conectado en estrella.

Para una acometida o circuito de suministro monofásico tripolar a 120/240 V: 18 600 VA/240 V = 77,5 A

Un ejemplo residencial muy típico es el siguiente, que es analizado jerárquicamente dentro de los circuitos ramales.

La carga neta total calculada supera los 10 kVA. Por tanto, los conductores de la acometida deben ser de 100 amperios.

a. Circuito fogón o estufa:4 es único, trifilar de 220 V. Demanda 8 000 W (tabla 14.5). Requiere toma trifilar especial.

Neutro del suministro y de la acometida: Carga por iluminación y pequeños electrodomésticos 5 100 VA Carga por la cocina, 8 000 VA al 70% 5 600 VA Carga por la secadora, 5 500 VA al 70% 3_________ 850 VA Total

14 550 VA

14 550 VA/240 V = 60,6 A La carga del neutro del alimentador debe ser el máximo desequilibrio de la carga determinado por esta sección. La carga de máximo desequilibrio debe ser la carga neta máxima calculada entre el neutro y cualquier otro conductor no puesto a tierra, excepto en sistemas de dos fases trifilares o pentafilares en los que la carga así obtenida se debe multiplicar por 140 %. En un alimentador para estufas eléctricas domésticas, hornos de pared, estufas de sobreponer y secadoras eléctricas, la carga máxima de desequilibrio se debe considerar el 70 % de la carga en los conductores no conectados a 4

b.

8000 W   220 V

.

b. Circuito tina o calentador de agua: se acostumbra también singularizar este circuito, especialmente cuando se calcula para 220 V. Si la tina es pequeña a 120 V, podrá integrarse a otro circuito. Cuando se trata de calentadores de mayor capacidad, es preferible que funcione en circuito independiente a 220 V. Es bueno recordar que en los calentadores a 120 V las resistencias van conectadas en paralelo; en caso de calentadores a 220 V las resistencias van conectadas todas en serie. Por esta razón los fabricantes disponen en algunos modelos las dos posibilidades de conexión. c. Circuito plancha, lavadora, etc.: otros aparatos electrodomésticos, a saber: plancha, nevera, lavadora, parrillas auxiliares, licuadoras, etc., se agrupan generalmente en dos circuitos de 120 V que pueden ser to-

El circuito fogón o estufa se supone dotado de horno integral. Si el horno es separado, puede tener un circuito propio.

234

I=

CAPÍTULO 21. Cálculo residencial

talmente independientes, o balancear las cargas de modo que puedan tener neutro común, resultando un circuito trifilar con salidas o tomas únicamente a 120 V. e.

I=

W   120 V

. Observación: en los circuitos descritos hasta ahora no se acostumbra incluir lámparas. d. Circuitos de tomacorrientes y lámparas: se calculará tantos circuitos como sean necesarios de acuerdo con una clara zonificación de la residencia y atendiendo a la capacidad de cada circuito. Conviene mantener uniforme el calibre de los conductores, moviéndose dentro de límites de economía y de cálculo. Como norma general, se utilizan conductores apropiados para 20 A (calibre No12 AWG), recordando por otra parte, que el mínimo calibre permitido en estos circuitos es No 14 AWG (apropiado para 15 A). e.

I=

W   120 V

.

Todos los circuitos pueden ser calculados independientemente, es decir, tendrán su propio neutro y fase dentro de los límites de carga en vatios según el número máximo de salidas permitidas. Sin embargo, como se dijo, es posible integrar dos circuitos para economizar conductores, de modo que tengan un neutro común, y calcular en consecuencia sabiendo que todas estas salidas serán a 120 V. Por otra parte, es común encontrar en estos circuitos lámparas y tomacorrientes dispuestos en un mismo circuito, indiscriminadamente. Algunos calculistas prefieren independizar los circuitos de tomacorrientes y los circuitos de lámparas, lo que evidentemente supone un costo mayor; este arreglo es más justificable en instalaciones importantes, comerciales o industriales. 5

e. Protecciones: después de calcular la demanda en vatios para cada circuito, se encuentra su capacidad en amperios y el calibre apropiado de los conductores; igualmente se determina el diámetro de la tubería. Todo ello aplicando las tablas correspondientes. Finalmente, se calcula la capacidad en amperios de las protecciones adecuadas (breaker) que se ubican en el tablero y se numeran para identificar los circuitos. f. Acometida:5 con el fin de calcular la capacidad de la acometida, se hace un detalle de la carga total en vatios, resultante de la suma de la demanda en vatios de cada circuito. En otras palabras, equivale a averiguar cuántos vatios requiere la residencia en la eventualidad de que todos los aparatos, lámparas, etc., funcionaran simultáneamente y que como se comprende, no es normal que suceda. Por esta razón, al detalle de la carga total en vatios, se le afecta de un factor de demanda o de aprovechamiento (o también de simultaneidad) y que generalmente oscila entre el 70% y el 80% en la práctica.

Así se reduce un poco la demanda en vatios, con la cual se calcula la acometida. Aplicando la fórmula indicada, se consigue la capacidad requerida en amperios y en consecuencia, el calibre de los conductores y el diámetro de la tubería adecuada.

g. Contador: finalmente, se calcula el contador y se determina sus características, recordando en este punto como norma general, que los contadores comúnmente utilizados para residencias, resisten en forma continua hasta el 400% de la carga nominal (a excepción del contador de 50 A, que resiste sólo el 300%). O de otro modo, si la instalación total de la casa requiere una intensidad de 58 A, esto significa que el contador adecuado debe tener una capacidad c. de 58 4 ≅ 15 A.   Se fijan además las características de la conexión a tierra, calibre, diámetro del ducto y los puntos donde se va a hacer (generalmente a la tubería de acueducto).

Los conductores más usados en residencias son los tipos T, TW, THW y THWN. Para la acometida se prefiere THW y THWN. Los tipos T y TW se utilizan para los circuitos interiores.

235

Instalaciones eléctricas

h. Esquema del tablero y cuadro de circuitos: al terminar los cálculos, además de anotar todos los datos indispensables, es necesario hacer un esquema del tablero (multibreaker) que se va a utilizar, e incluir un cuadro complementario que se llama cuadro de circuitos.

Es muy común encontrar las siguientes anotaciones en los planos de instalaciones eléctricas:

En el ejemplo de cálculo residencial que se mostrará más adelante, se representará lo anteriormente enunciado, en donde los circuitos se identifican por medio de números exclusivamente y que coinciden con la distribución de las protecciones o breakers en el tablero de distribución respectivo, de modo que los impares se ubican a la izquierda y los pares a la derecha.

Los diámetros de tubería conduit no especificados, son de ½’’; todo ello para simplificar el dibujo de los planos que en ocasiones puede resultar confuso por la aparición de datos no necesarios.

21.3 RECOMENDACIONES Una vez terminados los cálculos, se procede a elaborar los planos propios del calculista, consignando en ellos todas las observaciones y notas convenientes con el fin de garantizar la perfecta ejecución de la instalación.

Los calibres de conductores no especificados son No12 AWG

21.4 ESTIMACIÓN APROXIMADA DE LA ACOMETIDA Para la estimación de los alimentadores y la acometida nos remitiremos a la sección 220-11, 220-16 a y 220-16 b de la NTC 2050 y a los factores de demanda consignados en el cuadro 220-11, 220-18 y 220-19 citadas a continuación. Para terminar, se incluye un ejemplo completo que involucra todo lo anteriormente tratado y que facilita la interpretación del cálculo eléctrico residencial.

Tabla 21.2 Cuadro 220-11 Factores de demanda del circuito principal para cargas de iluminación

Tipo de edificio

Unidades de vivienda Hospitales* Hoteles y moteles incluidos bloques de apartamentos sin cocina* Almacenes Todos los demás

236

Parte de la carga de iluminación a la que se aplica el factor de demanda (en voltioamperios) Primeros 3 000 o menos De 3 001 a 12 000 A partir de 12 000 Primeros 50 000 o menos A partir de 50 000 Primeros 20 000 o menos De 20 001 a 100 000 A partir de 100 000 Primeros 12 500 o menos A partir de 12 500 Total voltioamperios

Factor de demanda por 100 100 35 25 40 20 50 20 30 100 50 100

*Los factores de demanda de este cuadro no se aplican a la carga calculada de los circuitos de suministro a las zonas de hospitales, hoteles y moteles en las que es posible que se deba utilizar toda la iluminación al mismo tiempo, como quirófanos, comedores y salas de baile.

CAPÍTULO 21. Cálculo residencial

Tabla 21.3 Cuadro 220-18 Factores de demanda para secadoras doméstics eléctricas de ropa

No. de secadoras 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 – 13 14 – 19 20 – 24 25 – 29 30 – 34 35 – 39 De 40 en adelante

Factor de demanda por 100 100 100 100 100 80 70 65 60 55 50 45 40 35 32,5 30 27,5 25

Tabla 21.4 Cuadro 220-19 Factores de demanda para cocinas eléctricas domésticas, hornos de pared, cocinas montadas en encimeras y otros aparatos electrodomésticos de cocina de más de 1¾ kW nominales (la columna A se debe aplicar en todos los casos, excepto los recogidos en la Nota 3) Número de aparatos

Demanda máxima (véanse notas) COLUMNA A (no más de 12kW nominales)

Factor de demanda por 100 (véase nota 3) COLUMNA B (menos de 3 ½ kW nominales)

COLUMNA C (de 3 ½ a 8 ¾ kW nominales)

1

8 kW

80%

80%

2

11 KW

75%

65%

3

14 kW

70%

55%

4

17 kW

66%

50%

5

20 kW

62%

45%

6

21 kW

59%

43%

7

22 kW

56%

40%

8

23 kW

53%

36%

9

24 kW

51%

35%

10

25 kW

49%

34%

11

26 kW

47%

32%

12

27 kW

45%

32%

13

28 kW

43%

32%

14

29 kW

41%

32%

15

30 kW

40%

32%

16

31 kW

39%

28%

17

32 kW

38%

28%

18

33 kW

37%

28%

19

34 kW

36%

28%

20

35 kW

35%

28%

21

36 kW

34%

26%

22

37 kW

33%

26%

23

38 kW

32%

26%

24

39 kW

31%

26%

25

40 kW

30%

26%

30%

24%

30%

22%

30%

20%

26 – 30 31 – 40 41 – 50 51 – 60 De 61 en adelante

15 kW más 1 Kw por cada cocina 25 kW más ¾ kW por cada cocina

30%

18%

30%

16%

237

Instalaciones eléctricas

21.5 EJEMPLO DE CÁLCULO RESIDENCIAL – CASA DE UN PISO CON TECHO DE LOSA PLANA Figura 21.1 Ejemplo Convenciones utilizadas

238

CAPÍTULO 21. Cálculo residencial

Tabla 21.5 Cuadro de cargas No. Fases 2 No. Hilos 4 No. Ctos 18

Tensión 240/120 V Cap. Barras 125 A

CARGA EN FASES

CALIBRE CONDUCTOR

TUBERÍA CONDUIT

3 x 14 AWG

½”

Ilum./tomas alcobas 2 y 3

3 x 14 AWG

½”

Ilum. Lobby/ ilum y tomas comedor/patio

½”

Ilum. y tomas garaje / exterior

½”

Pequeños Artefactos Cocina

3 x 14 AWG 3 x 12 AWG

Locación: cocina TABLERO DE DISTRIBUCIÓN

DESCRIPCIÓN

A

B

1100 1120 1240 1500

PROTECCIÓN

CTA. No.

CONEXIÓN BARRAS

CTA. No.

1 x 15 A

1

2

1 x 15 A

1 x 15 A

3

4

1 x 15 A

1 x 15 A

5

6

1 x 15 A

A

DESCRIPCIÓN

B

1100 1120

½”

3 x 14 AWG

½”

3 x 14 AWG

Ilum. Cocina/ilum y tomas alcoba 4 y patrio

½”

Estufa cocina

¾”

3 x 8 AWG + 1 x 10 AWG

Baños

½”

3 x 12 AWG

8 10

11

12

13

14

Reserva

Reserva

15

16

Reserva

Reserva

17

18

Reserva

4 x 10 AWG

¾”

Tina

3 x 12 AWG

½”

Plancha / lavadora

1750

Total Fase A (VA)11910 Total Fase B (VA)10990

1500

2 x 30 A 1 x 20 A

Tensión (V) I carga (A)

240/120 V 65,73

Carga Instalada (VA) Carga demandada (VA) Factor de demanda

22900 15165 0,66

4000 4000

1 x 20 A

Fuente de alimentación Icc (corriente de cortacircuito simétrica)

CALIBRE CONDUCTOR

Ilum y tomas salón

7

2 x 40 A

TUBERÍA CONDUIT

Ilum. /tomas alcoba 1 1120

9

1750

1 x 20 A

CARGA EN FASES

PROTECCIÓN

1500

Trafo de 45 kVA 10 kA

3 x 14 AWG

Protección principal 2 x 70 A Acometida 3 x 6 WAG + 1 x 8 AWG, Tubería conduit de 1”

Solamente hay resistencias simples; fp=1. Por lo tanto, se aplica W = V x I. Para el cálculo de la acometida del cuadro de cargas anterior, tenemos lo siguiente: Acometida

Fogón 100%.........8 000 W Siguientes 3.000 W al 100%........3 000 W El resto al 35 %..........4 165 W ------------Totales……….15 165 W I = 15165 W/ 240 V =63,18 A = 63 A Acometida:3 Nº6 y 1 Nº8 (Tierra); Ф 1’’ Contador

63 A ÷ 4 = 16 amperios Contador trifilar monofásico de 15 A para 240 /120 V 239

Instalaciones eléctricas

240

CAPÍTULO 22. Dibujo e interpretación de planos

CAPÍTULO 22 Dibujo e interpretación de planos

Es muy importante tener en cuenta que existe una gran diferencia entre los planos que presenta el arquitecto con relación a las instalaciones eléctricas, y los elaborados por el calculista o el instalador para un mismo proyecto.

tores, jardines, etc.) y adicionalmente cumpliendo con las normas eléctricas, en algunos casos estos planos los debe hacer el arquitecto en conjunto con el encargado de la instalación eléctrica.

22.1 PLANOS DEL ARQUITECTO

Igualmente se deben ubicar los diferentes tipos de interruptores e indicar por medio de líneas curvas delgadas las salidas que gobiernan, especificando muy claramente el tipo de interruptor deseado.

Para mayor claridad podemos hacer una lista de planos que debe realizar el arquitecto para un proyecto corriente, por ejemplo, para una residencia de dos pisos. 1. Planta de fundaciones y desagües 2. Planta de primer piso, acotada, (sin mobiliario) 3. Planta de segundo piso, acotada, (sin mobiliario) 4. Planta de techos 5. Puertas y ventanas, cuadros completos, tipos 6. Secciones verticales, según convenga 7. Fachadas 8. Localización 9. Cálculos de losas de concreto y escaleras si es del caso. Memoria de cálculo 10. Detalles especiales En copias de los planos 1 y 2 el arquitecto debe localizar todas las salidas para tomas y lámparas, indicando su ubicación exacta, alturas, etc. Según previo estudio de la decoración interior y exterior (como es el caso de reflec-

El encargado del sistema eléctrico deberá dar las indicaciones de normatividad, estética y económica que han determinado la localización de los tableros multibreakers, contador, etc. Igualmente localizará los timbres, zumbadores, pulsadores, citófonos o teléfonos internos y especificará otros detalles especiales como sistemas de alarmas para puertas y ventanas, control eléctrico de la puerta del garaje, etc. Según como lo exija el propietario. Como es obvio, el arquitecto debe seguir las instrucciones de las localizaciones que se determinaron más convenientes y funcionales para estufa, nevera, tina, etc. Todo lo cual debe estar perfectamente definido en los planos que entrega al encargado de la instalación eléctrica. 22.2 PLANOS DEL INSTALADOR Con todos los datos anteriores y obedeciendo las indicaciones del arquitecto, el encargado de la instalación eléctrica procederá a determinar la capacidad de la instalación eléctrica y calculará los calibres de los conductores, 241

Instalaciones eléctricas

los diámetros de las tuberías, la capacidad del contador y los interruptores automáticos; de allí comienza a construir los planos estrictamente técnicos.

rresponde tanto al arquitecto como al instalador, al constructor o interventor, su perfecto dominio para evitar malas interpretaciones.

Estos planos deberán ajustarse a ciertas normas de dibujo y representación convencional de todos los elementos que intervienen en la instalación. Además deben estar acompañados de las correspondientes memorias de cálculo.

22.3 SIGNOS CONVENCIONALES

Por las razones expuestas, es absolutamente indispensable el conocimiento de las convenciones establecidas por la empresa de energía eléctrica, y co-

Algunos símbolos han sido normalizados por el RETIE como lo veremos en la tabla 22.1, que es la tabla mostrada por el RETIE en su tabla 9.

Tabla 22.1 Signos convencionales

242

CAPÍTULO 22. Dibujo e interpretación de planos

Más adelante, en las conclusiones, encontraremos una simbología mucho más ampliada, la anterior simbología es la que tiene el RETIE, que fue basada en las normas internacionales IEC 60617, ANSI Y32, CSA Z99 e IEEE 315. 243

Instalaciones eléctricas

22.4 COLORES EN LOS CONDUCTORES Como lo vimos anteriormente en el capítulo 12, en la tabla 12.9 extractamos la tabla que trae el RETIE que normaliza los colores para los conduc-

tores, dependiendo del voltaje y la conexión si es delta o Y. Nuevamente la mostraremos como la tabla 22.2 de nuestro capítulo.

Tabla 22.2 Colores en los conductores

 

244

1φ

1φ

3 φY

3 φ∆

3 φ∆-

3 φY

3 φ∆

120

240/120

208/120

240

240/208/120

480/277

480

1fase 2hilos

2fases 3hilos

3fases 4hilos

3fases 3hilos

3fases 4hilos

3fases 4hilos

3fases 3hilos

Fases

Negro Trifásico

Negro Rojo

Amarillo Azul Rojo

Negro Azul Rojo

Negro Naranja Azul

Café Naranja Amarillo

Café Naranja Amarillo

Neutro Tierra de protección

Blanco

Blanco

Blanco

No aplica

Blanco

Gris

No aplica

Verde o desnudo

Verde o desnudo

Verde o desnudo

Verde o desnudo

Verde o desnudo

Verde o desnudo

Verde o desnudo

Tierra aislada

Verde o verde/amarillo

Verde o verde/amarillo

Verde o verde/amarillo

No aplica

Verde o verde/amarillo

No aplica

No aplica

Sistema Tensiones nominales (voltios) Conductores activos

CAPÍTULO 23. Sistema de protección externa...

CAPÍTULO 23 Sistema de protección externa contra rayos

23.1 ORIGEN DE LOS RAYOS En términos generales puede decirse que por una serie de fenómenos particulares, como la influencia de los rayos cósmicos, la fricción violenta y sucesiva de los vapores y partículas constitutivas de las nubes, y otros menos importantes, éstas se cargan de electricidad. Las cargas negativas tienden a acumularse en la parte baja de las nubes generalmente, aunque no siempre sucede así. Durante una tempestad, la nube cargada negativamente (cúmulo – nimbo) en su parte baja, provocará que la superficie del terreno ubicada debajo de ella, se cargue positivamente gracias al fenómeno de inducción electrostática. La nube repele las cargas negativas o electrones del suelo, dejando aflorar únicamente las positivas. El rayo está próximo a saltar. No lo hace aún porque el aire interpuesto actúa como un dieléctrico; en este momento el conjunto es semejante a un gigantesco condensador. Si la tensión aumenta considerablemente, se producirá la chispa o traslado repentino de las cargas eléctricas desde la nube hasta la tierra, o también entre nubes si es del caso. 23.2 CLASES DE RAYOS Conviene saber que existen tres clases o formas principales de rayos, a saber: a. Lineales: en zigzag aparente con ramificaciones, tal como las chispas obtenidas artificialmente en laboratorio pero enormemente ampliadas.

b. Difusos: producen una luminiscencia característica en las nubes. c. Globulares o en bola: de rara ocurrencia, se presentan a manera de esferas o globos que corren sobre tierra y desaparecen después de una explosión o sin ella. Pueden multiplicarse desgranándose en rosario hasta su definitiva extinción. 23.3 PRINCIPIO Y FUNCIÓN DEL PARARRAYOS En términos generales, el pararrayos consta de una varilla metálica, muy buena conductora de electricidad y cuyo terminal superior es puntiagudo. Se coloca en la parte más alta del edificio, y su vinculación necesaria a tierra se consigue por un grueso conductor de cobre que recorre verticalmente el edificio y cuyo terminal inferior se une firmemente a placas o varillas de cobre, simples o formando retículas, enterradas en el suelo, tal como se explicó antes al tocar el tema de la conexión a tierra. Así pues, el pararrayos ubicado bajo una nube cargada negativamente en su parte inferior, acumulará en la punta gran cantidad de cargas positivas apretujadas fuertemente, con gran cohesión, pero como no pueden saltar al espacio, el aire circundante de la punta resulta poderosamente ionizado en un cierto radio, originando un “flujo” o especie de “viento” de cargas positivas ascendentes hacia la nube, consiguiéndose un efecto neutralizador de las cargas negativas de la nube, evitando con esto que salte el rayo. De allí que una de las funciones principales del pararrayos, sea la de prevenir la formación de rayos por el efecto neutralizador mencionado. 245

Instalaciones eléctricas

Si el flujo de cargas positivas que sube del pararrayos no alcanza a la nube, el rayo saltará entre la nube y la punta del pararrayos.

Figura 23.1 Cono de influencia

El violento chorro de electrones busca el menor camino para llegar a tierra, siguiendo un trayecto seguro ya previsto, de modo que no se presenten daños de ninguna clase. En síntesis, el pararrayos canaliza la tremenda energía del rayo hacia tierra, evitando que tome vías caprichosas e inesperadas. Se fundamenta en el poder atractivo de las puntas, que recogen esa energía para trasladarla sin ningún peligro a tierra, empleando conductores debidamente localizados.

En la práctica normal, para proteger grandes edificios que terminan en altas terrazas, no basta con colocar un único pararrayos; conviene recorrer esa planta con un circuito perimetral de pararrayos y disponer al menos dos conductores verticales hasta tierra. Se afirma que un pararrayos es efectivo hasta unos 16m de distancia de su pie.

Las conexiones del sistema deben hacerse a presión y por lo tanto no es recomendable el empleo de soldadura.

23.5 ELEMENTOS DEL PARARRAYOS

Como se comprende, las construcciones modernas están sumamente expuestas a los rayos debido a su altura y a la presencia de elementos metálicos no conectados a tierra. Es bueno tener en cuenta, como norma general, que el sistema de pararrayos prestará efectiva protección únicamente al edificio para el cual ha sido proyectado. Conviene recordar que la invención del pararrayos se debe a Benjamín Franklin en 1752, con su célebre experimento de la cometa elevada hacia una nube tormentosa. 23.4 CONO DE INFLUENCIA O DE PROTECCIÓN Según experimentos realizados se ha comprobado que bajo ciertas condiciones de ensayo, un conductor colocado verticalmente suministrará protección efectiva dentro de un espacio que adopta la forma cónica, cuyo vértice es el extremo superior del conductor y su base es un círculo de radio comprendido entre dos y cuatro veces la altura del conductor (figura 23.1). 246

Los elementos fundamentales ya sugeridos son los siguientes: a. Barra de elevación. b. Conductor aéreo o vertical. c. Conductor subterráneo o conexión a tierra. Algunas precisiones acerca de sus características y detalles de instalación, se harán a continuación: 23.5.1 Barras de elevación Para efectos del RETIE, se considerará que el comportamiento de todo terminal de captación se tomará como el de un terminal tipo Franklin. Es necesario tener en cuenta que las barras de elevación pueden volcarse fácilmente y por tanto es indispensable atender a su arriostramiento por medio de bases rígidas firmemente unidas al edificio.

CAPÍTULO 23. Sistema de protección externa...

La figura muestra un caso general de instalación de pararrayos en un edificio. En las figuras siguientes se detallan los casos de instalación indicadas en el anterior esquema general. Como se observa, los pararrayos han sido colocados perimetralmente en las terrazas del edificio con el fin de garantizar la protección total.

Figura 23.3 Barras de elevación

Deben seguirse preferencialmente las aristas del edificio por medio de cables descendentes que buscan la conexión a tierra, de modo que se constituye una especie de jaula que envuelve los volúmenes del edificio, como es la recomendación general (MELSEN). En la figura 23.2 se muestra claramente la disposición de series de pararrayos en la terraza, interconectados en el plano horizontal y conectados luego a tierra.

Figura 23.4 Barras de elevación

Figura 23.2 Disposición de pararrayos

Figura 23.5 Cruce de conductores

En las figuras 23.3, 23.4 y 23.5 se ven dos casos de barras de elevación y un detalle de cruce de conductores (según F. Barbará Z. México). El material de las abrazaderas debe ser el certificado para este fin y que sea conforme con los requerimientos de tipo RETIE. 247

Instalaciones eléctricas

23.5.2 Conductor aéreo o vertical Encargado de conducir las descargas atmosféricas desde la barra de elevación hasta el conductor subterráneo. Deben emplearse conductores de cobre de distintas formas: cables, tubos o sección maciza, con calibres adecuados para grandes descargas, por ejemplo, cable No. 2/0 AWG. Teniendo en cuenta el cumplimiento con las características citadas en la tabla 21.3. Lo más importante es tener en cuenta el problema de la corrosión en estas instalaciones a la intemperie y evitarla todo lo que sea posible. Igualmente no emplear nunca una combinación de materiales que dé lugar a la aparición de un par electrolítico, fenómeno corriente en la construcción, con lo cual se precipita la corrosión en presencia de la humedad. El conductor vertical debe estar convenientemente sujeto al edificio, por medio de abrazaderas u otros sistemas de sujeción siempre del mismo material que el conductor o de naturaleza tal, que no haya posibilidad de corrosión electrolítica en presencia de la humedad. En un edificio los conductores que cumplen la función de bajantes, deben ser al menos dos y con la mínima longitud para los caminos de corriente. Sin embargo, cabrían conductores descendentes suplementarios para conectar a tierra directamente o a los conductores descendentes principales, instalaciones tales como conductos de aire acondicionado, tuberías de acueducto, gases, etc. Hay otros casos especiales de conexión a tierra como las empleadas en salas de cirugía, cuyo piso merece un tratamiento de retícula metálica conectada a tierra con el fin de evacuar la electricidad estática producida por diversos factores y neutralizar su acción, alejando peligros de explosión por gases de anestesia y directamente para los pacientes objeto de operación con bisturí y otros aparatos, entre los que pueden saltar chispas a veces mortales. 248

Una recomendación final importante es evitar los cambios bruscos de dirección en el conductor vertical. 23.5.3 Conductor subterráneo o conexión a tierra Como ya se dijo, el conductor vertical en su terminal inferior se conecta a uno de los sistemas conocidos para disponer una tierra artificial. En las figuras 23.6 a 23.8 se ven algunos ejemplos de instalaciones usuales utilizando varillas, tubos, placas, retículas o una especie de hélice, denominada rehilete. Regularmente el hoyo que se abre en la tierra se rellena con polvo de sal y carbón o en estratos definidos como se ve en la figuras. Sería conveniente inspeccionar periódicamente la conexión a tierra para garantizar su servicio. Figura 23.6 Conductor con hélice

CAPÍTULO 23. Sistema de protección externa...

Figura 23.7 Relleno con polvo de sal y carbón

23.6 RECOMENDACIONES Como se mencionó con anterioridad, las descargas atmosféricas son eventos naturales que representan un factor que pone en riesgo la seguridad de las personas y el buen funcionamiento de equipos electrónicos, y sistemas eléctricos. A partir de ello se han buscado metodologías para el tratamiento de estos fenómenos y como resultado se han diseñado normas como la IEC 62305 de carácter internacional y la Norma Técnica Colombiana 4552 (NTC 4552). De acuerdo a la NTC 4552, el sistema de protección contra rayos (SIPRA), es un sistema completo usado para reducir los daños físicos sobre estructuras debidos a descargas directas o indirectas. Dicho sistema de protección se divide en dos partes fundamentales: el sistema de protección externo y el sistema de protección interno. El sistema de protección externo (External Lighting Protection System) previene de las peligrosas chispas que se pueden originar en el momento de

Figura 23.8 Conductor con retículas

una descarga y consiste en un sistema de puntas de captación (pararrayos tipo Franklin), un sistema de conductor bajante y un sistema de puesta a tierra. Los objetivos de construir un sistema de protección externa son: • Interceptar una descarga atmosférica directa sobre la estructura • Conducir la corriente hacia la tierra de forma segura • Dispersar la corriente de la descarga en la tierra El sistema de protección interno (Interna Lighting Protection System) consiste en una conexión equipotencial de rayo y acorde con la distancia de separación dentro de la estructura protegida. Para la implementación de un sistema de protección contra rayos se necesita: 1. Realizar un análisis del riesgo: cuyo objetivo es establecer el nivel de protección contra rayos de una estructura y si el sistema de protección debe ser integral, es decir, si necesita o no de todos sus elementos (protección externa o interna, o ambos). Para realizar una valoración del riesgo, se tienen en cuenta factores de tipo es249

Instalaciones eléctricas

tructural, ambiental, influencia de estructuras adyacentes, servicios adicionales y cuatro categorías de pérdidas: pérdidas humanas, pérdidas de servicios esenciales, pérdidas de herencia cultural y pérdidas económicas. Con esta información se realizan los cálculos correspondientes para encontrar el factor de riesgo y el nivel de protección requerido. Es importante destacar en este punto el análisis de riesgos eléctricos, planteados en el artículo 5° del RETIE donde se habla de riesgo por tensiones de paso y por tensiones de toque. Los riesgos desarrollados por las tensiones de paso pueden ser causadas por rayos, fallas a tierra, fallas de aislamiento, violación de áreas restringidas; y sus medidas de protección pueden ser las puestas a tierra de baja resistencia, restricción de accesos, alta resistividad del piso, equipotencializar. En el caso de las tensiones de contacto causadas por rayos, fallas a tierra, fallas de aislamiento, violación   de distancias de seguridad estas pueden ser mitigadas con puestas a tierra de baja resistencia, restricción de accesos, alta resistividad del piso, equipotencializar. 2. Definir la clase de protección: para cada nivel de protección se tiene una clase como se muestra a continuación. Tabla 23.1 Clase de sistema de protección

Nivel de protección I II III IV

Clase de sistema de protección I II III IV

3. Posicionar el sistema de protección: existen varios métodos sugeridos por diferentes normas para determinar las áreas donde debe ser protegida la estructura. Se empleará la teoría electrogeométrica, desarrollada por Ralph Lee en 1977, y que se conoce como el Modelo de la 250

Esfera Rodante. A partir de dicho método se posicionará el sistema de protección. El radio que debe tener la esfera depende de la clase de sistema de protección; en la siguiente tabla se muestra la relación: Tabla 23.2 Sistemas de protección



Clase de Sistema de Protección

Radio (m)

I

20

II

30

III

45

IV

60

Una vez definido el radio de la esfera, esta se debe hacer rodar en todas las direcciones por toda la estructura. Toda área de la edificación que esté desprotegida será tocada por la esfera, si el sistema de protección externa contra rayos es el adecuado, la esfera sólo tocará los elementos de protección.

4. Construcción: diferentes materiales y componentes pueden formar parte del sistema de protección externa. Los llamados “componentes naturales” son elementos que por su constitución física pueden ser usados para formar tal sistema. La norma IEC 62305 presenta pautas para la elección del material más adecuado para construir el sistema. En el RETIE, en su capítulo 2, artículo 18, se establecen los requisitos necesarios en cuanto al sistema de apantallamiento, el cual debe cumplir con los requisitos adoptados de la NTC 4552. Entre los cuales es importante destacar las características en las terminales de captación y bajantes, estas deben cumplir con las siguientes especificaciones técnicas. a. Terminales de captación o pararrayos: cualquier elemento metálico de la estructura que se encuentre expuesto al impacto del rayo, como

CAPÍTULO 23. Sistema de protección externa...

antenas de televisión, chimeneas, techos, torres de comunicación y cualquier tubería que sobresalga, debe ser tratado como un terminal de captación siempre que se garantice su capacidad de conducción y continuidad eléctrica. En cuanto a las exigencias que el RETIE plantea, se considera que el comportamiento de todo terminal de captación debe tomarse como el de un terminal tipo Franklin. b. Bajantes: con el fin de reducir la probabilidad de daño debido a corrientes de rayo fluyendo por el sistema de protección externo de una edificación, los conductores que cumplen la función de bajantes, deben ser al menos dos y con la mínima longitud para los caminos de corriente. Cada una de las bajantes debe terminar en un electrodo de puesta a tierra, estar separadas un mínimo de 10m y siempre buscando que se localicen en las partes externas de la edificación. Las bajantes del sistema de protección contra rayos deben cumplir los requisitos de la anterior tabla. Por otra parte, es importante hacer claridad en los siguientes puntos: • Los conductores, encerramientos, estructuras, y otras partes metálicas de equipos eléctricos no portadores de corriente, se deben mantener alejados como mínimo 1,8m de los conductores de las bajantes de los pararrayos; cuando la distancia a los conductores de las bajantes sea menor a 1,8m, se deben conectar equipotencialmente a dichas bajantes. • Las conexiones que van bajo el nivel del suelo en puestas a tierra, deben ser realizadas mediante soldadura exotérmica o conector certificado para tal uso.

Tabla 23.3 Características de los terminales de captación y bajantes MATERIAL

COBRE

ALUMINIO

ALEACIÓN DE ALUMINIO 6201

ACERO GALVANIZADO EN CALIENTE

ACERO INOXIDABLE

BRONCE 1. 2.

3.

CONFIGURACION

ÁREA MÍNIMA1 (mm2)

DIAMETROS Y ESPESORES MÍNIMOS2

Cinta sólida

50

2 mm min. de grosor

Alambre

50

8 mm de diámetro

Cable

50

1,7 mm min. de diámetro por hilo

Varilla

200

16 mm de diámetro

Cinta sólida

70

3 mm min. de grosor

Alambre

50

8 mm de diámetro

Cable

50

1,7 mm min. de diámetro por hilo

Cinta sólida

50

2,5 mm min. de grosor

Alambre

50

8 mm de diámetro

Cable

50

1,7 mm min. de diámetro por hilo

Varilla

200

16 mm de diámetro

Cinta sólida

50

2 mm min. de grosor

Alambre

50

8 mm de diámetro

Cable

50

1,7 mm min. de diámetro por hilo

Varilla

200

16 mm de diámetro espesor mínimo de la capa: 50 μm

Cinta sólida

50

2,5 mm min. de grosor

Alambre

50

8 mm de diámetro

Cable

70

1,7 mm min. de diámetro por hilo

Varilla

200

16 mm de diámetro

Alambre

50

8 mm de grosor

Tubo

50

4 mm min. de diámetro por hilo

Varilla

200

16 mm de diámetro

Si aspectos térmicos y mecánicos son importantes, estas dimensiones se pueden aumentar a 60 mm2 para cinta sólida y a 78 mm2 para alambre. En las dimensiones de grosor, ancho y diámetro se admite una tolerancia de ±10%. No se deben utilizar terminales de captación o pararrayos con elementos radiactivos.

251

Instalaciones eléctricas

En cuanto al tema de los bajantes, es importante resaltar que éstos deben cumplir con lo siguiente: Tabla 23.4 Bajantes Altura de la estructura

No mínimo de bajantes

Calibre del conductor de acuerdo con el material de este Cobre

Aluminio

Menor de 25 m

2

2 AWG

1/0 AWG

Mayor de 25 m

4

1/0 AWG

2/0 AWG

 

Cable de acero galvanizado ø ≥50 mm2.

Cada bajante debe terminar en un electrodo de puesta a tierra. Se construirán cajas de inspección para la revisión y medición del sistema de puesta a tierra, sus dimensiones deben ser mínimo de 30 cm x 30 cm y su tapa removible. Igualmente en la etapa anterior a la construcción se debe indicar muy claramente la longitud y anchura del edificio, su altura, los espacios no construidos, la presencia de terrazas y pequeñas construcciones. Deben señalarse los cuerpos metálicos circunstantes avisos luminosos, astas de banderas, tanques, terminales de instalaciones o ductos especiales. Tener en cuenta la forma de los techos y sus materiales. Si hay salientes en las fachadas que obstaculicen la continuidad vertical. Con referencia al terreno es necesario investigar la composición del suelo y subsuelo, indicando si se trata de arcilla, roca, arena, etc., y tener muy presente su grado de humedad. Deben localizarse las construcciones vecinas o adicionales y otros elementos como árboles grandes, que están localizados a unos 15 metros de la edificación. En residencias corrientes sería conveniente proteger elementos como las antenas de televisión por medio de instalaciones especiales. 1

Ver texto Fundamentos de electricidad y electrónica, primera parte.

252

De la misma manera debe hacerse con los postes y torres de energía, especialmente las que soportan transformadores. En estos casos se utilizan pararrayos especiales, llamados pararrayos de red y en los cuales la descarga eléctrica se produce a través de una resistencia semiconductora cuyo valor disminuye rápidamente a medida que aumenta la tensión. Es una especie de cápsula grande en cuyo interior va la resistencia especial; el terminal superior se conecta a la red y el inferior se conecta a tierra. Las figuras 23.9 y 23.10 dan muestra de pararrayos actualmente utilizados para el caso de redes eléctricas de alta tensión. La capacidad de estos pararrayos se expresa en función del voltaje y de la frecuencia de la fuente de energía. Para redes de alta tensión también se utilizan pararrayos de cuernos o antenas, es decir, dos elementos conductores enfrentados, pero sin llegar a tocarse, colocados en forma de V, de modo que al producirse la sobretensión se origina un arco que da lugar a la descarga. En la figura 23.11 se aprecia el caso de un pararrayos de cuernos aplicado en los extremos de un aislador, de modo que el arco se establece entre los cuernos (entre un conductor y tierra) en lugar de hacerlo por el aislador sin dañarlo y sin afectar otras piezas de la red. Los postes que llevan transformadores y las grandes torres de las líneas de transmisión deben ser conectados a tierra, utilizando sistemas como los ya explicados, con el objeto de llevar hasta el suelo las descargas atmosféricas sin peligro de afectar los conductores de las líneas de transmisión o los transformadores. Se usan líneas de guarda paralelas a las líneas vivas.1 Como complemento se incluye un cuadro relativo a la figura 23.10 para apreciar la presentación comercial en catálogos de pararrayos para redes eléctricas.

CAPÍTULO 23. Sistema de protección externa...

Figura 23.9 Pararrayos para redes eléctricas de alta tensión

Figura 23.10 Pararrayos tipo LV

Figura 23.11 Pararrayos de cuernos Figura 23.12 Pararrayos

253

Instalaciones eléctricas

Según el catálogo de Westinghouse, los pararrayos tipo LV de 3 hasta 15 kV van de 0-10 000 pies de altura.

lizar las cargas de las nubes. Es un elemento de alto poder ionizante, para mayor área de protección.

Capacidad: “La capacidad del pararrayos se expresa en términos de voltaje y la frecuencia de la fuente de energía. El voltaje nominal de un pararrayos es el valor eficaz (RMS) de la tensión que puede aplicarse entre los terminales de la línea y tierra del pararrayos y la cual conserva su ciclo de operación cuando se descarga por razón de una sobretensión. Si el voltaje de la fuente de energía excede a la capacidad nominal del pararrayos, cuando éste se descargue por algún fenómeno atmosférico no podrá restablecer su característica aisladora al cerrar la corriente de la perturbación”.

2. Base portaisótopos: para soportar el elemento emisor, adopta una forma cilíndrica y está barrido al exterior por un cepillo limpiador para mayor eficiencia en la emisión iónica.

Pruebas: “Todos los pararrayos son probados con tres descargas de choques consecutivos según las normas ASA, IEEE y NEMA; y sometidos a pruebas de humedad que garantizan su perfecto funcionamiento”. 23.7 PARARRAYOS TIPO IONCAPTOR DE ALTO PODER IONIZANTE

4. Sistema autolimpiador: conformado por un juego de tres cucharas accionadas por el aire en movimiento. A una de ellas está conectado el cepillo limpiador que barre el cilindro portante de la fuente emisora con el fin de eliminar el polvo y las impurezas que afectarían la acción ionizante del elemento emisor.

1. Un material emisor (isótopo): conectado al ánodo acelerador, produce continuamente una especie de “viento” de iones con el fin de neutra-

5. Punta de captación: del tipo convencional, dispuesta para circunstancias tales que hacen necesaria la descarga del rayo.2

3. Ánodo acelerador de iones: dispuesto como un gran anillo exterior para aumentar la conductividad del sistema en caso de que se presente la descarga de un rayo.

Tabla 23.5 Presentación comercial de pararrayos para redes eléctricas

2

CAPACIDAD kV

ESTILO No.

3

A

B

C

PESO BRUTO Lbs

MÍNIMO 60 CICLOS SALTO

MAXIMO IMPULSO SALTO DE CHISPA ASA FRENTE DE ONDA

792C500AD3

8

5,84

2,51

4,5

6

19

6

792C500A6

10,9

8,74

3,64

6,5

11

35

9 Y 10

792C500A10

13,5

11,34

2,76

8,5

18

50

12

792C500A12

17,38

15,22

4,88

9,5

23,5

60

15

792C500A15

19,5

17,34

4,38

10,5

27

75

Información extractada de Nuclear-Ibérica S.A.

254

DIMENSIÓN

CAPÍTULO 24. Locales especiales

CAPÍTULO 24 Locales especiales

Los locales especiales están definidos por el RETIE en su artículo 36.2.2 de la siguiente manera: Artículo 36.2.2 Instalaciones eléctricas especiales Aquellas instalaciones que por estar localizadas en ambientes clasificados como peligrosos o alimentar equipos o sistemas complejos, presentan mayor probabilidad de riesgo que una instalación básica y por tanto requieren de medidas especiales, para mitigar o eliminar tales riesgos. Para efectos del RETIE se consideran instalaciones especiales las siguientes: 1. Instalaciones hospitalarias o de asistencia médica a que hace referencia la sección 517 del Código Eléctrico Colombiano (NTC 2050, Primera Actualización). 2. Sistemas de emergencia y sistemas de alarma contra incendio. 3. Instalaciones de ambientes especiales, contempladas en el Capítulo 5 del Código Eléctrico Colombiano (NTC 2050, Primera Actualización) clasificadas como peligrosas por el alto riesgo de explosión debida a la presencia de gases, vapores o líquidos inflamables; polvos, fibras o partículas combustibles. 4. Instalaciones eléctricas para sistemas de transporte de personal como ascensores, grúas, escaleras eléctricas, montacargas o teleféricos. 5. Instalaciones eléctricas en lugares con alta concentración de personas, tales como: sitios de reuniones, entidades públicas, teatros, áreas de

audiencias, grandes supermercados, ferias y espectáculos a que hacen referencia las secciones 518, 520, 525 del Código Eléctrico Colombiano (NTC 2050, Primera Actualización). En general aquellas que requieran construirse y mantenerse en circunstancias distintas a las que pueden estimarse como de riesgo normal, tales como las de la sección 530, 540, 547, 555, 645, 660,680, 690 y 695 del Código Eléctrico Colombiano (NTC 2050, Primera Actualización). Para no transcribir parte de la NTC 2050, haremos un resumen de la parte que nos interesa en cada caso, si se desea más precisión o ampliación en algún caso, debe remitirse directamente a la NTC 2050. 24.1 INSTALACIONES HOSPITALARIAS Todos los centros hospitalarios deben tener una fuente de energía alternativa de emergencia, por ejemplo una planta diesel. Las áreas donde el paciente es atendido debe tener por lo menos dos tomacorrientes, uno de uso normal y uno de emergencia, todos estos tomacorrientes deben tener un conductor conectado a tierra. En el área de cuidados críticos, en la zona de la cama deben haber al menos cuatro tomacorrientes, todos estos tomacorrientes deben estar certificados para uso hospitalario, si es necesario para zonas húmedas y no debe permitir el acceso involuntario de las personas a las zonas energizadas. La fuente de energía de emergencia debe tener la capacidad de alimentar las zonas vitales del centro hospitalario, tales como el área de cirugía, cuidados intensivos y la iluminación en varios sitios esenciales. 255

Instalaciones eléctricas

24.2 INSTALACIONES EN AMBIENTES ESPECIALES Los ambientes especiales se refieren a lugares donde hay polvos, gases o líquidos que puedan ocasionar un incendio o una explosión, un ejemplo de estos lugares son las estaciones de gasolina. En estos lugares se deben instalar elementos apropiados para este tipo de ambientes. Estos elementos deben ser a prueba de explosión, de ignición de polvos o hermético a los polvos, dependiendo del grado de peligro. También se normaliza las distancias que se deben clasificar como peligrosas y se da una escala comparativa; dependiendo de ello se deben elegir los materiales. Adicionalmente también se exige que internamente las tuberías tengan unos sellos internos, para evitar que pasen los gases y polvos peligrosos de un lugar que está clasificado como peligroso y otro que no está clasificado. Para el caso de los garajes donde sólo se utiliza para guardar vehículos y se hacen revisiones periódicas del vehículo no es necesario hacer una instalación especial; pero para el caso de los lugares donde se hacen reparaciones a los vehículos, sí se debe hacer una instalación eléctrica especial. En las construcciones actuales, un elemento que es peligroso es el gas natural o el gas de pipeta; por ello se recomienda que el gas este en un lugar bien aireado, para reducir el peligro; adicionalmente, tampoco es bueno tener cerca equipos eléctricos que no han sido acondicionados para este uso, un equipo acondicionado es la estufa mixta, pero el hecho de estar acondicionado no quiere decir que deja de ser peligroso. 24.3 LUGARES DE ALTA CONCENTRACIÓN DE PERSONAS Estos lugares deben contar con un alumbrado de emergencia para los pasillos y las zonas donde se concentre la gente, para tener suficiente iluminación en caso de tener que evacuar el sitio por algún tipo de emergencia, 256

estas luminarias son diferentes a las luminarias que están funcionando en condiciones normales. En un escenario como cine y teatros todos los equipos de conexión y desconexión de los elementos eléctricos deben estar fuera del alcance del público en general. CONCLUSIONES Como pudo apreciar el lector, hemos recorrido el extenso campo de las instalaciones eléctricas en las edificaciones, procurando proporcionar una visión global y ordenada en lo posible. Sin embargo, el tema es de tal amplitud que nos ha sido imposible agotarlo. Se da por ejemplo el caso de las instalaciones telefónicas, de parabólica, instalaciones de sonido, que merecería un texto aparte. Igualmente sucede con las instalaciones de iluminación artificial, tema del mayor interés cuyo estudio es objeto de muchos textos inmensos. Así pues, hechas las anteriores salvedades, espero haber cumplido los objetivos que me he propuesto desde la iniciación de este texto. A continuación mostraremos un anexo de simbología que contempla convenciones usuales en electricidad y electrónica, algunas analogías de importancia en esas disciplinas, sinopsis de unidades prácticas, tablas para contadores, para demanda de diferentes aparatos, para protección de motores monofásicos y trifásicos y para valores de la corriente en motores a plena carga. Se incluyen también esquemas de contadores usados según el tipo de circuito servido, tablas para conversión de unidades en la física, el significado del Sistema Internacional de Unidades y se termina con dos ejemplos simplificados de cálculo de la acometida en edificios de apartamentos.

CAPÍTULO 24. Locales especiales

ADVERTENCIA: conviene saber que gran número de incendios se debe no solamente a los consabidos “cortocircuitos” sino también en mucha parte, a la mala calidad de ciertos implementos eléctricos, en especial, de los tomacorrientes (tanto machos como hembras) puesto que por la irresponsabilidad de ciertos fabricantes y la ausencia de control de calidad, no disponen cobre en las partes metálicas claves de los contactos pues los hacen con el llamado “hierro cobrizado” o simplemente “pintado” para ofrecer la engañosa apariencia de cobre.



El peligro se incrementa cuando el ajuste queda flojo entre el tomacorriente y el enchufe, pues aparece un “chisporroteo” interno y continuo que da origen a una extracorriente exagerada capaz de derretir los alambres del artefacto conectado, ya sea de manera temporal o permanente. Este último caso es el más grave y por tanto debe tenerse particular cuidado en la calidad de la instalación y de las protecciones del circuito correspondiente tales como los disyuntores o interruptores automáticos (breakers) los cuales infortunadamente sólo consiguen cortar la corriente pero no pueden apagar el incendio ya iniciado en los tomas de artefactos en las condiciones explicadas arriba.

257

Instalaciones eléctricas

258

ANEXO1 Simbología El uso de la simbología resulta clave para la interpretación adecuada de los planos de redes internas de una determinada edificación, es por ello que resulta fundamental el uso de la simbología normalizada por el RETIE con base en normas internacionales como IEC 60617, ANSI Y32, CSA Z99 e IEEE 315. Dicha simbología se ilustra en la tabla C1 y posterior a ella se complementará a partir de otras normas internacionales para reunir la simbología que convencionalmente se emplea. Nota: es importante aclarar que en la quinta columna de símbolos de la próxima página, donde están los interruptores, anteriormente se usaba la simbología de S1, 2S1, S3, S4, pero a todos estos interruptores se les ha modificado la simbología por la que aparece en el RETIE. Tabla 1. Simbología

259

Instalaciones eléctricas

Tabla 2. Tabla C.1

260

ANEXO 1

De algunos símbolos de la norma IEC 60617, haremos la tabla C.2. Tabla 3. Tabla C.2

Conductor apantallado Cable coaxial

Relé electrotérmico

Corriente alterna

Símbolo general de un aparato indicador. En el * puede ir V, A W (voltaje, corriente y potencia)

Luminaria fluorescente

Indicador de voltaje

Corriente continua

Luminara con tres tubos fluorescentes Timbre o campana

Luminaria con 5 tubos fluorescentes Condensador

Zumbador Sirena

Condensador variable Símbolo general de la bobina Bobina con núcleo magnetico Interruptor normalmente abierto Interruptor normalmente abierto Interruptor normalmente cerrado

Pila o acumulador Motor de corriente contínua Generador sincrónico trifásico de imán permanente

Interruptor conmutado

Símbolo general del relé

Transformador con toma intermedia en un arrollamiento Transformador trifásico, conexión estrella – triángulo

261

Instalaciones eléctricas

Tabla 3. Tabla C.2

Representación de 3 conductores por una canalización

Diodo

Unión de dos conductores Diodo emisor de luz (LED)

Unión de conductores en T

Diodo zener

Caja de empalme

Tiristor

Contacto hembra Diac. Tiristor diodo bidireccional

Contacto macho Fusible

Transistor NPN

Pararrayos Transistor PNP Transistor de efecto de campo (FET) con canal de tipo n

Accionador manual

Transistor de efecto de campo (FET) con canal de tipo P

Rectificador de corriente alterna a corriente continua

Mando por llave

Fotodiodo Fototransistor

262

Ondulador inversor de corriente continua a corriente alterna  

ANEXO 1

Ahora veremos algunos símbolos de la norma IEEE 315 en la tabla C.3.

Tabla 4. Tabla C.3

Interruptor intermitente

Resistencia

Unión de contactos

Resistencia ajustable

Clavija clavija Resistencia no lineal Auriculares Fotorresistencia (resistencia que depende de la luz)

Parlante

Antena, sirve cualquiera de los dos símbolos

Micrófono (cualquiera de los dos símbolos) Generador Generador de de ca c.a.

Antena de cuadro

Motor Fuente de corriente alterna Breaker Tubería por piso

 

Interruptor de varias posiciones (por ejemplo la estufa)

263

Instalaciones eléctricas

Y a continuación presentaremos otra simbología que también es muy importante en la tabla C.4. Tabla 5. Tabla C.4

Toma-switch

Caja de paso

Teléfono

Televisión Ducto por techo o pared Ducto de acometida Ducto telefónico Contador eléctrico Tomacorriente para estufa (trifilar)  

264

ANEXO 2 Diagrama de una estufa eléctrica trifilar para 240 voltios con horno

Figura 1. Diagrama de estufa trifilar

265

Instalaciones eléctricas

266

ANEXO 3 Algunas analogías importantes en la electricidad y la electrónica (La presente información está basada parcialmente en un folleto editado por el departamento de ingeniería eléctrica de la General Electric; la restante ha sido ideada por el autor). yy Polos de una fuente de corriente continua: Una pila o batería (generador de cc) provista de polos y conectada a un circuito externo cerrado, es comparable con una bomba centrifuga conectada a un circuito cerrado de tubería externa, como lo vemos en la figura 1, de modo que impulsa corriente por su polo positivo (boca de impulsión) y la aspira por su polo negativo (polo de aspiración). En esta operación se gasta la presión o voltaje, pero la corriente o caudal no se gasta: circula en circuito cerrado. Figura 1. Generador de cc

lo vemos en la figura 2. En ambos casos la fuente cambia de polaridad en cada subida y bajada del pistón. Las subidas pueden ser consideradas positivas si se quiere y negativas las bajadas. También puede hacerse la consideración al contrario. Figura 2. Generador de ca

yy Conductancia En la figura 3 vamos a comparar tres alambres conductores metálicos con tres tuberías de acueducto de diferente rugosidad interior. Figura 3. Conductancia

yy Generador de corriente alterna Un generador de corriente alterna, conectado a un circuito cerrado externo, es comparable a una bomba alternativa de pistón (sube y baja el pistón dentro de un cilindro) y conectada a un circuito cerrado de tuberías, como

El mejor conductor es la plata (le asignaremos 100%). Tiene la mayor conductancia, es decir, mas baja resistencia. Es comparable a una tubería de acueducto sumamente lisa en su interior, por la cual circula agua a presión. 267

Instalaciones eléctricas

Un conductor de acero tiene muy baja conductancia (alta resistencia) y es comparable con una tubería de acueducto de gran rugosidad interior, por la cual circula agua a presión. De la rugosidad interior en las tuberías depende la “caída de presión” en ellas. Igualmente en los conductores hay una “caída de voltaje” que depende de la resistencia del conductor. yy Resistencia simple Una resistencia simple se usa para limitar el paso de la corriente a través de ella. Es comparable a intercalar un disco con orificio de tamaño fijo (diámetro constante) en una tubería de acueducto que conduce agua a presión, como se ve en la figura 4. Figura 4. Resistencia simple

yy Reóstato (resistencia variable) Una resistencia variable es empleada para graduar la cantidad de corriente que fluye en un circuito. Es comparable a intercalar una válvula de mariposa (compuerta móvil) en una tubería de acueducto que conduce agua a presión. Figura 5. Reóstato

En este ejemplo también puede emplearse una simple llave reguladora de flujo intercalada en la tubería de acueducto (figura 5). yy Potenciómetro (divisor de voltaje) Un potenciómetro consta de una resistencia sobre la cual puede moverse un contacto deslizante. De su posición, depende el voltaje que toma de la fuente. Por ello es un típico divisor de voltaje. Cuando en contacto está en la posición A entonces toma el voltaje máximo y en la posición B el voltaje es cero. Un valor intermedio de voltaje se obtiene por ejemplo en la posición C. como lo vemos en la figura 6. Figura 6. Potenciómetro

El potenciómetro es comparable a un tanque lleno de agua en el cual H (metros medidos entre C y A) es la máxima presión sobre el fondo. Tiene un tubo móvil que puede inclinarse sobre el fondo, de modo que sólo se aproveche la presión parcial h en una posición intermedia como aparece en la figura 6. La presión máxima H se aprovecha en la posición A (con el tubo horizontal), mientras que en la posición B no se obtiene salida de agua. Existe la tendencia a confundir una resistencia variable (reóstato) con un potenciómetro, sobre todo cuando se adoptan representaciones gráficas similares. Por esta razón los hemos dibujado de manera muy diferente para no confundirlos.

Puede abrirse del todo y queda con resistencia cero y también puede cerrarse del todo y quedar con resistencia infinita. Caben las posiciones intermedias al dejarla entreabierta. 268

Por otra parte, debe recordarse que el reóstato sirve para “estrangular” la vena de la corriente en mayor o menor cantidad mientras el potenciómetro actúa sobre el voltaje que se toma.

ANEXO 3

yy Rectificadores de media onda (corriente alterna monofásica) Un circuito rectificador de media onda sirve para obtener corriente continua elemental a partir de una fuente de ca. Normalmente provista de un transformador reductor de voltaje. Figura 7. Rectificadores de media onda

En la figura de la derecha y abajo se observa la analogía: cuando sube el pistón de la bomba, el agua misma se encarga de cerrar el cheque (válvula de retención), de modo que no puede circular agua en el circuito cerrado. Debajo de las figuras se muestra un aspecto de la corriente alterna original en el secundario del transformador, compuesta por alternancias positivas y negativas; suponemos que las alternancias positivas son producidas por bajadas del pistón. Como únicamente circula corriente en las bajadas del pistón, significa que sólo pasan las alternancias positivas, pero no negativas (las negativas son retenidas y no son aprovechadas), en otras palabras, se pierde la energía gastada por el pistón. Un rectificador de media onda sería aplicable en pequeños radios y calculadoras; también en un atenuador elemental de iluminación (se obtiene la mitad de la iluminación máxima). La resistencia R representa la “carga”, por ejemplo una lámpara incandescente de tipo común.

En la figura de la izquierda y arriba, se baja el pistón de voltaje en el secundario del transformador: la flecha del diodo D se toma positiva y entonces circula corriente en todo el circuito y del punto 1 al punto 2 a través de la carga R. En la figura de la derecha y arriba se observa la analogía hidráulica. Baja el pistón de la bomba alternativa y se abre la retención (que para el caso eléctrico es el diodo D) y posteriormente circula el agua a presión de 1 hacia 2 en la “resistencia” (un serpentín).

El conjunto puede completarse con un condensador y un diodo Zener, como ya se hizo notar en su oportunidad. Este tipo de rectificador no es muy eficiente debido a su limitación, por ello se prefiere los rectificadores de onda completa con el fin de aprovechar tanto las bajadas, como las subidas del pistón de voltaje, es decir, en toda su alternancia y conseguir así la mayor eficiencia “convertidora”. yy Rectificadores de onda completa (con el punto n central)



Figura 8a

Figura C8b

En la figura de la izquierda y abajo, ahora sube el pistón de voltaje en el secundario del transformador y la flecha del diodo D se hace negativa, por tanto no puede circular corriente en el circuito. 269

Instalaciones eléctricas

En la figura 7, cuando sube el pistón de voltaje, pasa corriente por el diodo A pero no puede hacerlos por el diodo B. Entonces circula corriente de 1 hacia 2 en la “carga” conectada entre esos dos puntos. Cuando baja el pistón de voltaje, pasa corriente por el diodo B pero no pasa por A. De nuevo circula la corriente de 1 hacia 2 en la carga en la misma dirección anterior. En la figura 7, cuando sube el pistón de la bomba, se abre el cheque A, pero se cierra B. Sale corriente de uno hacia dos como se observa.

En el motor sincrónico existe un campo inductor giratorio producido por los bobinados del estator. El inducido es el rotor, al centro. Las velocidades del campo inductor giratorio y del rotor, son iguales y están sincronizadas. En este tipo de motores no existe el llamado deslizamiento o slip. yy Motor asíncrono (de inducción o jaula de ardilla) Figura 11b

Figura 11a

Así mismo cuando se baja el pistón de la bomba, se abre B pero se cierra A. Sale corriente de uno hacia dos tal como antes. En conclusión se han aprovechado todas las bajadas y subidas del pistón de voltaje para conseguir una rectificación de onda completa, cuya corriente de entrada se muestra en la parte baja de la en la figura 8a y la corriente de salida la mostraremos en la parte baja de la figura 8b. Estas dos últimas figuras las podemos comparar con las figuras C.6 de la página anterior. yy Motor sincrónico Figura 10

Se caracteriza porque generalmente la velocidad del rotor (generalmente tipo jaula de ardilla), es algo menor que la velocidad del campo giratorio inductor producido en el estator (en sus bobinados). En este tipo de motores si existe entre ellos cierto tipo de “deslizamiento” (slip). Debe suceder así para que sean posibles los fenómenos de inducción en las barras de la jaula del rotor (para que siempre corten el campo inducido giratorio). Es comparable el conjunto de dos cilindros lisos giratorios empalmados por una correa sinfín, impulsada por el cilindro o rueda 1 (campo giratorio) mientras el cilindro 2 está algo “frenado” y hace que se deslice sobre él la correa sinfín, moviéndose con menor velocidad. yy Condensador C

Figura 9 Fig. 12a

270

Fig. 12b

Figura 12c

ANEXO 3

Un condensador sometido al vaivén de la corriente alterna, se comporta como sigue: en la alternancia positiva de voltaje se carga cuando V crece de 0º a 90º y luego se descarga cuando V desciende de 90º a 180º. Así mismo, en la alternancia negativa de voltaje, el condensador se carga cuando V crece de 180º a 270º y se descarga cuando V decrece de 270º a 360º. En los cuartos de ciclo en que crece el voltaje V, el condensador siempre se descarga.

duce agua a presión y en vaivén. Si disminuye el vaivén f, el diafragma se va cerrando progresivamente, pero si aumenta el vaivén f el diafragma va abriendo su orificio central. Se cierra del todo cuando f = 0. Esto equivale a aplicar cc para cargar todo el condensador.

Es por tanto una fuente supletoria de voltaje, capaz de suministrarlo a lo largo del circuito cuando decae el voltaje de la fuente, es comparable a un tanque hidroneumático lleno de agua y aire a presión como en la figura 12c, cuando crece la presión, se carga. Si decae la presión de la fuente, se descarga, tratando de mantener la presión en la tubería.

Una bobina sometida al vaivén de la corriente alterna, se comporta de la manera siguiente: en la alternancia positiva de voltaje cuando V crece de 0º a 90º la bobina debe detener la corriente que previamente estaba circulando por el circuito en sentido contrario. Luego obliga a que la corriente se devuelva y aumente, mientras V decae de 90º a 180º. Hasta aquí se ha cumplido la alternancia positiva de voltaje entre 0º y 180º. Después, en la alternancia negativa de voltaje, el voltaje crece (negativamente) de 180º a 270º y la bobina detiene la corriente que antes había hecho circular. Luego obliga a que la corriente se devuelva y aumente, mientras V decae de 270º a 360º.

yy Reactancia capacitiva Figura 13b

yy Inductancia

Figura 14a Inductancia

Figura 13a

Figura 14b Inductancia

La reactancia capacitiva XC, es la resistencia “especial” que ofrece un condensador a la circulación de la ca su expresión básica es: X C = 1 /(2 * π * f * C )  

Cuya expresión ya fue explicada en páginas anteriores. Por lo tanto, a un condensador le complacen las altas frecuencias (f) y le molestan bajas. Nótese que XC y f son inversamente proporcionales: a mayor f menor es XC. Es comparable a un disco especial, como un diafragma de cámara fotográfica, intercalado en una tubería de acueducto que con-

Figura 14c Inductancia

271

Instalaciones eléctricas

Es comparable a una bolsa filtro elástico de modo que al aplicarle la presión máxima (V) en el extremo A, se demora un poco (90º) para que esta presión llegue al extremo B contrario. La corriente que fluye hacia B hasta llegar al voltaje máximo en B la obliga a devolverse y salir ahora por el extremo A en el cual se aplicará después el voltaje máximo y así sucesivamente. Esto sucede una y otra vez, alternativamente.

Se cierra del todo cuando el vaivén f=infinito, y se abre del todo cuando f = cero, es decir, la corriente no tiene frecuencia, se trata de una cc que circula en la bobina con la mínima oposición; apenas la simple resistencia óhmica de sus alambres. yy Impedancia de una serie RLC Figura 16. Impedancia de una serie RLC

yy Reactancia inductiva Figura 15a Reactancia inductiva

Figura 15b Impedancia

En la primera parte de la figura 16 se observa una típica serie RLC sometida a un voltaje alterno constante (régimen permanente) y de frecuencia también constante (deferente a la frecuencia de resonancia). Tiene tres “obstáculos” en serie: R, L y C. La reactancia inductiva es la “resistencia especial” que ofrece una bobina a la circulación de ca su expresión básica, ya es conocida, y es la siguiente:

En la resistencia R las curvas de voltaje y de corriente se mantienen en fase, es decir, sincronizadas. Sus valores máximos y nulos ocurren en los mismos instantes.

X i = 2 *π * f * L  

En la bobina L (bolsa- filtro) el voltaje siempre se retrasa 90º a la curva de corriente. Da lugar a la reactancia inductiva X i = 2 * π * f * L  .

Esta expresión ha sido consignada en páginas anteriores. Por lo tanto, a una bobina “le molestan” las frecuencias altas, pero le “complacen” las bajas. Nótese que Xi y f son directamente proporcionales. A mayor f mayor es Xi. Es comparable a un diagrama intercalado en una tubería de acueducto que conduce agua en vaivén. A mayor vaivén f, el diafragma se va cerrando (crece Xi) y a menor vaivén f, el diafragma se va abriendo (disminuye Xi). 272

En el condensador C (tanque de presión) el voltaje siempre se retrasa 90º a la curva de corriente. Da lugar a la reactancia inductiva X C = 1 /(2 * π * f * C )   Entonces es comparable el conjunto a un emparedado de los tres elementos. Un disco R de diámetro constante para la resistencia. Un diafragma Xi para la reactancia inductiva y un diafragma XC para la reactancia capacitiva,

ANEXO 3

estos dos últimos diafragmas tienen comportamientos contrarios como se explicó anteriormente. Cuando la frecuencia f es muy elevada, el orificio de R no varía, pero el de Xi esta casi cerrado, mientras el de Xc está abierto en gran parte. Cuando f es baja, el orificio de R continúa constante, pero el de Xc está casi cerrado, mientras el de Xi está abierto en gran parte. La oposición resultante de los tres orificios a la circulación de “corriente” (agua) en vaivén, constituye en cada caso la resistencia resultante o impedancia Z (óhmios) de la serie RLC o de un circuito que se comporte como tal. NOTA: podría hacerse un estudio semejante para el caso de R, L y C en paralelo. Nos conformamos con afirmar que el circuito RLC en paralelo puede ser convertido en una serie equivalente RLC y le aplicamos la expresión efectuada arriba. Sin embargo, no hay inconveniente para efectuar un estudio completamente independiente. yy Resonancia en serie (serie RLC) Figura 17a

Figura 17b

Figura 17c

Se dice que existe resonancia en serie si en un circuito en serie RLC, cuando la frecuenta f del voltaje aplicado, resultan iguales las resonancias Xi y XC de modo que solo queda R en acción, ya que se “anulan mutuamente” las acciones de las reactancias. Si Xi = Xc Entonces 2π * f * L = 1 / 2π * f * C ∴ f 0 = 1 /( 2π LC )   El valor f obtenido se llama frecuencia de resonancia del circuito. Se distingue por f0. En tal caso, al quedar sólo R en acción, puede circular la corriente máxima posible para las circunstancias del arreglo. En la figura 17b el circuito es comparable a un emparedado constituido por el disco R (de orificio constante). Entre tanto los dos diagrama Xi y Xc presentan aberturas idénticas e iguales a la del disco R. Esto sólo puede ocurrir a la frecuencia f0 de resonancia. En la figura a la derecha se puede decir que existen dos fuerzas iguales y contrarias (Xi y Xc) que abren por el centro la compuerta doblemente corrediza para que circule la corriente máxima con la mínima oposición (únicamente R).1 yy Transformador Suponiendo un transformador elevador de voltaje, el primario del transformador tiene pocas vueltas de alambre para recibir el bajo voltaje de entrada (y elevada corriente). Aparece un flujo magnético alternativo en el núcleo de hierro que induce voltaje y corriente en el secundario del transformador, constituido por muchas vueltas de alambre delgado, adecuado para el alto voltaje de salida (y pequeña corriente).

Importante: los circuitos resonantes (tanto en serie como en paralelo) hacen posible la sintonía en radio, televisión y comunicaciones en general. Los circuitos resonantes en paralelo son los más usados y se les llama circuitos tanque. (Ver primera parte del texto Fundamentos de electricidad y electrónica).

1

273

Instalaciones eléctricas

Transformador Figura 18a

Figura 18b

Como se dijo al principio, se trata de un transformador elevador de voltaje (reductor de corriente), tal como está explicado; pero puede hacerse funcionar al contrario si se desea. Es comparable el conjunto elevador, a lo prensa hidráulica como se muestra en la figura 18b, en la cual se aplica al pistón 1 con un área útil A una pequeña fuerza hacia abajo que se convierte en una gran fuerza hacia arriba en el gran pistón de área A1. Si llamamos F la pequeña fuerza aplicada al pistón 1 de pequeña sección A, y F1 a la gran fuerza que resulta en el pistón 2 de gran área A1, entonces puede establecerse la relación siguiente; basada en la igualdad de presión P a través del líquido (aceite): P=

F F1 =   A A1

De lo cual:

F1 = F *

A1   A

En consecuencia, la fuerza F1 de salida es muchas veces mayor que la pequeña fuerza F de entrada. 274

En el transformador elevador de voltaje, un pequeño voltaje (por ejemplo 120 V) puede ser aumentado a 480V según la relación de transformación entre los bobinados. En este ejemplo la relación es obviamente 4 a 1 (cuatro en el secundario y 1 en el primario). Esta relación puede variar dependiendo de lo que se necesite, el voltaje de entrada y el voltaje de salida. yy La bobina de inducción En la bobina de inducción de la figura 19a, en el lado izquierdo, se le aplica el bajo voltaje (por ejemplo 6 voltios). La bobina es de alambre grueso con pocas vueltas para el bajo voltaje y elevada corriente. Repentinamente se abre el interruptor S y por “acción transformadora” aparecen en el secundario un elevado voltaje (por ejemplo 8 000 voltios) instantáneos. El secundario es por tanto un bobinado de alambre delgado y con muchas vueltas, adecuado para el alto voltaje (y pequeña corriente) de salida. Este fenómeno se aprovecha por ejemplo para el encendido de automóviles. Básicamente debe cumplirse la siguiente igualdad: Bajo voltaje X Gran corriente = Alto voltaje X Baja corriente

ANEXO 3

Figura 19a

Es comparable el conjunto al sistema de un ariete hidráulico ilustrado en la figura 19a, en el cual el “primario” es una fuente f situada a una baja altura h sobre el plano de referencia horizontal. La tubería de llegada al ariete es de gran diámetro para admitir un gran caudal Q. Una válvula especial en el ariete, detiene repentinamente la vena liquida Q y la obliga a entrar a través de un cheque en la cabeza del cuerpo del ariete (C) provisto de agua y aire que son presionados al entrar agua en C. Como el agua que entra ya no puede devolverse (se lo impide el cheque), es obligada a ascender en forma de pequeño caudal q por una tubería de diámetro pequeño hasta una gran altura H. Básicamente debe cumplirse como antes en la bobina.

Figura 19b

En la figura 20 se muestra más en detalle el interior de ariete con el fin de comprender mejor el funcionamiento de la válvula S que se cierra de repente en cada momento en que el caudal Q alcanza la velocidad máxima (como en un Ventura, alcanzada por la máxima velocidad, se produce una succión sobre la válvula S y se cierra de repente por un momento; después se abre para que de nuevo se cierre por la máxima velocidad de Q). Figura 20 Interior de un ariete

Baja altura h X Gran caudal Q = Gran altura H X Pequeño caudal q (En esta igualdad no se han incluido las pérdidas por el rendimiento del ariete, es puramente teórica). Como se observa, en ambos casos hay una “vena fluida” repentinamente detenida y se producen fenómenos semejantes de “sobre-presión” que debe ser desahogada, ya sea elevando considerablemente el voltaje V de entrada o elevando el pequeño caudal q (corriente) hasta una gran altura H.

Una resistencia simple no desfasa las curvas de voltaje y corriente en la ca; por lo tanto el producto W=V * I es siempre constante y el F.P. es la unidad. El orificio del disco que representa la resistencia, que es de un tamaño constante. 275

Instalaciones eléctricas

Figura 21b

Figura 21a

yy El factor de potencia en una serie RLC resonante La serie resonante queda como el caso anterior, puesto que a la frecuencia f de resonancia, se anulan mutuamente las reactancias inductiva y capacitiva y sólo queda R en acción. En consecuencia el factor de potencia es igual a la unidad.

Por otra parte podría dibujarse un triángulo rectángulo de impedancias en el cual R es el cateto horizontal, (Xi - Xc) es el cateto vertical y Z es la hipotenusa. Así mismo, las potencias se pueden dibujar en otro triángulo rectángulo, situado en el primer cuadrante, cuando se toma la corriente eficaz I como vector horizontal de referencia, a saber:

yy El factor de potencia en retraso F.P < 1

Figura 23. Impedancias

Figura 22a

Figura.21b

F .P. = Cos (ϕ ) =

En este tipo de circuito prima la inductancia L o reactancia inductiva Xi. Puede tratarse de una serie RLC en la cual Xi siempre resulta mayor que Xc al aplicar la frecuencia de operación. Obviamente el circuito es equivalente a una serie RL. En este caso sucede que siempre en la serie RL el voltaje se adelanta a la corriente, o la corriente se retrasa con relación al voltaje, en un cierto ángulo inferior a 90º de modo que el F.P.= Cos φ. Por eso se llama factor de potencia en retraso (porque la corriente se retrasa con respecto al voltaje aplicado en un ángulo φ cuyo coseno es el F.P. del circuito). 276

P.activa Vatios = P.aparente Volti − amperios

yy El factor de potencia en adelanto F.P < 1 Figura 24a

Figura C.23b

ANEXO 3

En el circuito prima la capacidad C o la reactancia capacitiva XC. En definitiva, el circuito resulta capacitivo y es equivalente a una serie RC. En este caso, el voltaje siempre se retrasa con respecto a la corriente o la corriente se adelanta con respecto al voltaje un cierto ángulo φ inferior a 90º de modo que el F.P. = Cos φ. Por ello se dice factor de potencia en adelanto (por que la corriente se adelanta con respecto al voltaje en un cierto ángulo φ cuyo coseno es el F.P. del circuito). Ahora puede dibujarse como antes un triángulo de impedancias situado en el cuarto cuadrante cuyo cateto horizontal es R; y (Xc - Xi) es el cateto vertical hacia abajo, mientras Z es la hipotenusa. En el triángulo de potencias quedará ahora situado en el cuarto cuadrante, y se interpreta de manera análoga. Ahora la potencia reactiva es el cateto vertical hacia abajo. yy “Breaker” - Interruptor o disyuntor automático

Figura 25a

Un “breaker” o interruptor automático termomagnético interrumpe o abre un circuito cuando circula por él una exagerada corriente, superior a la máxima prevista por el funcionamiento normal. Es un protector contra las sobrecorrientes que originan repentinas caídas de voltaje (recuérdese el producto básico W = V* I). Es comparable a una tubería de acueducto como en la figura 25b, provisto de un cilindro horizontal superior con un pistón resortado, conectado entre los puntos A y B como puede observarse. Este cilindro está vinculado a la válvula de compuerta (C) accionado automáticamente. Así pues cuando ocurre una rotura o daño en la tubería, repentinamente escapa un gran caudal Q que produce una sensible caída de presión en el punto B de la tubería. Este fenómeno hace desplazar el pistón del cilindro hacia la izquierda, pues en A continúa actuando la presión normal de la fuente. El pistón arrastra entonces el mecanismo de la compuerta C la cual cae de inmediato e interrumpe la circulación del agua, para impedir su pérdida. Una vez reparada la tubería, se coloca de nuevo a mano la compuerta C en su posición original y se restablece el servicio, tal sucede con el breaker, cuyos contactos por la sobrecorriente pueden ser unidos de nuevo a mano para restablecer el servicio una vez reparado el daño ocurrido en la red. CONCLUSIÓN

Figura 25b

Como hemos comprobado, caben muchísimas e interesantes analogías para circuitos y dispositivos eléctricos que facilitan en gran manera su comprensión comparada. El anterior recorrido ha sido apenas una muestra de algunas de ellas. Se deja al lector el interesante ejercicio de proponer o inventar nuevas analogías, para su mayor entretenimiento y distracción mental.

277

Instalaciones eléctricas

278

ANEXO 4 Sinopsis de unidades prácticas de electricidad Tabla 1. Sinopsis Nombre de la magnitud

Símbolo de la Magnitud

Nombre de la unidad

Símbolo de la Unidad SI

Admitancia

Y

Siemens

S

Capacitancia

C

Faradio

F

Carga eléctrica

Q

Culombio

C

Conductancia

G

Siemens

S

Conductividad

σ

Siemens por metro

S/m

Corriente eléctrica

I

Amperio

A

Densidad de corriente

J

Amperio por metro cuadrado

A/m2

Densidad de flujo eléctrico

D

Culombio por metro cuadrado

C/m2

Densidad de flujo magnético

B

Tesla

T

Energía activa

W

Vatio hora

W·h

Factor de potencia

FP

Uno

1

Frecuencia

f

Hertz

Hz

Frecuencia angular

ω

Radián por segundo

rad/s

Fuerza electromotriz

E

Voltio

V

Iluminancia

Ev

Lux

lx

Impedancia

Z

Ohmio

Ω

Inductancia

L

Henrio

H

Intensidad de campo eléctrico

E

Voltio por metro

V/m

Intensidad de campo magnético

H

Amperio por metro

A/m

Intensidad luminosa

Iv

Candela

cd

Longitud de onda

λ

Metro

m

Permeabilidad relativa

μr

Uno

1

Permitividad relativa

εr

Uno

1

Potencia activa

P

Vatio

W

279

Instalaciones eléctricas

280

ANEXO 5 Carga conectada para diferentes aparatos eléctricos domésticos Tabla 1. Cargas

SALIDA

DEMANDA EN VATIOS

Lámparas comunes

100

Lámparas decorativas

Depende de la lámpara

Tomacorriente ordinario

180

Plancha

1200

Parrilla

1100 por parrilla

Licuadora

200-700

Lavadora de ropa

1200

Equipo de sonido

200

CPU (parte del computador)

50-150

Monitor pantalla tubo de rayos catódicos

250-450

Monitor pantalla LCD

30-50

DVD

15

Televisor

100-250

Calentador de agua (tina)

2000

Ducha de agua

Generalmente 3000, depende de su marca

Otras salidas

Se debe indicar su consumo en vatios

SALIDA

DEMANDA EN VATIOS

Nevera

200

Horno microondas

600-1800

 

281

Instalaciones eléctricas

282

ANEXO 6 Protección para motores

La protección para los motores se calcula dependiendo del calibre del conductor con el cual se alimente, este calibre de conductor debe ser apto para soportar 1,25 veces la corriente nominal del motor y con base en esta corriente se asigna la protección. Es bueno recordar que para los motores bifásicos y trifásicos, las protecciones deben cortar el suministro de corriente

por todas las fases al mismo tiempo, para no producir daños al motor. Las corrientes nominales a plena carga de los motores ya están normalizadas en la NTC 2050 (estos valores fueron sacados de valores promedios entre varios motores), de allí trajimos las siguientes tablas para saber la corriente y calcular los conductores y protecciones.

Tabla 1. Motores monofásicos de c.a (Cuadro 430-148 de la NTC 2050).

HP

115 voltios

200 voltios

208 voltios

230 voltios

1/6 ¼ _ ½ ¾

4,4 5,8 7,2 9,8 13,8

2,5 3,3 4,1 5,6 7,9

2,4 3,2 4,0 5,4 7,6

2,2 2,9 3,6 4,9 6,9

1 1½ 2 3

16 20 24 34

9,2 11,5 13,8 19,6

8,8 11 13,2 18,7

8 10 12 17

5 7½ 10

56 80 100

32,2 46 57,5

30,8 44 55

28 40 50

 

283

Instalaciones eléctricas

Tabla2 Motores bifásicos de ca (cuadro 430-149 de la NTC 2050)

HP

 

284

Motores de inducción de jaula de ardilla y rotor bobinado, amperios 115 voltios

230 voltios

460 voltios

575 voltios

2 300 voltios

½ ¾ 1

4 4,8 6,4

2 2,4 3,2

1 1,2 1,6

0,8 1,0 1,3

1½ 2 3

9 11,8

4,5 5,9 8,3

2,3 3 4,2

1,8 2,4 3,3

5 7½ 10

13,2 19 24

6,6 9 12

5,3 8 10

15 20 25

36 47 59

18 23 29

14 19 24

30 40 50

69 90 113

35 45 56

28 36 45

60 75 100

133 166 218

67 83 109

53 66 87

14 18 23

125 150 200

270 312 416

135 156 208

108 125 167

28 32 43

ANEXO 6

Tabla 3. Motores bifásicos de ca (cuadro 430-150 de la NTC 2050).

Factor de potencia unitario* para motores de tipo síncrono, amperios

Motores de inducción de jaula de ardilla y rotor bobinado, amperios Voltaje de alimentación

 

HP

115

200

208

230

460

575

½ ¾ 1

4,4 6,4 8,4

2,5 3,7 4,8

2,4 3,5 4,6

2,2 3,2 4,2

1,1 1,6 21,

0,9 1,3 1,7

1½ 2 3

12,0 13,6

6,9 7,8 11,0

6,6 7,5 10,6

6,0 6,8 9,6

3,0 3,4 4,8

2,4 2,7 3,9

5 7½ 10

17,5 25,3 32,2

16,7 24,2 30,8

15,2 22 28

7,6 11 14

6,1 9 11

15 20 25

48,3 62,1 78,2

56,2 59,4 74,8

42 54 68

21 27 34

30 40 50

92 120 150

88 114 143

80 104 130

60 75 100

177 221 285

169 211 273

125 150 200

359 414 552

343 396 528

2300

230

460

575

2300

17 22 27

53

26

21

40 52 65

32 41 52

63 83 104

32 41 52

26 33 42

154 192 248

77 96 124

62 77 99

16 20 26

123 155 202

61 78 101

49 62 81

12 15 20

312 360 480

156 180 240

125 144 192

31 37 49

253 302 400

126 151 201

101 121 161

25 30 40

250 300 350

302 361 414

242 289 336

60 72 83

400 450 500

477 515 590

382 412 472

95 103 118

285

Instalaciones eléctricas

Tabla 4. Motores de cc (cuadro 430-147 de la NTC 2050) HP ¼ _ ½ ¾ 1 1½ 2 3 5 7½ 10 15 20 25 30 40 50 60 75 100 125 150 200  

286

90

120

4,0 5,2 6,8 9,6 12,2

3,1 4,1 5,4 7,6 9,5 13,2 17 25 40 58 76

Tensión nominal en el inducido 180 240 500 1,6 2,0 2,7 3,8 4,7 6,6 8,5 2,0 12,2 2,6 20 3,4 29 13,6 4,8 38 18 6,1 55 27 8,3 72 34 10,8 89 43 16 106 51 27 140 67 173 83 206 99 255 123 341 164 425 205 506 246 675 330

550

12,2 16 24 31 38 46 61 75 90 111 148 185 222 294

ANEXO 7 Contadores de energía Esquemas Fundamentales de Medidores de Kwh Medidor monofásico – 2 vivos Tiene dos bobinas de corriente (I) en serie con una de las líneas y una bobina de tensión (V) porque hay una sola fase. Se coloca en el centro de las dos primeras y se conecta como voltímetro. A este conjunto se le llama Un elemento. El soporte se conecta a tierra.

Medidor monofásico – 2 vivos y neutro Por el posible desequilibrio de cargas requiere dos bobinas de corriente en cada línea viva; pero basta una bobina de tensión porque sólo hay una fase, origen de la tensión. Hay otras alternativas de medida. Para trabajo pesado, las bobinas se conectan a las líneas por medio de transformadores. Este es también un elemento. Figura 3. 2 vivos y neutro

Figura 1

Figura 2

Medidor bifásico – red tetrafilar Son dos fases independientes, cada una con dos líneas vivas. El arreglo está compuesto por dos medidores monofásicos (figura 1) independientes, montados sobre el mismo “mueble”. Hay dos elementos. Figura 4. Red tetrafilar

287

Instalaciones eléctricas

Medidor bifásico – red trifilar Tiene dos bobinas de corriente en cada línea externa. Así quedan medidas las corrientes que circulan por el conductor común. Hay dos bobinas de tensión porque hay dos fases, conectadas como se ilustra. Es de dos elementos. Figura 5. Red trifilar

Esquemas para medidores trifásicos El principio del conductor común mencionado con anterioridad se aplica también a los sistemas trifásicos. Sucesivamente cada línea viva se comporta como “un conductor común”; cuando la corriente VA en una línea viene en las otras dos y al contrario. Por ello, particularmente en sistemas trifásicos sin neutro, sólo se disponen bobinas de corriente en dos líneas vivas y bastan dos bobinas de tensión conectadas en un punto común sobre la línea que no tiene bobinas de corriente. Medidores trifásicos – para 3 líneas vivas – estrella o delta Figura 6. 3 líneas vivas

Medidor Bifásico – Red pentafilar Este esquema equivale a dos medidores monofásicos para red trifilar (figura 19.11). Cada línea viva tiene dos bobinas de intensidad para el desequilibrio de cargas. Como hay dos fases, requiere dos bobinas de tensión. Hay dos elementos. Cabe destacar en esta serie el medidor monofásico de la figura 2ª muy aplicado en las instalaciones residenciales para 120/240 V. Igualmente es de interés el medidor bifásico de la figura 4º nótese que hay tres líneas vivas, pero sólo necesita dos elementos, puesto que al ser medidas las corrientes externas por separado, queda medida la del conductor común. NOTAS: yy Las flechas dibujadas representan direcciones instantáneas yy Los sistemas bifásicos han entrado en desuso 288

Idealmente el sistema debe ser equilibrado. Hay dos bobinas de corriente en cada “línea externa” y sólo dos bobinas de tensión vinculadas a la línea central (que no tiene bobinas de corriente). Son dos elementos, es decir, dos vatímetros. Medidores trifásicos – para 4 líneas (con neutro) – estrella Y Figura 7. 4 líneas

ANEXO 7

Cada línea viva tiene dos bobinas de corriente para medir su corriente. Hay tres bobinas de tensión; miden el voltaje de fase por estar conectadas al neutro. Hay tres elementos. Figura 8. 4 líneas con neutro

dos fases (120º) requiere dos bobinas de tensión, conectadas a un punto común (al neutro). Hay dos elementos. Nota: no debe confundirse con el medidor trifilar monofásico (figura 2) ni con otro tipo de medidor monofásico particular de dos elementos, también acostumbrado. Medidores Trifásicos – circuito delta 4H, con neutro Los siguientes esquemas tienen alguna semejanza con los de las figuras centrales de las páginas anteriores. Para mayor claridad, es conveniente dar valores a los voltajes; por ejemplo: Figura 10. Circuito delta 4H

Cuando hay garantía del equilibrio de cargas, puede suprimirse una bobina de tensión. Nótese la bifurcación de las bobinas centrales de corriente para que sus campos puedan actuar sobre las bobinas tensión laterales (al neutro). Uso restringido. Hay dos y medio elementos, en nuestro entorno no se permite. Circuitos Net-Work – para tres líneas: 2 vivos y un neutro (“parrilla”) Figura 9. Parrilla

Cada línea viva tiene dos bobinas de intensidad. Hay tres bobinas de tensión: una para 208 V (línea 1 a neutro) y dos para 120 V (línea 2 a neutro y línea 3 a neutro). Son tres elementos. Figura 11. Medidores trifásicos

Utilizan dos fases de un sistema 4H, estrella con neutro. La corriente va en una línea y regresa por la otra, cuando está equilibrado. Por el desequilibrio posible, requiere dos bobinas de intensidad en cada línea viva. Como hay 289

Instalaciones eléctricas

Figura 11. Medidores trifásicos

Se mantiene la bobina de tensión para 208 V (línea 1 a neutro). Las líneas 2 y 3 se tratan como un sistema trifilar monofásico para 120/240. Complemento: El Teorema de Blondel Hace una generalización de los últimos casos estudiados, para sistemas trifásicos. Corresponde al llamado Método de los dos vatímetros y puede enunciarse como sigue: “La potencia de un circuito que tenga en total N líneas, puede ser medida por N elementos (vatímetros), cuyas bobinas de tensión se conectan entre cada línea viva y un punto común (neutro). Pero si este punto común se localiza sobre una de las propias líneas vivas, entonces la potencia puede ser medida sólo por N-1 elementos”. En un sistema trifásico en estrella, sin neutro: Figura 12. Sistema trifásico en estrella

290

ANEXO 7

En la serie de figuras se observan cuatro posiciones de las corrientes instantáneas en las líneas, tomando como referencia la corriente en C. Las líneas externas son A y B mientras C es la línea central, como se ilustró antes.

Puede hacerse una demostración sencilla, a partir de la potencia instantánea:

Sólo se requieren bobinas de corriente en las líneas externas, dado que:

En todo momento debe cumplirse (según la Primera Ley de Kirchhoff para un nodo).2

La corriente instantánea en la línea central es nula, mientras circulan corrientes iguales y contrarias en las líneas externas (en la segunda y cuarta figuras). yy Por la línea central circula la suma de las corrientes externas si éstas son medidas individualmente, no es necesario medir su suma en la línea central (primera y tercera figuras).

2

w = v1 • i1 + v2 • i2 + v3 • i3

(valores instantáneos de fase)

i1 + i 2 + i3 = 0 ∴ i3 = – (i1 + i2)

Al sustituir en la expresión para la potencia instantánea, se obtiene la siguiente: w = i1 (v1 – v3) + i2 (v2 – v3)

De esta última puede concluirse, que para la medida se requieren sólo dos elementos, es decir, dos vatímetros.

Ver la deducción y aplicación de las Leyes de Kirchhoff en el texto Fundamentos de electricidad y de electrónica. Primera parte.

291

Instalaciones eléctricas

292

ANEXO 8 Potencia de un dínamo, de una bomba y de un ventilador (centrífugos)

Para dar por terminados los puntos dedicados a la potencia y al trabajo, consignemos por curiosidad la gran analogía existente entre las fórmulas básicas que sirven para expresar la potencia de una dínamo, de una bomba centrífuga y de un ventilador centrífugo. (Todas tres son “bombas” similares). Las tres máquinas son generadoras de energía para el fluido que circula por ellas. Aspiran el fluido por una boca y lo impulsan a presión por la otra, hacia un circuito externo. Comunican energía de presión al fluido. En las tres máquinas es válida la siguiente expresión básica, relacionada con la energía de presión comunicada: POTENCIA = VOLUMEN / Tiempo x PRESIÓN = CAUDAL X PRESIÓN Además la potencia de las tres máquinas puede ser expresada en las mismas unidades, ya sea en vatios, hp, cv, etc. Por otra parte, es preciso introducir el concepto de rendimiento propio de cada máquina, como la capacidad de aprovechamiento de la energía mecánica o de otra clase, recibida por la máquina para transformarla en energía de presión sobre el fluido que mueve. (No se trata aquí propiamente del factor de potencia). Así pues, en estas máquinas: Potencia aplicada x rendimiento (ŋ) = potencia útil de salida Con las bases anteriores podemos plantear las fórmulas básicas, a saber:

a. Potencia que debe ser aplicada a una bomba centrífuga común para agua:

Donde: Q: HD: ŋ:

caudal en lit/seg = kg/s presión = “altura dinámica total” en metros rendimiento de la máquina (Al dividir por 76 kg-m /s se obtiene la potencia en hp porque 1 hp = 76 kg-m/s)

b. Potencia que debe ser aplicada a un ventilador centrífugo para aire

Donde: Q: P: ŋ:

caudal en lit/seg = kg/s presión en kg/m2 rendimiento de la máquina (Al dividir por 76 kg-m /s se obtiene la potencia en hp porque 1 hp = 76 kg-m/s) 293

Instalaciones eléctricas

c. Potencia que debe ser aplicada una dínamo

Donde: I: V: h:

“caudal” = culombios/s =amperios “presión” en voltios rendimiento de la máquina (Al dividir por 746 vatios = 1 hp, para obtener la potencia en hp)

Esta fórmula expresa la potencia de accionamiento que debe ser aplicada a

294

la dínamo para que produzca la potencia requerida de salida V. I. NOTA: como la dínamo es un generador de cc y en ésta la potencia siempre es igual al producto de voltios por amperios, no existe propiamente el factor de potencia (fp). El fp tiene significado sólo en los circuitos de ca debido al vaivén de la corriente.

ANEXO 9 Tabla de conversión de medidas3

Tabla 1. Conversión de medidas

 

3

Tomado de SI 10TM American National Standard for Use of the International System of Units (SI): The Modern Metric System.

295

Instalaciones eléctricas

296

ANEXO 9

297

Instalaciones eléctricas

298

ANEXO 9

299

Instalaciones eléctricas

300

ANEXO 9

301

Instalaciones eléctricas

302

ANEXO 9

303

Instalaciones eléctricas

304

ANEXO 9

305

Instalaciones eléctricas

306

ANEXO 9

 

307

Instalaciones eléctricas

308

ANEXO 10 Clasificación de las unidades4 Tabla 1. Clasificación

4

Ibíd  

309

Instalaciones eléctricas

310

ANEXO 10

 

311

Instalaciones eléctricas

312

 

ANEXO 10

 

313

Instalaciones eléctricas

314

ANEXO 11 Pesos y medidas / weights and measures medidas inglesas / english units5 Longitud – Length 1 pie – foot = 0,3048 metros – meters 1 pie – foot = 12 pulgadas – inches 1 yarda - yard = 3 pies – feet 1 milla – mile = 1 760 yardas - yards 1 milla náutica - nautical mile = 6080 pies – feet Superficie - Área 1 pie cuadrado - square foot = 144 pulgadas cuadradas - square in. 1 yarda cuadrada - square yard = 9 pies cuadrados - square feet 1 acre - acre = 4 840 yardas cuadradas - square yards 1 milla cuadrada - square mile = 640 acres – acres Volumen - Volume 1 pie cúbico - cubic foot = 1 728 pulgadas cúbicas - cubics inches 1 yarda cúbica - cubic yard = 27 pies cúbicos - cubic feet 1 barril - barrel = 5,8 pies cúbicos - cubic feet Peso - Weight 1 onza - ounce = 437 1/2 granos - grains 1 libra - pound = 16 onzas - ounces 1 cuarto - quarter = 28 libras - pounds 1 tonelada - ton = 2 240 libras - pounds

5

Capacidad - Capacity 1 cuarto - quart = 2 pintas - pints 1 galón - gallon = 4 cuartos - quarts 1 barril - barrel = 36 galones - gallons Sistema métrico / Metric system Longitud - Length 1 milímetro - milimeter = 100 micrones - micrometers 1 centímetro- centimeter = 10 milímetros - milimeters 1 decímetro - decimeter = 10 centímetros - centimeters 1 metro - meter = 10 decimetros - decimeters 1 Decámetro - Decameter = 10 metros - meters 1 Hectómetro - Hectometer = 10 Decámetros - Decameters 1 Kilómetro - Kilometer = 10 Hectómetros - Hectometers Superficie - Área 1 centímetro cuadrado - sq. cm = 100 milímetros cuadrados - sq. mm 1 decímetro cuadrado - sq. dm = 100 cm. cuadrados - sq. cm 1 metro cuadrado - sq. M = 100 decímetros cuadrados - sq. dm 1 Decámetro cuadrado - sq. Dm = 100 metros cuadrados - sq.m 1 Hectómetro cuadrado - sq. Hm = 100 Decámetros cuadr. - sq. D 1 Kilómetro cuadrado - sq. Km = 100 Hectómetros cuadr. - sq. Hm

Tomado de Affari Group: http://www.affari.com.ar/pesosymedidas.htm

315

Instalaciones eléctricas

Volumen - Volume 1 centímetro cúbico - cu. cm = 1000 milímetros cúbicos - cu. mm 1 decímetro cúbico - cu. dm = 1000 centímetros cúbicos - cu. cm 1 metro cúbico - cu. m = 1000 decímetros cúbicos - cu. Dm 1 Decámetro cúbico - cu. Dm = 1000 metros cúbicos - cu.m Peso - Weight 1 gramo - gram = 1000 miligramos - miligrams 1Decagramo - Decagram = 10 gramos - grams 1 Hectogramo - Hectogram = 10 Decagramos - Decagrams 1 Kilogramo - Kilogram = 10 Hectogramos - Hectograms 1 Tonelada - Ton = 1000 Kilogramos - Kilograms Capacidad - Capacity 1 centilitro - centiliter = 10 mililitros - mililiters 1 decilitro - deciliter = 10 centilitros - centiliters 1 litro - liter = 10 decilitros - deciliters 1 Kilolitro - Kiloliter = 1000 litros - liters 1 Kilolitro - Kiloliter = 1 metro cubico - cubic meter Trabajo y Energia - Work and Energy 1 Joule = 107 Ergios - Ergs = 0,239 calorias - cal 1 caloria - cal = 4,184 J (Joule) 1 Btu (British termal unit) = 252 calorias - cal = 1054 J 1 kilowatt.hora - kilowatt.hour (KWh) = 3,60 x 106 J 1 electron voltio - electron volt (eV) = 1,60 x 10 -19 J Fuerza - Force 1 onza - oz = 28,349 gramos - grams 1 libra - lb = 453,592 gramos - grams 1 Newton (N) = 105 dinas - dynes (dyn) = 0,2248 libras - lb 1libra - lb = 4,448 N 1 tonelada - ton = 2000 libras - lbs 316

Potencia - Power 1 watt (W) = 1 J/s 1 Ergio/s - Erg/s = 0,0000001 watt 1 HP (horsepower) = 0,746 kilowatt (KW) Unidades de Masa Kilogramo (Kg) 1 tonelada (t) = 1000 Kg 1 quintal (Qm) = 100 Kg 1 gramo (g) = 0,001 Kg Unidades de tiempo Segundo (s) Minuto (mn) = 60 s Hora (h) = 3600 s Día (d) = 86400 s Unidades Calorificas - Conversiones de Temperatura Grado Kelvin (ºK) (1,8 x ºC) + 32 = ºF (Farenheit) Grado Celcio (ºC) 0,555 (ºF - 32) = ºC (Celcius) Grado Farenheit (ºF) Velocidad Metro por segundo (m/s) Centímetro por segundo (cm/s) = 0,01 m/s Nudo = 1852 m/h Aceleración Metro por segundo c/ segundo (m/s2) gal (cm/s2) = 0,01m/s2 Cantidad de Calor Caloria (cal) = 4,1855 J (Joule) Termia (th) = 4,1855.106 J (Joule) Frigoria (fg) = 4,1855.103 J (Joule)

ANEXO 11

Tensión y Presión Pascal (Pa) bar = 100000 Pa baria (dyn/cm2) = 0,1 Pa Viscosidad poiseuille (Pl) poise (Po) = 0,1 Pl unidad S I (m2/s) stokes (St) = 0,0001 unidad S I

Unidades Ópticas Intensidad luminosa Candela (cd) Flujo luminoso Lumen (lm)

Unidades Eléctricas Intensidad de corriente eléctrica Amperio (A)

Capacidad Faradio (F)

Fuerza electromotriz y diferencia de potencial o tensio Inductancia

Iluminación lux (lx) fot (ph) = 10 000 lx Luminancia Candela por metro cuadrado (cd/m2)

Vergencia de los sistemas ópticos Dioptria Unidades de Radiactividad Actividad nuclear Curie (Ci)

Cantidad de radiación x Rontgen (R)

Factores de Conversión

Voltio (V) Resistencia Eléctrica

Henrio (H)

Ohmio

Weber (Wb) Maxwell (M) = 0,00000001 Wb

Cantidad de Electricidad

Inducción

Culombio (C) Amperio-hora (Ah) = 3600 C

Tesla (T) Gauss (G) = 0,0001 T

Flujo Magn

• Para transformar medidas en sistema métrico multiplique por el factor indicado. • Para transformar medidas del sistema métrico en unidades inglesas divida por el factor indicado. Medidas Inglesas Factor English Units

Sistema MÉtrico Metric System

Longitud – Length pulgada - inch pie – foot yarda – yard milla terrestre - land mile milla náutica - nautical mile braza náutica - fathom

centímetro - centimeter centímetro - centimeter metro - meter Kilómetro - Kilometer Kilómetro - Kilometer metro - meter

2,54 30,48 0,9144 1 609 1 852 1 829

317

Instalaciones eléctricas

Medidas Inglesas Factor English Units Superficie –área pulgada cuadrada - square inch 6,4516 pie cuadrado - square foot 0,0929 yarda cuadrada - square yard 0,836 acre 0,4047 milla cuadrada - square mile 2 589

318

Sistema MÉtrico Metric System centímetro cuadrado -square centim metro cuadrado square meter metro cuadrado square meter Hectárea - Hectares Kilómetro cuadrado square Kilom

Volumen y Capacidad - Volume and Capacity pulgada cúbica - cubic inch pie cúbico - cubic foot galón ingles - UK gallon galón USA - US gallon pie cúbico - cubic foot

16 387 0,028 4 546 3 785 28 317

centímetro cúbico metro cúbico - cubic meter litro - liter litro - liter litro - liter

ANEXO 12 Constantes fundamentales de la física Tabla 1. Constantes Constantes físicas fundamentales 1.6605402 . 10-27

Unidad de masa atómica

kg

23

mol-1

Constante de avogadro

NA

6.0221367 . 10

Radio de Bohr

ao

0.529177249 . 10-10

m

Constante de Boltzman

k

1.380658 . 10-23

J/K

2.81794092 . 10-15

m

Radio clásico del electrón

-31

Masa del electrón

me

9.1093897 . 10

Carga elemental

e

1.60217733 . 10-19

kg C

Constante de Faraday

F

96485.309

C/mol -3

Constante de estructura fina

7.29735308 . 10

Constante molar de los gases

R

8.314510

J / mol K

Constante de gravitación universal

G

6.67259 . 10-11

m3 / kg s2

22.41410 . 10-3

m3 / mol J/T

Volumen molar de un gas ideal en cn Magnetón de Bohr

μB

9.2740154 . 10-24

Masa del neutrón

mn

1.6749286 . 10-27

Permeabilidad del vacío

μo 4 PI 10 =12.566370614... 10

Permitividad del vacío Constante de Planck Masa del protón

kg

-7

h mp

-7

N / A2

8.854187817... 10-12

F/m

6.6260755 . 10-34

Js

1.6726231 . 10

-27

kg 7

Constante de Rydberg

R

1.0973731534 . 10

Velocidad de la luz en el vacío

c

299792458 (exacto)

m/s

Constante de Stefan - Boltzmann

5.67051 . 10

W / m2 K4

Constante de la ley de desplazamiento de Wien

2.897756 . 10-3

mK

0ºC de la escala Celsius 1 atmósfera

-8

m-1

To

273.15 1.0325 105 Pa

 

319

Instalaciones eléctricas

Tabla 2. Magnitudes

Tabla 3. Gravedad

Magnitudes astronómicas densidad media periodo de rotación (kg/m3) sobre su eje (días)

cuerpo

radio medio (m)

masa (kg)

Sol

6.95 108

1.97 1030

6

24

Tierra

6.37 10

Luna

1.74 106

1.41 103

A 0º (Ecuador) a 15º 9,78049

25,4

5.96 10   5.52 103 7.30 1022 3.30 103

Intensidad de la gravedad en la superficie de la Tierra (N/kg) a 30º

a 45º

a 75º

a 90º (Polo)

9,78394 9,79338 9,80629 9,81924 9,82873 9,83327

1 27,3

Tabla 4. Calor latente

Otras medidas 11

Unidad astronómica

1.495598 10 m

Distancia tierra-sol

1 u.a. 3.843902 108 m

Distancia tierra-luna

8.616409055 104 s

Día sideral (período de rotación de la tierra)  

Tabla 4. Calor latente

Calor latente sustancia cambio de fase kJ/kg kcal/kg

Líquidos

kg/m3

Aluminio 2700 Agua

1 000

Cobre

8 800 Benceno

880

Hierro

7 800 Alcohol etílico

790

Níquel

8 900 Keroseno

800

Cobalto

8 900 Aceite de ricino

790

Oro

19 300 Glicerina

1 200

Plata

10 500 Agua pesada

1 100

334

Ebullición

2261 539,6

Platino

21 400 Mercurio

13 600

Fusión

11,82 2,82

Plomo

11 300

kg/m3

Ebullición

272,35 65

Cinc

7 000 Hidrógeno

0,090

Fusión

104

Estaño

7 400 Oxígeno

1,43

Ebullición

854,8 204

Hielo

900

Nitrógeno

1,25

Ebullición

183

43,7

Sodio

970

Aire

1 293

Nitrógeno Ebullición

199,4 47,6

Grafito

1 600 Cloro

Plomo

Fusión

24,55 5,86

Diamante 3 500 Dióxido de carbono 1,98

Cobre

Fusión

175

42

Titanio

4 500 Amoníaco

0,77

Helio

Ebullición

25,1

6,0

Cocho

200

0,72

Mercurio Etanol Bromo

79,7

Sólidos kg/m3

Fusión

Agua

24,9

 

320

a 60º

Gases en cn

Metano

3,21

ANEXO 12

Tabla 5. Resistividad

Tabla 7. Isótopos radiactivos

Resistividad de algunos conductores en W m

Período de semidesintegración de isótopos radiactivos Z isótopo partícula T 27 cobalto-60 b 5,2 años 38 estroncio-90 b 28 años 84 polonio-210 a 138 días 86 radón-222 a 3,8 días 88 radio-226 a 1 620 años 92 uranio-238 a 4,5 109 años

material

a 0ºC -8

a 20ºC 1.7 10-8

Cobre

1.7 10

Aluminio

2.53 10-8

2.8 10-8

Hierro

8.7 10-8

10 10-8

Plomo

2.2 10-7

2.2 10-7

Mercurio

9.4 10-7

9.6 10-7

micrón

1 10-6

1 10-6

Acero

1.0 10-7

 

Tabla 8. Alfabeto griego

Tabla 6. Permitividad

Permitividad relativa de algunos dieléctricos Aire

Baquelita Vidrio pyrex mica

1.00059 4.9

5.6

5.4

Papel

Plexiglás Porcelana

agua

3.7

3.4

81

7

Alpha Beta Gamma Delta Epsilon Zeta Eta Theta

A B G D E Z H Q

a b g d e z h q

Alfabeto griego Iota I i Kappa K k Lambda L l Mu M m Un N n Xi Omicron Pi P p

Rho Sigma Tau Upsilon Phi Chi Psi Omega

R S T

r s t

F a Y W

f a y w

 

321

Instalaciones eléctricas

322

ANEXO 13 El sistema internacional de unidades

Punto 1. Definición de las siete unidades básicas Tabla 1. Siete unidades básicas

Magnitud longitud masa

Unidad metro kilogramo

Símbolo m kg

tiempo

segundo

s

corriente eléctrica

ampere

A

temperatura

kelvin

K

cantidad de materia

mol

mol

intensidad luminosa

candela

cd

Definición Distancia que recorre en el vacío la luz en 1/299 792 458 de segundo Masa del prototipo internacional Duración de 9 192 631 770 oscilaciones de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de cesio 133 Intensidad de una corriente constante que produciría una fuerza de 2 x 10-7 newtons por metro de longitud entre dos alambres rectilíneos paralelos de longitud infinita y sección circular despreciable puestos a una distancia de un metro uno del otro en el vacío (¡uf!) Fracción 1/273,16 de la temperatura del punto triple del agua 1. Cantidad de materia de un sistema compuesto de tantas entidades elementales como átomos hay en 0,012 kilogramos de carbono 12 2. Cuando se emplea el mol hay que especificar las entidades elementales: átomos, moléculas, iones, electrones, otras partículas o grupos específicos de tales partículas Intensidad luminosa en una dirección dada de una fuente que emite radiación monocromática de frecuencia 540 x 1012 hertz y cuya intensidad energética en esa dirección es igual a 1/683 de watt por esterradián

 

323

Instalaciones eléctricas

Punto 2. Definición de las dos unidades suplementarias

Diferencia de potencial elétrico (en electocinética)

Ángulo Plano: un radián es la unidad de medida de un ángulo plano comprendido entre los radios que determinan sobre la circunferencia un arco de longitud igual al radio. (1 rad).

Un voltio es la diferencia de potencial que existe entre los dos puntos de un hilo conductor que transporta la corriente constante de 1 amperio, mientras se disipa la potencia de 1 vatio entre esos dos puntos. (1 V).

Ángulo Sólido: un estéreo-radián es la unidad de medida de un ángulo sólido, que con vértice en el centro de una esfera, determina sobre la superficie esférica un cuadrado (o un casquete), cuya área es igual al cuadrado del radio de la esfera (r2). (1 sc).

Inductancia eléctrica: un henrio es la inductancia de un circuito cerrado en el cual el voltaje auto-inducido es de 1 voltio, cuando se hace variar la corriente a razón de 1 A/s. (1 H).

Punto 3. Definición de las quince unidades derivadas que tienen nombres especiales Fuerza: un newton es la fuerza que aplicada a una masa de 1 kilogramo, le comunica una aceleración de 1 m/s2. (1 N). Energía o trabajo: un joule es el trabajo realizado por la fuerza de 1 newton mientras su punto de aplicación se desplaza la distancia de 1 metro en la misma dirección de la fuerza. (1 J). Potencia: un vatio es el trabajo desarrollado de manera continua durante el tiempo de 1 segundo, es decir, 1 vatio = 1 Joule/segundo. (1 W). Nota: en electricidad, la potencia consumida en los circuitos resistivos se expresa en vatios exclusivamente. La potencia activa suministrada se expresa básicamente en Volt- Amperios (VA). La potencia reactiva se expresa básicamente en Volt-Amperios reactivos (VAr). Diferencia de potencial electrostático (en electrostática) Un voltio es la diferencia de potencial entre los puntos de un campo electrostático tales que el campo debe realizar el trabajo de 1joule para trasladar una carga unitaria positiva (1 culombio) desde el punto de mayor potencial, hasta el punto de menor potencial. (1 V). 324

Resistencia eléctrica: un ohmio es la resistencia de un hilo o conductor tal que al aplicar entre dos de sus puntos la diferencia de potencial de 1 voltio, circula la corriente de 1 amperio, a condición de que el conductor no sea origen de una fuerza electromotriz (fem). Conductancia eléctrica (G): un siemens o un mho es la conductancia eléctrica de un hilo conductor que permite circular la corriente de 1 amperio entre dos puntos del hilo cuando se aplica entre ellos la diferencia de potencial de 1 voltio. En otras palabras, la conductancia eléctrica G es el inverso de la resistencia eléctrica R. (1 S). Cantidad de electricidad o carga eléctrica Q (en electrostática): un culombio es la carga eléctrica que debe tener una esfera de modo que al actuar en el vacío sobre otra igual situada a la distancia de 1 m (entre centros), la repele con la fuerza de 9x109 newtons. (1 C). Cantidad de electricidad (en electrocinética) Un culombio es la cantidad de electricidad transportada de manera constante durante 1 segundo por la corriente de 1 amperio (A). (1 C). Capacidad eléctrica: un faradio es la capacidad de un condensador de placas planas cuando al cargarlo con 1 culombio, aparece la diferencia de potencial de 1 voltio entre sus placas. (1 F).

Cantidad de flujo magnético φ: un weber es la cantidad de flujo magnético que al cortar un circuito cerrado de una espira (o vuelta) le induce la tensión de 1 voltio, mientras el flujo se reduce uniformemente a cero en 1 segundo. (1 Wb).

Cantidad de flujo luminoso: un lumen es la cantidad de flujo luminoso emitido dentro de un ángulo sólido de 1 estereoradián, por una fuente luminosa puntiforme que tiene una intensidad luminosa de una candela.

Densidad de flujo magnético B o flujo de inducción: un tesla es la densidad de flujo de un campo magnético uniforme, correspondiente al flujo constante de 1 weber sobre una superficie de un metro cuadrado perpendicular al campo magnético. (1 T).

Iluminación o densidad de flujo luminoso: un lux es la iluminación que recibe una superficie al incidir perpendicularmente sobre ella, un flujo luminoso uniforme de un lumen por cada metro cuadrado (1 lumen/metro2). (1lx).

325

Instalaciones eléctricas

326

ANEXO 14 Ejemplos de aplicación

EJEMPLO: EDIFICIO DE 4 PISOS SIN ASCENSOR Suministro de energía: trifilar 220/120 V (monofásica) 2 Apartamentos por piso. Total: 8 apartamentos con 19 750 W cada uno (circuitos de 220 y 120 Voltios). 2 bombas de 1 500 W cada uno monofásicas a 220 Voltios (máximo 2 Hp cada uno). Servicios comunes: 4 000 W. Cálculo de acometida: (trifilar monofásica: 2 líneas vivas y 1 neutra) Carga demandada: a.

Alumbrado y tomas: 8 x 10 250 W = 82 000 W Zonas comunes: 4 000 W Total de alumbrado y tomas: 86 000 W De los cuales: 3 000 W se toman al 100 % = 3 000 W Los siguientes 83 000 W se toman al 35% = 29 050 W

b.

Por 8 fogones de 8 000 W cada uno son 64 000 W al 36% = 23 040 W Por 8 calentadores de 1 500 W cada uno son 12 000 W al 53 % = 6 360 W

En donde: P = 64 450 W, V e I = 64 450 W/ 220

V = 220 V = 293 A

Estos 293 amperios se dividen por dos para utilizar un paralelo de dos conductores por cada línea viva. Se necesitan para la acometida: dos conductores con una capacidad portadora de 146 A cada uno para cada línea viva (importante). Según las tablas de capacidad portadora: el conductor No 1/0 de cobre con aislamiento THW es para 150 A, para dos conductores será de 300 A por línea viva y para la línea neutra se utilizará un paralelo de dos conductores No 2 por una tubería de 3’’. La protección general será de 2 x 300 A. Como esta protección no existe, se utilizará de 3 x 300 A dejando una terminal libre.

c. Por bombas son 3 000 W tomados al 100 % = 3 000 W Demanda Total = 64 450 W

EJEMPLO: EDIFICIO DE 10 PISOS CON ASCENSOR Suministro de energía: trifásica 208/120 V (estrella con neutro). 2 apartamentos por piso. Total: 20 apartamentos con 19 750 W cada uno. 2 ascensores de 5 kW cada uno, trifásicos (más de 2 Hp cada uno). 2 bombas trifásicas de 2 kW cada una (más de 2 Hp cada una). Servicios comunes: 6 500 W.

La acometida deberá soportar la corriente para la demanda total calculada de acuerdo con la fórmula P = V x I para una instalación trifilar.

Cálculo de acometida: (tetrafilar trifásica: 3 líneas vivas y 1 neutra) Carga demandada: 327

Instalaciones eléctricas

a.

Alumbrado y tomas: 20 x 10 250 W = 205 000 W Zonas comunes = 6 500 W Total de alumbrado y tomas = 211 500 W De los cuales 3 000 W se toman al 100 % = 3 000 W Los siguientes 117 000 W se toman al 35 % = 40 950 W Los restantes 91 500 W se toman al 25 % = 22 875 W

b.

Por 20 fogones de 8 000 W : cada uno son 160 000 W al 28 % = 44 000 W Por 20 calentadores de 1 500 W: cada uno son 30 000 W al 35 % = 10 500 W

328

c. Por ascensores y bombas: 14 000 W tomados al 100 % = 14 000 W Demanda total = 135.325 W La acometida portará la corriente calculada con la demanda total y según la fórmula P = x Vx I para una instalación trifásica En donde P = 135 325 W, V = 208 V I = 135 325 W/( x 208 V) = 375 A Y la acometida irá en un paralelo de dos conductores No 4/0 cobre por fase y dos No 2/0 para el neutro por tubería de 4 ‘’. La protección general será de 3 x 400 A para aislamiento THW.

ANEXO 15 Código de colores de seguridad industrial e identificación de tuberías (Norma ANSI)

AMARILLO VIVO

a. Como color de fondo para avisos que indiquen precaución. b. Bordes expuestos y sin guardas de plataformas, aberturas en el piso y muros (franjas amarillas y negras alternadas, de dos pulgadas de ancho). c. Pilares, postes y columnas que pueden ser golpeados; y franjas amarillas y negras alternadas de dos pulgadas de ancho. d. Aditamentos suspendidos del techo o de los muros que sobresalgan del espacio normal de operación. e. Indicación de proyecciones, puertas bajas, puertas de elevadores, tuberías que crucen a bajo nivel de los sitios de trabajo. f. Cilindros de Helio (franjas marrón de dos pulgadas de ancho). g. Pasamanos, barandas y partes superiores de escaleras fijas peligrosas. h. Demarcación de áreas de trabajo y almacenamiento (líneas de 5 cm de ancho). i. Demarcación de áreas libres frente a equipos contra incendios (semicírculo de 50 cm de radio y línea de 5 cm de ancho). j. Tubería de aire comprimido y tubería de sistemas de lubricación (indicando el nombre de cada metro). k. Recipientes para lubricantes. (Franjas azules de dos pulgadas de ancho). l. Gatos portátiles y de carretilla (en los bordes). m. Señalización extintores para fuegos clase “D”. AZUL OSCURO

a. Para indicar prevención. b. Señalizar los controles o fuentes de poder, de maquinaria o equipo que no debe ser acondicionado u operado sin previa constatación de que se encuentra en perfectas condiciones de servicio, a fin

de no causar daño a un elemento o lesión a un operario. c. Motores que no forman parte integral de maquinaria y equipo. d. Canales bajantes de aguas lluvias. e. Cajas de sistemas eléctricos. f. Señalización extintores para fuego clase “C”. g. Franjas en cilindros de oxígeno (según literal d del verde esmeralda). ROJO

a. Señales para localización de unidades extintoras. b. Señalización de extintores para fuegos clase “B”. c. Señalización de puertas de escape. d. Color de fondo en avisos para avisos para señalar maquinaria y equipo sometido a reparación, mantenimiento o que se encuentra fuera de servicio. e. Recipientes para líquidos inflamables como: gasolina, thinner, ACPM, thicloroetileno, etc. Indicando claramente su contenido. f. Parte exterior de recipientes para lavado y desengrase de piezas. g. Botón de controles eléctricos. h. Señales de tránsito. i. Cilindros de hidrógeno. VERDE OSCURO

a. Para indicar seguridad. b. Señalizar equipos de primeros auxilios, camillas, máscaras contra gases, cruz verde para botiquines (ver literal d del blanco). c. Contorno del botón de arranque en los controles eléctricos de maquinaria. d. Tubería de oxígeno (franjas azules de dos pulgadas de ancho). e. Marcos de las carteleras de seguridad. f. Señalización extintores para fuegos clase “A”. 329

Instalaciones eléctricas

CREMA

a. Partes móviles de maquinaria y equipo b. Volantes de operación manual c. Brazos de palancas d. Bordes de área de operaciones en la máquina e. Marcas de tableros y carteleras (no incluye cartelera de seguridad). AZUL CLARO

a. Tubería conductora monofásica 120V. CAFE

a. Tubería conductora de electricidad, con voltaje diferente a 120 V (anotar cada metro el voltaje). b. Franja en los casos contemplados en el literal g. del amarillo. c. Franja en los casos contemplados en el literal a. del aluminio. PLATEADO

a. Cilindros de gas propano. Cilindros de gas carbónico (con franja marrón de dos pulgadas de ancho). b. Bloques y culatas, múltiples de admisión y escape de motores y compresores. c. Hornos para tratamiento de metales. d. Tapas de hornos y superficies expuestas a altas temperaturas. Cubiertas asfálticas y metálicas. e. Silenciadores de motores, tanques y acero estructural. NEGRO

a. Cilindros de argón. b. Bajantes de aguas negras. c. Franjas en los casos contemplados en los literales b., c. y n. del amarillo. d. Franjas en los casos contemplados en los literales a. y e. del naranja. NARANJA

a. Partes peligrosas de maquinaria y equipo que pueden triturar, cortar, golpear o en cualquier otra forma, causar una lesión (franjas de dos pulgadas 330

de ancho). b. Contornos de cajas de control (línea de 5 mm de ancho). c. Interior de cajas y controles eléctricos. Interior de guardas y protecciones. Interior de la tapa de los recipientes de lavado y desengrase de piezas. d. Bordes únicamente, de partes expuestas de piñones, poleas, rodillos y mecanismos de corte. e. Tubería que conduzca ACPM, fuel oil, gasolina, petróleo y combustibles en general. f. Escape de gases en combustión. i. Señal convencional en defensas de vehículos; (conveyors, montacargas, alternadas con franjas negras e inclinación de 45º. Para tractores en “V”). j. Franjas, según literal a. del gris acorasado. VERDE CLARO

a. Partes fijas de maquinaria y equipo. b. Parte exterior de guardas y protecciones integrales y adicionales. c. Bancos metálicos y de madera, escaleras portátiles. d. Partes metálicas, silletería de taller. e. Soporte para materiales (perfiles, platinas, tuberías, etc.) f. Prensas de bancos y articuladas. g. Motores eléctricos que forman parte integral de maquinaria. h. Soportes para ejercicios. i. Soportes para cilindros, mangueras cables de portaelectrodos. BLANCO

a. Dirección o sentido de una circulación o vía. b. Rincones de salones o talleres (esquinera formada por triángulos de 40 cm de lado). c. Indicación en el piso de localización de recipientes para basura (1 m2 por caneca). d. Botiquines (con cruz verde) según literal b. del verde esmeralda e. Demarcación de zonas de circulación GRIS OSCURO

a. Tubería de agua fría. Tubería de agua caliente (con franjas color naranja de dos pulgadas de ancho, espaciadas un metro entre sí). b. Ductos y partes de sistemas de ventilación y extracción de gases y humos. c. Recipientes para basura, retales y desperdicios. d. Grúas de taller y equipo para transporte y movilización de materiales (mulas, remolques, carretillas de todo tipo, transportadores, etc.). El armario para ropas.

BIBLIOGRAFÍA

Bibliografía

Alphin, Willard, Fundamentos de Lámparas e Iluminación, EEUU, Sylvania Internacional, s.f. American Iron And Steel Institute, Steel Electrical Raceways Design Manual, EEUU, American Iron and Steel Institute, 1968. Cansen, Joh, Revista internacional de luminotécnica, Amsterdasm, Stichting Prometew, 1992. Empresas Públicas de Medellín, Pliegos de cargos y especificaciones de construcción, Medellín, Granamérica, 1968. Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación, Código eléctrico colombiano –NTC2050 Primera Actualización, Bogotá, Ministerio de Desarrollo Económico, 1998.

Kidder, Parker, Manual del arquitecto constructor, México, Utleha, 1957. Merrick, Gay; Van Fawcett, Charles De, Instalaciones en los edificios, Buenos Aires, G. Pili, 1960. Ministerio de Minas y Energía, “Resolución número 181294 del 6 de agosto de 2008. Por la cual se modifica el Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas –RETIE”, Bogotá, Ministerio de Minas y Energía, 2008. Ramírez Vásquez, José, Instalaciones eléctricas, Barcelona, CEAC, 1967. Westinghouse Electric Corporation, s.t., Nueva Jersey, Bloomfield, 1958. White, Harve E., Física descriptiva, México, Reverté, 1959. Wolber, Practical and Techincal Electricity House Wining, Chicago, The Goodheart, 1951. OTRAS CONSULTAS Square D. Company

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Instalaciones eléctricas

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BIBLIOGRAFÍA

Este libro se terminó de imprimir en el Centro de Publicaciones de la Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín en el mes de noviembre de 2010 La carátula se imprimió en propalcote C1S 250 gramos, las páginas interiores en bond 75 gramos. Las fuentes empleadas son Futura LtCn BT Light, Md BT Medium. Zurich Ex Bt Regular. Calisto MT Bold

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