Electrotecnia Instalaciones Eléctricas_1

1 INSTALACIONES RECEPTORAS

. d e v r e s e r s t h g i r l l A . a i c n e l a V e d a c i n c é t i l o P d a d i s r e v i n U a l e d l a i r o t i d E . 4 1 0 2 © t h g i r y p o C

1.-Introducción 2.-Componentes 3.-Selección de los receptores 4.-Previsión de carga 5.-Selección de los conductores 6.-Sobrecargas y cortocircuitos 7.-Protección de las instalaciones 8.-Protección de las personas 9.-Particularidades de cada instalación 10.-Proyecto de instalaciones receptoras

Catalán, Izquierdo, Saturnino. Electrotecnia: instalaciones eléctricas, Editorial de la Universidad Politécnica de Valencia, 2014. ProQuest Ebook Central, http://ebookcentral.proquest.com/lib/senavirtualsp/detail.action?docID=3221280.
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1.- Introducción

Las instalaciones eléctricas permiten la generación, el transporte, la distribución y la utilización de la energía eléctrica de forma segura y fiable. En el diseño y cálculo de las instalaciones se utilizan los conocimientos sobre Teoría de Circuitos Eléctricos y de Máquinas Eléctricas, pero, además:


•

Es nece necesa sari rio o apl aplica icarr las las norm normas as y reg regla lame ment ntos os.. En En el el ámbi ámbito to electrotécnico existen organismos específicos de normalización tales como la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) y el Comité Europeo de Normalización Electrotécnica (CENELEC). Se han promulgado Directivas Europeas cuya finalidad es armonizar tanto las instalaciones eléctricas como los dispositivos eléctricos en los países miembros de la Unión Europea. Para instalaciones en baja tensión la referencia fundamental en España es el Reglamento Electrotécnico para Baja Tensión (RBT), sus Instrucciones Técnicas Técnic as Complementarias (ITC-BT) y las normas que declara de obligado cumplimiento. Su campo de aplicación se extiende en corriente alterna hasta tensiones de 1000 V (art.2 RBT). Además, deben considerarse las regulaciones específicas de ámbito territorial más reducido (Comunidad Autónoma, Ayuntamiento) que regulan, en algunas ocasiones, aspectos específicos.

•

Los Los elem elemen ento tos, s, aun aunqu quee los los mode modela lare remo moss medi median ante te los los com compo pone nent ntes es ideales que hemos definido (R, L,C, fuentes de potencia) son reales. Los datos básicos de un elemento real son los valores nominales o asignados que aparecen en sus Hojas de Características y en su Placa de Características.

•

Es neces necesar ario io real realiz izar ar apr aprox oxim imac acio ione nes: s: por por ejem ejempl plo, o, con consi side dera rar r simplemente mediante una mayoración de la carga la existencia de armónicos debidos a cargas no-lineales o los propios transitorios de conexión de las cargas.

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3 Catalán, Izquierdo, Saturnino. Electrotecnia: instalaciones eléctricas, Editorial de la Universidad Politécnica de Valencia, 2014. ProQuest Ebook Central, http://ebookcentral.proquest.com/lib/senavirtualsp/detail.action?docID=3221280.

Electrotecnia. Instalaciones eléctricas

Instalaciones receptoras

•

Es necesario realizar estimaciones: por ejemplo, reducir mediante coeficientes de simultaneidad la carga total para tener en cuenta que todos los receptores no funcionan simultáneamente o aumentar la carga para tener en cuenta las corrientes de arranque o en previsión de futuras ampliaciones.

•

Existen multitud de condicionantes no-eléctricos, tanto técnicos como económicos o de otra índole. Por ejemplo: las características ambientales del lugar en el que se ubique la instalación (riesgo de incendio o explosión {ITC-BT 29}, la humedad elevada {ITC-BT 30}, la existencia de atmósferas corrosivas, etc), las características de utilización de la instalación (locales públicos {ITC-BT 28}, instalaciones provisionales o de obra {ITC-BT 33}, etc), la necesidad de simplificar la tipología de materiales, etc.

La consecuencia es que, a diferencia de la Teoría de Circuitos y de la Teoría de Máquinas eléctricas en la que la solución a un problema es siempre la misma aunque existan multitud de caminos para obtenerla, en las Instalaciones Eléctricas la solución casi nunca es única y, aunque existirán unas soluciones mejores que otras, varias soluciones pueden ser excelentes pero distintas.


Los conceptos generales abordados en este capítulo se aplican a todas las instalaciones receptoras independientemente de su tensión de funcionamiento. Sin embargo, aunque existen instalaciones receptoras cuyas cargas funcionan con alta tensión, en este capítulo nos centraremos fundamentalmente de las instalaciones receptoras que entran dentro del ámbito del RBT. La extensión a las instalaciones receptoras para tensiones superiores a 1000 V puede realizarse considerando los materiales y componentes que se estudian en los capítulos siguientes.

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Capítulo I. Instalaciones receptoras

Instalaciones eléctricas

2.- Componentes

Además de los receptores o cargas que son los encargados de convertir la energía eléctrica en la forma útil de energía que se requiera en cada caso (luz, movimiento, calor, etc), en todas las instalaciones eléctricas receptoras existen: •

•

•


•

Dispositivos de maniobra: Interruptores, conmutadores, automatismos {ITC-BT 17}, etc; que permiten conectar y desconectar las cargas. Dispositivos de protección: Que permiten que la instalación funcione de forma segura para los propios componentes de la instalación {ITC-BT 22 y 23} y para las personas {ITC-BT 24}. Líneas: Son los cables eléctricos1 que transportan y distribuyen la energía eléctrica, junto con las conducciones por las que discurren (bandejas, galerías, tubos, etc). Cuadros: Son los armarios o cajas en las que ubican tanto los elementos de conexión entre distintas líneas2 como los dispositivos de maniobra y los elementos de protección de las instalaciones y de las personas.

Además, normalmente, también existen elementos de control y de medida, por ejemplo: reguladores, rectificadores e inversores, contadores de energía activa y reactiva, etc.

(1)

Por cable se entiende el conjunto de uno o varios conductores eléctricos aislados con su revestimiento individual, la protección del conjunto y los revestimientos de protección adicional que se dispongan. Además puede tener uno o varios conductores no aislados.. (2)

Las líneas no pueden tener conexiones (o empalmes) fuera de los cuadros dispuestos para esta finalidad. 5




3.- Selección de los receptores

Las cargas eléctricas de una instalación receptora pueden ser de muchos tipos. Algunos muy frecuentes son: •

•


Elementos calefactores resistivos: Su potencia está determinada por la potencia calorífica requerida. Si son de escasa potencia se conectaran en forma monofásica, si son de elevada potencia se conectarán en forma trifásica. Motores: Todas sus características eléctricas (incluida su potencia) pueden estar definidas inicialmente o, en caso contrario, necesitar ser definidas a partir de los datos del elemento que deban accionar. Para esto, es necesario conocer la curva par-velocidad del elemento a accionar y los demás requisitos de funcionamiento.

El par aumenta con el cuadrado de la velocidad: Ventiladores, bombas, compresores

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El par es constante y pequeño porque la carga se aplica tras alcanzar la velocidad nominal: Prensas, taladradoras, etc . d e v r e s e r s t h g i r l l A . a i c n e l a V e d a c i n c é t i l o P d a d i s r e v i n U a l e d l a i r o t i d E . 4 1 0 2 © t h g i r y p o C

El par varía poco durante todo el arranque: Cintas transportadoras, elevadores, ascensores y grúas. 7




Par elevado durante todo el arranque, incluso sensiblemente superior al par nominal: Molinos, centrifugadoras, etc

Los motores provocan elevadas corrientes de arranque, si no se disponen sistemas de arranque que la reduzcan tales como: arrancadores suaves (reguladores de tensión que se utilizan tanto para las de continua como para las de alterna), variadores de frecuencia y arrancadores estrella-triángulo (que se utilizan para las de alterna) entre otros sistemas.


•

Elementos de alumbrado: Su potencia y ubicación está determinada en el proyecto luminotécnico. Si hay un número suficientemente elevado de lámparas se dispondrán repartidas equilibradamente en forma trifásica. Puede ser:

S

Con lámparas incandescentes o bombillas: Tienen comportamiento resistivo. La variación de la resistencia del filamento con la temperatura provoca corrientes de conexión muy superiores a la nominal durante algunos milisegundos.

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S

Con lámparas de descarga : Para funcionar requieren un conjunto de equipos auxiliares que incluyen bobinas por lo que su comportamiento es, normalmente, resistivo-inductivo. Los dispositivos de mejora del factor de potencia suelen disponerse junto a las lámparas. La mayoría de las lámparas de alta intensidad lumínica consumen una corriente de arranque superior a la nominal durante varios minutos y, además, provocan corrientes armónicas.

S

Con LED: Su comportamiento es resistivo, pero funcionan con corriente continua.

Algunas de estas cargas, para funcionar, requerirán de la utilización de convertidores, de reguladores o de transformadores que también deberán ser seleccionados.


Como los motores, las lámparas de descarga, los transformadores y las líneas consumen potencia reactiva, resulta conveniente considerar la mejora del factor de potencia de la instalación mediante baterías de condensadores. Las baterías de condensadores pueden ser fijas o regularse automáticamente para mantener un determinado factor de potencia. Pueden conectarse junto a cada uno de los receptores, centralizarse en el punto se suministro de energía a la instalación o soluciones intermedias. La existencia de receptores que provoquen corrientes armónicas puede requerir la instalación de filtros junto con las baterías de condensadores. 4.- Previsión de carga

Existen receptores cuyo consumo de potencia o de corriente, mientras se alimenten a su tensión y frecuencia nominal, es invariable (por ejemplo: las lámparas, las estufas, etc) pero también existen otros cuyo consumo depende de las condiciones de utilización (por ejemplo: el consumo de los motores depende de la carga mecánica que deban mover). El RBT indica que, independientemente de esto, para diseñar y calcular una instalación eléctrica, se asume que las cargas operarán en 9




condiciones nominales. Así, los datos fundamentales para realizar la previsión de la carga que demandará una instalación son la potencia (o la corriente) y el factor de potencia que aparecen en la placa de características de cada receptor. Estos valores de placa deben mayorarse para obtener la potencia de diseño, en el caso de:


•

Las lámparas de descarga (es decir todas excepto las incandescentes o bombillas) para tener en cuenta su corriente de arranque, el consumo de los equipos auxiliares que requieren y los armónicos que producen, conforme a la ITC-BT 44:

•

Los motores de inducción, que son los utilizados mayoritariamente, para tener en cuenta que pueden funcionar en sobrecarga normal, conforme a la ITC-BT 47:

Aunque la suma aritmética de las potencias nominales de los receptores o de las potencias mayoradas conforme al RBT proporciona una indicación rápida de la potencia instalada, no debe olvidarse que: •

La potencia nominal puede no coincidir con la potencia eléctrica absorbida. Por ejemplo, en los motores este valor es la potencia mecánica útil y en las lámparas de descarga es únicamente la potencia consumida por la lámpara, sin incluir los equipos auxiliares.

•

La potencia eléctrica absorbida es tanto potencia activa como reactiva. Si se considera la potencia aparente en conjunto, la suma deberá ser fasorial.

En general, como no todas las cargas funcionan al mismo tiempo ni a plena potencia, en las líneas que alimentan a varias cargas es posible definir factores de simultaneidad que, para el caso de instalaciones para viviendas y similares, aparecen tabulados en la ITC-BT 10, para otras

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instalaciones deben ser valorados por el proyectista 1. En esta misma instrucción se indican cargas por unidad de superficie para algunas actividades. El suministro en baja tensión se realiza en Europa, normalmente, mediante redes trifásicas con neutro (230V/ 400V ±7%, 50 Hz). Los receptores pueden ser monofásicos o trifásicos, pero su tensión y frecuencia nominales, que aparecen en la hoja de características y en la placa de características de cada receptor, deben coincidir con los valores de la red de alimentación2. Considerando la potencia eléctrica consumida, la tensión y el factor de potencia de cada receptor se determina la corriente en cada una de las líneas. A esta corriente se de denomina corriente de diseño (I B ). 5.- Selección de los conductores


Los conductores utilizados en las instalaciones de baja tensión están formados por el propio conductor (cobre o aluminio 3, en las líneas interiores y receptoras se utiliza habitualmente cobre) y por el aislante (policloruro de vinilo PVC, poliolefina Z1, etileno-propileno EPR,

(1)

Algunos valores habituales son: en alumbrado y climatización 1, en las tomas de corriente 0,1...0,2, si existe un número elevado y motores desde 0,75 hasta 0,6 si hay varios de potencia similar. .

.

(2)

Debe recordarse que en los receptores trifásicos son, normalmente, posibles tanto la conexión estrella como la conexión triángulo por lo que en la placa de características pueden aparecer dos tensiones nominales de línea y dos corrientes nominales de línea cuya relación es %3. Análogamente los receptores monofásicos pueden conectarse entre dos fases o entre fase y neutro por lo que también pueden funcionar a su tensión nominal con dos tensiones de línea. (3)

El cobre tiene menor resistividad pero es más pesado (pesa el doble para la misma resistencia), por contra el cobre permite un tendido y una conexión más sencilla en los terminales, que normalmente también son de cobre,. 11




polietileno reticulado XLPE, etc1) que lo separa eléctricamente de cualquier contacto directo con el exterior. Las líneas eléctricas se pueden instalar de diversas formas: sobre bandejas, en la superficie de la pared o empotrados en su interior, directamente enterrados, en el interior de tubos o en conductos subterráneos, etc. La forma de instalación determina en gran medida la disipación de calor que puede realizar el cable.


Algunos métodos de instalación recogidos en la norma UNE 20 460-5-523

La sección requerida se determina atendiendo a: • • •

Que presente una robustez mecánica adecuada a las condiciones de instalación. Que no se supere la temperatura máxima que puede soportar el aislante. Que no se supere la caída de tensión máxima admisible por los receptores.

(1)

El PVC ha sido, y es, extensamente utilizado, pero los otros aislantes permiten mayor temperatura de utilización (90ºC en vez de 70ºC en régimen permanente), son más robustos mecánicamente (XLPE) o más flexibles (EPR). El aislante, incluyendo las armaduras de protección mecánica que en ocasiones se le incorporan, es e l elemento que determina el campo de aplicación, las condiciones ambientales e n las que puede trabajar un conductor y las tablas de aplicaciones que facilitan los fabricantes de conductores son siempre una excelente guía.

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La robustez mecánica requerida depende de las condiciones de utilización, de que el conductor se encuentre protegido dentro de un tubo, etc. El RBT indica los valores mínimos, por ejemplo: la ITC-BT 06, para redes aéreas, y la ITC-BT 14, para la línea general de enlace, indica 16 mm2 para aluminio y 10 mm2 para cobre; la ITC-BT-09, para redes de alumbrado, indica 6 mm2 para instalación subterránea, 4 mm2 para instalación aérea y 2,5 mm2 en el interior de los apoyos. Las otras dos condiciones pueden verificarse en distintas situaciones (en el momento del arranque de los receptores, en cortocircuito, en régimen permanente, etc) el RBT considera fundamentalmente las siguientes: 5.1.- Sección requerida por calentamiento en régimen permanente


No puede superarse una temperatura máxima en el conductor en régimen permanente, que depende del aislante elegido . Esta temperatura es función de la corriente que recorre el conductor, de la temperatura ambiente y de las condiciones en las que se ha instalado el conductor 1, el RBT hace referencia a la norma UNE 20 460-5-523 en la que se encuentran las tablas en las que se indica, en función de estas variables, la corriente máxima por límite térmico que puede transportar cada conductor, incluyendo en la ITC-BT-19, para instalaciones interiores o receptoras, alguna de ellas. Cuando la temperatura ambiente esperable es distinta de la temperatura estándar para la que se ha obtenido esta tabla o cuando en la misma canalización se disponen varios circuitos y el calor generado en cada uno de ellos contribuye al calentamiento de todos, o cuando, en

(1)

El calentamiento depende de la potencia que se convierte en calor (RI2), de la resistencia térmica y de la capacidad térmica. 13




instalación subterránea, la profundidad de la instalación o la resistividad térmica del terreno son distintas de los valores estándar para los que se ha obtenido la tabla, la corriente que puede transportar el conductor es distinta de la que aparece en la tabla.


Intensidades admisibles en condiciones estándar. Para instalaciones al aire (A: en conductos empotrados, B: con tubo o canal protectora sobre una pared o techo, C: con abrazaderas sobre pared o techo , E y F: sobre bandejas perforadas o cable portador): temperatura ambiente 40 ºC. Para instalaciones subterráneas (Método D): Temperatura del terreno 25ºC, Resistividad térmica del terreno 2,5 K m /W

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Los factores por los que hay que multiplicar la corriente por límite térmico estándar (I Z0 ) que aparece en estas tablas para obtener el valor correcto (I Z ) en las condiciones reales de funcionamiento se denominan factores de corrección: . El procedimiento para determinar la sección por calentamiento parte de la corriente de diseño (I B ) que es la que demandan los receptores, incluyendo las mayoraciones. El conductor debe poder transportar una corriente (I Z ) superior o igual a esta corriente de diseño:

Pero, si las condiciones de funcionamiento no son las condiciones estándar, resulta más cómodo determinar la corriente térmica que debería poder transportar el conductor en condiciones estándar (I Z0 ). Como (I Z ) es el producto de la corriente en condiciones estándar (I Z0 ) por los factores de corrección (f corrección ) que procedan, esta corriente debe ser . Con este valor se puede buscar directamente la sección . d e v r e s e r s t h g i r l l A . a i c n e l a V e d a c i n c é t i l o P d a d i s r e v i n U a l e d l a i r o t i d E . 4 1 0 2 © t h g i r y p o C

requerida por calentamiento en las tablas. No debe olvidarse que, aunque la corriente que recorre un conductor está determinada por la que demandan las cargas que debe alimentar, incluyendo las mayoraciones que procedan, el elemento que limita la corriente que finalmente recorre un conductor es el dispositivo de protección que se instala en el origen de cada línea. En consecuencia, la sección del conductor debe también corresponderse con la corriente que permite este elemento de protección. Para lograr una coordinación sencilla con los datos de corriente que identifican a los elementos de protección, incluyendo sus tolerancias de funcionamiento, la corriente que realmente puede transportar un conductor sin deteriorarse es entre un 45% y un 30% superior a la que aparecen en las tablas 1.

(1)

45% se admite en instalaciones domésticas y similares. 30% para instalaciones industriales y similares. 15




5.2.- Sección requerida por caída de tensión

La expresión de la caída de tensión porcentual en una línea trifásica puede escribirse:

Siendo (r) y (x) su resistencia y reactancia por unidad de longitud, (l) la longitud de la línea, (I) la corriente, (U) la tensión de línea y ( n ) el factor de potencia de la carga. Teniendo en cuenta que la resistencia puede expresarse en función de la conductividad ( σ ) del conductor a la temperatura de trabajo como

, puede obtenerse directamente la

sección del conductor: x = 80 mΩ/km = 8×10-5 Ω/m


σcobre =

54 m/Ω mm2 a 20 ºC, 45 a 70º y 42 a 90º

σaluminio=

34 m/Ω mm2 a 20 ºC, 28 a 70º y 26 a 90º

Valores conforme a UNE 202002 IN

Análogamente, reemplazando( ) por (2) y la tensión de línea por la tensión monofásica, se obtiene la sección en líneas monofásicas. En ocasiones la cdt se expresa en función de la potencia. Por ejemplo, como para una línea trifásica

, se obtiene:

Y, en consecuencia la sección mínima del conductor vale:

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Esta expresión puede resolverse porque:

•

La reactancia de las líneas de baja tensión es prácticamente invariable si los conductores de cada línea se tienden próximos entre sí.

•

Es conocida la conductividad a la temperatura de funcionamiento de los conductores, hasta 70 ºC si el aislamiento es termoplástico (tipo PVC o poliolefina Z1) y 90ºC si es termoestable (tipo XLPE, EPR, poliolefina Z o silicona).

•

Las caídas de tensión máximas están reglamentariamente predefinidas en régimen permanente en la ITC-BT-19. Caída de tensión admisible con suministro en baja tensión: • hasta un receptor de alumbrado . . . . . . . . . . . # 3% • hasta cualquier otro tipo de receptor . . . . . . . # 5%


Caída de tensión admisible con CT propio (suministro en media tensión): • hasta un receptor de alumbrado . . . . . . . . . . # 4,5% • hasta cualquier otro tipo de receptor . . . . . . # 6,5% Además, en las líneas que alimentan simultáneamente motores y alumbrado es conveniente verificar que el arranque de los motores no alterará perceptiblemente el funcionamiento del alumbrado.

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5.3.- Sección del conductor neutro

En las instalaciones interiores o receptores pueden existir numerosas cargas monofásicas que desequilibren el sistema o cargas no-lineales que provoquen elevadas corrientes armónicas por el neutro. Por esto el RBT indica que, en general la sección del neutro, si existe, debe ser igual a la de las fases. Esto se aplica también a las redes de alumbrado. 5.4.- Identificación de los conductores


Los conductores de las instalaciones eléctricas tienen colores y denominaciones normalizadas que aparecen en su superficie. El color indica la función que realizan, mientras que la denominación incluye su tensión nominal, el material aislante y su aplicación característica. También es frecuente indicar la sección y la denominación comercial.

Colores normalizados . En ocasiones el color azul puede utilizarse también como conductor de fase

6.- Sobrecargas y cortocircuitos

Se dice que una línea eléctrica está sobrecargada cuando transporta más corriente (o más potencia) que aquella para la que ha sido diseñada. El efecto de las sobrecargas es un calentamiento del conductor superior al que puede resistir con seguridad. El resultado final, si la sobrecarga no desaparece, es la degradación del aislamiento del conductor y, en ocasiones, la destrucción de la línea. En las instalaciones eléctricas aparecen numerosas sobrecargas transitorias, por ejemplo en los procesos de arranque, que no provocan repercusiones porque su escasa duración y las mayoraciones reglamentarias ya las han previsto. Las sobrecargas peligrosas son las permanentes,

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bien por una utilización inadecuada de la instalación, bien por una avería. Como el calentamiento final es proporcional a I 2, de la ecuación de calentamiento del conductor se obtiene que el tiempo que puede soportar un conductor una cierta sobrecarga

es:

en la que τ es la constante de tiempo térmica del cable. El aspecto de esta curva de sobrecarga, considerando escalas logarítmicas en ambos ejes, es el que refleja el gráfico adjunto.

10000.0

1000.0

100.0

) s ( t


10.0

1.0

0.1

0.0 1

10

100

c= I / Iz

El cortocircuito (la unión directa de los conductores que se encuentran a distinto potencial) implica una corriente mucho mayor que la nominal y provoca la destrucción de los aislamientos en muy breve tiempo. En realidad, aunque la causa de las sobrecargas y de los cortocircuitos es diferente, conceptualmente un cortocircuito es, simplemente, el límite de una sobrecarga. Debe tenerse presente que, aunque los cortocircuitos y las sobrecargas mantenidas provocan daños a las instalaciones eléctricas, las consecuencias más graves aparecen cuando la elevación excesiva de 19




temperatura en los conductores origina incendios en los materiales inflamables que puedan encontrarse cerca. En consecuencia, es imprescindible disponer en todas las instalaciones eléctricas de elementos de protección de la instalación frente a sobrecargas y cortocircuitos. 6.1.- Determinación básica de la corriente de cortocircuito

Considerando la línea de baja tensión (LBT) en la que se produce el cortocircuito y el equivalente de Thévenin del resto de la red de alimentación a esta línea, se obtiene que el valor eficaz de la corriente de cortocircuito (I k ) es:


En consecuencia, la corriente de cortocircuito es menor cuanto más alejado del punto de suministro de energía se produce. Si la instalación se alimenta desde un centro de transformación, ETh es la tensión en vacío (por fase del equivalente Yy) en el lado de baja del transformador y ZTh es la suma de la impedancia del transformador y de la red que lo alimenta. La tensión de línea habitualmente considerada en vacío es (esto es, 420 V para una tensión nominal de 400 V). La impedancia de la red se expresa en forma de potencia de cortocircuito (

) por lo que vale:

y es prácticamente inductiva

(Xred/R red 10). La impedancia del transformador se obtiene de su tensión .

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de cortocircuito:

. Zc2

es mayoritariamente inductiva (Xred/R red 2..6), pero si se conocen las componentes resistiva e inductiva (uCC,R y uCC,X) pueden determinarse los valores de R c2 y Xc2. .

Scc (MVA)

R red (mΩ)

Xred (mΩ)

250

0,07

0,7

500

0,035

0,35

Z red para una tensión nominal de 400V

Si la instalación se alimenta desde un generador propio, su impedancia Thévenin es, normalmente, notablemente superior a la obtenida para un centro de transformación y la corriente de cortocircuito es pequeña. Por el contrario, si se alimenta desde la red con varios transformadores en paralelo la impedancia equivalente a los transformadores se reduce y las corrientes de cortocircuito son más elevadas.


Los efectos electrodinámicos provocados por las corrientes de cortocircuito son importantes. Por esto, tanto los conductores como las conexiones en los cuadros y en las máquinas deben fijarse firmemente. 6.2.- Poder de corte

La interrupción de las elevadas corrientes que aparecen en caso de cortocircuito no es sencilla. Se denomina poder de corte a la corriente que puede interrumpir con seguridad un elemento de protección. Para representar este concepto se utilizan diversas magnitudes: I cn (poder de corte asignado por el fabricante), I cs (poder de corte en servicio), I cu (poder de corte último) dependiendo de la norma considerada 1 y se indica habitualmente en (kA). La condición básica es que:

(1)

La UNE EN 60898 se ocupa de los IA para aplicaciones domésticas y similares. La 60947 de los IA mayores, típicamente utilizados en aplicaciones industriales. La 60269 se ocupa de los fusibles. 21




siendo IK la corriente de cortocircuito en el punto de la instalación en el que se encuentra el elemento de protección. Para reducir el poder de corte requerido, pueden coordinarse las protecciones que se encuentran en serie en la instalación para que la de mayor poder de corte limite la potencia de cortocircuito a interrumpir por la de menor poder de corte. A esta coordinación se le denomina protección en cascada o filiación. 7.- Protección de las instalaciones

En las instalaciones receptoras es necesario proteger tanto las cargas como los conductores. Las magnitudes a considerar para proteger las cargas son específicas de cada una de ellas y puede incluir la medida de la tensión para comprobar que se encuentra dentro de límites, de la simetría de las tensiones o de la corriente consumida. Para proteger las líneas es necesario garantizar que la tensión y, en especial, la corriente se encuentre dentro de límites. . d e v r e s e r s t h g i r l l A . a i c n e l a V e d a c i n c é t i l o P d a d i s r e v i n U a l e d l a i r o t i d E . 4 1 0 2 © t h g i r y p o C

7.1.- Protección frente a sobrecargas y cortocircuitos

Para proteger los conductores de las instalaciones se utilizan elementos que impiden que se supere la temperatura máxima que puede resistir el aislamiento de los conductores. Como la medida directa de la temperatura en todos los puntos de los conductores que forman una instalación eléctrica no es en general factible, en su lugar se mide la corriente que circula y el tiempo que se mantiene cada corriente porque el calentamiento de los conductores es proporcional a la corriente al cuadrado y al tiempo. Se utilizan dos tipos de elementos de protección situados normalmente en el origen (o cabecera) de cada línea: los fusibles y los interruptores automáticos (IA). Los fusibles son, en esencia, un conductor convenientemente calibrado para que sea más débil que la propia línea, protegido para que su fusión no provoque daños al exterior del fusible, e integrado en una envolvente que permite su sustitución cómoda.

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Capítulo I. Instalaciones receptoras Instalaciones eléctricas

Los interruptores automáticos están formados por un interruptor accionado por un dispositivo que mide la corriente y el tiempo. Este dispositivo puede ser electromecánico (magnetotérmico se denomina habitualmente) o, en los de mayor corriente, electrónico. En cualquier caso, tanto en los fusibles como en los IA, la curva de actuación o de disparo debe tener una forma similar a la curva de sobrecarga de los conductores a proteger. El rango de tolerancia de estos dispositivos está limitado por dos curvas, una curva por debajo de la cual nunca se produce su apertura (es la curva de no-disparo o curva nd ) y otra por encima de la cual siempre se produce su apertura (es la curva de disparo seguro o curva d ). ). Las corrientes más pequeñas que definen estas curvas para un cierto tiempo (que se denomina tiempo convencional t C ) están especificadas en las normas respectivas respecto de la I nominal (o I r si es regulable) que identifica al elemento de protección: Interruptores automáticos . d e v r e s e r s t h g i r l l A . a i c n e l a V e d a c i n c é t i l o P d a d i s r e v i n U a l e d l a i r o t i d E . 4 1 0 2 © t h g i r y p o C

Norma:

UNE EN 60898 60898

UNE EN 60947 60947

Ind/Inominal

1,13

1,05

Id/Inominal

1,45

1,3

tc

1 h si Inominal # 63 A 2 h si Inominal > 63 A

Las corrientes I nd e I d presentan valores más altos en los fusibles porque es necesario evitar el envejecimiento acelerado que, por su propio calentamiento, experimentaría con los valores que se aplican para los IA.

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Electrotecnia. Electrotec nia. Instalaciones eléctricas eléctricas

Instalaciones receptoras receptoras

Fusibles Ind/Inominal

1,25

Id/Inominal

1,6

tc

1h 2h 3h 4h

si Inominal # 63 A si 63 < Inominal # 160 A si 160 < Inominal # 400 A si Inominal > 400 A

Como la tolerancia de los IA coincide con el margen de seguridad que se ha considerado en la selección de los conductores por calentamiento, la condición básica para que un conductor cuya corriente térmica es I Z este bien protegido por un IA de corriente nominal I N es, simplemente:


En el caso de los fusibles es necesario garantizar que la corriente de disparo seguro nunca supere la corriente última (ya sin factor de seguridad) que puede llevar el conductor, esto es: . En consecuencia la corriente I N del fusible debe ser inferior al 80...90% de la I Z de conductor. Comparados con los IA, los fusibles son elementos de muy bajo coste con poderes de corte muy elevados, sin embargo presentan múltiples desventajas: son elementos de un sólo uso, en los que se protege cada fase del sistema trifásico de forma independiente (por lo que, cuando funde un sólo fusible, los receptores quedan alimentados a dos fases lo cual, de mantenerse, puede provocar averías) y presenta el peligro de que inadvertidamente inadvertidamente se le sustituya por otro que no proteja la instalación. Los fusibles fusibles se utilizan básicamente en la protección general de las líneas de baja tensión que salen de los centros de transformación y como protección de entrada de algunos receptores.

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Instalaciones eléctricas eléctricas

Los interruptores automáticos pueden ser de curva de disparo fija o permitir cierta regulación. La diferencia entre unas curvas y otras es, básicamente, la corriente a partir de la cual se considera que existe un cortocircuito y, en consecuencia, que la apertura del circuito debe ser inmediata. En los fusibles las curvas son siempre fijas. A continuación se adjuntan 3 curvas predefinidas de IA, para cada uno de los gráficos la curva superior es la de disparo seguro y la inferior la de no-disparo seguro. Debe observarse que en abscisas se representa la corriente respecto de la corriente nominal de la protección. En el caso de los fusibles se indica en abscisas directamente la corriente y cada curva corresponde a un fusible distinto. En todas las gráficas las escalas son logarítmicas en ambos ejes. Los interruptores automáticos más pequeños, con elemento de disparo magnetotérmico, suelen ser de curva fija, tal como las representadas. Para corrientes mayores, si el disparo es magnetotérmico, son de curva fija pero permite la selección de la corriente de disparo en un rango de valores. Si el dispositivo de disparo es electrónico, la curva de disparo puede programarse programarse completamente. completamente. . d e v r e s e r s t h g i r l l A . a i c n e l a V e d a c i n c é t i l o P d a d i s r e v i n U a l e d l a i r o t i d E . 4 1 0 2 © t h g i r y p o C

Curva de IA programable en cinco parámetros 25




Curva B . d e v r e s e r s t h g i r l l A . a i c n e l a V e d a c i n c é t i l o P d a d i s r e v i n U a l e d l a i r o t i d E . 4 1 0 2 © t h g i r y p o C

Curva C

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Curva D . d e v r e s e r s t h g i r l l A . a i c n e l a V e d a c i n c é t i l o P d a d i s r e v i n U a l e d l a i r o t i d E . 4 1 0 2 © t h g i r y p o C

Curvas de fusibles. I N entre 6 A y 1600 A 27




Aplicaciones habituales de cada tipo de curva fija son: •

Curva B: Instalaciones alimentadas desde un generador propio o líneas de gran longitud que producen pequeñas corrientes de cortocircuito.

•

Curva C: Uso general. Es la más habitual

•

Curva D: Líneas que alimentan motores o transformadores que consumen elevadas corrientes de arranque

Los fusibles también se fabrican con curvas distintas para cada aplicación. La curva de actuación para la protección de cables y líneas eléctricas se denomina gG. Sea cual sea el elemento de protección elegido, el objetivo es que la curva de actuación de la protección permita el funcionamiento normal de las cargas pero encontrándose siempre por debajo (menor tiempo para la misma corriente) de la curva de sobrecarga admisible por el conductor. Para los IA, conjuntando las relaciones que hemos escrito anteriormente, estas condiciones son: . d e v r e s e r s t h g i r l l A . a i c n e l a V e d a c i n c é t i l o P d a d i s r e v i n U a l e d l a i r o t i d E . 4 1 0 2 © t h g i r y p o C

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Para los fusibles debe recordarse que su I N debe ser inferior al 80...90% de IZ y que la corriente de arranque no provocará normalmente la fusión del fusible, aunque si repercute en su envejecimiento, al igual que la proximidad de la corriente de diseño I B a la I N del fusible. Además, si la fuente es un generador propio, las corrientes de cortocircuito son comparativamente pequeñas y habrá que verificar también que provocan siempre el disparo instantáneo de las protecciones. Esto también ocurre, en ocasiones, al final de líneas largas. 7.2.- Localización

Los elementos de protección se disponen en cuadros de protecciones apropiados y, como regla general, es necesario un elemento de protección frente a sobrecargas y cortocircuitos en cada punto del circuito en el que se produzca una reducción de la corriente I Z térmicamente admisible por el conductor (porque se reduzca su sección o porque cambien sus condiciones de instalación). . d e v r e s e r s t h g i r l l A . a i c n e l a V e d a c i n c é t i l o P d a d i s r e v i n U a l e d l a i r o t i d E . 4 1 0 2 © t h g i r y p o C

Obviamente, si el elemento de protección en el origen de la línea se ha diseñado para proteger la parte de menor corriente térmicamente admisible, no es necesario añadir nuevas protecciones. 7.3.- Protección frente a sobretensiones

En las instalaciones pueden aparecer sobretensiones permanentes debido a defectos en la red de alimentación o a defectos internos. El defecto que con más frecuencia provoca estas sobretensiones es la rotura del conductor neutro cuando existen cargas desequilibradas en estrella. La mejor protección frente a este defecto es el correcto proyecto, ejecución y utilización de las instalaciones, pero para protegerse de las sobretensiones permanentes que provengan del exterior pueden instalarse dispositivos que desconecten la instalación cuando la detecten. También pueden alcanzar la instalación sobretensiones transitorias debidas a descargas atmosféricas, maniobras en la red o en la propia 29




instalación, etc. La protección frente a estas sobretensiones se realiza mediante limitadores de sobretensiones situados en los cuadros de protección. 8.- Protección de las personas

Además de los incendios originados por sobrecargas o cortocircuitos en instalaciones mal diseñadas o incorrectamente mantenidas, el otro riesgo relacionado con la utilización de la energía eléctrica es el choque eléctrico o electrochoque. Los electrochoques se pueden producir por contacto directo con un elemento conductor que normalmente se encuentra en tensión (a éstos se les denomina partes activas, por ejemplo lo son las fases de una línea eléctrica). Debe tenerse en cuenta que en los sistemas eléctricos el neutro de las fuentes de potencia se encuentra habitualmente conectado a tierra1 por esto entre cualquiera de las fases (R, S, T, L1, L2, L3 o A, B, C) y el suelo (o las paredes o cualquier elemento unido al suelo o a la pared) siempre existe una tensión igual a la tensión fase-neutro. . d e v r e s e r s t h g i r l l A . a i c n e l a V e d a c i n c é t i l o P d a d i s r e v i n U a l e d l a i r o t i d E . 4 1 0 2 © t h g i r y p o C

Los electrochoques también puede producirse por contacto con una parte conductora que normalmente no debería estar en tensión pero que lo está por una avería (por ejemplo: un fallo de aislamiento que pone en tensión la envolvente metálica de una máquina), a esto se le ha denominado tradicionalmente contacto indirecto. 8.1.- Medios de protección

Los medios de protección frente a los contactos directos son simples: el alejamiento de las partes que se encuentran en tensión, bien por interposición de obstáculos, por recubrimiento con un aislante o por distanciamiento.

(1)

Los motivos por los que se realiza esto son múltiples. Un motivo evidente es que de esta forma la tensión entre cada fase y los elementos que la rodean (el suelo si la linea está enterrada, una bandeja metálica si se ha tendido en una galería subterránea, etc) está perfectamente definida: es la tensión entre fase y neutro.

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Para las instalaciones habituales de baja tensión, la resistencia de aislamiento debe ser, conforme indica la ITC-BT-19, superior a 0,5 MΩ cuando se aplica una tensión continua constante de 500 V. Además, el aislamiento debe soportar una tensión alterna , siendo U el valor eficaz de la tensión máxima que pueda aparecer con la instalación en servicio. La protección frente a los contactos indirectos, como su origen se encuentra en un fallo en el aislamiento de las partes activas (las partes en tensión) de una máquina, requiere medidas más elaboradas. El sistema de protección más utilizado consiste en la puesta a tierra de todas las envolventes y elementos metálicos que normalmente no deben tener tensión (masas se les denomina habitualmente: envolventes de las máquinas, armaduras metálicas, conducciones metálicas, etc) y la instalación de interruptores diferenciales. 8.2.- Puestas a tierra


Las puestas a tierra, tanto de neutro como de las masas, están formadas por uno o varios electrodos enterrados en el suelo ( electrodo de tierra). El electrodo más simple es una pica que es una varilla de acero de 1 ó 2 cm de diámetro y 1 o varios metros de longitud, recubierta de cobre que se clava directamente, pero también se utilizan placas enterradas, conductores enterrados dispuestos horizontalmente y formando retículas. La resistencia de difusión a tierra es la resistencia eléctrica que existe entre el propio electrodo y un punto del suelo suficientemente alejado. Para los distintos tipos de electrodos que se utilizan la ITC-BT18 indica:

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pica

conductor horizontal

placa vertical

La resistividad ( ρ ) del terreno en el que se ha enterrado el electrodo de puesta a tierra puede medirse (mediante un óhmetro especial denominado telurómetro) o estimarse a partir del tipo de terreno que se trate. En la ITC-BT-18 se indican los valores de la tabla siguiente:


8.3.- Interruptores diferenciales

Los interruptores diferenciales (o dispositivos de corriente residual) consisten, básicamente en un sumador de las corrientes que circulan por una línea eléctrica. En condiciones normales, por aplicación de la 1ª Ley de Kirchhoff, la suma de las corrientes de cualquier línea es cero, pero si aparece un fallo de aislamiento en alguna máquina (una derivación, se le denomina habitualmente), cierta corriente de fuga a tierra (representa-

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da como I fuga, I defecto o I Δ ) circulará desde la máquina hasta los generadores a través de las puestas a tierra. Como resultado la suma que mide el interruptor diferencial deja de ser cero y actúa desconectando la línea afectada1. 8.4.- Funcionamiento de la protección

En la figura se observa el equivalente de Thévenin de toda la red de suministro y la línea de baja tensión que alimenta a cierto receptor trifásico. El neutro de la fuente se encuentra conectado a tierra (puesta a tierra del neutro) mediante un electrodo de resistencia de difusión RTN . El conductor de protección que une las masas metálicas también se han puesto a tierra mediante otro electrodo de resistencia de difusión RTP . En el origen de la línea se ha dispuesto un interruptor diferencial.


Si en el receptor se produce un fallo en el aislamiento de una de las fases, circulará una corriente I fuga por el conductor de protección y a través de las puestas a tierra de protección y del neutro. La suma de corrientes que mide el interruptor diferencial es justamente esta I fuga. Si este valor supera la sensibilidad del diferencial (I Δ N ) se produce la desconexión de la línea. Existen de sensibilidad 10 mA, pero los valores habituales son 30 mA, 300 mA, 500 mA, 1A y 3 A, la desconexión puede ser instantánea o temporizada hasta 5 segundos2.

(1)

Con los sentidos que utilizamos habitualmente, en las líneas monofásicas es la diferencia entre la corriente que va por la fase y la que regresa por el neutro, en las líneas trifásicas con neutro es la diferencia entre la suma de corrientes que van por las fases y la que regresa por el neutro y en las trifásicas sin neutro es simplemente la suma de las corrientes de las fases. (2)

En instalaciones de potencia importante el elemento diferencial no dispone de interruptor propio sino que envía la orden de desconexión al interruptor automático formando un bloque interruptor automático-diferencial. Tampoco pasa directamente por su interior la corriente del circuito, la mide mediante transformadores de intensidad. 33





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En el circuito de la fase por la que circula la corriente de fuga a tierra1 puede observarse que la máxima diferencia de potencial (o tensión de contacto) que puede existir entre el suelo y las masas metálicas unidas a un conductor de protección, en una línea protegida mediante un diferencial, es:

Si se supera este valor se produce la actuación del diferencial. La ITC-BT-18 indica que la tensión de contacto no puede sobrepasar los 24 V en locales o emplazamientos conductores (instalaciones exteriores, tales como las de alumbrado público, o en condiciones de humedad) o los 50 V en los demás casos.


La corriente que recorre el cuerpo de una persona que toque la envolvente que accidentalmente se encuentra en tensión es:

Como la resistencia del cuerpo humano (R H ) a estas tensiones es, en las condiciones más desfavorables, del orden de 2500 Ω las corrientes I H no superan los 10 mA que no tienen ningún efecto peligroso. Pero, si las masas metálicas no se conectan a tierra, la tensión de contacto es prácticamente la tensión fase-neutro y, cuando alguna persona sufra un contacto indirecto, será recorrida por una corriente que, para una red de 400V, vale unos 90 mA, bien dentro de la zona peligrosa.

(1)

Despreciando la impedancia del equivalente de Thevenin de la fuente y la impedancia de la línea de baja tensión porque, normalmente, son mucho menores que las resistencias de puesta a tierra. 35




8.5.- Sección del conductor de protección

Para el conductor de protección se aplica que para secciones de fase menores de 16 mm2 , la sección del conductor de protección debe ser igual a la de las fases; para secciones de fase superiores puede ser la mitad con un valor mínimo de 16 mm 2. 8.6.- Otros sistemas

El sistema que se ha descrito se denomina TT (la primera T significa que el neutro se conecta a tierra, la segunda que las masas también se conectan a tierra) y es el más utilizado, pero no es el único. La ITC-BT24 describe otros sistemas que, en situaciones concretas, presentan ventajas frente al TT: El sistema TN (neutro a tierra, masas a neutro) permite utilizar los IA y fusibles para detectar los defectos a masa porque se manifiestan como cortocircuitos fase-neutro) y el sistema IT (neutro aislado, masas a tierra) que garantiza que el primer defecto a masa no provoca tensión de contacto en las masas pero requiere la vigilancia constante del aislamiento. . d e v r e s e r s t h g i r l l A . a i c n e l a V e d a c i n c é t i l o P d a d i s r e v i n U a l e d l a i r o t i d E . 4 1 0 2 © t h g i r y p o C

Además, existen receptores en los que la envolvente y todas las partes accesibles son aislantes, a éstos se les denomina receptores clase II y, obviamente, no se conectan al conductor de protección; los receptores con envolvente metálica, que sí deben conectarse, se denominan clase I. 9.- Particularidades de cada instalación

No debe olvidarse que, en mayor o menor medida, cada instalación presenta características particulares. Algunas están recogidas en normas y reglamento, otras quedan al buen juicio del proyectista. Por ejemplo, respecto a instalaciones de obras tanto el RBT en su ITC-BT-33 Instalaciones provisionales y temporales de obras, como la norma UNE 20 460-7-704 indican diversos aspectos específicos para este tipo de instalaciones:

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•

Una instalación de obra puede estar alimentada desde varias fuentes distintas, pero estas fuentes, y los receptores a los que alimentan, deben operar de forma independiente entre sí.

•

La tensión de contacto no puede superar 24 V en corriente alterna.

•

Todos los equipos que se encuentren a la intemperie deben tener un IP45 o superior.

•

Las tomas de corriente y los equipos portátiles deben estar protegidos mediante interruptores diferenciales de sensibilidad mejor que 30 mA o alimentarse con muy baja tensión de seguridad (<50 V en c.a).

•

Los dispositivos de seccionamiento que se sitúan en los cuadros de maniobra y protección deben poder ser bloqueados en posición abierto

•

Los cables no deberían estar tendidos en el paso de personas y vehículos, pero, si resulta inevitable, deben disponer de una protección especial contra los daños mecánicos y las colisiones con maquinaria o vehículos de obra.

•

Los cables deben ser resistentes a la abrasión y al agua. Si se instalan al exterior la cubierta debe ser de policloropreno o similar, apto para servicios móviles y tensión mínima asignada 450/750 V

•

Los tubos y demás canalizaciones deben presentar una resistencia a la compresión y una resistencia al impacto clasificada como muy fuerte conforme a UNE-EN 50.086.1

•

Deben preverse, además de los dispositivos de protección de la instalación y de las personas, medios de corte de emergencia de la alimentación. A los cuadros de protección normalizados que cumplen los requisitos específicos para obras se les denomina Conjuntos para Obras (CO) 37




10.- Proyecto de instalaciones receptoras

El diseño de una instalación eléctrica requiere el conocimiento de la localización y de las características eléctricas de las cargas. También debe conocerse el punto de acometida o suministro de energía eléctrica. La potencia total requerida determina la necesidad o no de solicitar un suministro en media tensión y, en consecuencia, de disponer un centro de transformación. El diseño incluye los siguientes pasos:


1º

Distribución en planta de las cargas y del punto de suministro

2º

Distribución de cuadros y líneas. Selección de conductores

3º

Selección de los dispositivos de maniobra y protección

4º

Optimización atendiendo a la fiabilidad de la instalación, su facilidad de mantenimiento, la flexibilidad de las ampliaciones o modificaciones, al coste de instalación y explotación, etc

La instalación eléctrica puede diseñarse con una estructura básicamente radial (o concentrada) o con una estructura básicamente ramificada (o distribuida). En una estructura radial cada receptor dispone de una línea y de protecciones propias que provienen de un cuadro general de baja tensión (CGBT), en este cuadro general se centralizan las protecciones de toda la instalación. En una estructura ramificada, del CGBT parten líneas que se ramifican sucesivamente hasta llegar a cada uno de los receptores, cada una de las ramificaciones se realiza en un cuadro secundario (CS) en el que se sitúan las protecciones de cada rama. Con la distribución radial se logra la menor repercusión de cada carga sobre otras: una avería en una de las cargas, o su transitorio de arranque, no afectará a las demás. Sin embargo, en general, requiere mayor longitud total de línea eléctrica y sitúa las protecciones alejadas

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de las cargas. En la distribución ramificada es posible minimizar la longitud de línea requerida pero son inevitables las repercusiones de unos receptores sobre otros. Para cada instalación, es posible realizar un diseño más bien radial (o centralizado) o más bien ramificado (o distribuido) y ambos, correctamente realizados, pueden resultar excelentes. Algunas reglas básicas que conviene recordar son:


•

Los circuitos de alumbrado deberían disponer de líneas propias porque su requerimiento de caída de tensión es mucho más exigente que el del resto de receptores.

•

En los cuadros secundarios conviene realizar sólo las ramificaciones a máquinas situadas próximas entre si y, preferentemente, pertenecientes al mismo conjunto de máquinas.

•

Cuando la sección requerida para alimentar un subcuadro implique colocar conductores en paralelo, debe estudiarse su separación en varios subcuadros menores.

•

Deben disponerse protecciones adecuadamente elegidas para cada máquina o conjunto de máquinas que deba funcionar independientemente de las demás.

•

El trazado de las líneas debe ser lo más corto posible, pero discurriendo por zonas en las que no sean previsibles daños sobre las canalizaciones eléctricas.

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Instalaciones receptoras 10.1.- Selectividad

Para conseguir que, en caso de fallo en una parte de la instalación, el resto no se vea afectado, es necesario obtener selectividad entre protecciones. Se dice que la protección A es selectiva frente a la protección B si, cuando ocurre un fallo en una parte de la instalación que se encuentra por debajo de B (aguas abajo de B), sólo actúa B por lo que el resto de las cargas continúan funcionando normalmente.


Este concepto es aplicable tanto a fusibles e IA como a interruptores diferenciales y se logra cuando la curva de actuación del dispositivo A se encuentra por encima (mayor tiempo de disparo) de la curva del dispositivo B. En el caso de fusibles e IA es necesario, en general, observar ambas curvas porque la corriente nominal del que se encuentra en B será menor que la del que se encuentra en A y la corriente de cortocircuito en B es también menor que en A: esto hace posible conseguir selectividad por corriente. Para los diferenciales, como la corriente de fuga a tierra que aparece en cualquier parte de la instalación es prácticamente la misma, la selectividad se logra haciendo que el tiempo de disparo del dispositivo A sea mayor que la del dispositivo B. En cualquier caso, si se requieren selectividades completas, las instalaciones deben ser más bien ramificadas que radiales o utilizar dispositivos de protección con comunicación lógica entre ellos.

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10.2.- Simbología

Para observar algunos de los símbolos más frecuentemente utilizados se ha incluido un diagrama unifilar ejemplo en el que aparecen: •

•

• •

Una acometida desde un centro de transformación en el que se encuentra una protección mediante fusibles y la medida de energía activa y reactiva. Las líneas indicando el tipo de conductor, la sección, la longitud, una indicación sobre el modo de tendido y la caída de tensión en cada tramo y acumulada desde el origen de la instalación. Un Cuadro General de Protección con los datos básicos de los IA y diferenciales. Los receptores: Motores, alumbrado con lámparas de descarga y otras cargas.


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42





43



Instalaciones receptoras Ejemplos: 1.3.1.-Selecciona el motor de inducción apropiado para una estación de bombeo que debe proporcionar un salto bruto de 75 m y un caudal de 1800 m 3/hora, equipada con una bomba de velocidad nominal 1500 rpm cuyo rendimiento en este punto es 0,68. Solución: La potencia requerida en el accionamiento es

= 541

kW. Es suficiente utilizar un motor de 560 kW, un par de polos. La curva par-velocidad de una bomba se encuentra por debajo de la característica mecánica del motor. 1.3.2.- Selecciona el motor de inducción apropiado para accionar, a través de un reductor 1500 rpm/20 rpm, a un molino de áridos cuya velocidad nominal es 20 rpm, cuyo momento de inercia es 2,8 105 m2kg y cuya curva par-velocidad se adjunta. Determina el tiempo aproximado de arranque. @


Solución: La potencia mecánica del molino es = 314 kW, considerando las pérdidas en el reductor, la potencia entregada por el motor debe ser

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algo mayor. Pero, en el molino, Tmax/T N=2,6 que es superior al valor en el motor. Para que arranque es necesario que , como el par máximo del molino referido al eje del motor es:

=5,2 kN, el par de

arranque debe ser, considerando un margen de seguridad del 40 ... 50%, de 7,3...7,8 kN, esto es, un motor de 630 kW, 2 pares de polos (T arranque,motor = 1,9 × 4,030 = 7,7 kN) A este resultado se llega directamente observando que la clase de par de estos motores es 13, esto es, pueden arrancar con par resistente máximo de hasta 1,3 T N,motor = 5,2 kN. @

El tiempo de arranque puede estimarse como El momento de inercia del motor es 14 m2kg , el del molino referido al eje del motor se obtiene, dado que la energía cinética debe ser igual referida a 20 rpm que a 1500 rpm, como: 2,8 105 202/15002 = 49,8 m2kg. El par motor medio es, aproximadamente, 2 T N,motor = 8 kN y el par resistente medio es, aproximadamente, 2 T’ N,molino = 4 kN por lo que el tiempo de arranque será del orden de 2,5 segundos. Para obtener el valor exacto se requiere utilizar herramientas informáticas de cálculo. @

@


@

@

1.3.3.- Determina el par de arranque que se consigue, en los accionamientos de los problemas 1.3.1 y 1.3.2, al utilizar: a) Arranque estrella-triángulo. b) Arrancador suave (regulador de tensión) limitando la corriente al doble de la nominal. c) Variador de frecuencia limitando la corriente al doble de la nominal y manteniendo U/f=constante para que el flujo de la máquina no varíe. Considerar que las curvas de funcionamiento se ajustan a las curvas simuladas. Solución: a) Al arrancar en estrella la tensión de fase es veces menor, como el par 2 de estas máquinas es proporcional a U , el par será a del par de arranque directo en triángulo. La corriente de fase se reduce , además, como está en estrella, la corriente de línea es menor que en triángulo, el resultado es que la corriente de línea se reduce también a a de la corriente de arranque directo en triángulo. b) Para que la corriente sea ½ de la corriente de arranque a tensión nominal es necesario que la tensión sea también ½ de la tensión nominal. El par será ¼ del par de arranque a tensión nominal. c) En las curvas características se observa que la corriente se reduce a la mitad cuando la tensión y la frecuencia son aproximadamente 7% de la nominal. El par de arranque es aproximadamente igual al par de arranque a tensión y frecuencia nominal. El motor de la bomba podrá arrancar con cualquiera de los procedimientos porque la curva par-velocidad de las bombas presenta valores de par res istencia inicialmente muy reducidos. El motor del molino sólo podrá arrancar utilizando un variador de frecuencia. 45



Instalaciones receptoras 1.3.4.- Determina las baterías de condensadores necesarias para mejorar el factor de potencia a 0,95 y la corriente que circularía por las líneas de alimentación a cada una de las cargas y a la instalación en conjunto, antes y después de conectarlos, en la instalación de un túnel que se alimenta a 400 V 50Hz y que incluye los siguientes receptores: 1) Cuatro motores de inducción de 11 kW, 1460 rpm 2) Cien lámparas de descarga de 400 W, fdp 0,6 y pérdidas en equipos auxiliares 15 %. Para el caso: a) Una compensación distribuida junto a los receptores b) Una solución centralizada en el cuadro general Solución: a) , para cada motor 3,9 kvar, consultando el catálogo, puede utilizarse una batería trifásica de 2,5 kvar, 400 V. Para cada lámpara 462 var, C=Qc/ωU2= 28 μF, esto es, un condensador de 25 μF, 230 V. b) La potencia total es: Ptotal = 95,6 kW y la Qtotal = 93,4 kvar, el fdp del conjunto de cargas es 0,72. La capacidad de la batería de condensadores centralizada: 62 kvar. Puede utilizarse una batería automática de 60 kvar, 400 V (5+10+15+30) que permite obtener escalones de: 5, 10, 15, 20=15+5, 25=15+10; 30, 35=30+5, ..., 60 kvar


1.3.5.- Una instalación que consume 140 kW con fdp 0,6i se alimenta mediante un transformador de 250 kVA. Es necesario añadir nuevos receptores que consumen, en conjunto, 60 kW con fdp 0,8i ¿Qué batería de condensadores habría que instalar para permitir la alimentación a todas las cargas sin aumentar la potencia del transformador? Solución: La potencia total con la ampliación es: Ptotal = 200 kW y la Q total = 232 kvar, pero para que Stotal = 250 kVA es necesaria una batería de condensadores Qc $82 kvar. Podría utilizarse una batería automática de 100 kvar (20+2×40) 1.4.1- Determina la corriente de diseño I B de cada línea individual y de la línea general de baja tensión en las siguientes instalaciones: a) Planta de obtención de áridos formada por: • Una máquina trituradora de áridos. Placa de características de su motor: 400/690 V, 194/112 A, 110 kW, η=91%, fdp=0,90 • Una cinta transportadora con dos motores. Placa de características de cada motor: 230/400 V, 37/21 A, 11 kW, η=86%, fdp=0,87 • El alumbrado de la zona, realizado con 12 lámparas de vapor de mercurio de 400 W con sus equipos auxiliares apropiados para 230 V y fdp=0,95, distribuido trifásicamente. b) Planta de tratamiento de aguas residuales equipada con: • Dos bombas, en cuyos motores se indica: 400/690 V, 41/24 A, 22 kW, η=87%, fdp=0,88

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•

c)

Solución: a) b) c) . d e v r e s e r s t h g i r l l A . a i c n e l a V e d a c i n c é t i l o P d a d i s r e v i n U a l e d l a i r o t i d E . 4 1 0 2 © t h g i r y p o C

Un agitador con un motor en cuya placa se lee: 230/400 V, 37/21 A, 11 kW, η=86%, fdp=0,87 • El alumbrado del área, realizado con 9 lámparas de vapor de sodio alta presión de 250 W con sus equipos auxiliares para 230 V y fdp=0,95, distribuido trifásicamente. Planta auxiliar de hormigonado para obra: • Una amasadora, equipada con un motor cuya placa de características indica: 400/690 V, 41/24 A, 22 kW, η=92,4%, fdp=0,83 • Cuatro tolvas, equipadas cada una con un motor en cuya placa de características se lee: 230/400 V, 50/29 A, 15 kW, η=91,1%, fdp=0,84 • Aseos y oficinas, equipado con un calentador de agua de 11 kW a 230/400 V y 10 lámparas incandescente de 100 W a 230 V, distribuidas trifásicamente. • El alumbrado del área, realizado con 18 lámparas de vapor de mercurio de 1000 W con sus equipos auxiliares para 230 V y fdp=0,90, distribuido trifásicamente. Trituradora: 243 A, Transportadoras: 47 A, Alumbrado: 13 A, Línea general: 297 A Bombas: 92 A, Agitador: 26 A, Alumbrado: 6 A, Línea general: 119A Amasadora: 51 A, Tolvas: 123 A, Aseos y oficinas: 17 A, Alumbrado: 47 A, Línea general: 229 A

1.5.1.- Determina la sección por calentamiento y por caída de tensión para cada una de las líneas definidas en 1.4.1 si las condiciones de tendido en cada instalación son: a) El suministro es en media tensión (MT) con centro de transformación (CT) propio, la caída de tensión desde el CT hasta el Cuadro General de Baja Tensión es del 1,5%, los cables son unipolares de cobre aislados con PVC y se tienden sobre bandejas perforadas separadas Las longitudes son: Trituradora: 30 m, Cinta:70 m, Alumbrado: 100 m. b) Suministro en MT con CT propio, la caída de tensión desde el CT hasta el Cuadro General de Baja Tensión es del 1,5%, los cables son unipolares de cobre aislados con PVC y se tienden en tubos separados, situados sobre la pared. Las longitudes son: Bombas: 40 m, Agitador: 80 m, Alumbrado: 160 m. c) El suministro es en media tensión (MT) con centro de transformación (CT) propio, la caída de tensión desde el CT hasta el Cuadro General de Baja Tensión es del 1,5%, los cables son unipolares de cobre aislados con XLPE, se tienden enterrados dentro de un tubo, en un terreno con resistencia térmica 2,5 K m/W que se encuentra a 25ºC. La línea de alumbrado y la líneas de tolvas discurren gran parte de su recorrido en contacto. Las longitudes son: Amasadora: 260 m, Tolvas:150 m, Aseos:10 m, Alumbrado: 95 m. @

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Instalaciones receptoras Solución:


a)

Línea Trituradora: Iz0 $ 243 A Y 120 mm2; u=5% Y 13 mm2; sfase= 120 mm2 , sTP= 70 mm2, ò Neutro Línea Cinta: Iz0 $ 47 A Y 10 mm2; u=5% Y 6 mm2; sfase= sTP= 10 mm2, ò Neutro Línea Alumbrado: Iz0 $ 13 A Y 1,5 mm2; u=3% Y 4 mm2; sfase= sTP= s N= 4 mm2

b)

Iz0 $ 92 A Y 35 mm2; u=5% Y 6,3 mm2; sfase= 35 mm2, sTP= 25 mm2, ò Neutro Línea Agitador: Iz0 $ 26 A Y 6 mm2; u=5% Y 3,5 mm2; sfase= sTP= 6 mm2, ò Neutro Línea Alumbrado: Iz0 $ 6 A Y 1,5 mm2; u=3% Y 3 mm2; sfase= sTP= s N= 4 mm2

c)

f(agrupamiento) = 0,85 en Línea Tolvas y Línea Alumbrado Línea Amasadora: Iz0 $ 51 A Y 10 mm2; u=5% Y 24 mm2; sfase= 25 mm2, sTP= 16 mm2, ò Neutro Línea Tolvas: Iz0 $ 145 A Y 70 mm2; u=5% Y 35 mm2; sfase= 70 mm2, sTP= 35 mm2, ò Neutro Línea As.y Of: Iz0 $ 17 A Y 6 mm2; u=3% Y 1 mm2; sfase= sTP= s N= 6 mm2 Línea Alumbrado: Iz0 $ 55,3 A Y 10 mm2; u=3% Y 15 mm2; sfase= sTP= s N= 16 mm2

Línea Bombas:

1.5.2.- Determinar la sección por calentamiento y para que la caída de tensión no supere 1,5% para la línea general desde un centro de transformación de 250 kVA, 20000/400 V hasta un CGBT, utilizando conductores unipolares aislados con XLPE, si la longitud es 100 m y los conductores se disponen enterrados bajo tubo en un terreno con resistencia térmica 1 K @m/W que se encuentra a 25ºC. Considerar un fdp 0.8 inductivo. a) Utilizando cobre b) Utilizando aluminio Solución: f(resistividad térmica del terreno)= 1,18 2 2 σ(Cu, 90ºC) = 42 m/Ω mm ; σ(Al, 90ºC) = 26 m/Ω mm Para que la línea pueda transportar toda la potencia del CT: I B= 361 A a) Iz0 $IB/f(resistividad térmica del terreno)= 306 A Y 240 mm2 ; u=1,5% Y 397 mm2 que es superior a la sección máxima disponible Y habrá que utilizar dos cables por fase y cada uno transportará una corriente IB/2=180,5 A, así para u=1,5% Y 149 mm2 cada cable; sfase=sneutro=2×150 mm2,ò TP (no es necesario volver a comprobarlo a calentamiento porque 2×150 > 240) b) I z0 $306 A que es superior a la máxima disponible Y habrá que utilizar dos cables en paralelo para cada fase: f(agrupamiento para cables en conductos enterrados)= 0,85 Y Iz0 $ IB/(1,18@0,85)=360 A, cada conductor de fase 180 A Y 2×150 mm2; u=1,5% Y 642 mm2 que es superior a la sección máxima disponible

48



Instalaciones eléctricas Y habrá

que utilizar tres cables por fase y cada uno transportará una corriente IB/3=120,3 A, así para u=1,5% Y 144 mm2 cada cable; sfase= sneutro= 3 × 150 mm2, ò TP 1.5.3.- Determinar la sección por calentamiento y para que la caída de tensión no supere 1,0% para la línea general desde un centro de transformación de 100 kVA, 20000/400 V hasta un CGBT, utilizando conductores unipolares aislados con XLPE, si la longitud es 50 m y los conductores se disponen enterrados bajo tubo en un terreno con resistencia térmica 1,5 K m/W que se encuentra a 25ºC. Considerar un fdp 0.9 inductivo. a) Utilizando cobre b) Utilizando aluminio


1.6.1.- Determinar la corriente de cortocircuito IK , máxima esperable, en el punto inicial y en el punto final de la línea general 1.5.2 en cobre si la potencia de cortocircuito de la red de media tensión es 500 MVA y la tensión de cortocircuito del transformador del CT es 4%. Solución: Tanto la impedancia equivalente a la red MT y la del transformador del CT son fundamentalmente inductivas. De la Scc se obtiene: Xred = U2/Scc = 0,32 mΩ. De la tensión de cortocircuito del transformador: Xc2= ucc@U2/S N = 25,6 mΩ. En consecuencia, parra una tensión de línea en vacío de 420 V, un cortocircuito en bornes del lado de baja del transformador provoca una IK, inicio = 9,4 kA. Si el cortocircuito se produce al final de la línea, la mayor corriente de cortocircuito aparece si los conductores están fríos, así, para cable 2×150 mm2 de cobre, Zlínea general = 6,17 + j 4 mΩ y se obtiene: IK, final = 7,9 kA 1.6.2.- Determinar la corriente de cortocircuito IK, máxima esperable, en el punto inicial y en el punto final de la línea general 1.5.3 en cobre si la potencia de cortocircuito de la red de media tensión es 250 MVA y la tensión de cortocircuito del transformador del CT es 5%. 1.6.3.- Determinar la corriente de cortocircuito I K , máxima esperable, en el punto inicial y en el punto final de una línea trifásica de 95 mm2 en cobre aislado con PVC, de 50 m de longitud, si Zth del circuito aguas arriba de la línea es 3 + j 12 m Ω y la tensión nominal es 400 V. Solución: La tensión en vacío será aproximadamente 420 V, así: IK, inicio = 19,6 kA. Zlínea general = 9,7 + j 4 mΩ en frío. IK, final = 11,9 kA 1.6.4.- Determinar las corrientes de cortocircuito máxima y mínima esperable en el punto inicial y en el punto final de una línea trifásica de 120 mm2 en cobre aislado con XLPE, de 75 m de longitud, cuando se alimenta desde un grupo electrógeno de 250 kVA, 400 V. Zth del generador es j 225 mΩ y la tensión de línea en vacío es 540 V. Solución: IK, inicio = 1,4 kA. En frío, Z línea general = 11,6 + j 6 mΩ Y IK, final = 1,3 kA En caliente, Zlínea general = 14,9 + j 6 mΩ Y IK, final = 1,3 kA 49



Instalaciones receptoras 1.6.5.- Un conductor eléctrico, en las condiciones en las que se ha instalado, permite una corriente IZ= 94 A y presenta una constante de tiempo térmica de 120 s. ¿Durante cuanto tiempo puede transportar una corriente I = 188 A sin superar su calentamiento máximo admisible? Solución: 34,5 s 1.7.1.- Determinar la corriente nominal (In) y la curva del interruptor automático apropiado para los conductores de la instalación 1.5.1, teniendo en cuenta la relación corriente de arranque/corriente nominal que aparece en la documentación técnica de los receptores: Motores de inducción: 7, Lámparas de descarga: 2,3. Solución: Condiciones: IB#I N#IZ , Iarranque

b) Línea Bombas: IB= 92 A, Iz (35 mm2, Cu, PVC, montaje B1) = 96 A Y Puede utilizarse un IA regulable (a 94 A por ejemplo) o, más sencillo, aumentar la sección del cable hasta 50 mm2, así Iz = 117 A y puede utilizarse un IA de I N = 100 A Iarranque /I placa = 7 Y Iarranque = 7 @ 82 = 574= 5,7 @ I N Y Curva D Línea Agitador: IB= 26 A, Iz = 32 A Y I N = 32 A Iarranque /I placa = 7 Y Iarranque = 4,6 @ I N Y Curva C Línea Alumbrado: IB= 6 A, Iz = 24 A Y I N = 10 A (ó 16 A, 20 A) Iarranque /I placa = 2,3 Y Curva B c) Línea Amasadora: IB= 51 A, Iz (25 mm2, Cu, XLPE, montaje D) = 96 A Y I N = 63 A (ó 80 A) Iarranque /I placa = 7 Y Iarranque = 7 @ 41 = 287 A = 4,6 @ I N Y Curva C Línea Tolvas: IB= 123 A, Iz = 170@0,85=145 A Y I N = 125 A Iarranque /I placa = 7 Y Iarranque = 6,4 @ I N Y Curva D Línea aseos y oficinas: IB= 17 A, Iz = 44 A Y I N = 20 A (ó 25 A, 32 A, 40 A) Iarranque /I placa = 1 Y Curva B Línea Alumbrado: IB= 47 A, Iz = 75@0,85=64 A Y I N = 50 A (ó 63 A)

50




Iarranque /I placa = 2,3 Y Curva B 1.7.2.- Si la línea general que une el CT con el CGBT del problema 1.4.1.a) es la que se ha determinado en 1.5.2 y 1.6.1, determina: a) La corriente nominal (In), la curva y el poder de corte (I CS) del fusible apropiado para situar en el cuadro de baja tensión que se encuentra en el origen de la línea en el centro de transformación. b) La corriente nominal (I n), la curva y el poder de corte (I CS) del interruptor automático apropiado para situar en el CGBT que se encuentra al final de la línea. c) Determinar si se consigue selectividad de estas protecciones con las protecciones determinadas en 1.6.1 Solución: Condiciones: IB#I N#IZ en IA, IB#I N#80% Iz en fusibles, Iarranque

I N #80% Iz = 539 A Y I N = 400 A (ó 500 A), Curva gG, PdC > 9,4 kA Y PdC = 120 kA b) I N = 400 A (regulable), Iarranque /I N= 7@194/I N<5 I N Y Curva C. PdC > 7,1 kA Y ICS = 45 kA c) Leyendo tiempos en las curvas de los IA y de los fusibles, un cortocircuito aguas abajo de cada IA en el CGBT (IK = 7,1 kA) provoca: • Amasadora: t(I N = 63 A, C) = t(112 I N, C) #15 ms (curva superior) • Tolvas: t(I N = 125 A, D) = t(57 I N, D) #20 ms (curva superior) • A&O: t(I N = 20 A, B) = t(355 I N, B) #9ms (curva superior) • Alumbrado: t(I N = 50 A, B) = t(142 I N, B) #10ms (curva superior) • IA.línea general: t(I N = 400 A, C) = t(18 I N, C) $8 ms (curva inferior) y #20ms (curva superior) • Fusible: t(I N = 400 A, gG) = t(7100 A) $50 ms t(I N = 500 A, gG) = t(7100 A) $150 ms Esto es, las líneas no son selectivas con el IA de la línea general (son parcialmente selectivas todas excepto la línea Tolvas), para conseguir selectividad total debería utilizarse un IA programable y retrasar el tiempo de actuación para 7,1 kA hasta más de 20 ms. Tanto el fusible de 400 A como el de 500 A son selectivos con el IA. 1.7.3.- Si la línea general que une el CT con el CGBT del problema 1.4.1.b) es la que se ha determinado en 1.5.3 y 1.6.3, determina los mismos puntos que en 1.7.2 1.8.1.- En una instalación de baja tensión a 400 V, la resistencia de difusión a tierra del neutro es R TN= 3 Ω y la resistencia de difusión a tierra del conductor de protección es R TP= 20 Ω. Determinar:

51



Instalaciones receptoras a)

Tensión de contacto (UC) que aparece en caso de que falle el aislamiento de una de las fases de una máquina de clase I cuya envolvente no se ha conectado al conductor de protección. b) UC que aparece si la máquina se ha conectado al conductor de protección, pero no se ha instalado un diferencial. c) UC que puede existir si se ha conectado al conductor de protección y se ha instalado un diferencial de IΔ N = 300 mA Solución: a) UC = UFN = 230 V b) UC = UFN @ R TP/(R TP+R TN) = 200 V c) UC #R TP @ IΔ N = 6 V


1.8.2.- Dimensionar los electrodos de puesta a tierra del 1.8.1 si el terreno presenta una k=40 Ω m: a) La puesta a tierra de protección se realiza mediante picas. Determinar el número de picas de 2 m de longitud requeridas. b) La puesta a tierra del neutro se realiza combinando un conductor enterrado horizontalmente al que se conectan picas de 2 m separadas 4 m entre sí para obtener la R TN Solución: a) Una pica de 2 m b) Como la resistencia de una pica de 2 m es 20 Ω y la del tramo de conductor enterrado horizontalmente que las une es también 20 Ω, el conjunto equivale a 10 Ω. Para obtener el valor requerido son necesarios 3 conjuntos iguales y una pica, esto es, cuatro picas de 2 m, separadas 4 m entre si, unidas por un conductor enterrado. La resistencia de difusión a tierra es: R TN = (10 Ω // 10 Ω // 10 Ω // 20 Ω) = 2,9 Ω

52



Instalaciones eléctricas Problemas:

1.11.1.-

Para realizar una excavación es necesaria la implantación de receptores que se muestra en la figura adjunta. El CGBT se dispondrá en el edificio destinado a aseos y oficinas y se alimentará desde un CT 20/0,4 kV situado a 100 m. Toda la instalación se realizará con cobre aislado con PVC enterrado bajo tubo. Las características de los receptores son: • M1: una amasadora, equipada con un motor cuya placa de características indica: 400/690 V, 41/24 A, 22 kW, η=92,4%, fdp=0,83, I arranque /Inominal = 7 • M2, M3, M4, M5; cuatro tolvas, equipadas cada una con un motor en cuya placa de características se lee: 230/400 V, 50/29 A, 15 kW, η=91,1%, fdp=0,84, I arranque /Inominal = 6,8 • R1: aseos y oficinas, equipado con un calentador de agua de 11 kW a 230 V y 10 lámparas incandescente de 100 W a 230 V. • L1, L4: Dos postes de 20 m, cada uno con 12 lámparas de vapor de mercurio de 1000 W con sus equipos auxiliares que consumen un 10% de la potencia de la lámpara. El factor de potencia es 0,9 a 230 V. • L2, L3: Dos postes de 20 m, cada uno con 15 lámparas de vapor de mercurio de 400 W con sus equipos auxiliares que consumen un 15% de la potencia de la lámpara. El factor de potencia es 0,9 a 230 V. . d e v r e s e r s t h g i r l l A . a i c n e l a V e d a c i n c é t i l o P d a d i s r e v i n U a l e d l a i r o t i d E . 4 1 0 2 © t h g i r y p o C

53



Instalaciones receptoras Determinar: a) Distribución razonable de líneas y cuadros eléctricos. b) Diagrama unifilar incluyendo las protecciones razonables. c) Potencias y corrientes de diseño en cada línea. d) Sección de cada línea. e) Corriente Ik de cortocircuito en cada cuadro. f) Selección de las protecciones de la instalación. g) Selección de diferenciales. h) Diseño de la puesta a tierra de protección. Solución: a) Se ha considerado un CGBT junto a las Oficinas y un Cuadro Secundario junto a las tolvas. Las líneas se han tendido por el perímetro para no interferir con las obras. b) Un posible unifilar es el que se ha incluido como ejemplo en el Capítulo. El resto de apartados admite múltiples soluciones correctas. 1.11.2.- En la figura se observan los componentes básicos de una estación depuradora de aguas residuales (EDAR). Las dimensiones de la planta son 426 × 180 m.


A- Llegada del agua: el agua llega a la depuradora por medio de un colector concentrador desde de las industrias y núcleos urbanos. B- Pretratamiento: Se eliminan los sólidos grandes, arenas y grasas. C- Decantación primaria: El agua pasa por un medidor de caudal y luego a un recinto donde se decantan los materiales. D- Reactor biológico: El agua llega a un recinto donde l a materia orgánica que contienen las aguas residuales es digerida, por microorganismos contenidos en el agua, de una manera natural. Para que el número de microorganismos crezca y puedan llevar a cabo su actividad metabólica, se incor pora aire u oxígeno puro. E- Decantación secundaria: Recinto donde se produce la separación del agua depurada y los fangos biológicos. F- Recirculación de fangos: Es el caudal de fangos decantados que hace falta retornarlo al reactor biológico para asegurar la actividad biodegradante de los microorganismos. G- Espesador de fangos: La materia decantada se purga en los decantadores y se bombea hasta los espesores con la intención de concentrarla, mezclarla y homogeneizarla, para poder tratarla posteriormente con más eficacia y a menor coste.

54



Instalaciones eléctricas H- Digestión: Los fangos espesados son conducidos a un recinto para proceder a su estabilidad, es decir, eliminar su parte fermentable. Este es un proceso que se puede realizar aprovechando la actividad biológica de los propios microorganismos presentes en los fangos o mediante la adicción de compuestos químicos. I- Deshidratación de fangos: Mediante este proceso se pretende reducir el contenido de agua en los fangos para disminuir su volumen haciéndolos más fáciles de manipular.

Las características de los equipos eléctricos fundamentales son: Denominación


Ubicación

Cantidad

Características

Bombas de entrada

A

2

110 kW, 400 V, 193 A, η = 95,6 %, fdp=0,86, Ia/In= 7,2

Rejas

B

2

11 kW, 400 V, 22 A, η = 90,3 %, fdp=0,81, Ia/In= 6,7

Bombas circulación de fangos

CyF

4

30 kW, 400 V, 56 A, η = 92,9 %, fdp= 0,83, Ia/In= 7,3

Agitadores y rascadores

CyE

4

11 kW, 400 V, 22 A, η = 90,3 %, fdp=0,81, Ia/In= 6,7

Soplantes

D

2

73 kW, 400 V, 132 A, η = 94,2 %, fdp=0,85, Ia/In= 8,4

Deshidratador

G

1

30 kW, 400 V, 56 A, η = 92,9 %, fdp= 0,83, Ia/In= 7,3

Alumbrado

Centro del recinto

1

18 lámparas de descarga de1 kW, 230 V, fdp= 0,9

Laboratorio y oficinas

Inferior izquierda

1

3 kW en alumbrado y 9 kW en otros usos

La alimentación se realiza desde una línea de media tensión a un centro de transformación 20/0,4 kV de 1250 kVA y u cc=6% 1 ubicado en el edificio contiguo al de Laboratorio y oficinas. Resolver los mismos apartados del problema anterior. Seleccionar una batería de condensadores automática para mejorar el fdp a 0,95

(1)

Esto equivale a una Zth= 7,68 mΩ prácticamente inductiva. 55



Instalaciones receptoras 1.11.3.- Un pozo para extracción de agua subterránea dispone de un grupo motobomba sumergido a 90 m de profundidad de 185 kW, 400 V, 360 A, η= 89%, fdp= 0,83 que se alimenta normalmente desde un CT 20/0,4 kV, 250 kVA, ucc=4% 1 y, en caso de fallo del suministro eléctrico ordinario, desde un grupo electrógeno de 400 V, 350 kVA (280 kW) y reactancia de cortocircuito Z th= 114 mΩ. Resolver los mismos apartados del problema anterior. 1.11.4.- En la figura se muestran los componentes básicos de una estación desaladora de agua de mar (EDAM): Bombas para captación de agua, diversos niveles de tratamiento químico y filtrado, grupos bomba-turbina para aportar la elevada presión que se requiere y recuperar parte de la energía hidráulica de la salmuera, membranas para realizar la ósmosis inversa y bombas auxiliares para impulsar el agua desalada a los depósitos de salida. Las dimensiones de la planta son 140 × 80 m.


(1)

Esto equivale a una Zth= 25,6 mΩ prácticamente inductiva.

56




Las características de los equipos eléctricos fundamentales son: Denominación

Ubicación

Cantidad

Bombas de alimentación

Entrada de agua salada (Filtros)

2

30 kW, 400 V, 56 A, η = 92,9 %, fdp=0,83, Ia/In= 7,3

Bombas de alta presión

Bombas

3

710 kW, 400 V, 1220 A, η = 96,9 %, fdp= 0,87, Ia/In= 6,8

Bomba de salida

Salida de agua desalada (Membranas)

1

15 kW, 400 V, 29 A, η = 91,1 %, fdp= 0,84, Ia/In= 6,8

Alumbrado y otros

Centro recinto

1

3 kW en alumbrado y 12 en otros usos

Características

La alimentación se realiza desde un centro de transformación, equipado con dos transformadores de 20/0,4 kV, 2000 kVA y u cc=6% 1 cada uno, ubicado en la parte superior derecha del recinto. Resolver los mismos apartados del problema anterior. . d e v r e s e r s t h g i r l l A . a i c n e l a V e d a c i n c é t i l o P d a d i s r e v i n U a l e d l a i r o t i d E . 4 1 0 2 © t h g i r y p o C

(1)

Esto equivale a una Zth prácticamente inductiva de 4,8 mΩ en cada transformador. 57



Instalaciones receptoras Ensayos: Seguridad de las instalaciones eléctricas

Un aspecto esencial de cualquier instalación es su seguridad. El funcionamiento normal de las instalaciones puede verse alterado por circunstancias que provoquen situaciones de peligro, bien para los receptores que alimenta, bien para los propios conductores de la instalación. Estas situaciones de peligro se manifiestan finalmente en calentamientos elevados de receptores o conductores que destruye el elemento o elementos afectados y, aún más grave, puede derivar en incendios. Asimismo, pueden aparecer situaciones de peligro de electrocución para los usuarios motivadas por puesta en tensión (tens ión de contacto) de masas conductoras que habitualmente no lo están (riesgo de contacto indirecto). Estos riesgos, intrínsecos al uso de la energía eléctrica, se ven acentuados por la movilidad de los equipos, el ambiente agresivo sobre los conductores y máquinas eléctricas, las condiciones duras de trabajo del equipamiento eléctrico (lluvia, insolación, humedad, agentes químicos, etc) y, en algunos casos, por el propio desconocimiento de las condiciones de utilización de las instalaciones y por un insuficiente mantenimiento de las mismas.


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

Resistencia de aislamiento y rigidez dieléctrica: Es la que presentan los aislantes que recubren las partes conductoras. Es necesario que se a elevada entre aquellas partes de la instalación a distinto potencial y entre las partes bajo tensión y las masas metálicas sin tensión.

•

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

Para proteger a las personas frente al riesgo de electrochoque por contacto con partes que se encuentren normalmente en tensión (contacto directo) se utilizan los aislantes o la separación física. Para proteger frente al contacto con partes que accidentalmente se encuentren en tensión (contacto indirecto) se utilizan, normalmente: •

Interruptores diferenciales: Protegen a las personas frente electrochoques debidos a contactos indirectos y, por tanto, protegen frente a fallos de a islamiento a masa de las instalaciones. Los diferenciales son sumadores de corriente y miden las

58




corrientes de fuga a tierra (que coinciden con la suma de corrientes que entran a la instalación por las fases y el neutro), desconectan cuando la corriente de fuga supera un determinado valor característico de cada diferencial o sensibilidad (valores habituales: 30 mA, 150mA, 300mA, 1A, 3A). •

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

1.1. Principio de funcionamiento de los fusibles

En este ensayo observaremos que los fusibles protegen las instalaciones porque se diseñan para ser los elementos más débiles del circuito. Pare ello, se provocará un cortocircuito controlado en una instalación protegida mediante un elemento fusible y se observará la actuación del dispositivo. 1.2.- Aspecto físico y funcionamiento de un interruptor automático


Se trata de un circuito típico de alimentación a un conjunto de cargas 1 mediante una línea y las protecciones habituales: interruptor automático (IA) para proteger frente a cortocircuitos y sobrecargas e interruptor diferencial (ID) para proteger a las personar frente a contactos indirectos. Después de anotar las características del IA de nuestro circuito, se realizarán combinaciones de cargas, midiendo la corriente que circula y el tiempo que transcurre desde que se comienza a alimentar a cada conjunto de cargas hasta que el IA desconecta el circuito. Situar los puntos obtenidos sobre la curva de actuación normalizada que le corresponda. Considerando la precisión con la que se han obtenido los puntos, ¿se comporta el IA conforme a lo previsto?

(1)

Se disponen varias cargas para obtener varios puntos de funcionamiento de la instalación, por ejemplo: una carga fija que consuma una corriente menor que la corriente nominal del la instalación y algunas cargas que, al ser conectadas , hacen que se supere esta corriente. 59





Instalación a utilizar para observar el funcionamiento de los IA y los ID. Deben añadirse los equipos necesarios para medir la corriente que suministra la línea y la corriente que se fuga a tierra. Describir la función de los componentes principales de un interruptor automático (tipo magneto-térmico).

60





1.3.- Efectos de la corriente eléctrica en el cuerpo humano

Se trata de valorar sensorialmente, utilizando valores seguros, el efecto que puede provocar la corriente eléctrica en nuestro cuerpo. Utilizando una fuente segura (24 V, corriente alterna), se medirá la tensión aplicada y la corriente que circula entre dos electrodos en contacto con dos puntos sobre la piel de una de nuestras manos. Se realizará en primer lugar en condiciones normales y a continuación se medirá nuevamente tras humedecerla. En cada una de las mediciones se observará lo que ocurre al variar la superficie de contacto y la presión de los electrodos sobre la piel. Se anotarán los valores de corriente obtenidos con la piel seca y con la piel húmeda. Se describirá cualitativamente la dependencia de la corriente con la superficie de contacto, con la presión y la con la humedad. ¿Qué resistencia ofrece el cuerpo entre los dos puntos ensayados?

61



Instalaciones receptoras Si la tensión aplicada fuese, por ejemplo, 230 V la resistencia se reduciría a aproximadamente a 1/5 del valor que hemos obtenido en el ensayo con la piel húmeda. ¿Qué corriente circularía por el cuerpo? Consultando el gráfico de peligrosidad de la corriente eléctrica ¿Qué efectos podría producir? 1.4.- Aspecto físico y funcionamiento de los elementos de protección frente a contactos indirectos

La utilización conjunta de interruptores diferenciales (ID) junto con la puesta a tierra de las envolventes conductoras (masas) de las máquinas, constituyen el medio más habitual de protección de las personas 1 frente a contactos indirectos. En este ensayo observaremos su aspecto físico, mediremos los valores en una instalación y comprobaremos su funcionamiento. Como este sistema de protección utiliza dos elementos (interruptor diferencial y puesta a tierra), este ensayo se realizará en dos fases: Parte 1: Interruptor diferencial


En la instalación que estamos ensayando, para simular un defecto de aislamiento, se ha dispuesto una resistencia variable de elevado valor entre una fase de uno de los receptores y su borne de puesta a tierra2. Para medir la corriente que, debido a este fallo de aislamiento simulado, está fugándose a tierra, lo más cómodo es intercalar un amperímetro en el conductor de protección que une la carga con la fuente. Esta corriente coincide con la que está Aspecto y componentes principales de un ID midiendo el ID.

(1)

El ensayo que estamos realizando se refiere al sistema TT (neutro a tierra y masas metálicas a tierra) porque es el más utilizado, pero existen también el TN y el IT (2)

Es decir, simula un fallo de aislamiento entre una fase y la envolvente metálica del receptor.

62



Instalaciones eléctricas Partiendo del máximo valor de la resistencia variable (mínima corriente de fuga), se irá aumentando lentamente la corriente que se fuga a tierra hasta que, superado cierto valor, ocurrirá la actuación del interruptor diferencial de forma casi instantánea 1 que desconecta la instalación. Normativamente, esto debe ocurrir entre el 50 y el 100% de la sensibilidad IΔ N del interruptor diferencial. Para comprender el funcionamiento del sumador de corrientes que determina la corriente de fuga a tierra, se utiliza una pinza amperímetrica para medir las corrientes suministradas a las cargas y su suma. Parte 2: Puesta a tierra


De forma intuitiva, la resistencia de difusión a tierra de un electrodo se puede considerar la que existe entre éste y un punto sobre el terreno de potencial eléctrico cero. En la práctica, esta resistencia no puede medirse directamente mediante un óhmetro convencional porque sólo se encuentra disponible el extremo que corresponde al electrodo (el punto de potencial cero no es accesible). Si se mide entre dos electrodos de puesta a tierra se obtiene únicamente la suma de las resistencias de difusión a Componentes de una puesta a tierra tierra de ambos electrodos. La resistencia de difusión a tierra de un electrodo está determinada por la resistividad del terreno en el que se coloca y por la geometría del propio electrodo, diversas normas y reglamentos ofrecen métodos para su cálculo 2. En el caso más simple: utilizar electrodos cilíndricos (picas) de puesta a tierra clavados verticalmente en el terreno la relación es: R

ρ =

L

, siendo ρ la resistividad del terreno y L la longitud de la pica.

Un procedimiento de medida consiste en la utilización de dos puestas a tierra auxiliares para determinar el valor de una puesta a tierra principal. En este caso realizando

(1)

El diferencial ensayado es instantáneo. También existen diferenciales temporizados.

(2)

por ejemplo ITC-BT-18 63



Instalaciones receptoras medidas entre electrodos se obtiene un sistema de ecuaciones que permite determinar cada resistencia individual. electrodo principal

electrodo auxiliar

electrodo auxiliar

R12

=

R1

+

R2

R23

=

R2

+

R3

R31

=

R3

+

R1

potencial cero

Lo más frecuente es utilizar un telurómetro, equipo especialmente diseñado para medir este tipo de resistencias. Para su funcionamiento inyecta una corriente (I) entre la tierra principal y una de las auxiliares y mide la diferencia de potencial (U) que aparece entre la tierra principal y la auxiliar restante. Internamente calcula la resistencia de difusión de la tierra principal como: . d e v r e s e r s t h g i r l l A . a i c n e l a V e d a c i n c é t i l o P d a d i s r e v i n U a l e d l a i r o t i d E . 4 1 0 2 © t h g i r y p o C

U R E

=

I

Medida de la resistencia de difusión a t ierra con un telurómetro

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Instalaciones eléctricas Para las geometrías de electrodo empleadas la distancia necesaria para realizar la medida con suficiente precisión no suele ser muy elevada 1. Además, en la etapa de proyecto de una instalación, es necesario conocer la resistividad del terreno. Mediante un telurómetro puede determinarse también la resistividad. Si se utiliza el método Wenner, se dispondrán cuatro electrodos equidistantes sobre una línea recta y separados entre sí una distancia (a). La resistividad media hasta una profundidad del terreno del orden de la separación (a) entre electrodos vale: Determinar, respecto al ID: • • •

•

La corriente de actuación del ID, ¿se encuentra dentro de los valores normativamente admisibles? ¿Por qué se han conectado a tierra algunos receptores y otros no? Considerando el valor nominal de sensibilidad del diferencial ensayado, ¿hasta que valor de resistencia de puesta a tierra del conductor de protección se encontraría reglamentariamente protegida la instalación? Si no se hubiese conectado a tierra el receptor sobre el que se ha simulado el defecto de aislamiento ¿qué diferencia de potencial hubiese aparecido entre masa y tierra?

Y respecto de la puesta a tierra: . d e v r e s e r s t h g i r l l A . a i c n e l a V e d a c i n c é t i l o P d a d i s r e v i n U a l e d l a i r o t i d E . 4 1 0 2 © t h g i r y p o C

• •

Considerando la relación aproximada Resistencia de difusión- longitud de pica ¿Cuál es la longitud aproximada de la pica? ¿Qué valor de corriente podría circular por esta a tierra si superar los valores reglamentarios de tensión de contacto en baja tensión?

1.5.- Conductores para instalaciones de baja tensión

Los cables eléctricos pueden fabricarse con cobre o aluminio, con aislantes termoplásticos (PVC, Z1) o termoestables (XLPE, EPR, silicona), con protección mecánica o sin ella, pueden ser rígidos o flexibles, etc. Es importante conocer la diversidad de conductores existentes y los campos de aplicación de cada uno. En este ensayo, utilizando un muestrario con diversos tipos de cables se identificarán sus componentes y características fundamentales.

(1)

Del orden del doble de la profundidad del electrodo principal. La separación es suficiente si al desplazar el electrodo auxiliar central un par de metros a derecha e izquierda de su ubicación la lectura obtenida no varía. 65



Instalaciones receptoras 1.6.- Aislamiento de las instalaciones eléctricas

El componente que garantiza la separación eléctrica entre el material conductor de un cable y las partes exteriores que deben encontrarse sin tensión eléctrica es el aislante. Para que un aislante realice su función correctamente es necesario que su resistencia eléctrica equivalente sea muy elevada y que su rigidez dieléctrica sea suficiente para que, a su tensión de funcionamiento, no pueda aparecer un arco eléctrico a través suyo. La resistencia que existe entre dos conductores eléctricos cualesquiera de una línea eléctrica cuando no se ha conectado ninguna carga ni ningún generador a esta línea es la resistencia que presentan los aislantes de la propia línea. De igual manera, la resistencia entre cada componente monofásico de una carga (o un generador) trifásico cuando aún no se han unido entre si en estrella o triángulo es la resistencia de los aislantes que los mantiene eléctricamente separados. En condiciones normales esta resistencia es muy elevada, pero puede disminuir por el envejecimiento de los aislantes o por el deterioro provocado por agresiones químicas o mecánicas. Para que una instalación funcione correctamente es necesario que el aislamiento entre las partes conductoras que se encontrarán a potenciales eléctricos distintos sea muy elevado. El objetivo de este ensayo es medir la resistencia de aislamiento entre los conductores de una línea eléctrica y entre las fase s de una máquina eléctrica. . d e v r e s e r s t h g i r l l A . a i c n e l a V e d a c i n c é t i l o P d a d i s r e v i n U a l e d l a i r o t i d E . 4 1 0 2 © t h g i r y p o C

El aparato de medida a utilizar es un óhmetro especialmente diseñado para medir elevados valores de resistencia y que aplica una tensión normalizada relativamente elevada (en principio, del orden de la tensión que deberá soportar la línea o la máquina en funcionamiento normal). A este equipo se denomina megóhmetro o megger . La medida de resistencia se hace, como ya sabemos, con los ele mentos que se desean medir desconectados de cualquier fuente, por esto, en primer lugar se debe comprobar que no hay diferencia de potencial entre los conductores cuya resistencia de aislamiento se desea conocer. A continuación, se medirá el valor de la resistencia de aislamiento entre cada pareja de conductores de la línea eléctrica ensayada. Asimismo se medirá el aislamiento entre cada uno de los devanados de la máquina eléctrica ensayada y tierra, y entre cada pareja de devanados.

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Medida de la resistencia de aislamiento en una máquina eléctrica. De forma análoga se realiza la medida entre los conductores de una línea eléctrica. Para las tensiones usuales, los valores de resistencia de aislamiento deben ser, según el Reglamento Electrotécnico para Baja Tensión (ITC-BT-19) $0,5 MΩ cuando se aplican 500 V en corriente continua. A partir de los ensayos realizados: ¿Es reglamentariamente admisible la resistencia de aislamiento medida? ¿Por qué se realiza la medida en corriente continua? 1.7.- Cuadros de maniobra y protección . d e v r e s e r s t h g i r l l A . a i c n e l a V e d a c i n c é t i l o P d a d i s r e v i n U a l e d l a i r o t i d E . 4 1 0 2 © t h g i r y p o C

El objetivo es observar, una vez instalados y en servicio, los componentes de las instalaciones eléctricas. Partiendo de los cuadros secundarios de maniobra y protección del Laboratorio de Electrotecnia se revisará: • • •

El cuadro general del Laboratorio Los cuadros generales de Planta El cuadro general de protección del Edificio

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

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Instalaciones receptoras 1.8.- Herramientas de cálculo de instalaciones eléctricas en baja tensión

E l objetivo es conocer las herramientas de cálculo de instalaciones en BT y aplicar los métodos conocidos para determinar: • Las secciones atendiendo a criterios de caída de tensión, calentamiento y mínimos reglamentarios. • Las protecciones de la instalación y de las personas. Para ello, después de realizar el diseño preliminar, se calculará utilizando un programa de cálculo de instalaciones eléctricas. La instalación es análoga a la del problema 1.11, pero las características de los receptores en este caso son:


R1

12 kW (III)

L1= L4

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

L2 = L3

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

M1

22 kW, η =91,0%, fdp 0,84, I arranque /Inominal=6,9 (III)

M2= ... = M5

11 kW c/u, η =88,5%, fdp 0,84, I arranque /Inominal =6,2 (III)

Respecto al diseño, deseamos conocer: D1.- La carga a considerar conforme al RBT en cada punto de consumo. D2.- La potencia total demandada conforme al RBT (Potencia mínima del transformador) D3.- Una distribución razonable de canalizaciones, cuadro principal y cuadros secundarios considerando el volumen de conductor necesar io y la maniobra bilidad que se consigue en la instalación . D4.- Los elementos de protección para la instalación y para las personas a utilizar. D5.- La agrupación de los elementos de protección y maniobra en cuadros. D6.- Reflejar toda la información anterior sobre un esquema unifilar preliminar. Respecto a los cálculos a realizar utilizando las herramientas informáticas: C1.- Sección de conductores de fase, neutro y protección. C2.- Corrientes de cortocircuito en todos los cuadros de maniobra y protección, así como en bornes de los receptores. C3.- Interruptores automáticos y fusibles utilizados (Inominal , curva, poder de corte), procurando la existencia de selectividad.

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C4.- Sistema de protección de las personas frente a contactos indirectos: valores de resistencias de tierra necesarios y diferenciales a instalar, procurando la existencia de selectividad. En el esquema unifilar definitivo de la instalación, se incluirá: U1.- Denominación de elementos: cuadros, protecciones, conductores, receptores, etc. U2.- Longitud, sección y características de los conductores. U3.- Características nominales de los receptores y valores considerados conforme al RBT. U4.- Corrientes de cortocircuito en cada cuadro y en bornes de los receptores. U5.- Caída de tensión parcial en cada línea y total acumulado en cada cuadro de protección así como total en bornes de cada receptor.


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2 TRANSPORTE Y DISTRIBUCIÓN


1.-Introducción 2.-Centros de transformación 3.-Líneas subterráneas 4.-Líneas aéreas 5.-Seguridad en el trabajo en proximidad 6.-Proyecto de instalaciones de distribución


Electrotecnia Instalaciones Eléctricas_1

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