Conductores eléctricos y empalmes.pdf

1. Introducción:

Los conductores eléctricos son normalmente hilos metálicos de cobre blando o endurecido, de aluminio u otro material metálico. Se encuentran en forma de alambre o de cable1, los cuales se usan para conducir la corriente eléctrica desde la fuente de energía hasta la carga. Los conductores normalmente son de baja resistencia eléctrica y deben ser fuertes y flexibles; se emplean en instalaciones eléctricas residenciales, comerciales e industriales. Los sistemas eléctricos usan materiales conductores tales como el cobre, el aluminio y la plata, por su alta conductividad eléctrica, bajo costo, peso reducido, bajo coeficiente de oxidación, alta resistencia a la corrosión y alta conductividad térmica; es decir, son buenos conductores de calor.

1

Un alambre está formado por un solo hilo conductor, mientras que un cable esta formado por varios hilos conductores

Tema 7: Conductores eléctricos

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En instalaciones internas se usa el cobre por su alta conductividad eléctrica, mientras que en redes aéreas se usa el aluminio, ya que tiene menor peso específico y menor costo que el cobre.

2. Tipos de conductores Los conductores eléctricos se encuentran en diferentes formas: j Alambres j Cables j Cordones j Conductores con cubierta protectoras

2.1 Alambres: Los alambres son conductores constituidos por un solo hilo metálico y pueden ser desnudos o aislados. Los alambres aislados son recubiertos por una o más capas de plástico o goma aislante y son usados en las instalaciones eléctricas.

Figura 1: Alambre sólido

2

2.2 Cables: Los cables son conductores constituidos por un conjunto de alambres retorcidos no aislados entre sí y pueden ser desnudos o revestidos por una o varias capas de material aislante. Los aislantes son de plástico, goma o tela. Además son más flexibles que los alambres 2

Procobrecolombia Artículo técnico: “c-condelect.pdf”


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Para obtener una sección circular los cables tienen normalmente el número de conductores que se mencionan a continuación: j 7 conductores j 19 conductores j 37 conductores j 61 conductores j 91 conductores j 127 conductores

Figura 1.1: Cable de 7 hilos

3

Los alambres y los cables delgados se obtienen comercialmente en rollos de 100 metros dentro de cajas especiales, mientras que los cables gruesos se suministran en carretas de tamaño adecuado.

Cuando se presentan en cajas, éstas traen una etiqueta donde se indica el color, el tipo de aislante, el tipo de material conductor, la cantidad en metros y el calibre4

3

Procobrecolombia Artículo técnico: “c-condelect.pdf” Calibre: La dependencia del diámetro y el área del conductor permiten establecer un método de clasificación para los cables. A determinados diámetros se les asigna un número en una escala arbitraria, al que se conoce como el calibre del conductor. Ver la sección 4 de este documento, CALIBRACIÓN 4


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3

ó sección transversal5, especificado en un sistema normalizado de medida: A.W.G. (American Wire Gauge) “que es el sistema de calibración Americano”.

Por norma, los conductores también deben llevar impreso sobre su aislante la marca del fabricante, el tipo de aislamiento, el calibre y la tensión máxima de utilización. Tanto dimensional como eléctricamente el conductor debe cumple con lo requerido por el RETIE, en la Norma NTC-ICONTEC 2050 (Código Eléctrico Colombiano) y con la Norma NTC-ICONTEC 1332 (UL 83).

Nota: La mayoría de los cables o alambres usados en instalaciones eléctricas tienen una sección transversal circular.

Figura 1.2: Abajo: dos conductores marcados. Arriba: Ampliación con el detalle de la marcación, 5

6

Sección transversal: ver apartado 3.3


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2.3 Cordones: La constitución de los cordones es similar a la de los cables, con la diferencia es que los alambres de los cordones son más finos, lo que da una mayor flexibilidad al conjunto; en otras palabras los cordones son conductores eléctricos flexibles. Generalmente los cordones están formados por 2, 3 ó 4 conductores flexibles aislados entre sí y se presentan en forma trenzada o paralelos.

Figura 1.3: Arriba: Cordón trenzado, abajo: cordón paralelo

7

Existen cordones recubiertos, además, con capas delgadas de algodón o seda.

Los cordones se emplean especialmente para conexión de artefactos portátiles tales como: planchas, taladros, lámparas decorativas y en aquellos casos en las que las conexiones estén sometidas a movimiento o vibraciones.

Comercialmente los cordones se presentan en rollos de 100 metros y llevan estampados sobre la capa aislante, la sección en mm2 o calibre del conductor, marca del fabricante y tensión máxima de utilización. Los rollos llevan además una etiqueta con los datos referidos y el color del aislante.

6 7

Boletín técnico Junio de 2004 de CENTELSA. www.centelsa.com.co Colección “Instalaciones eléctricas del SENA”


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Se identifican por la cantidad de conductores aislados y por la sección de cada conductor. Existen diferentes tipos de cordones, a saber:

2.3.1 Cordón torcido tipo “C: Tiene una espiral de algodón sobre cada conductor, luego lleva otro aislante de caucho y una cubierta exterior también de algodón. Son usados para la conexión de aparatos de alumbrado, de calefacción y para pequeñas instalaciones a la vista, en lugares secos. Se fabrica con 2 o más conductores de calibre comprendidos entre No. 18 y No. 12.

Figura 2: Cordón trenzado, tipo “C”

8

2.3.2 Cable paralelo o duplex “SP”: Está formado por dos cables o cordones, los cuales se encuentran unidos por sus aislamientos. El aislante puede ser de caucho termoestable; se fabrican en calibres que pueden ir desde No. 22 hasta No. 12. Se usan en la conexión de electrodomésticos, e instalaciones a la vista en lugares húmedos. Cortando el aislamiento por la mitad se puede separar los dos conductores.

Figura 3: Cordón paralelo, duplex “SP”

8

9

Colección “Instalaciones eléctricas del SENA”


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6

Revista conductores eléctricos

2.4 Conductores con cubierta protectora:

Son conductores (alambres o cables) que además de su aislante tienen otra capa protectora contra humedad, ácidos, temperaturas elevadas y contra el ataque de roedores. Las cubiertas protectoras pueden ser de plástico especial, plomo, o de goma. Éstos conductores pueden estar formados por 1, 2, 3, 4, 5 conductores aislados entre sí y su forma puede ser redonda o achatada.

Figura 4: Conductor con cubierta protectora

10

Los conductores con cubierta protectora se fijan directamente sobre las superficies con grapas de sujeción y se emplean también en instalaciones aéreas colgantes.

Cuando deban pasar sobre otros cables o tuberías, se debe dejar una distancia entre el cable y el objeto. En el tendido recto de estos conductores, las grapas de sujeción pueden quedar separadas entre si, como máximo 0,40 m (40 centímetros).

Se presentan en rollos de 100 metros y llevan estampado sobre la cubiertas protectoras: La sección o calibre de los conductores; la marca del fabricante y el tipo de metal, cobre (Cu) o aluminio (Al).

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Colección “Instalaciones eléctricas del SENA” Colección “Instalaciones eléctricas del SENA”

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Se identifican por la cantidad de conductores y por la sección calibre de cada conductor. Ejemplo: CABLE: 3 x 2 mm2 CABLE: 3 x 12 (CALIBRE AWG) Los rollos llevan además una etiqueta con las características comerciales.

Figura 5: Diferentes tipos de cables

11

2.5 Conductor encauchetado: Están formados por dos o más alambres o cables aislados entre si, y además vienen dentro de otro aislamiento común.

Figura 6: Conductor encauchetado 11 12

12

Procobre Perú. Colección “Instalaciones eléctricas del SENA”


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2.5.1 Telefónico: Conductores usados en líneas telefónicas, formados por pares retorcidos de calibre delgado normalmente de calibre 22

2.6 Coaxial: Cables especialmente fabricados para conectar las antenas de los televisores

Figura 7: Conductor coaxial

13

3. La resistencia eléctrica de los conductores

Todo material, incluso los conductores eléctricos presentan alguna oposición al paso de la corriente eléctrica, esta oposición se llama resistencia eléctrica. Se representa con la letra R y su unidad de medida se llama omhio, la cual se representa con la letra Griega [ Ω ]

La resistencia de un conductor depende de varios factores: j El material ( ρ )

L

j La temperatura (Tº) j La sección transversal (A)

ρ

j La longitud (L) j El tipo de corriente

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A

Manual de instalaciones eléctricas de PIRELLI S.p.A


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3.1. Dependencia de la resistencia de un conductor con su material: Todo material conductor como el Cobre, Oro, Plata, Aluminio, tiene una resistencia específica llamada coeficiente de resistividad.

3.1.1. Resistividad de un conductor:

Es la pérdida de potencia que sufre una corriente eléctrica de un amperio de intensidad al atravesar un conductor de 1 metro de longitud y 1 mm2 de sección transversal.

Se expresa como un valor constante que es directamente

proporcional a la resistencia del conductor. Se representa por la letra Griega Rho

[ ρ ] , y la unidad de medida es ⎡⎢ Ω − mm ⎣

m

2

⎤ ⎥ ⎦

La resistividad es una característica intrínseca del material, como podría ser la densidad, y depende de su pureza, estructura molecular y cristalina, así como de la temperatura. Al concepto inverso, esto es, la facilidad que presenta un material al paso de la corriente eléctrica se le denomina conductividad.

La resistividad nominal, a la temperatura de 20 ºC es:

⎡ Ω − mm2 ⎤ Para el cobre de 0.017241 ⎢ ⎥ ⎣ m ⎦

⎡ Ω − mm2 ⎤ Para el aluminio de 0.028264 ⎢ ⎥ ⎣ m ⎦


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La resistencia eléctrica de un tramo como este, se llama la RESISVIDAD

L= 1 metro

A

ρ Resistividad

A= 1 mm

2

El coeficiente de resistividad eléctrica de un material se representa ⎡ Ω − mm 2 ⎤ por la letra griega , y se mide en: ⎢ ⎥ m ⎣ ⎦

ρ

Figura 8: Resistividad eléctrica de un conductor

Para determinar la resistividad de un material, se mide la resistencia eléctrica de un conductor de un metro de longitud y una sección transversal de un milímetro cuadrado.

3.1.2. Resistencia del conductor:

Lo mismo que ocurre con el agua que atraviesa una tubería, al aumentar la longitud aumenta el rozamiento y se pierde presión, y al aumentar la sección del la tubería fluye el líquido con mayor facilidad, igual ocurre con la corriente eléctrica: por un conductor fluye corriente eléctrica, si aumentamos su longitud la corriente circula con más dificultad, ocasionando una caída de voltaje (pérdidas) y si aumentamos la sección transversal del conductor, la corriente fluye con mayor facilidad.

Las pérdidas que se producen cuando un cable es atravesado por una corriente eléctrica son directamente proporcionales a su longitud e inversamente


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proporcionales a la sección, por lo que se calcula multiplicando la resistividad nominal, antes citada, por la longitud en [m] y se divide el producto por la sección en [mm2]. El resultado se expresa en ohmios [ Ω ] y como antes, sería la potencia disipada en el cable en forma de calor, al ser recorrido por una corriente de un amperio. En la práctica, se especifican siempre a la temperatura de 20 ºC y en corriente continua. Por consiguiente, es preciso referir la resistencia de las muestras a la citada temperatura de 20 ºC y a la longitud de un metro a través de las fórmulas correspondientes

Matemáticamente, la resistencia eléctrica de un material conductor está dada por la siguiente expresión:

R=

ρL A

(1.1)

Donde:

ρ ( rho ) :

⎡ Ω − mm2 ⎤ Es la resistividad del material, ⎢ ⎥ ⎣ m ⎦

L: es el largo del conductor en metros [ m ] A: es el área de la sección transversal del conductor ⎡⎣ mm 2 ⎤⎦

La expresión anterior indica la resistencia eléctrica del conductor es directamente proporcional a su longitud y a su coeficiente de resistividad e inversamente proporcional a su área.


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Por ejemplo, para un material conductor determinado y para una temperatura dada si el valor del área A permanece constante, el valor de la resistencia aumenta si su longitud (L) aumenta. De igual manera se puede deducir que si la resistividad ( ) y la longitud (L) permanecen constantes, la resistencia del conductor se reduce si el área de su sección transversal aumenta.

La tabla 1, muestra el coeficiente de resistividad de algunos materiales usados en sistemas eléctricos

TABLA 1: RESISTIVIDAD DE ALGUNOS MATERIALES PARA UNA TEMPERATURA DE 20 °C

MATERIAL

RESITIVIDAD

PLATA COBRE ORO ALUMINIO TUNGSTENO ZINC LATON NIQUEL PLATINO HIERRO ESTAÑO PLOMO MANGANINA MERCURIO CROMO-NIQUEL

⎡ Ω − mm2 ⎤ ⎢ m ⎥ ⎣ ⎦

0.016 0.01724 0.023 0.02826 0.050 0.058 0.06 a 0.08 0.075 0.096 0.1 a 0.15 0.13 0.21 0.42 0.92 1.06

[ ]

TEMPERATURA DE FUSION º C 960.0 1,083.0 1,063.0 660.0 3,410.0 419.4 1,455.0 1,769.0 1,535.0 232.0 327.4 1,020.0 - 38.87 -

Entre más baja sea la resistividad, mejor será el conductor eléctrico. De acuerdo con este razonamiento, se puede afirmar que el mejor conductor es la plata, le sigue el cobre y luego el oro, y así sucesivamente. El más malo de los


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conductores de la tabla es la aleación de Cromo-Niquel, que se utiliza para fabricar resistencias industriales.

Nótese que en la tabla por ejemplo el cobre tiene una resistividad de 0.01724, esto significa que un trozo de cobre de 1 metro de longitud y 1 milímetro cuadrado (mm2) de sección transversal tiene una resistencia de 0.01724 ohmios.

Problema 1: ¿Cuál será la resistencia eléctrica de un conductor de cobre que tiene una longitud de 100 m., de longitud y una sección transversal de 0.5 mm2?

Solución. Suponiendo que el conductor se encuentra a una temperatura aproximada de 20 ºC, y observando la tabla 1, determinamos su resistividad, así:

ρCOBRE

⎡ Ω − mm2 ⎤ = 0.01724 ⎢ ⎥ ⎣ m ⎦

Reemplazando los datos en la ecuación (1.1) se tiene:

⎛ Ω − mm 2 ⎞ ⎜ 0.01724 ⎟ (100m ) m ρL ⎝ ⎠ R= = A 0.5mm 2 1.724 ( Ω − mm ) ( m ) R= = 3.5 Ω 0.5 ( m ) ( mm ) 2

2

El oro, por ser el metal más dúctil (se deja partir en hilos muy delgados) y más maleable (se deja partir en láminas muy delgadas) se utiliza en electrónica para la conexión de circuitos integrados; la plata por ser el segundo mejor conductor de


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utiliza en la fabricación de contactor eléctricos (disminuye la resistencia de conexión); el cobre y el aluminio se emplean en la fabricación de conductores eléctricos por su bajo costo.

3.1.3. Ventajas de los conductores de cobre sobre los de aluminio en las redes de distribución en baja tensión j El conductor de cobre es más eficiente que un conductor de aluminio, porque posee menor resistividad. j El cobre presenta una mayor capacidad de conducción. Si tomamos como ejemplo un conductor de cobre y otro de aluminio del mismo calibre; el primero tendrá una capacidad de conducción 28% superior a la del segundo. j En un conductor de cobre, las pérdidas por calentamiento (efecto Joule) son un 58% menores con respeto al aluminio. j La presencia de cobre garantiza la eliminación de probables fallas originadas por falsos contactos debido a óxido no conductivo. j La utilización de conductores de cobre proporciona una mayor facilidad en el empleo de soldaduras terminales y empalmes.

3.1.4. Equivalencia eléctrica entre conductores de cobre (Cu)

y aluminio

(Al):

Se entiende por secciones equivalentes las que admiten la misma intensidad de corriente ocasionando las mismas pérdidas. Consecuentemente existe una


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proporcionalidad directa entre las resistividades y las secciones, ya que es preciso compensar con una mayor sección una mayor resistividad. Como la relación entre las resistividades del cobre y del aluminio es de 1.64, un conductor de aluminio será equivalente a otro de cobre si tiene una sección 1.64 veces superior.

3.2. Dependencia de la resistencia de un conductor con la temperatura:

La resistencia de los materiales depende de la temperatura; Al aumentar la temperatura, la resistencia eléctrica presenta los siguientes cambios: j En los conductores metálicos y en algunos semiconductores aumenta la resistencia aumenta cuando aumenta la temperatura. j En los líquidos, los aislantes, el carbón y en algunos semiconductores disminuye la resistencia cuando aumenta la temperatura. j En algunas aleaciones como la manganina y el constatan permanece casi constante.

La relación entre la resistencia (R) de un conductor y la temperatura esta dada por la siguiente expresión:

R F = R 20 [1 + α (TF - 20 ºC)]

(1.3)

Donde:

RF Es la resistencia final [ Ω ] R20 Es la resistencia medida a 20 ºC. [ Ω ]


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Es el coeficiente de temperatura que es positivo para los metales y negativo para el carbón y algunos semiconductores como el germanio. ⎡Ω ⎤ ⎣ º C⎦ 20 20

= 0.00393 coeficiente de temperatura para el cobre a 20 ºC = 0.01785 (

. mm2 / m)

Problema 2: La resistencia del bobinado de un motor fabricado en hilo de cobre es de 30 omhios a 20 ºC. ¿Cuál será su resistencia a 95 ºC?

Solución: Empleando la expresión (1.3), se tiene:

R 80 =R 20 [1 + α (TF - 20 ºC)] ⎡ ⎤ ⎡Ω⎤ R 80 =30 [ Ω ] ⎢1 + 0.00393 ⎢ ⎥ ( 95[ º C ] − 20[ º C ]) ⎥ ⎣ºC ⎦ ⎣ ⎦ ⎡ ⎤ ⎡ Ω ⎤ R 80 = 30 [ Ω ] ⎢1 + 0.00393 ⎢ 75 º C [ ] ⎥ ⎥ ⎣ ºC ⎦ ⎣ ⎦ R 80 = 38.84 [ Ω ]

(

)

TABLA 2: COEFICIENTES DE TEMPERATURA DE ALGUNOS METALES A 0 oC ⎡Ω⎤ COEFICIENTE DE TEMPERATURA α ⎢ METAL ⎣ º C ⎥⎦ PLATA COBRE ORO ALUMINIO TUNSTENO NIQUEL ESTAÑO HIERRO PLOMO MERCURIO


0.004 0.0043 0.0037 0.0042 0.0051 0.0044 0.0047 0.0042 0.0041 0.0009

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3.3. Dependencia de la resistencia de un conductor con su sección transversal:

Si se corta perpendicularmente un alambre en cualquier punto, obtendrá una superficie que la llamamos SECCION TRANSVERSAL.

La forma de la sección puede ser circular, rectangular o cuadrada.

La sección transversal de un conductor eléctrico se 2 representa por la letra A y se mide en ⎡⎣ mm ⎤⎦ A mayor sección transversal menor resistencia y a menor sección mayor resistencia. A mayor sección transversal del conductor existe mayor capacidad de conducir corriente eléctrica

EL cálculo de la sección de un conductor depende de la forma geométrica, que tenga el corte transversal del mismo, como se ilustra a continuación:

3.3.1. Conductor cilíndrico

A D es el diámetro del conductor A es el área de la sección transversal

D ÁREA DEL CÍRCULO, A = π R = 2


π D2 4 Pág.

18

Figura 9: Sección transversal de un conductor cilíndrico

De donde: R es el radio de círculo D es el diámetro del círculo

π

es la constante 3.14159… .

3.3.2. Conductor rectangular

A

H

H es la altura del conductor B es la base del conductor A es el área de la sección

B

rectangular

ÁREA DEL RECTÁNGULO, A = B * H Figura 10: Sección transversal de un conductor rectangular


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19

3.3.3. Conductor cuadrado

L es la longitud de cada lado del conductor

L

A es el área de la sección cuadrada

L

ÁREA DEL CUADRADO, A = L * L = L2 Figura 11: Sección transversal de un conductor cuadrado

Problema 3: Calcular la sección en mm2 de un conductor eléctrico cuyo corte transversal es cuadrado, si uno de los lados del corte mide 0,3 cm. Solución:

Como la longitud (L) esta dada en centímetros, debemos reducirla a milímetros:

L = 0.3 cm = 3 mm. Luego A = L = ( 3 mm ) = 9 mm 2

2

0.3 cm.

0.3 cm. Dados dos alambres de igual longitud y del mismo tipo de material, cobre por ejemplo, pero de tal manera que uno de ellos tenga el doble de la sección


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20

transversal del otro, se puede comprobar que el conductor de menor sección tiene el doble de resistencia que el conductor grueso.

La tabla 3 muestra la sección transversal y el diámetro los conductores más utilizados en instalaciones eléctricas de baja tensión.

TABLA 3: DIAMETRO Y SECCION TRANSVERSAL DE CONDUCTORES CALIBRE ( AWG) 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0


Diámetro [mm] 0.8118 0.9116 1.024 1.150 1.291 1.450 1.628 1.828 2.053 2.305 2.59 2.906 3.26 3.666 4.11 4.621 5.19 5.827 6.54 7.348 8.251

Área [mm2] 0.5176 0.6527 0.8231 1.038 1.309 1.650 2.081 2.624 3.309 4.172 5.261 6.634 8.366 10.55 13.300 16.77 21.15 26.67 33.63 42.41 53.48

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3.4.

Dependencia de la resistencia de un conductor con su longitud:

L

Mayor resistencia por tener menor sección

Menor resistencia por tener mayor sección

ADVERTENCIA

NO CONFUNDIR SECCIÓN TRANSVERSAL CON DIÁMETRO

Figura 12: Dependencia de la resistencia de un conductor con su longitud

A mayor longitud del conductor, mayor será la resistencia que se presenta al paso de la corriente.

Si tomamos tres conductores de un mismo material y con la misma sección transversal, de tal manera que sus longitudes estén en proporción 1:2:3 es decir, la longitud del conductor 3 es el triple de la longitud del conductor 1, y la longitud del conductor 2 es el doble de la longitud del conductor 1, entonces es fácil comprobar que el conductor 3 tiene tres veces la resistencia del conductor 1, y el conductor 2 tiene dos veces la resistencia del conductor 1.

Por ejemplo: supongamos que el conductor 1 tiene una longitud de 1 metro y una resistencia de 5 Ω , que la longitud del segundo conductor es de dos metros y la del tercero es de tres metros, se puede comprobar, que la resistencia del segundo conductor es de 10 Ω , y la del tercero es de 15 Ω , siempre que sean del mismo material y tengan la misma sección transversal.


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22

R=5 R=10 R=15 5m

5m

5m

Figura 13: Comparación de la resistencia de tres conductores de diferente longitud

Como se observó en el ejemplo anterior, si la longitud de un conductor se duplica entonces la resistencia también se duplica; si la longitud del conductor se triplica, la resistencia también se triplica y así sucesivamente.

TABLA 4: RESISTENCIA ELECTRICA PARA CABLES DE COBRE CALIBRE AWG

RESISTENCIA A LA CORRIENTE ALTERNA

⎤ R ⎡Ω ⎣ Km ⎦

KCMIL

CONDUIT DE PVC

CONDUIT ALUMINIO

CONDUIT ACERO

250 350 500

10.17 6.56 3.94 2.56 1.61 1.02 0.623 0.394 0.328 0.253 0.203 0.171 0.125 0.089

10.17 6.56 3.94 2.56 1.61 1.02 0.656 0.427 0.328 0.269 0.219 0.187 0.141 0.105

10.17 6.56 3.94 2.56 1.61 1.02 0.656 0.394 0.328 0.259 0.207 0.177 0.128 0.095

14 12 10 8 6 4 2 0 00 000 0000

La tabla suministra valores de resistencia para diferentes calibres con una longitud de 1 Km. (1,000 metros).


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Problema 4: Hallar la resistencia de un conductor AWG No. 14, con una longitud de 200 metros dentro de un tubo Conduit de PVC.

Solución: Aplicando una regla de tres simple m

1000 200

→ →

Ω

10.17 x

200 m ) (10.17 Ω ) ( = 2.034 Ω x= 1000 m

TABLA 5: REQUISITOS PARA EL ALAMBRE DE COBRE SUAVE CALIBRE AWG KCMIL 24 0.404 22 0.64 20 1.02 18 1.62 16 2.58 14 4.11 12 6.53 10 10.38 8 16.51 6 26.24 4 41.74 2 66.36 1 83.69 0 105.6 00 133.1 000 167.8 0000 211.6

AREA NOMINAL 0.2 0.32 0.52 0.82 1.31 2.08 3.31 5.26 8.37 13.3 21.15 33.63 42.41 53.51 67.44 85.03 107.22

RNCC 20 O C ( /KM.) * 84.1 53.2 33.3 21.0 13.2 8.29 5.21 3.28 2.06 1.3 0.817 0.513 0.407 0.322 0.256 0.203 0.161

* RNCC = Resistencia nominal en corriente continua


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TABLA 6: REQUISITOS PAR CABLES DE COBRE SUAVE CALIBRE AWG KCMIL 24 0.404 22 0.64 20 1.02 18 1.62 16 2.58 14 4.11 12 6.53 10 10.38 8 16.51 6 26.24 4 41.74 2 66.36 1 83.69 0 105.6 00 133.1 000 167.8 0000 211.6

AREA NOMINAL 0.2 0.32 0.52 0.82 1.31 2.08 3.31 5.26 8.37 13.3 21.15 33.63 42.41 53.51 67.44 85.03 107.22

RNCC 20 O C ( /KM.) * 85.6 53.8 33.8 21.4 13.4 8.46 5.35 3.35 2.10 1.32 0.83 0.522 0.417 0.328 0.261 0.207 0.164

* RNCC = Resistencia nominal en corriente continua 3.5.

Dependencia de la resistencia de un conductor con el tipo de corriente:

La resistencia que presenta un conductor al paso de la corriente continua es diferente a la resistencia que presenta el mismo conductor al paso de la corriente alterna por el efecto piel14 o efecto Skín, por este motivo cuando un conductor eléctrico se encuentra en un circuito de corriente alterna se debe tener en cuenta este fenómeno.

Rcc Es la resistencia de corriente continua Rac Es la resistencia de corriente alterna, 14

La corriente alterna tiende a fluir hacia la superficie externa de un conductor (“Efecto Piel”), efecto que es más pronunciado a altas frecuencias, lo que ocasiona pérdidas adicionales en el transporte de la energía eléctrica por los conductores, y produce sobre calentamiento.


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RAC = 1.15 RCC

(1.4)

4. Calibración

Para medir el calibre de los conductores se ha introducido el sistema denominado A.W.G. (American Standard Wire Gauge), que consiste en expresar la sección transversal del conductor en Milésimas Circulares (Circular Mils o CM)

Una Milésima circular es el área de un círculo cuyo diámetro es una milésima de pulgada.

1 MC = 0.0005067 mm2

Cuanto mayor es el número de la galga menor es el diámetro del conductor, por ejemplo, un conductor calibre No. 16 es más delgado otro calibre No. 14, mientras que el No. 12 es más grueso que el No. 14.

4.1 Galga


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Figura 14: Galga para la medida del calibre de los conductores

15

Cada tres números de la galga en orden ascendente, la resistencia es aproximadamente el doble y la sección es la mitad: Por ejemplo: si tenemos un alambre calibre No. 12 cuya sección es de 3.3 mm2 podemos conocer la sección de un alambre calibre No. 15, la cual será la mitad de la del calibre No. 12, es decir 1.65 mm2.

Para medir el diámetro de un conductor se introduce la punta desnuda en una ranura de la galga o calibrador y el número de aquella en donde entre sin ningún esfuerzo, indica el calibres del conductor. En al otra cara de la galga aparece el diámetro del conductor en pulgadas. Por ejemplo: en el otro lado de la galga del No. 14 aparece su diámetro en pulgadas que es de 0.064 pulgadas. 15



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No. GALGA

DIAMETRO

B.S. PULGADAS

MILÍMETROS

12

0.080

2.03

14

0.064

1.62

16

0.050

1.27

18

0.040

1.01

20

0.031

0.78

A.W.G.

Figura 15: Procedimiento de medida del calibre de un conductor

16

Problema No. 5: ¿Cual será el diámetro en mm., del alambre No. 14 sabiendo que tiene un diámetro de 0.064 pulgadas y que una pulgada equivale a 25.4 mm.?

Solución: Aplicando una regla de tres simple

pu lg

mm

1 → 25.4 0.064 → x 0.064 pu lg ) ( 25.4 mm ) ( = 1.625 mm x= 1 pu lg

5. Cables para alta temperatura:

5.1. Glosario de términos de cables de alta temperatura

16



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28

El tipo de aislante y el material conductor incorporados al cable dictan la clasificación de temperatura para los cables de alta temperatura. Todo producto de alta temperatura está diseñado para operar dentro de un ambiente de “temperatura continua” por un periodo indefinido. Este tipo de producto también está diseñado con múltiples capas de aislante para que, en el caso de una exposición a “temperaturas extremas”, el material de la sobrecubierta se queme por capas, lo que retarda el deterioro del producto, pero no lo detiene.

Esta característica permite al producto sobrevivir temperaturas extremas intermitentes sin presentar una falla de inmediato.

Al tratar con productos de alambres de Alta Temperatura, es importante contar con conocimientos prácticos sobre los diferentes tipos de aislantes y conductores que están disponibles, así como tener un conocimiento general de la terminología.

5.2. Terminología

5.2.1. Temperatura de uso continuo: El producto puede sobrevivir por un periodo indefinido: años.

5.2.2. Temperatura de uso a largo plazo: El producto puede sobrevivir una breve exposición a esta temperatura (de varios días a varias semanas) antes de requerir un reemplazo.

5.2.3. Uso a temperaturas extremas: El producto puede sobrevivir en este ambiente sólo unos cuantos minutos, después de los cuales se tiene que reemplazar.

5.3. Aislantes y sobrecubiertas


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29

Casi todos los productos de alta temperatura usan diferentes combinaciones de sólo unos cuantos materiales para las sobrecubiertas y aislantes. Estos materiales son: j Vidrio j Silicón y hule de silicón j Teflón y cintas de Teflón j Mica j Aramida, Kevlar, Nomex (son lo mismo) La manera en que estos materiales aislantes se combinan y se usan dicta las propiedades de alta temperatura del producto.

5.3.1. Vidrio El vidrio se usa en muchos cables de alta temperatura como sobrecubierta y como refuerzo. Debido a que el vidrio tiene una baja resistencia a la abrasión, por lo general se le impregna con material de silicón o Teflón. El vidrio no es un gran aislante y sus usos están por lo general limitados a la sobrecubierta. El vidrio se funde a alrededor de 1800 °F. Cuando se enfría, el vidrio pierde su flexibilidad y se vuelve quebradizo. Por tanto, cuando se alcanza el punto de fusión, lo más probable es que el cable no se pueda flexionar aunque haya sobrevivido. Además las trenzas de vidrio son porosas, por lo que habitualmente se les da un acabado con un componente de Teflón, Silicón o Aramida para una mejor resistencia a la humedad, las sustancias químicas y al calor. 5.3.2. Silicón (Silicona) El hule de silicón se usa como un aislante resistente al calor y para dar acabado a las trenzas de vidrio. El silicón tiene una vida de 40 años a 125 °C, una vida de 5 años a 150 °C, y puede sobrevivir temperaturas a corto plazo de 200 °C. Debido al precio relativamente bajo del silicón y a sus características favorables de alta temperatura, es uno de los materiales aislantes más usados para aplicaciones


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inferiores a los 200 °C. El silicón es en extremo resistente a la humedad y a las sustancias químicas, pero tiene una muy baja resistencia a la abrasión mecánica. Por esta razón, el silicón por lo general se usa como un acabado para la trenza de vidrio o cubierto con un material de trenza de vidrio.

5.3.3. Fluoropolímeros (comúnmente conocidos como Teflón®). Tres fluoropolímeros son de uso común en la fabricación de cables: el tetrafluoroetileno (TFE) y dos materiales de extrusión convencional, el propileno etilénico fluorinado (FEP) y el perfluoroalcoxi (PFA). Debido a que es difícil hilar el TFE en longitudes largas continuas, con frecuencia se aplica en forma de cinta o como una dispersión de fluido usada para impregnar trenzas de fibra de vidrio. Debido a las excelentes propiedades aislantes del Teflón®, los cables guía hechos con este material pueden ser de la mitad del tamaño de los cables convencionales para aplicaciones similares. El Teflón también cuenta con la aprobación de la FDA para estar en contacto con alimentos. FEP – 200° C PFA – 250° C TFE – 250° C

5.3.4. Mica La mica es un elemento con propiedades cristalinas únicas que permiten realizar desbarbados muy delgados. La mica con la más alta clasificación tiene una resistencia al calor a largo plazo de 1800° F y se funde a los 2200° F. Debido a que se descascara, por lo general la mica se une con una trenza de vidrio. La Mica tiene buenas propiedades eléctricas y se usa en los cables como aislante y como una barrera contra el calor.

5.3.5. Aramida Las fibras de Aramida son una poliamida que produce DuPont. Las dos versiones más comunes se conocen como Kevlar y Nomex. Ambos materiales son muy fuertes y por lo general se usan como material para sobrecubiertas o refuerzo en aplicaciones para temperaturas más bajas (180° C - 220° C) en lugar de la


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sobrecubierta de trenza de vidrio. Cuando se aplica como trenza, Kevlar ofrece una protección a la abrasión superior a la de cualquier otro material para altas temperaturas.

5.3.6. Cerámica La cerámica es un material duro, resistente al calor y a la corrosión, que se hace quemando barro u otros minerales consistentes en uno o más metales en combinación con minerales no metálicos, por lo general oxígeno. Las Cerámicas pueden soportar temperaturas continuas de 2600° F y exposición de corto plazo a 3000° F sin perder su flexibilidad.

5.4 Conductores

5.4.1. Cobre Casi todo el cobre usado en aplicaciones de alta temperatura es cobre OFHC (Oxygen Free High Conductivity) en contraposición al ETP (Electrolytic Tough Pitch) que es más común. El OFHC no se oxida en ambientes a alta temperatura y, por lo tanto, ofrece una mejor capacidad de transportación de señal. SuperTrex® está fabricado con cobre ETP. Thermo-Trex® está fabricado con cobre OFHC.

5.4.2. Níquel Se usa por lo general en cables para altas temperaturas como un recubrimiento sobre filamentos de cobre. El níquel tiene un punto de fusión de 2400° F y actúa como aislante, además de proporcionar un contenedor para el cobre. En temperaturas extremas, es posible que el cobre dentro del recubrimiento de níquel sólido se funda, sin perder su conductividad. Dependiendo de la cantidad de protección requerida, la cantidad de recubrimiento de níquel puede variar entre 2% y 27%. En muy raras ocasiones se usa Níquel de Grado A (100% Níquel). Es muy


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32

caro, y sin embargo no tiene un rendimiento mejor que un producto estándar niquelado al 27%.

Algunos cables

de

alta

temperatura se muestran a contuinuación:


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Figura 14.1: Cable de alta temperatura Termo-Trex 500


17 18

17

18

Documento técnico “tpc196spw.pdf” de www.tpcwirw.com Documento técnico “tpc196spw.pdf” de www.tpcwirw.com


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19 20

19

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Documento técnico “tpc196spw.pdf” de www.tpcwirw.com Documento técnico “tpc196spw.pdf” de www.tpcwirw.com


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Figura 14.5: Cable de alta temperatura Chem - Gard

21

6. Materiales aislantes: Los materiales aislantes presentan una resistencia muy alta al paso de la corriente eléctrica, y son necesarios para aislar conductores que llevan corriente eléctrica. Entre los materiales aislantes (también llamados materiales dieléctricos) se pueden mencionar algunos: papel prespán, papel pescado, papel impregnado, barniz dieléctrico, mica, baquelita, PVC, porcelana, poliester.

Los forros, cubiertas o en definitiva el aislamiento de los conductor eléctricos, se fabrican en diferentes materiales.

Las condiciones que debe cumplir un aislamiento óptimo son los siguientes: j Tener buenas características eléctricas j Tener buenas propiedades mecánicas (resistencia, flexibilidad) j Tener buena resistencia a la temperatura j Resistencia a los agentes atmosféricos 21

Documento técnico “tpc196spw.pdf” de www.tpcwirw.com


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j Resistencia a los agentes químicos (humedad, ácidos, sales, etc.). j Resistencia a la abrasión j Finalmente, interesan su duración y economía.

Los tipos de aislamiento más frecuentes son: j Polietileno (PE) j Cloruro de Polivilino (PVC) j Barniz cambray j Papel impregnado j Caucho (caucho sintético, caucho butílico, Neopreno).

5.1. Aislamiento de polietileno (PE): Es el plástico que presenta mejores propiedades eléctricas: j Excelentes propiedades eléctricas j Gran resistencia a la humedad (mejor que el PVC). j Gran resistencia a los agentes químicos (a temperatura normal) j Resistencia a los aceites y grasas j Es el aislamiento más estable (sumergido en agua) j Con pigmento negro resiste la acción del sol j No es resistente al fuego (inflamable) j Temperatura critica de reblandecimiento 105 0C j Económico

5.2. Aislamiento de cloruro de polivinilo (PVC): Conocido como “plástico” en el comercio. j Propiedades eléctricas bajas


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37

j Gran resistencia a la humedad, aceites y a la mayoría de las sustancias químicas. j Resistente al fuego j Pigmentaciones diferentes j Económico

Se emplea comúnmente en la fabricación de: j Alambres y cables tipo TW j Alambres dúplex y cable dúplex STP (garantizados para una temperatura de operación de 60 0C) j También el tipo THW.

5.3. Aislamiento de papel impregnado: Se hace enrollado helicoidalmente capas de papel de celulosa pura sobre el conductor de cobre. El papel se seca al vacío y se impregna con un compuesto especial. Se coloca una capa externa de plomo como protección contra la humedad. j Muy buenas propiedades eléctricas. j Gran resistencia a las sobrecargas. j Conserva sus características eléctricas dentro un amplio rango de temperatura. j Se limita su posición vertical en máximo de 9 m., de altura para evitar el escurrimiento del impregnante. j Adecuada para instalaciones subterráneas (con tal que sea armado). j Todo cable con aislamiento de papel, instalado directamente bajo tierra, debe ser armado. Igualmente debe armarse cuando esta sometido a acciones mecánicas. En el general


se arma con cintas de acero (puede ser

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38

galvanizado) dispuestos helicoidalmente, aplicando después yute impregnado con asfalto.

5.4. Aislamiento de barniz cambray (VAR_CAM):

Este aislamiento esta formado de una tela de algodón cubierta por ambas caras con un barniz negro resistente al calor y muy durable. Sobre el conductor se aplican helicoidalmente capas (según el calibre del conductor y el voltaje de operación). j Buenas propiedades eléctricas. j Menor limitación para la colocación vertical que el anterior. j Baja resistencia a la humedad. j Por las capas de aire entre capas sucesivas presenta tendencia a altas perdidas eléctricas. j Con cubierta de fibra textil se puede emplear en líneas aéreas o en tuberías libres de humedad o sustancias corrosivas. j En caso de instalarse directamente bajo tierra, debe ser armado.

5.5. Tipo de aislamiento para conductores: Ver la tabla 8

El aislamiento de los conductores se fabrica con materiales plásticos, aunque para usos especiales se usan aislamientos de Asbesto, Nylon, o Silicona (para elementos calefactores), que evitan los cortocircuitos y las fugas de corriente ocasionados por el calor.

Los tipos de aislamiento más usados son los termoplásticos que se mencionan a continuación:


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j TW: Cubierta termoplástica resistente a la humedad 60 ºC j THW: Cubierta termoplástica resistente al calor y a la humedad 75 ºC j THHN: Cubierta termoplástica de Nylon resistente al calor y a la abrasión puede trabajar con temperaturas hasta 90 oC

Los conductores que se usan en instalaciones eléctricas deben ser rotulados en alto relieve o impreso con tinta indeleble. También se acepta en bajo relieve siempre y cuando no se reduzca el espesor del aislamiento por debajo del mínimo establecido por el RETIE.

5.6. La información que se debe rotular j Calibre del conductor en AWG, en mm2, ó en KCMIL j Material del que está hecho el conductor j Tipo de aislamiento (TW, THW, THHN,… ) j Tensión nominal: (300 V, 600 V) j Nombre del fabricante j Tipo de conductor

Según el RETIE los conductores se clasifican en: CLASE A: Usado para conductores a ser recubiertos con materiales impermeables, retardantes al calor y para conductores desnudos donde se requiere mayor flexibilidad que la proporcionada por los conductores de la clase AA. CLASE AA: Usado para conductores desnudos en redes aéreas CLASE B: Usado para conductores que van a ser aislados con materiales tales como cauchos, papel, telas barnizadas y para conductores como los indicados en


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La clase A, pero que requieren mayor flexibilidad que la proporcionada por los conductores de clase A.

CLASE C y D: Para conductores donde se requiere mayor flexibilidad que la proporcionada por la clase B.

Según esta clasificación, podemos decir que los conductores más usados en instalaciones eléctricas domiciliarias son los de clase A y B.

TABLA 7: DIAMETRO Y SECCION TRANSVERSAL DE CONDUCTORES CALIBRE (AWG) 14 12 10 8 6 4 3 2 1 0

DIÁMETRO en mm.

SECCIÓN en mm2

1.63 2.05 2.59 3.26 4.11 5.19 5.83 6.54 7.33 8.25

2.08 3.31 5.26 8.37 13.3 21.15 26.7 33.63 42.41 53.51

ESPESOR PROMEDIO DEL AISLAMIENTO en mm.

THW - TW

THHN

0.76 0.76 0.76 1.14 1.52 1.52 1.52 1.52 2.03 2.03

0.38 0.38 0.51 0.76 0.76 1.02 1.02 1.02 1.27 1.27

7. Código de colores de los conductores:

Se establece un código de colores para identificar los conductores en los sistemas eléctricos de acuerdo al RETIE y la norma NTC “Norma técnica Colombiana” y las normas ICONTEC “Instituto Colombiano de Normas Técnicas”.

6.1. El neutro puesto a tierra: El color neutro debe ser de color blanco gris natural


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6.1.1. Fases o líneas vivas en un sistema monofásico: En sistemas monofásicos a 120 voltios la línea viva es de color negro

6.1.2. Fases en un sistema trifásico tetrafilar 208v/ 120v: Los colores de las líneas vivas son el amarillo, azul y el rojo.

6.1.3. Puesta a tierra: El color de la puesta a tierra debe ser de color verde continuo o un color verde continuo con una o más bandas amarillas. Aunque se puede usar el conductor de puesta a tierra desnudo.

Cuando no se encuentren conductores con los colores antes mencionados se deben marcar en partes visibles del conductor normalmente en los extremos, empleando pintura, cinta, rótulos adhesivos del color respectivos. Esto también se debe cumplir con conductores desnudos. Los conductores de altos calibres vienen en un color negro por lo que se deben marcar.

Es interesante en estos momentos, conocer el significado de algunas siglas empleadas en la identificación de los conductores según el tipo de aislamiento. Salvo cuando se especifique lo contrario, los siguientes aislamientos son apropiados para 600 Voltios.


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42

TABLA 8: AISLAMIENTO DE LOS CONDUCTORES ELECTRICOS TIPO RF _ 2 RFH _ 2 R RH

DECRIPCION Alambre dúplex con forro de caucho. (sólido o de 7 hilos) Alambre dúplex con forro de caucho resistente al calor. (sólido o de 7 hilos) Forrado en caucho Forrado en caucho resistente al calor Forrado en caucho resistente a la humedad Forrado en caucho resistente a el calor y a la humedad Forrado en caucho látex Forrado en caucho látex resistente al calor Forrado en caucho látex resistente a la humedad Cubierta termoplástica (Sólido o en hilos)

TEMP. MAX. DE OPERACIÓN

APLICACIONES

60 ºC

Para implementos

75 ºC

Para implementos

60 ºC

Uso general

75 ºC

Uso general

60 ºC 75 ºC 60 ºC

Uso general en lugares húmedos Uso general en lugares húmedos Uso general

60 ºC

Uso general

60 ºC

Uso general y en lugares húmedos

60 ºC

Para implementos

Termoplástico

60 ºC

Uso general

TW

Cubierta termoplástica resistente a la humedad

60 ºC

Uso general y en lugares húmedos

TA

Cubierta termoplástica y asbesto

90 ºC

“CAMBRIC” barnizado

85 ºC

RW RH _ R _ W RU RUH RUW TF T

V

THW

Cubierta termoplástica resistente al calor y a la humedad

60 ºC

75 ºC a 90 ºC

Para tableros de interruptores En lugares secos únicamente. Calibre mínimo No. 6 Acometidas comunes

La siguiente tabla, muestra la capacidad de conducción de corriente de los conductores teniendo en cuenta el tipo de aislamiento


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TABLA 9: CAPACIDAD DE CONDUCCIÓN DE CORRIENTE DE LOS CONDUCTORES POR DUCTO

AL AIRE LIBRE

CALIBRE ( AWG) 14 12 10 8 6 4 2 0 00 000 0000

TW

THW

THHW

TW

THW

THHW

20 25 30 40 55 70 95 125 145 165 195

20 25 35 50 65 85 115 150 175 200 230

25 30 40 55 75 95 130 170 195 225 260

25 30 40 60 80 105 140 195 225 260 300

30 35 50 70 95 125 170 230 265 310 360

35 40 55 80 105 140 190 260 300 350 405

8. Notas sobre el uso de los calibres de los conductores j En el sistema A.W.G. cuanto mayor es el número menor es la sección transversal. j El calibre más delgado comercialmente es No. 40 AWG j Del No. 40 AWG hasta el No. 20 AWG se utilizan en bobinados de aparatos eléctricos j Del No. 18 AWG hasta el No. 16 AWG Se utilizan en cordones flexibles, en control y señalización j El conductor No. 14 AWG es el conductor más utilizado en instalaciones eléctricas residenciales, además es el mínimo calibre permitido para instalaciones eléctricas interiores. j Los conductores hasta el número 10 AWG son alambres j Del número 6 en adelante corresponde a cables j El conductor número 8 AWG puede ser en alambre o en cable j Del No. 14 AWG hasta el No. 2 AWG Son los calibres más utilizados en instalaciones eléctricas residenciales, comerciales e industriales


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44

j Del No. 2 AWG en adelante se usan en instalaciones eléctricas industriales j Las lámparas y electrodomésticos menores: Las lámparas portátiles, esquineras, radios, equipos de sonido…

Pueden emplear una sección

transversal No. 18 AWG o superior.

9. Pérdidas de energía en el transporte de la corriente eléctrica. De acuerdo a la ley de Joule22, todo conductor metálico por el cual circula corriente eléctrica se calienta, ocasionando pérdidas de energía. La sección necesaria para una línea eléctrica está determinada por las limitaciones de calentamiento y caída de tensión en el conductor.

La función de un conductor eléctrico es distribuir la energía eléctrica, desde una fuente, hasta un punto de utilización. Pero cuando la energía fluye por los cables, un porcentaje de dicha energía se disipa en forma de calor, lo que reduce los niveles de eficiencia.

Cuando el área del conductor aumenta, también lo hace su diámetro. Por lo tanto, para una longitud determinada, un aumento en el diámetro significa una menor resistencia (Ver sección 3.3.) y por tal motivo menor caída de voltaje en el alambre (menores pérdidas de energía), aunque un mayor costo (más volumen por unidad de longitud).

8.1. Notas sobre las pérdidas de energía:

22

Potencia = (Tensión ) *(Corriente) Matemáticamente la ley de Joule se expresa como:


P = VI = I 2 R = V

2

R

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j El mejor momento para planificar la eficiencia en la distribución de la energía eléctrica es en la etapa de diseño del proyecto; después será mucho más difícil y costoso. j En las operaciones comerciales e industriales, el costo de la energía es un factor importante. Desde el inicio se hacen esfuerzos para evitar gastos innecesarios en el futuro. Así por ejemplo, en las redes de suministro público, la proyección de costos debe hacerse para un horizonte de 20 o 30 años. j La energía pérdida en un conductor siempre se convierte en calor, que no se puede recuperar y se convierte en un sobre costo. El usuario finalmente es el que asume el pago de este sobre costo. j El consumo de energía eléctrica siempre tiende a incrementarse, Por este motivo si se incrementa la sección transversal de los conductores, las pérdidas de energía pueden reducirse a valores aceptables.


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46

Figura 16: Conductores eléctricos

23

8.2. Como y hasta donde dimensionar un conductor

Para dimensionar adecuadamente un conductor debemos tener en consideración lo siguiente: j La capacidad de corriente del conductor debe ser por lo menos igual a la exigida por el circuito en las condiciones extremas. j La caída de tensión en los extremos de la carga varía entre 3% y el 5% en función de la carga o sobrecargas temporales; se recomienda que el valor sea cercano a 3%.

23

Tomado de: “Procobre Perú” www.procobreperu.org


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47

j Se debe realizar el calculo de las pérdidas de energía con diferentes conductores; es decir calcular la potencia pérdida al variar la menor resistencia. j Se debe hacer un análisis técnico y económico cuando se selecciona el calibre del conductor. j Es importante notar que al incrementar la sección de un conductor estamos ampliando el soporte de carga. Pero, ¿hasta donde dimensionar? La respuesta es: hasta que el ahorro en pérdidas justifique la mayor inversión inicial en un calibre de mayor sección. j Cuando

dimensionamos

adecuadamente

los

conductores

eléctricos,

ahorramos energía y todos salimos ganando.

P = I 2 R [ vatios ] P = Potencia en vatios I = Corriente en amperios R = Resistencia en Ohmios

Obsérvese en la expresión anterior, que las pérdidas de potencia son proporcionales al cuadrado de la corriente eléctrica, por lo tanto, si disminuimos la corriente, automáticamente disminuyen las pérdidas.

8.3. Caída de tensión en un conductor

Cuando una fuente de energía eléctrica alimenta una carga, se presentan caídas de tensión en el conductor provocadas por la circulación de la corriente.


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Figura 17: Circuito eléctrico sencillo

UAB = I X RAB [voltios]

UCD = I X RAB [voltios]

Donde: UAB = Caída de tensión en el conductor entre los puntos A y B (Ley de Ohm) UCD = Caída de tensión en el conductor entre los puntos C y D I = Corriente en amperios RAB = Resistencia en Ohmios del conductor AB RCD = Resistencia en Ohmios del conductor CD La caída de tensión en ambos conductores es la misma, cuando los conductores son iguales, es decir, RAB = RAD


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U AD =U AB +U CD

U AD = ( R AB )( I ) + ( R CD )( I ) U AD = ( R AB )( I ) + ( R CD )( I ) U AD = I ( R AB + R CD ) = 2 ( R AB )( I ) 10. Cálculo de la sección de un conductor Datos de partida: j Potencia del receptor j Corriente absorbida por el receptor j Factor de potencia en el receptor (Cos ) j Voltaje del receptor U j Longitud de la línea (l) j Caída de tensión máxima permitida UAB j Resistividad del conductor empleado j Aislamiento de los conductores j Temperatura ambiente j Sistema de distribución monofásico o trifásico

9.1. Cálculo de la sección de un conductor en una red monofásica bifilar

9.1.1. Cuando el receptor es resistivo puro (Cos

= 1)

La tensión del receptor U está en fase con la corriente I. Para redes de baja tensión, el cálculo solo se tiene en cuenta la resistencia, es decir se desprecia la reactancia inductiva entre los conductores.


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50

2ρ LI U AD = A

(1.5)

2ρ LI A= U AD

(1.6)

Nota: En redes eléctricas muy extensas se debe tener en cuenta la reactancia inductiva

Es frecuente que el dato que tenemos del receptor sea su potencia en vez de la intensidad, en este caso basta expresar a la intensidad en términos de la potencia.

P = UI cos (ϕ )

(1.7)

Donde: P = Potencia en vatios U = Tensión en la carga I = Corriente de la carga Cos

= Factor de potencia, que es el valor del coseno del ángulo entre el voltaje y

la corriente

Reemplazando el valor de la corriente


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51

P I= U cos (ϕ ) A=

(1.8)

2ρ LP (U AD ) [U cos(ϕ )]

(1.9)

Problema 6: Para alimentar una placa calefactora a 220 Voltios, 7,200 Vatios de potencia, que se encuentra situada a 20 metros de la fuente, se dispone de un

⎡ Ω − mm 2 ⎤ ⎥ m ⎣ ⎦

conductor de cobre que tiene una resistividad de: ρ = 0.0178 ⎢

Calcular la sección del conductor, de tal forma que cumpla con la caída de tensión máxima de 1%.

Solución:

Si 100% → 220 voltios 1% → x x=

(1% )( 220 voltios ) = 2.2 voltios 100%

La placa calefactora es una resistencia pura, por lo tanto cos (ϕ ) = 1

I=


7, 200 vatios = 32.72 Amp. 220 voltios

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52

Empleando la fórmula (1.6) y reemplazando valores, se tiene

⎛ Ω − mm 2 ⎞ 2 ⎜ 0.0178 ⎟ 20 m m 2ρ LI ⎠ = ⎝ A= U AD 2.2 voltios

(

) ( 32.72 Amp.)

⎡ Ω − Amp. ⎤ 2 A = 10.59 ⎢ ⎥ ⎡⎣ mm ⎤⎦ ⎣ voltios ⎦ A = 10.59 mm 2 De la tabla 7, se obtiene el calibre comercial más próximo por encima es 13.3 mm2 que corresponde a un calibre AWG No. 6:

9.1.2. Cuando el receptor es una carga inductiva + resistiva

Cuando la carga es (RL) se cumple la siguiente fórmula

U AD = 2 RAB Icos (ϕ ) U AD

2 LIcos (ϕ ) = A A=

2 ρ LI U AD

(1.10)

(1.11)

(1.12)

Problema 7: Se desea alimentar un motor monofásico de 2,200 Vatios a 220 Voltios, con un factor de potencia de 0.6, la distancia entre la fuente y el motor es de 120 metros. El conductor usado es de cobre y la caída de tensión máxima permitida es de 5%. Hallar la caída de tensión y la sección de conductor

Cos

= 0.6


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53

Si 100% → 220 voltios 5% → x x=

( 5% )( 220 voltios ) = 11 voltios 100%

Empleando la expresión (1.8), se tiene:

I=

P 2, 200 vatios = = 16.67 Amp. U cos (ϕ ) ( 220 voltios )( 0.6 )

Empleando la expresión (1.12) se tiene:

⎛ Ω − mm 2 ⎞ 2 ⎜ 0.178 ⎟ 120 m 16.67 Amp . ( 0.6 ) m 2 ρ LI ⎠ A= = ⎝ U AD 11 voltios

(

)(

)

A = 3.88 mm 2 De la tabla 7, se obtiene el calibre del conductor más próximo a este resultado: calibre No. 10 AWG, con área de 5.25 mm2 (El calibre No. 12 AWG no cumple porque está por debajo de este resultado con un área de 3.31 mm2)

11. Empalmes Los empalmes tienen mucha importancia en las instalaciones eléctricas, debido a que en gran parte determinan el buen funcionamiento, la calidad y presentación de una instalación.

Un empalme mal realizado, puede dar origen a contacto deficiente que ocasiona calentamiento entre los conductores y si la instalación esta en mal estado o hay gases en el ambiente puede ocasionar un incendio.


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54

Por esta razón, usted como electricista deberá conocer muy bien las diversas clases de empalmes y la manera correcta de ejecutarlos.

Empalme: Es la unión entre conductores (alambres, cables) ya sea para prolongar o derivar líneas.

10.1. Empalmes entre alambres

10.1.1. Unión Western: Se usan para unir dos conductores de hasta 6 mm2, cuando se requiere prolongar uno de ellos. Se practica en instalaciones a la vista y es particularmente resistente a las acciones mecánicas. Los conductores se deben pelar en una longitud igual a 50 veces el diámetro

24

Figura 18: Unión Western

10.1.2. Unión toma sencilla o derivación en “T”: 24

Pirelli S.p.A. “Manual de Instalaciones eléctricas”


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55

Se emplea para conductores de hasta 6 mm2 cuando es necesario unir el extremo de un conductor, llamado derivado, a un sitio intermedio de otro, llamado principal. Es decir que se utiliza para suministrar energía eléctrica a un circuito ramal desde uno principal. Los conductores se deben pelar en una longitud igual a 50 y 10 veces su diámetro. Se practica en instalaciones al a vista.

Figura 19: Derivación en “T”

25

10.1.3. Unión cola de rata: Se realiza con dos o más conductores y se utiliza para prolongar o derivar líneas en las instalaciones eléctricas. No soporta tensiones mecánicas, por eso se efectúa principalmente dentro de cajas metálicas en instalaciones en conductos. Los conductores se deben pelar en una longitud igual a 20 veces su diámetro.

25

SENA- Formación abierta y a distancia, electricidad básica


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56

10.1.4. Unión toma doble: Este empalme es utilizado para derivar dos conductores de un mismo punto de uno principal.

10.1.5. Unión toma anudada: Se usa lo mismo que la unión toma sencilla, la deferencia esta en que la derivación es más segura. Se la llama también toma de seguridad. Se utiliza cuando es necesario que el empalme tenga una gran resistencia a la tensión mecánica.


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57

Figura 20: Derivación en “T” anudada

26

10.1.6. Unión toma doblada: Esta unión se utiliza cuando al final de una línea necesitamos hacer una última derivación. Esta unión realiza un buen contacto eléctrico y presenta buena resistencia a la tensión mecánica. También es muy utilizado cuando se desea unir dos cables de diferente sección, por ejemplo un alambre No. 8 A.W.G y otro No. 16 A.W.G. Donde el alambre grueso va doblado sobre el arrollamiento delgado.

Figura 21: Unión toma doblada


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10.2. Empalmes entre cables

10.2.1. Unión para prolongación de cables gruesos: Para prologar cables gruesos se entrelazan los conductores. Cuando la prolongación se realiza en cables dúplex se efectúan dos uniones Western separadas un espacio entre si. Esta unión consiste en prolongar una línea cuando no alcanza un solo cable a cubrir una distancia entre dos puntos a conectar. Tiene la característica de soportar fuerte tracción mecánica y asegurar un buen contacto eléctrico. En las siguientes figuras se ilustran los pasos a seguir para la realización de esta prolongación, hasta llegar al empalme definitivo, como se muestra en la figura. Cuando se debe efectuar un empalme con cables gruesos los pasos a seguir son: Paso 1: Pelar las puntas en una longitud igual a 20 veces su diámetro. Luego se ata un alambre fino en la longitud pelada de cada cable a una distancia del aislante igual a10 o 15 veces el diámetro del cable. Luego se abren y enderezan los alambres y se corta el alambre central de cada uno de los cables, junto a la atadura

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Paso 2: Arrolle los alambres; quite la atadura de uno de los cables, enfrente los cables entrecruzando los alambres abiertos y se arrolla en espiras en sentido contrario al del cableado del conductor del que se quitó la atadura.

Paso 3: A continuación se quita la otra atadura y se enrollan los alambres del otro lado, igual que en el paso anterior

Paso 4: Se afirman los arrollamientos son alicates y se rematan los extremos, hasta que queden como en la figura siguiente, evitando que queden puntas que puedan perjudicar el aislamiento con cinta

Figura 22: Prolongación de cables gruesos pasos 1, 2 y 3

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10.2.2. Unión para prolongación de cables delgados:

La unión de estos alambres debe efectuarse en forma escalonada para evitar cortocircuitos. Para derivar cable dúplex se realizan dos empalmes toma sencilla, separados uno del otro.

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Figura 23: Prolongación de cables delgados

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10.2.3. Derivación entre cables gruesos: Se utiliza cuando se desea derivar un cable grueso de otro principal, los pasos se describen a continuación

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Figura 24: Derivación de cables gruesos

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10.2.4. Derivación entre cables delgados: Este empalme se utiliza cuando una instalación con cable duplex se desea derivar una línea. Primero se quita el aislante al conductor principal en forma escalonada, una distancia igual a 15 diámetros. Luego se hace una derivación, como ya se explicó, con el segundo conductor sobre cada parte del conductor desnudo, como se muestra a continuación.

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Figura 25: Derivación de cables delgados

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10.3. Empalmes entre cables y alambres

10.3.1 Derivación cable – alambre (Unión toma enrollada): Para efectuar la conexión entre dos conductores gruesos, un alambre y un cable, se juntan los dos conductores y luego se enrollan con un conductor más delgado. Cuando se requiere realizar una conexión final entre un cable y un alambre se enrolla el cable sobre el alambre y luego se dobla este sobre el arrollamiento. Este

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empalme se efectúa de este modo, debido a la dificultad que presenta el alambre a ser enrollado sobre el cable debido a su grosor.

10.3.2. Unión sujetadora: Se utiliza para la unión final entre dos conductores, por ejemplo, un cordón y un alambre sólido, o un duplex y un alambre; o también cuando los conductores son dos alambres y sus secciones transversales son diferentes.

Figura 26: Unión sujetadora

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10.4. Conectores: Son dispositivos mecánicos que evitan las soldaduras, son de varios tipos, a continuación se describes los más utilizados en instalaciones eléctricas:

10.4.1. Conector tipo Wirenut: Se hace una cola de rata y se introduce dentro del conector, el cual tiene una rosca cónica, que al darle vueltas sobre los conductores, hace que se aprieten 32



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firmemente. Se aplica especialmente a conductores rígidos. Como se muestra en la figura siguiente. Este tipo de conector se fabrica de baquelita o cerámica, por esta razón tiene la ventaja de no requerir cinta aislante.

Figura 27: Conector

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tipo Wirenut

10.4.2. Anillo de compresión: Similar al anterior, pero en este caso el conjunto de anillo y conductores se remacha, dando lugar a una conexión firme. No soporta tensiones mecánicas. Este conector requiere herramienta especial para efectuar el ponchado o remache.

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Figura 28: Anillo de compresión

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10.4.3. Conectores de prolongación: Como su nombre lo indica, prolongan las líneas eléctricas, y están formados por un cuerpo de baquelita o porcelana dentro del cual se alojan los contactos y tornillos que pueden ser de bronce o cobre.

Figura 29: Conector de prolongación

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10.4.4. Conectores de derivación:

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Como el de la figura siguiente, se emplean en instalaciones a la vista con prensahilos. También se conocen como “conector de tornillo partido”

Figura 30: Conector de derivación, o de tornillo partido

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10.4.5. Terminales: Pueden ser soldados o no soldados, algunos de los no soldados más utilizados son:

10.4.5.1. Terminales a presión: Generalmente se denominan “orejas” (lugs), proporcionan un método rápido y satisfactorio para hacer uniones en aquellos casos que no se existan esfuerzos mecánicos.

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Figura 31: Terminal de presión

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10.4.5.2. Terminales de sujeción por tornillo: Pueden ser sencillos o dobles, según acepten uno o dos conductores

Figura 31: Terminal de sujeción

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La abrazadera del centro de la figura anterior, es un caso particular de los terminales no soldables, se utiliza para hacer conexiones a tierra, las mordazas se diseñan para mantener el contacto y el alineamiento entre el alambre y la varilla de tierra. El conector de la derecha de la figura anterior, es una versión dual, que se utiliza para hacer conexión entre conductores de aluminio y cobre.

11. Estañado de empalmes:

Los alambres de cobre pueden estar estañados para evitar la oxidación y facilitar la soldadura. El objeto de la soldadura es unir piezas metálicas. Consiste en calentar hasta la fusión los bordes a través de los cuales han de unirse las piezas, después de que 37


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se solidifiquen juntos, de tal manera que el conjunto así formado puede ser considerado como una sola pieza. Cuando no se calientan los conductores suficientemente los metales no se funden.

11.1. Soldadura blanda: En la cual se emplea como material de aportación varillas de aleación de Plomo y Estaño en distintas proporciones, a esta soldadura se le conoce como soldadura de Estaño.

Figura 32: Soldadura de estaño, tipo carrete y barra

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La soldadura usada para estañar o soldar conductores o empalmes, consiste en una aleación de plomo y estaño que contiene hasta un 80% de estaño. Estas aleaciones se presentan en forma de barras de 35 centímetros de largo o de alambres con núcleo de resina llamada soldadura tubular.

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Los carretes tienen indicada los porcentajes de estaño que contiene la aleación. Por dicho porcentaje se les denomina comercialmente. Solamente debe emplearse soldaduras con un 40% de estaño como mínimo. El estaño con núcleo de resina contiene interiormente el fundente o desoxidante.

TABLA 10: APLICACIÓN DE SOLDADURA PORCENTAJE

PORCENTAJE

DE

DE

ESTAÑO

PLOMO

ESTAÑO

TEMPERATURA DE

PLOMO

APLICACIÓN

FUSIÓN ALEACIÓN

33 %

67 %

250 °C

50 %

50 %

215 °C

SOLDADURAS EN CABLES, TERMINALES Y MANGUITOS SOLDADURA EN ALAMBRES Y TERMINALES PEQUEÑOS

11.2. Condiciones de aplicación

Para tener una buena soldadura los elementos a soldar deben estar limpios. De evitarse todo indicio de suciedad, polvo, óxidos, etc. Que deberán eliminarse mediante un ligero raspado con ayuda del cuchillo de electricista.

Una vez limpia la parte a soldar se aplica un desoxidante o fundente que se encarga de disolver el oxido que siempre hay sobre el metal y hace que la soldadura “corra” y sea un metal fácilmente. La adherencia del estaño sobre el material a soldar no es posible sin el empleo del desoxidante fundente. Para el estañado en cobre, latón, bronce y hojalata el desoxidante puede ser la resina común llamada también pasta.


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11.3. El desoxidante más utilizado es la resina

Figura 33: Desoxidante tipo resina, para soldadura de estaño

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Se debe utilizar pasta que no contengan óxidos y sales corrosivos, pues debilitarían los conductores.

La sal de amoníaco se usa para limpiar la punta del cobre de los soldadores.

Aplicado el fundente sobre el empalme se calienta la unión con la ayuda del soldador debiendo estar este estañado y caliente, caso contrario la soldadura se fundirá muy lentamente y se hará pastosa en lugar de correr fácilmente, obteniéndose un trabajo defectuoso.

Se aplica soldadura en pequeña cantidad y se deja correr sobre la parte superior dejándola fluir.

Después se separara rápidamente el soldador y se pasa un trozo de tela suavemente por la superficie soldada con la cual eliminan las pequeñas gotas de soldadura sobrantes y que la pasta desoxidante. 40



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11.4 Dispositivos de calentamiento (cautines): Para elevar la temperatura del conjunto a soldar y fundir el material de aportación se

emplean

corrientemente

algunos

dispositivos

llamados

comúnmente

soldadores.

Los soldadores son herramientas que se usan para efectuar soldaduras con estaño en conductores eléctricos de cobre.

La cabeza de cobre del soldador debe calentarse un poco más del punto de fusión del estaño (232 oC). No es conveniente que el soldador este demasiado caliente o con calor insuficiente ya que en el primer caso la fusión del metal se realiza demasiado rápido mientras que en el segundo es deficiente y se mezcla con dificultad en los hilos del cable.

11.5 Cautines:

Según el método de calentamiento se clasifican en: j Cautín de llama o peña j Soldador eléctrico j Pistola eléctrica de soldar j Soldador e crisol o caldero

11.5.1. Cautín de llama:

El Cautín de llama esta compuesto de una pieza de cobre generalmente en forma de cuña, debido a su forma también se le llama de peña, va fijado a una varilla de hierro con un mango aislante del calor.


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La pieza de cobre puede tener también la forma cilíndrica

Figura 34: Cautín de llama o de peña

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Las paredes de un Cautín de llama o peña son: j La punta de cobre j El cuerpo de hierro u otro metal j El mango aislante del calor

El calentamiento de un Cautín de llama se realiza por medio de un soplete a gasolina. Directamente en la fragua, en un soplete de combustible gaseoso u otro procedimiento.

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Figura 35Soplete a gasolina

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11.5.2 Soldador eléctrico: Consta de un cuerpo metálico donde se aloja una resistencia cilíndrica hueca cubierta de material refractario en cuyo interior queda aprisionada una punta de cobre que se calienta por efecto de la resistencia y hace fundir la soldadura del estaño. La resistencia esta alimentada eléctricamente por dos conductores que pasan por el interior del cuerpo metálico o tubo que sirve de unión entre el cuerpo y un mango de madera u otro material aislante de calor, para empuñarse sin dificultad. Del mango sale un cordón flexible para la conexión eléctrica al toma – corriente. La siguiente figura muestra un tipo de soldador eléctrico muy común. 42



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Figura 36: Soldador eléctrico tipo resistencia eléctrica

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Las puntas de cobre pueden tener diversas formas, como se muestra en la figura.

Figura 37: Puntas de cobre para soldador eléctrico

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A medida que aumenta el tamaño de la pieza a soldar, hay que usar cautines más grandes o sea de mayor potencia. En electricidad son muy utilizados los cautines de 100W, 350W y 500 Watios. Los

soldadores

modernos

tienen

un

interruptor

térmico

que

conecta

automáticamente la resistencia cuando el calor sea el adecuado. 43


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11.5.3. Pistola de soldar También llamada soldador de calentamiento instantáneo, emplea para su funcionamiento un transformador, el cual eleva a un calor considerable la corriente que, por este efecto se calienta la punta de cobre. Este tipo de soldador solo se pone en funcionamiento cuando ha de efectuarse la soldadura, por lo que, para evitar enchufar y desenchufar posee un interruptor pulsador en forma de gatillo (vea la figura siguiente).

Las ventajas sobre el

soldador eléctrico es que tiene un calentamiento rápido y no consume energía entre una soldadura y otra, ya que en el soldador eléctrico convencionalmente es muy molesto el conectar y desconectar continuamente.

Un inconveniente del

soldador de pistola es un excesivo peso que le hace muy poco maniobrable. Las potencias normales de la pistola son de 80 W, 100 W, 150 W y 300 W.

Figura 38: Soldador eléctrico tipo transformador, o pistola de soldar

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Las partes del soldador en pistola son: j La punta j El cuerpo donde se aloja el transformador j El interruptor del gatillo j El mango j El cordón de alimentación

11.5.4. Soldador de crisol o caldero Consta de un crisol metálico fabricado generalmente de un trozo de tubo galvanizado al que se le ha taponado un extremo. Este crisol va articulado a una pieza metálica de tal forma que quede basculante y en el otro extremo la pieza lleva un mango de madera u otro material manipulado. En su interior se echan trozos de estaño, se calienta el crisol con ayuda de una llama que puede ser de un soplete, fragua, estufa, etc., y cuando el estaño esta liquido se sumerge en este la unión.

Figura 39: Soldad de crisol o caldero

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11.5.5. Cables para media y alta tensión

Conductor para tensiones entre 5 kilovoltios y 69 kilovoltios

Partes fundamentales de un conductor de media tensión j Conductor j Pantalla del conductor j Aislamiento j Pantalla semiconductora j Pantalla metálica j Cubierta exterior

En el interior de un cable de media y alta tensión existen grandes esfuerzos eléctricos provocados por los intensos campos eléctricos. Líneas equipotenciales son puntos en los cuales se tiene el mismo potencial eléctrico. Donde existe mayor concentración de líneas de fuerza hay mayor esfuerzo del voltaje para el material aislante. En los conductores de alta tensión este fenómeno se corrige colocando una cinta de material semiconductor sobre el conductor; dando como resultado esfuerzos uniformes sobre los materiales aislantes


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AISLANTE PANTALLA SEMICONDUCTORA

CONDUCTOR PANTALLA CONDUCTORA

CUBIERTA EXTERIOR

Figura 40: Cable de media tensión. Vista de frontal

CUBIERTA EXTERIOR PANTALLA CONDUCTORA AISLANTE PANTALLA SEMICONDUCTORA CONDUCTOR

Figura 41: Cable de media tensión. Vista de perfil


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A medida que se aleja del conductor el gradiente de potencial decrece. Es decir los esfuerzos son cada vez menores que en las partes interiores. En otras palabras el aislamiento tiene como función además de absorber el campo eléctrico confinar la corriente. La función fundamental de las partes del cable de media tensión es la de controlar los esfuerzos del campo eléctrico. Un parámetro importante de aislamiento es la rigidez dieléctrica

Rigidez dieléctrica: Es el máximo voltaje que puede soportar el material aislante antes de que se perfore.

RD =

Kilovoltios milímetro

(1.13)

Cables ACSR: Son cables de aluminio con alma de acero, usados en redes aéreas de distribución primaria. TABLA 11: RESISTENCIA ELÉCTRICA C.A. Y REACTANCIA INDUCTIVA PARA CALES ACSR, INSTALACIÓN DE CORRIENTE ALTERNA TRIFÁSICA A 60 HZ Y 75 ºC CALIBRE AWG / KCMIL

CODIGO

RESISTENCIA A

REACTANCIA INDUCTIVA

LA CORRIENTE

XL ( OHMIO/ KM)

ALTERNA

CONFIGURACIÓN

CONFIGURACIÓN

R ( =OHMIO/ KM)

TRIANGULAR

PLANA

4

SWAN

1.653

0.452

0.465

2

SPARROW

1.040

0.435

0.447

1/0

RAVEN

0.654

0.417

0.430

2/0

QUAIL

0.519

0.409

0.421

4/0

PENGUIN

0.327

0.391

0.404

266.8

PARTRIDGE

0.263

0.364

0.377

334.6

LINNET

0.209

0.355

0.368

Tabla extractada de la revista de CENTELSA


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Figura 42: Configuración de cables ACSR para distribución primaria 47

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Boletín técnico CENTELSA – Marzo de 2005


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Bibliografía: j Boletín técnico de CELTELSA. Junio de 2004 j Boletín técnico de CELTELSA. Marzo de 2005 j Pirelli S.p.A. “Manual de Instalaciones eléctricas” j Ramírez, José Leonardo. “Electricidad básica” Unidad de extensión académica – Instituto tecnológico Metropolitano. Medellín. j Documento técnico “tpc196spw.pdf” – Cables de alta temperatura de www.tpcwirw.com (consultada el 26 de noviembre de 2005)


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Conductores eléctricos y empalmes.pdf

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