ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR INGENIEROS INDUSTRIALES
DE
DISEÑO Y CALCULO DE INSTALACIONES ELÉCTRICAS
Adenda 2016 – 2017
GR_DYCIE_ADENDA Rev 7_2016
GRADO EN INGENIERÍA ELÉCTRICA
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DISEÑO Y CÁLCULO DE INSTALACIONES ELÉCTRICAS Curso 2016 – 2017
ÍNDICE 1
LÍNEAS ELÉCTRICAS DE DISTRIBUCIÓN ................................................................................. 5
1.1 PARÁMETROS Y MODELOS DE LAS LÍNEAS: PARÁMETROS DISTRIBUIDOS Y MODELO DE LÍNEA MEDIA Y CORTA. .......................................................................................................................... 5 1.2 CÁLCULOS ELÉCTRICOS DE LAS LÍNEAS................................................................................................5 1.2.1 CÁLCULO DE LA SECCIÓN DEL CONDUCTOR: CRITERIO TÉRMICO Y DE CAÍDA DE TENSIÓN Y ENERGÉTICO ............................................................................................................................................................ 5 1.2.2 CÁLCULO ELÉCTRICO DE LOS DIFERENTES TIPOS DE REDES DE DISTRIBUCIÓN EN BAJA Y MEDIA TENSIÓN ........................................................................................................................................................ 9 1.2.3 CÁLCULO DE LA SECCIÓN PARA SOPORTAR LAS CORRIENTES DE CORTOCIRCUITO................ 9
1.3 CÁLCULOS MECÁNICOS DE LAS LÍNEAS DE BT ..................................................................................9 1.4 INSTALACIÓN DE LA LÍNEAS ELÉCTRICAS ........................................................................................ 10 1.4.1 CRUZAMIENTOS Y PARALELISMOS EN LÍNEAS AÉREAS Y SUBTERRÁNEAS............................... 10 1.4.2 CANALIZACIONES INTERIORES: TUBOS Y CANALES PROTECTORAS ............................................. 10
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CENTROS DE TRANSFORMACIÓN ............................................................................................ 13
2.1 2.2 2.3 2.4
CÁLCULOS ELÉCTRICOS DE UN C.T. ...................................................................................................... 14 CÁLCULO DE LOS AISLADORES Y EMBARRADO .............................................................................. 14 CÁLCULO DE LA VENTILACIÓN ............................................................................................................... 15 INSTALACIÓN DE PUESTA A TIERRA ................................................................................................... 15
2.4.1 Puesta a tierra de las masas del C.T. ............................................................................................................... 16 2.4.2 Puesta a tierra del neutro de la red de alta tensión que alimenta al centro de transformación ........................................................................................................................................................................................ 16
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INSTALACIONES DE ENLACE ..................................................................................................... 18
3.1 PREVISIÓN DE CARGAS DE UN EDIFICIO ............................................................................................ 18 3.2 CALCULO DE LA INSTALACIÓN DE ENLACE: CGP, LGA Y DI....................................................... 18 3.3 CÁLCULO DE LA PUESTA A TIERRA ...................................................................................................... 18 3.3.1 Sistemas de puesta a tierra independientes ................................................................................................ 19 3.3.2 Separación entre las tomas de tierra de la instalación y del centro de transformación ........... 21
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INSTALACIONES INTERIORES ...................................................................................................24
4.1 CÁLCULO ELÉCTRICO DE INSTALACIONES EN EDIFICIOS DE VIVIENDAS ......................... 24 4.2 INSTALACIONES INDUSTRIALES ............................................................................................................ 24 4.3 INSTALACIONES ESPECIALES .................................................................................................................. 24 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4
INSTALACIONES TEMPORALES Y DE OBRAS ............................................................................................. 24 INSTALACIONES DE EMERGENCIA ................................................................................................................. 24 INSTALACIONES EN LOCALES CON RIESGO DE INCENDIO Y EXPLOSIÓN .................................... 25 INSTALACIÓN DE PARARRAYOS ...................................................................................................................... 25
4.4 INSTALACIONES DE ALUMBRADO......................................................................................................... 25 4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.4.4 4.4.5 4.4.6
CONCEPTOS BÁSICOS ........................................................................................................................................... 25 FUENTES DE LUZ, LUMINARIAS Y EQUIPOS ASOCIADOS ..................................................................... 30 PROYECTOS E INSTALACIONES DE ALUMBRADO INTERIOR ............................................................. 30 PROYECTOS E INSTALACIONES DE ALUMBRADO EXTERIOR ............................................................ 34 ALIMENTACIÓN Y CONTROL DE LA INSTALACIONES DE ALUMBRADO ....................................... 41 REQUISITOS DE EFICIENCIA ENERGÉTICA EN RELACIÓN CON EL ALUMBRADO INTERIOR Y EXTERIOR .................................................................................................................................................................. 41
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1 LÍNEAS ELÉCTRICAS DE DISTRIBUCIÓN Aunque este capítulo de la asignatura se denomina de igual forma que el capítulo 1.1 del temario de la asignatura “INSTALACIONES ELÉCTRICAS DE BAJA Y DE MEDIA TENSIÓN” de 2º curso, su contenido es diferente ya que en la asignatura anterior, el contenido era descriptivo de lo que se consideran las líneas eléctricas de distribución, su utilización y sus componentes principales pero en el caso de esta asignatura, se tratará con profundidad el modelo matemático más simple para los cálculos de la línea, la metodología para los cálculos de las líneas eléctricas de media y de baja tensión y los requisitos para la instalación de las mismas.
1.1 PARÁMETROS Y MODELOS DE LAS LÍNEAS: PARÁMETROS DISTRIBUIDOS Y MODELO DE LÍNEA MEDIA Y CORTA. Ver apartado 2.3 del libro de Barrero (texto base #2). Es importante que se estudien bien los parámetros de las líneas y en particular el “modelo de línea corta” que será el más utilizado en las instalaciones de distribución (fundamentalmente en BT y también en MT). No obstante, conociendo las suposiciones tenidas en cuenta para este modelo, se podrán conocer las que no se pueden considerar en otros casos como son las líneas de mayor longitud o de tensión asignada superior. En asignaturas posteriores, se tendrán en cuenta otros modelos para los cálculos de las redes de transporte.
1.2 CÁLCULOS ELÉCTRICOS DE LAS LÍNEAS 1.2.1 CÁLCULO DE LA SECCIÓN DEL CONDUCTOR: CRITERIO TÉRMICO Y DE CAÍDA DE TENSIÓN Y ENERGÉTICO El cálculo de la sección de los conductores de las líneas eléctricas en instalaciones de baja y de media tensión, tiene una gran importancia desde el punto de vista técnico y económico. De la sección de los conductores depende por una parte, su coste (el precio del cobre ha alcanzado últimamente valores muy elevados) lo que es un aspecto de gran importancia en cualquier instalación eléctrica y por otra, la resistencia eléctrica al paso de la corriente, de la cual depende la energía perdida por efecto Joule (calor) y la caída de tensión que se produce a lo largo de la línea, que puede influir de una manera significativa en el funcionamiento de los receptores de la instalación. Además, la sección de los conductores deberá ser adecuada a la intensidad de corriente prevista para los mismos y suficiente para que no se provoque un aumento de temperatura en los conductores que lleven a una situación peligrosa provocada por las corrientes de cortocircuito debidas a un defecto y que son de elevado valor. Los criterios determinantes para el cálculo de las secciones de los conductores son fundamentalmente técnicos y se basan en calentamiento de los conductores (criterio de la capacidad térmica o densidad de corriente), en el de caídas de tensión producidas (criterio de caída de tensión) y en la capacidad de soportar corrientes de cortocircuito (criterio de corriente de cortocircuito). Para este capítulo de la asignatura se tomará como referencia el texto base #1, en sus apartados 2.1 para las nociones generales de cálculo de la sección de los conductores, el UNIVERSIDAD NACIONAL DE EDUCACIÓN A DISTANCIA
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|ADENDA DE LA ASIGNATURA apartado 2.2 para la aplicación del criterio de capacidad térmica o densidad de corriente, el apartado 2.3 para la aplicación del criterio de caída de tensión y el 2.15 para la aplicación del criterio de corriente de cortocircuito. De forma complementaria también se tendrá en cuenta lo indicado en el apartado 2.6 del texto base #2 para los cálculos de la secciones de los conductores según los criterios mencionados anteriormente. Es importante que el alumno realice los ejercicios propuestos en los apartados correspondientes pues se explican muy detalladamente la utilización de las tablas de intensidades admisibles y de los diferentes factores de corrección por condiciones de instalación. En lo relativo a instalaciones interiores, en el texto base #1 se han tenido en cuenta la nueva edición de la norma que contempla las intensidades admisibles de los conductores aislados cuyos valores pueden llegar a ser ligeramente diferentes a los indicados en el REBT. Adicionalmente al texto docente propuesto y como complemento se recomienda revisar, junto con los ejemplos de aplicación, el Anexo a las guías de aplicación del REBT correspondiente a los cálculos de caídas de tensión, que puede encontrarse en el siguiente enlace: http://www.f2i2.net/Documentos/LSI/rbt/guias/guia_bt_anexo_2_sep03R1.pdf No obstante a lo anterior, la sección resultante de la aplicación de los criterios reglamentarios expuestos anteriormente (capacidad térmica, caída de tensión, capacidad de soportar cortocircuitos) no siempre es la sección más económica desde el punto de vista de la explotación de la instalación, pues en algunas ocasiones, aumentar la sección para reducir pérdidas puede resultar, a lo largo de la vida de la instalación, más beneficioso económicamente. Actualmente con el cambio de mentalidad y los nuevos criterios de ahorro de energía, es posible y a veces necesario, evaluar y cuantificar la reducción de las pérdidas de energía que se producen en los cables de las instalaciones, simplemente por no tener en cuenta el efecto de la componente resistiva de los mismos. Este criterio consiste en evaluar la energía perdida por efecto Joule en la instalación a lo largo de su vida útil. El análisis de este problema de optimización de la instalación puede realizarse con más o menos profundidad y con métodos más o menos complejos, pero para una adecuada comprensión de la situación, se van a realizar unas cuantas suposiciones que podrán o deberán revocarse en función de las necesidades. Por ejemplo, actualmente el precio del cobre esta variando de manera brusca y significativa pero para el cálculo se puede suponer un coste por longitud y sección representativo del cable seleccionado; así mismo el precio de la energía eléctrica está sufriendo incrementos sustanciales en cortos espacios de tiempo que deben tenerse en cuenta realizando alguna proyección y por último, el precio del dinero, que aunque últimamente está bastante fijo, no está exento de variaciones. Estos dos últimos costes se consideran constantes a lo largo de la explotación de la instalación. Finalmente otra de las suposiciones que se han realizado es considerar la resistencia del conductor como constante cuando no es así, puesto que un conductor menos cargado se calienta menos y su resistencia es menor que la de un conductor muy cargado y por tanto a alta temperatura. La energía perdida por efecto Joule en una línea eléctrica representa un gasto anual de G1 que disminuye con el aumento de la sección ya que con dicho aumento disminuiría el valor de la resistencia y por lo tanto de las pérdidas. Por otra parte, el coste de la línea, tanto por el coste
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DISEÑO Y CÁLCULO DE INSTALACIONES ELÉCTRICAS Curso 2016 – 2017 del cable (más cobre) como por su instalación (transporte y tendido más caros al tener más volumen y más peso), aumenta con la sección de los conductores, lo que supone otro gasto anual G2 si consideramos los intereses del capital invertido y su amortización (gasto financiero). Para tener en cuenta estas dos tendencias opuestas, será necesario realizar un cálculo de los conductores de modo que la suma de los gastos anuales, originados por uno y otro concepto sean los menores posibles, pudiendo de esta forma utilizar el criterio económico para la selección de la sección de una determinada línea cuando el resto de criterios técnicos convencionales puedan resultar equivalentes. Según lo que se ha especificado y haciendo algunas suposiciones de cálculo que simplifican el planteamiento y la resolución del problema vamos a determinar la sección más económica que resulta de seleccionar una sección de conductor que minimice los costes de la instalación así como las perdidas por efecto Joule a lo largo de la vida útil de un conductor. El gasto anual G1 viene expresado por la energía por su coste, es decir: G1=Energía
perdida por efecto Joule (kW-h) x coste energía (€/kW-h)
1 2 2 1 =
o lo que es lo mismo:
=
ρ
Donde n = número de conductores de la línea, I = intensidad de corriente prevista de cada conductor, L = longitud de la línea, t = horas de utilización por año de la instalación a la corriente I , C w = valor en € de cada kW-h Por otro lado el gasto anual G 2 se compone de dos sumandos, el gasto anual G 21 que se puede considerar independiente de la sección de los conductores y que lo integran el coste de la instalación o tendido de la línea (apoyos, zanjas, mano de obra, permisos, etc) y otro gasto anual G22 que representa el coste de los conductores que lógicamente es proporcional a la sección. Ambos son proporcionales a la longitud de la línea L. Si el primero de ellos se divide por la longitud de la línea, se obtiene el coste por unidad de longitud C y si el segundo se divide por la longitud de la línea y por la sección total del conductor ( S.n), se puede considerar el gasto financiero (interés y la amortización del capital necesario para la construcción de la línea), como un gasto anual proporcional a la suma de ambos, de tal forma que:
2 21 22 21 22 ∙ =
= (
+
)
+
Siendo a, la anualidad necesaria para amortizar este capital en un número de años y con una determinada tasa de interés. El gasto total anual G será, por tanto:
2 1 2 ∙ ∙ ∙ 21 22 ∙ =
+
=
ρ
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+ (
+
)
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Para ver cuál sería la sección más económica que hace mínimo este gasto total anual, se deriva el gasto G respecto la sección S y se iguala a cero, es decir:
− 22 22 2 22 =
Que puesto de otra forma,
+
ρ
= 0
=
ρ
de donde se deduce que la sección más económica es aquella que iguala los gastos anuales debidos a las pérdidas por efecto Joule, con los de interés y el capital invertido en los conductores (también llamada regla de Kelvin).
Gasto anual
Sección económica Se
Sección conductor
Figura 1 – Expresión gráfica de la regla de Kelvin Operando en la expresión anterior, se deduce que la Sección económica (S e) será:
2 � 22 =
O también utilizar la expresión anterior para determinar en cuanto tiempo se puede amortizar un aumento de sección:
2 22 2 =
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DISEÑO Y CÁLCULO DE INSTALACIONES ELÉCTRICAS Curso 2016 – 2017 En el apartado 2.6 del texto base #1 también se proporcionan fórmulas para un tipo de cálculo económico basándose en la sección más económica o la sección que para una determinada caída de tensión máxima admisible proporciona el menor volumen de cobre en la instalación.
1.2.2 CÁLCULO ELÉCTRICO DE LOS DIFERENTES TIPOS DE REDES DE DISTRIBUCIÓN EN BAJA Y MEDIA TENSIÓN Para este capítulo de la asignatura se tomará como referencia los apartados 2.4 a 2.9 del texto base #1 donde se describen los diferentes procedimientos de cálculo para líneas y redes eléctricas de baja tensión, describiendo los métodos de cálculo de los diferentes distribuidores: alimentados por un extremo, uniformemente cargado, alimentado por ambos extremos y en anillo, con un gran número de ejercicios resueltos, que se recomienda realizar para una mejor comprensión de los cálculos. Asimismo, para las líneas de baja tensión se tomará como referencia el texto base #1, en sus apartados 3.32 para líneas o redes aéreas y el apartado 4.9 para líneas o redes subterráneas. Las líneas de MT tienen prácticamente la misma consideración que las de BT salvo que el modelo de línea corta explicado inicialmente ya no resulta totalmente válido por lo que tendremos que tener en cuenta algunos aspectos que para las líneas de BT se desprecian. Este es el caso del valor de la reactancia inductiva de los conductores, que en este caso ya tiene importancia. En los apartados 2.11 y 2.12 del texto base #1 se explica con detalle estos cálculos con ejercicios resueltos sobre el cálculo de sección y de la caída de tensión en las líneas de MT.
1.2.3 CÁLCULO DE LA SECCIÓN PARA SOPORTAR LAS CORRIENTES DE CORTOCIRCUITO El criterio de corriente de cortocircuito es el que tiene en cuenta la sección del conductor atendiendo a las sobrecargas transitorias y de elevado valor que se producen en las redes eléctricas ante la aparición de defectos en las mismas y antes de que actúen los sistemas de protección que existen para su protección. Al ser el fenómeno transitorio, la elevación de temperatura permitida en el conductor es más elevada que la correspondiente a funcionamiento permanente. No obstante, para el cálculo de la temperatura que alcance el conductor, se va a considerar el proceso que se produce en el cable durante el cortocircuito como adiabático, es decir, que todo el calor que produce el elevado valor de la corriente de cortocircuito en el conductor, se convierte en aumento de la temperatura del mismo. Para este capítulo de la asignatura se tomará como referencia el texto base #1, en su apartado 2.15, complementando con los apartados 2.4 y 2.5 del texto base #2 para poder analizar los cortocircuitos y las corrientes de cortocircuito como uno de los parámetros a tener en cuenta en los cálculos de los conductores.
1.3 CÁLCULOS MECÁNICOS DE LAS LÍNEAS DE BT Los cálculos mecánicos de las líneas aéreas de MT se dejan para un estudio más profundo y en detalle en la asignatura de 3º “LÍNEAS E INSTALACIONES DE ALTA TENSIÓN” donde se
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|ADENDA DE LA ASIGNATURA abordará el cálculo mecánico de los conductores, de los apoyos y de los aisladores tanto de las líneas de MT como las de AT. Para los cálculos mecánicos, tanto de los conductores como de sus apoyos, en las líneas aéreas de BT realizadas con cables aislados, es necesario tener en cuenta algunos aspectos mecánicos de los conductores, de los apoyos y de las cimentaciones. En los apartados 3.33 a 3.36 del texto base #1 se explican estos aspectos. También en el apartado 2 de la ITC-BT-06 se contemplan los requisitos y consideraciones a tener en cuenta en el cálculo de las líneas aéreas para distribución en BT: Acciones a considerar en el cálculo, los conductores y los apoyos.
1.4 INSTALACIÓN DE LA LÍNEAS ELÉCTRICAS Un tema también muy importante en el diseño de las líneas y redes eléctricas de distribución en baja tensión es el correspondiente a la instalación de las mismas. Para considerar los aspectos de instalación, se tomará como referencia el texto base #1, en sus apartados 3.39 y 3.40 para el tendido y tensado de cables y 3.42 para la instalación de líneas aéreas de BT. Para los requisitos aplicables a la instalación de cables desnudos, se deberá tener en cuenta el apartado 3.2 de la ITC-BT-06. Para el caso de líneas y redes subterráneas se tendrá en cuenta lo indicado en los apartados 4.11, 4.12, 4.16, 4.18 y 4.19 del texto base #1 y los distintos modos de instalación se recogen en el apartado 2.1 de la ITC-BT-07.
1.4.1 CRUZAMIENTOS Y PARALELISMOS EN LÍNEAS AÉREAS Y SUBTERRÁNEAS Para el estudio de este capítulo de la asignatura se tomarán las indicaciones contenidas en el apartado 3.9 de la ITC-BT-06 y el apartado 2.2 de la ITC-BT-07 del Reglamento Electrotécnico para Baja Tensión (REBT).
1.4.2 CANALIZACIONES INTERIORES: TUBOS Y CANALES PROTECTORAS Las canalizaciones eléctricas tienen por objeto transportar y distribuir la energía eléctrica desde el principio de la instalación hasta el punto de consumo, con unas adecuadas condiciones de seguridad y durabilidad tanto de la propia instalación como para el entorno y los usuarios. Para ello se utilizan los conductores eléctricos descritos y calculados anteriormente, que se disponen en sistemas de instalación de formas muy diversas. La selección del sistema o tipo de canalización en cada instalación particular se realizará teniendo en cuenta las influencias externas a las que pueden verse sometidos los conductores y la propia instalación, entre las que se encuentran: • •
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Temperatura ambiente Fuentes externas de calor
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DISEÑO Y CÁLCULO DE INSTALACIONES ELÉCTRICAS Curso 2016 – 2017 Presencia de agua • Presencia de cuerpos sólidos • Impactos por efectos mecánicos • Vibración Otros esfuerzos mecánicos (doblado, curvado etc) • • Presencia de agentes vegetales o animales Radiación solar o viento • En la tabla 1, que se ha tomado del REBT, se indican cuales son los sistemas de instalación permitidos en las instalaciones de BT. •
Tabla 1 – Elección de las canalizaciones
Conductores y cables
Sin fijación
Sistemas de instalación Bandejas Conductos Fijación Canalesy de escalera Sobre Tubos de sección directa molduras Bandejas aisladores no circular soportes
Con fiador
Conductores + desnudos Conductores + * + + aislados Multi+ + + + + + 0 + Cables polares con Unicubierta 0 + + + + + 0 + polares + : Admitido; - : No admitido; 0 : No aplicable o no utilizado en la práctica; * : admitido en determinadas condiciones
Los métodos de instalación más habituales y permitidos por el Reglamento de Baja Tensión son: • Conductores aislados bajo tubos protectores Conductores aislados fijados directamente sobre las paredes • • Conductores aislados enterrados Conductores aislados directamente empotrados en estructuras • Conductores aéreos • • Conductores aislados en el interior de huecos de la construcción Conductores aislados bajo canales protectoras • • Conductores aislados bajo molduras • Conductores aislados en bandeja o soporte de bandejas • Canalizaciones eléctricas prefabricadas En la tabla 2, extraída del REBT, se indican los diferentes sistemas de instalación y su criterio de aceptación o no en función de cada tipo o sistema.
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|ADENDA DE LA ASIGNATURA Tabla 2. Situación de las canalizaciones
Situaciones
Sinfijación
Fijación directa
Sistemas de instalación Bandejasde Conductos Canalesy escalera Tubos de sección molduras Bandejas no circular soportes + + + +
Sobre aisladores
accesibles + + no + 0 + 0 + 0 accesibles Canal de obra + + + + + + Enterrados + 0 + + 0 Empotrados en estructuras + + + + + 0 En montaje superficial + + + + + + Aéreo (*) + + + + : Admitido; - : No admitido; 0 : No aplicable o no utilizado en la práctica; (*) : admitido en determinadas condiciones Huecos de la construcción
Con fiador 0 +
Las características de estos tubos y canales protectoras vienes descritas en la ITC-BT-21 por medio de índices que especifican diferentes características y propiedades respecto a algunas de las influencias ambientales externas descritas anteriormente. Dichas características y propiedades están a su vez normalizadas de forma que todos los fabricantes de dichas canalizaciones expresan lo mismo cuando se refieren a uno de esos índices; en particular los tubos están regulados por las normas de la serie UNE-EN 50086 y más actualmente las de la serie UNE-EN 61386. En dicha instrucción se incluyen tablas que permiten seleccionar el diámetro de los tubos en función del número, tipos y secciones de los conductores que van a contener. Cuando las secciones se hacen muy grandes o el número de conductores muy elevado, las tablas no son de aplicación y debe recurrirse a un cálculo sencillo que consiste básicamente en que la sección libre del tubo debe ser por lo menos 3 veces la sección de los conductores que contiene en su interior. Estos criterios mínimos pueden resultar algo ajustados en algunas ocasiones, por lo que es recomendable que en la práctica del montaje de las instalaciones, se recurran a valores algo superiores a los obtenidos, especialmente cuando los tramos de las canalizaciones sean largos y presenten tramos curvos o codos. El dimensionamiento de las bandejas o canales puede realizarse de una forma similar, comparando la sección útil de la bandeja o canal con la sección de los elementos que tiene que contener. Las canales y bandejas están reguladas por las normas de la serie UNE-EN 50085 y UNE-EN 61537, respectivamente. De forma general, tanto para tubos como para canales o bandejas, deben preverse posibilidades de ampliación que además de las que fijen los reglamentos específicos, no deberán ser inferiores al 25% de la sección realmente ocupada en el momento inicial del proyecto o instalación. En líneas enterradas o empotradas bajo tubo, la práctica habitual es instalar un tubo por cada circuito, dejando un tubo paralelo y vacío para futuras ampliaciones. Cuando se utilicen tubos o canales metálicas, deberá tenerse una precaución especial para incluir en su interior todos los conductores de una misma línea para que sus flujos magnéticos provocados por la circulación de la corriente se minimice puesto que en caso contrario, podrían producirse calentamientos en los tubos debidos a las corrientes inducidas.
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