INST IN STAL ALAC ACIONES IONES ELECTRI ELECTRICA CASS
RESIDENCIALES Loss 6 Cál Lo Cálcc ulos que qu e tod todoo Ingenie Ing enierr o debe Dominar Dominar
PRIMERA EDICION PEDRO LUIS ROJAS VERA MAESTRO EN INGENIERIA INDUSTRIAL
2014
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RESIDENCIALES Loss 6 Cál Lo Cálcc ulos que qu e tod todoo Ingenie Ing enierr o debe Dominar Dominar
PRIMERA EDICION PEDRO LUIS ROJAS VERA MAESTRO EN INGENIERIA INDUSTRIAL
2014
INSTALAC INST ALACIONES IONES EL ELECTRICA ECTRICASS RESIDEN RESIDENCIA CIALL ES Un libro para los que habitualmente diseñan instalaciones para una vivienda.
AUTOR-EDITOR © Pedro Luis Rojas Vera Av. Manuel González Prada 1406 Teléfono +51 947 732 978 - Trujillo La Libertad - Perú Perú
Ilustracón: Rosa María Cavel Amaranto
PRIMERA EDICION, 2014
Tiraj raje: e: D gital
ISBN ISBN 978-612-00-1978-2.
Libro Libro electrón electrón co dispo disponibl nible en www.amazon.com / ww www w Zolu Zolusio sione neZ.co Z.com m
Dcembre, 2014
Reservado Reservadoss todo los derechos. Se Se prohíbe p rohíbe la reproduccó rep roduccónn total t otal o parc p arciial de es e sta obra, incluido uido el diseño diseño de d e la portada, po rtada, por cualquier cualquier medio, medio, electrón electrón co o mecán mecán co, sin la autori au torizac zaciión del autor.
Dedicatoria Este libro está dedicado a todos los profesionales que buscan no sólo vivir mejor, sino ayudar a que los demás también lo hagan.
Contenido Dedicatoria Contenido Introducción 1. La Vivienda 1.1 Ubicación e infraestructura eléctrica pública. 1.2 Consideraciones Ambientales. 1.3 Consideraciones Legales. 1.4 La Arquitectura. 1.5 Consideraciones del propietario. 1.6 Consideraciones Eléctricas. 1.7 Procedimiento para obtener un nuevo suministro 1.8 Información final para la memoria descriptiva. 2. Cálculo Uno: La Máx ima Demanda 2.1 La Tensión 2.2 La Corriente 2.3 La Potencia 2.4 Factor de Potencia. 2.5 La Máx ima Demanda 3. Cálculo Dos: La Caída de Tensión 3.1 Caída de Tensión. 3.2 Caída de Tensión según la NTCSE Procedimiento para Calcular la caída de tensión 3.3 Caída de Tensión según CNE.
4. Cálculo Tres: Cantidad de Circuitos. 4.1 Carga ideal para un circuito 4.2 Carga para un circuito de alumbrado 4.3 El circuito estabilizado 4.4 Circuitos por Niveles 5. Cálculo Cuatro: La Selección del Conductor 5.1 Material del Conductor. 5.2 Tipo de Aislamiento del Conductor. 5.3 Sección Mínima del Conductor. 5.4 Sección de Conductor para la Máx ima Demanda. 6. Cálculo Cinco: La Puesta a Tierra 6.1 Como es una puesta a tierra 6.2 Objetivo de la Puesta a Tierra 6.3 Ubicación de la Puesta a tierra. 7. Cálculo Seis: La Protección. 7.1 El Tablero de la Vivienda. 7.2 Ubicación del Tablero 7.3 Señalización del Tablero. 7.4 Mantenimiento y Espacio en los Tableros 7.5 Dispositivos de Protección. 7.6 El Interruptor Automático o Termomagnético 7.7 Selección de un Interruptor Termomagnético 7.8 Corriente de Cortocircuito. 7.9 Interruptor Automático para Cortocircuitos 7.10 Calculo de Cortocircuito
7.11 Protección contra Sobretensiones 7.12 Dispositivo Protector contra Sobretensiones (SPD) Transitorias 7.13 Dispositivo Protector contra Sobretensiones Permanente 7.13 Protección contra sobretensión total. 8. Ejemplo de Aplicación 8.1 Condiciones Iniciales 8.2 Cálculo de la Máx ima Demanda. 8.2 Cálculo aplicando las condiciones iniciales 8.2 Cálculo de la Caída de Tensión 8.3 Cálculo de los circuitos 8.4 Cálculo de la Puesta a Tierra 8.5 Selección del Interruptor Termomagnético 8.6 Selección del Conductor Principal 8.7 Selección del Conductor por Circuito
Introducción El diseño de las instalaciones eléctricas de una vivienda es un proceso sencillo y demanda de poco tiempo, pero hay que lograr que se acomode a tres factores: Las normas, los deseos del cliente y a las intenciones del ingeniero. Esto requiere de un trabajo mayor y cuidadoso. Y los cálculos son los únicos que justificarán las decisiones finales al respecto. Lo primero que debe considerarse es que las instalaciones de cualquier edificación requieren de un profesional con criterio y ex periencia para hacer que se acomode a los tres factores mencionados. El cumplimiento de las normas es el primer paso, el siguiente es superar esas condiciones mínimas impuestas con el objetivo de satisfacer al cliente, superando sus expectativas, si fuera posible. Finalmente hay que dotar al diseño de la ex periencia que se ha tenido con otras instalaciones semejantes para que esta sea mejor. Este libro tiene como objetivo, mostrar cómo se hacen los cálculos necesarios para completar el diseño de las instalaciones eléctricas de una vivienda en concordancia con las normas nacionales e internacionales. Está dirigido a los profesionales en instalaciones eléctricas que buscan tener un texto, sin demasiada teoría pero con suficiente rigor práctico y científico. La primera parte de este libro se dedica a la importancia de una vivienda, no como una construcción o edificio de materiales sólidos y fuertes, sino como un lugar donde las instalaciones influyen en la forma de vivir de las personas. Considero que quienes tenemos una vivienda, damos por hecho que todas las instalaciones estarán bien desde el comienzo. El tener cerca o por poco dinero profesionales manuales para reparar, cambiar o modificar parte de ellas nos brinda la tranquilidad para no preocuparnos de cosas como el diseño o la calidad de los materiales y sus especificaciones. Pero, cuando comenzamos a equipar nuestra vivienda para transformarlo en un hogar, el diseño de las instalaciones comienza a tomar interés y afectar nuestro presupuesto. Finalmente los gustos y comodidades siempre tienen un precio. Creo que es complicado, por los diversos gustos y deseos de los clientes que un diseño estándar pueda suponer una satisfacción general. Creo que por esa razón no estoy de acuerdo con la forma como se construyen muchas viviendas a las cuales hay que modificar luego de un tiempo. Los programas de viviendas, edificios de departamentos
nos vende una píldora de diseño acomodada a una forma que debemos aceptar como buena. Este libro no trata de arquitectura, pero he querido mencionar esto, porque en todas las viviendas donde he compartido parte del tiempo de mi vida, en diversas ciudades de este país, he notado que hay instalaciones que con el tiempo se van olvidando ya sea por espacio o por dinero. Los seis cálculos que se muestran en este libro son los suficientes para dimensionar los conductores, tipo de instalación, cantidad de circuitos y dispositivos de protección. A lo largo de todo el libro hay cerca de 50 ejemplos sencillos y un ejemplo de aplicación. Creo que los cálculos deben ser sencillos y he tratado de construir este texto en busca de ello. He desarrollado cursos en universidades, institutos y colegios profesionales al respecto y quiero quedarme con la idea de que un buen ingeniero puede lograr serlo si se fija en la parte más importante de cada diseño o proyecto: el cliente (usuario o dueño final de la vivienda). El propietario es diferente al usuario. El primero lo diseña y construye para venderlo, el segundo invierte sus ahorros, para obtener el beneficio que todos deseamos: vivir mejor.
1.
La Vivienda
La Declaración Universal de los Derechos Humanos, en el artículo 25 indica que toda persona tiene derecho a una vivienda adecuada. Su significado la describe como un lugar de refugio para protegernos de las inclemencias del medio ambiente. La vivienda ha prosperado a niveles que antes era imposible imaginar. La gran inversión de Morgan, el socio de Tomas A. Edison en la corriente continua, instalando miles de metros de cables, un generador ruidoso y centenares de bombillas en su mansión, son una muestra de la magnífica evolución que ahora disfrutamos. Es imposible, imaginar nuestra vida sin energía eléctrica. Dependemos de la electricidad hasta el límite de la propia ex istencia. Un tiempo prolongado sin ella, podría generar un colapso social. Hoy, parece tan sencillo tenerla. Solo hay que presionar el dedo sobre un botón para que algún artefacto comience a tomar vida. Debido a su uso masivo, la electricidad se ha convertido en una necesidad básica y en la mayor parte de países del mundo su costo es regulado por el estado. En nuestro País, la empresa concesionaria es la responsable de vendernos la energía eléctrica a un costo por cada kilo vatio-hora (mil vatios-hora). Esto significa que nos vende potencia por tiempo (P.t=V.I.t), es decir, nos venden tensión y corriente por una determinada unidad de tiempo. Como la tensión, teóricamente, debe ser constante, pagamos por el consumo de potencia que sería lo mismo que pagar por el consumo de corriente. Hay que conocer detalles y aspectos importantes de la vivienda, antes de iniciar el diseño de sus instalaciones eléctricas. Estas se conocen como especialidades, tales como Arquitectura, Instalaciones Sanitarias, Iluminación, Comunicaciones, etc. El primer aspecto es conocer el entorno de la instalación. Una visita al lugar es importante. Ella nos ayuda a determinar algunos alcances importantes para tenerlos en cuenta durante el diseño de las instalaciones. Saber si las redes de distribución están cerca, si se encuentran en buen estado de conservación y, si es posible conectar nuevas instalaciones. No vamos a solucionar los problemas que encontremos, tampoco vamos a detener el diseño. Se debe realizar esto, para indicar esas consideraciones en la parte descriptiva del proyecto y facilitar que el constructor y propietario tomen conocimiento de ello y hagan gestiones más puntuales y específicas de forma anticipada.
de vivir. Tenga en cuenta que el propietario indicará lo que desea y usted se encargará de satisfacerlo dentro de las posibilidades y opciones técnicas que disponga. Hay que mantener durante el desarrollo del proyecto, una estrecha relación con el Arquitecto y el propietario. Por regla general, la arquitectura de la vivienda prima sobre la decisión de cualquier otra especialidad. Estas deben ponerse al servicio de ella, pues es la que ha capturado de forma profesional los requerimientos del cliente. Finalmente, como diseñadores, profesionales electricistas o ingenieros electricistas, debemos aportar a la arquitectura y requerimientos del propietario, recomendaciones basadas en nuestra ex periencia con el objetivo de obtener un diseño que tenga la meno cantidad de modificaciones con el tiempo. A continuación describo brevemente 8 puntos importantes que hay que conocer antes de iniciar el diseño de las instalaciones eléctricas de una vivienda.
1.1 Ubicación e infraestructura eléctrica pública. La ubicación es la primera que debemos validar con datos de fuentes de información confiable tales como los documentos de la propiedad del predio, dirección del lote o vivienda, tipo de zona y referencias para llegar a ella. Hay que conocer si las redes de distribución de energía eléctrica están cerca del proyecto de la nueva vivienda, si tiene la disponibilidad suficiente para atender nuestra nueva instalación. En algunos casos, no es necesario hacer la consulta a la empresa concesionaria, basta con realizar una inspección visual en el lugar y saber si dentro del perímetro de la vivienda existen redes eléctricas con evidencia de estar entregando energía a otros usuarios. Si dentro del perímetro de la nueva vivienda no hay rastros de redes eléctricas, es posible que nos enfrentemos a una gestión prolongada para obtener un nuevo suministro de energía eléctrica. Incluso, es posible, que se tenga que realizar algún tipo de inversión en nuevas redes.
1.3 Consideraciones Legales. Para diseñar, construir y operar instalaciones eléctricas hay que considerar siempre las Leyes y normas legales, tanto del sector eléctrico, como de los sectores relacionados como el de construcción y medio ambiente. El documento más importante en nuestro País, dentro del marco legal del sector eléctrico es el Código Nacional de Electricidad, aprobado por el Ministerio de Energía y Minas mediante Resolución RM-037-2006-MEM-DM, al cual se le conoce como Código Nacional de Electricidad Utilización. Este Código en su sección 010-002, ítem 2, establece que es de cumplimiento obligatorio en todos los proyectos y ejecución de nuevas instalaciones eléctricas, modificaciones, renovaciones y ampliaciones. La importancia de las normas y leyes relacionadas al proyecto de una vivienda o de cualquier otra edificación es que estas establecen las consideraciones mínimas dentro de las cuales el profesional debe desarrollar su trabajo. Esto garantiza que el propietario de una vivienda, que no conoce de cálculos o diseños, tenga un instrumento legal de protección para recibir un servicio de calidad mínima. Desde el punto de vista profesional, las normas y leyes del sector eléctrico, son las consideraciones que debemos superar con nuestro ingenio para ofrecerle a las familias y propietarios, una vivienda con instalaciones eléctricas seguras y confiables. Considerando lo que indica el ítem 4 de la sección 010-002: “ El código comprende las instalaciones y equipos eléctricos en edificios, estructuras, predios y en general toda edificación destinada a vivienda, comercio, industria, recreación o servicios, que operan o puedan operar en el rango de baja tensión hasta 1 000V.” Podemos decir que este es el único código que se utilizará para desarrollar todo lo referente a las instalaciones eléctricas para una vivienda. Considero que un profesional de la electricidad que tenga un buen dominio del marco legal tiene asegurado un desempeño respetable en la elaboración de proyectos o diseño de instalaciones eléctricas.
1.5 Consideraciones del propietario. Estas, muchas veces, se balancean entre los ex tremos de la sencillez y lo controversial. Estimo que todo debe ser sencillo si se plantean adecuadamente desde el comienzo y se recibe información de parte, principalmente, de los usuarios de la vivienda que, mayormente, son una pareja. Lo primero es tener una charla muy sincera y amigable con los propietarios. Ellos deben imaginar esa vivienda para los próx imos 40 años. Deben indicarnos como desean que este equipada, partiendo de la información actual sobre electrodomésticos o comodidades. El especialista debe ayudar para mostrar aquellos artefactos o equipos que conoce mejor y que saben van ayudar a que la vivienda se convierta en un hogar que supere las expectativas de quienes la habiten. El hacer las proyecciones de “ los deseos del cliente” no siempre conlleva a elevar el presupuesto de las instalaciones, aunque estas se diseñen con la posibilidad de implementarse por fases o niveles. En caso ocurra, generalmente el incremento en los costos de construcción justifican evitar las modificaciones futuras. A continuación le muestro algunas sugerencias (deseos) de clientes que son posibles implementar en las instalaciones eléctricas de una vivienda: Una tina con hidromasajes. También se le conoce como bañeras con hidromasajes. Si
no se considera esta instalación desde el comienzo, hay que generar luego todo un circuito para alimentar el motor y adecuar su ubicación para respetar las medidas de seguridad. Un Equipo de climatización. El diseño de la vivienda debe contemplar una adecuada
circulación de aire con el objetivo de mantener una temperatura agradable durante el año. Pero, es probable que en algunos ambientes no se logre ese objetivo, especialmente en algunas épocas ex tremas del año. Esto requiere de implementar un sistema de climatización que puede ser desde enfriar hasta calentar el ambiente. Para ello se debe dejar en el diseño la instalación eléctrica disponible para que estos equipos sean implementados en el futuro. Independizar parte de la casa. Rentar o alquilar parte de la casa, es algo que siempre
ocurre. Esta requiere de una instalación eléctrica independiente con su propio contador de energía. No es difícil considerar una instalación que con el tiempo se pueda dividir, accionando un dispositivo de seccionamiento de circuitos. Muchos puntos de luz. Esto es algo poco común, pero de gran utilidad cuando se
proyecta su uso. La forma general es poner un punto de luz en el centro de cada habitación. Pero cuando acomodamos los enseres, nos damos cuenta que la luz cae en cualquier otro lugar que no es, precisamente, el centro de donde debería estar. Eso dificulta una adecuada distribución de la iluminación y un desperdicio de energía en donde no se necesita. Una opción es considerar más de un punto de luz en cada habitación y con diferente intensidad. Actualmente existen lámparas que ofrecen la posibilidad de modificar los niveles de iluminación y se acomoden a la actividad que se desarrolle. Tener una reunión, por ejemplo, ya sea de trabajo o de recreación en horas de la noche hace necesaria una iluminación diferente a la que se tiene de forma diaria.
1.6 Consideraciones Eléctricas. La mayoría de las viviendas funcionan adecuadamente con potencias que sólo requieren de un suministro de energía eléctrica monofásico. La justificación de un suministro trifásico se sustenta en el uso de equipos y artefactos trifásico o de un alto consumo de potencia. Si hacemos un recorrido por nuestro hogar y de otras viviendas que recordemos, podemos darnos cuenta que nadie utiliza equipos o artefactos electrodomésticos trifásicos, así que el uso de suministros de energía de este tipo para una vivienda no los tocaremos en este tex to. Si la vivienda que va diseñar, tiene indicaciones específicas del propietario o del Arquitecto, que consideran hacer uso de equipos o artefactos trifásicos, se tendrá que desarrollar el proyecto como si se tratara de una instalación trifásica, lo cual no es parte del alcance de este tex to. La primera condición de carácter técnico que se debe tener en cuenta es que se tratará de un circuito eléctrico monofásico y que para su diseño de tomará en cuenta un nivel de tensión nominal que debe ser tomado del marco legal de la localidad donde se desarrolla el proyecto. La segunda consideración es que ninguna vivienda unifamiliar podrá diseñarse con una corriente nominal inferior a 40 amperios. Esto equivale a una potencia aprox imada de 8 5kW (Ocho mil quinientos vatios). La tercera condición es que las instalaciones eléctricas de una vivienda partirán desde el contador de energía. La cuarta, es que el contador de energía se ubicará, siempre, en el límite de propiedad y a una altura suficiente para que una persona de altura mediana pueda tomar la lectura de forma fácil. Además se tienen la consideración técnica de que el conductor del circuito alimentador debe tener una sección mínima de 2.5mm2. No se debe usar, ni recomendar un conductor de menor sección.
1.7 Procedimiento para obtener un nuevo suministro Derecho a Suministro Eléctrico Toda persona natural o jurídica, cuyo predio materia de solicitud, se ubique dentro de una zona de concesión de distribución, tendrá derecho a que el respectivo concesionario le suministre energía eléctrica, previo cumplimiento de los requisitos y pagos establecidos. Para la atención de solicitudes de nuevo suministro eléctrico, el usuario deberá cumplir con lo siguiente: 1 Tener instalado el alimentador principal de sus instalaciones eléctricas de utilización al interior del predio, desde el tablero general interno, hasta la ubicación de la caja de medición (cajuela o nicho), con una longitud de reserva que indique el concesionario para poder conectarlo a los bornes del contador de energía, previa inspección y pruebas de la instalación por parte del concesionario. 2 La cajuela o nicho deberá construirse de tal manera que las personas y los animales domésticos no estén ex puestos a riesgo de accidente. Ser de fácil y permanente acceso para el personal debidamente autorizado e identificado del concesionario. Los usuarios deberán mantener limpio el lugar de instalación. No encontrarse en lugares donde la temperatura normalmente ex ceda de 30 C o en ambientes peligrosos, ni otra ubicación riesgosa. Ubicarse tan cerca como sea posible al punto donde los conductores de acometida entran a la edificación. 3 Tener instalada la protección adecuada contra sobrecargas y cortocircuitos en su tablero general interno. 4 Tener instalada la protección adecuada diferencial en su tablero general interno, para la protección de personas. 5 Tener instalado un sistema de puesta a tierra efectivo, según lo indicado en el CNE Utilización. 6 El solicitante del suministro deberá permitir al personal autorizado del concesionario, la realización de la inspección del tablero general antes de instalar el suministro, y cada vez que haya una modificación de la instalación que motive la variación de la potencia contratada. El concesionario podrá efectuar las pruebas eléctricas que considere necesarias. 7 En zonas de presencia de sobretensiones peligrosas y dependiendo de las
características de los equipos a instalar, al interior del predio se debe disponer de la protección contra sobretensiones en su instalación eléctrica.
1.8 Información final para la memoria descriptiva. Este es un tema muy interesante y que debemos ponerle bastante cuidado y, sobre todo, aprecio. La memoria descriptiva, creo que debe tener un objetivo principal: Ser el documento en el cual se describa el proyecto en forma sencilla y con la mayor cantidad de información posible para que cualquier persona con suficiente educación, pero sin ser especialista, lo entienda. Este documento debe ser capaz de ex plicar cómo se originó el proyecto, de que trata, donde ubica, como llegó a él, como puedo identificarlo, de quien es, porque decidió hacerlo, cuando empezará a construirlo y que tiempo demandará, como lo ha planificado, cuál es su costo y cuáles son sus características más importantes. Todo lo indicado en el párrafo anterior debe ordenarse en apartados que formarán parte de la memoria y que recomiendo debe estar libre de suposiciones: Antecedentes.
Se debe indicar cómo se gestó el proyecto. El terreno fue comprado, es una herencia. Ha sido una casa que se ha demolido, etc. Propietario.
Se indicar el nombre, si lo permiten, de los propietarios de la vivienda. Ubicación.
Debe indicarse la dirección exacta de la vivienda y referencias para llegar a ella desde el centro de la ciudad ya sea en transporte particular o privado. Además de las condiciones del clima de la ciudad en valores promedio tomados de una fuente confiable. Descripción de las instalaciones.
Esta parte debe estar compuesta de la descripción de las instalaciones ex ternas e internas. En cuanto a las externas, el objetivo debe ser mostrar si existe red suficiente para el suministro eléctrica de la vivienda y facilidades de conex ión. En cuanto a las internas, se debe indicar el tipo de conductor y secciones que se ha usado en el diseño, principales equipos eléctricos que se han considerado en el cálculo de la máx ima demanda.
Consideraciones de diseño.
Se deben indicar, tomando como referencia las normas legales, la tensión nominal, la frecuencia, factor de potencia, máx ima demanda, cantidad de circuitos y detalles importantes que se han tomado en consideración para desarrollar el diseño. Trámites y gestiones necesarias.
Se deben indicar que hacer para obtener el suministro de energía eléctrica, si es total o por fases, que documentos presentar, que se debe tener en cuenta antes de iniciar las instalaciones. Recomendaciones que se tomaron en cuenta en el proyecto. Aquí se deben incluir las del arquitecto, diseñador y del propietario. Específicamente aquellas que han influenciado en las consideraciones de diseño.
2.
Cálculo Uno: La Máxima Demanda
Este cálculo es el más sencillo y el más importante. De él dependen todos los demás cálculos que se hagan para determinar la cantidad y especificaciones de los conductores y dispositivos que conformarán las instalaciones eléctricas. Las palabras “ demanda máx ima” , “ demanda” y “ carga” están definidas de la siguiente manera:
Demanda.- Es la carga promedio que se obtiene durante un intervalo de tiempo especificado (intervalo de demanda). Este intervalo de tiempo depende del uso que se quiere dar al valor de demanda correspondiente, siendo generalmente igual a ¼, ½ o 1 hora. Demanda Máxima.- Máx imo valor de la demanda que se presenta durante un periodo determinado (diario, semanal, mensual o anual). Carga.- Potencia activa o aparente consumida o suministrada a una máquina o a una red. Algunas veces suele denominarse “ carga” a la corriente. Es un error, si partimos de esta definición, pero si consideramos que la potencia es el producto de la tensión (que debe mantenerse constante) y la corriente, el uso es correcto.
2.1 La Tensión La tensión que requieren los artefactos de una vivienda para funcionar adecuadamente se mide en voltios y su símbolo es la “ V” . Su valor debe ser, en el mejor de los casos, un valor normal o “ nominal” que es diferente en cada País. Para nuestro caso, la tensión nominal es de 220V. De aquí en adelante denominaremos a la tensión nominal de la siguiente manera:
Vn=220V Esta tensión debe ser proporcionada por una fuente. Se le llama así (fuente), porque la debemos suponer como inagotable. Si conecta un artefacto a un tomacorriente de su casa y lo pone a funcionar, seguirá en ese estado indefinidamente hasta que lo apague o, hasta que lo desconecte. En este caso el tomacorriente es la fuente de tensión de ese artefacto.
2.2 La Corriente La corriente es lo que necesitan los artefactos para funcionar. Su valor representa el flujo de electrones necesarios para que los circuitos eléctricos y electrónicos, dentro de los equipos, funcionen. Se mide en amperios (A) y se ex presa con el símbolo “ I” . La cantidad de corriente que necesita un artefacto para funcionar depende de su potencia y de la tensión de la fuente donde se conecte. Para todos los casos, los equipos y artefactos que funcionen con electricidad soportan un determinado valor de tensión y un determinado valor de corriente. Cuando se superan esos valores, se producen daños. En algunos casos se averían algunas partes y en otros, que son los más lamentables, se pierde todo el equipo. Por eso resulta importante “ proteger” a los equipos de esos daños, lo cual veremos en el capítulo de protecciones. Tanto la tensión como la corriente no son números simples, como posiblemente hemos escuchado: 5 amperios, 380 voltios, etc. Estas magnitudes físicas que caracterizan a la corriente eléctrica son en realidad, números complejos. No vamos a trabajar con números complejos en este tex to, porque los valores y cantidades que son necesarias para los cálculos de la instalación eléctrica de una vivienda nos permiten ignorar, sin mucho error, el comportamiento complejo de esas variables.
2.4 Factor de Potencia. El factor de potencia, es como su nombre lo indica: un factor. Es decir, un número que al multiplicarse por la potencia aparente se obtiene la potencia activa. La diferencia más importante entre ambas, es que la potencia activa es la que se convierte en trabajo útil y, por lo tanto, la que más nos interesa. Para efectos de usar un símbolo, denominaremos al factor de potencia como “ fp” . Trato de no usar valores trigonométricos o matemáticos más complejos, porque no son necesarios para el objetivo de este libro. Como la potencia aparente es la máxima que puede producirse, el máximo factor de potencia es 1. Esto quiere decir que la potencia activa será siempre menor y, el factor de potencia, será un número menor o igual que 1. Matemáticamente, la relación entre la potencia activa y la potencia aparente, es la siguiente:
S=P.fp Si despejamos la potencia activa (P), y reemplazados S=V.I, tenemos que:
P=V.I.fp Como puede ver en la fórmula, el “ fp” afecta el resultado y lo ideal sería tener un valor muy cerca de uno. En una vivienda, eso no es problema, pues en la mayoría de los hogares, es superior a 0.95.
Ejemplo 2.1 Cuál será la potencia de una fuente que entrega 10 amperios a una tensión de 218 voltios.
Solución S=V.I S=220V.10Amp S=2 200 VA.
Ejemplo 2.2 Cuál será la corriente que consume un ventilador de 45W, si se conecta a una fuente de 230 voltios.
Solución Este ejemplo no tiene solución a menos que se asuma un valor que falta: el factor de potencia. Como puede verse la potencia esta ex presada en W (vatios) y, con el valor de la tensión, puedo obtener el valor de la corriente si la potencia fuera en VA (voltamperios). Por lo tanto para convertir esa potencia activa en aparente, falta conocer el factor de potencia.
Ejemplo 2.3 Cuál será la corriente que entrega un transformador de 2 200 VA, si la tensión en sus bornes es de 220 voltios con un factor de potencia de 0 95.
Solución S=V.I 2 200VA=220V.I I=10 Amperios. Como puede apreciar, el dato del factor de potencia, no ha sido de utilidad para este ejemplo. Lo que podríamos obtener con estos datos es que a este transformador se pueden conectar una cantidad de equipos que sumen como máx imo una potencia de: P=S.fp P=2 200VA.0.95 P=2 090W P=2.09kW
2.5 La Máxima Demanda Máx ima demanda, es lo mismo que máx ima potencia y se refiere a la mayor cantidad de vatios que una vivienda va necesitar. Este cálculo consiste en calcular la cantidad máx ima de potencia que debe estar disponibles para que una vivienda funcione sin problemas con todos los artefactos conectados. La potencia que necesita la vivienda, debe ser entregada por una fuente, la cual se le denomina: punto de suministro de energía eléctrica y, está ubicado en la fachada o límite de propiedad de la vivienda. Esta fuente, para todos los casos es proporcionada por la empresa concesionaria de la localidad. Para obtenerlo hay que solicitarlo indicando la cantidad de potencia que debe estar disponible en ese punto. En nuestro País, esta solicitud va acompañada de los siguientes documentos: 1. Cálculo de la máx ima demanda que es un cuadro con el detalle de este procedimiento y relación de equipos importantes, firmado por un ingeniero electricista con registro del colegio de ingenieros. 2. Plano de ubicación de la vivienda con referencias, para que la empresa concesionaria pueda evaluar si las redes que tiene en esa zona cuentan con potencia disponible como para atender esta nueva vivienda. 3. Documentos que demuestren que quien solicita es propietario de la vivienda o tiene algún poder sobre ella, con el objetivo de facturar y cargar el valor del consumo a la vivienda. Esto garantiza, que siempre es posible cobrar la deuda, a menos que desparezca la propiedad. Antes de desarrollar el cálculo de la máxima demanda (MD), se debe tener en cuenta que esta debe representar la máx ima potencia que usará, en algún momento, durante toda la vida útil de la vivienda. Asumiendo que no se realizarán grandes modificaciones a corto plazo. Por eso es muy importante que el usuario o propietario ex ponga sus necesidades actuales y futuras de la forma más optimista posible. Voy a referirme ahora a la potencia contratada. Esta es la potencia que el dueño de la vivienda contrata con la empresa concesionaria por el lapso de un año. Y, según nuestra reglamentación, esta puede renovarse anualmente y de forma automática. El objetivo es evitar que el usuario este realizando gestiones todos los años por una potencia que, generalmente, no tienen modificaciones extremas. El cálculo de la máx ima demanda tiene dos objetivos: contratar el servicio de suministro de energía eléctrica con la concesionaria y diseñar los circuitos eléctricos de su vivienda. De ambos, el contrato con la concesionaria se puede cambiar cada año,
pero el diseño de sus instalaciones no puede ser sometido al mismo trato, por el costo que esto significaría. Por lo tanto, el cálculo de la máx ima demanda tiene por objetivo determinar las dimensiones de los conductores que se instalarán en toda la vivienda. El valor de esa máx ima demanda determina: la cantidad y espesor de esos conductores, diámetros de tuberías, especificaciones de equipos de protección, etc. Y, eso, no es recomendable cambiar cada año.
Necesidad 1: Arquitectura Esto es lo primero que debemos saber: Que es lo que el Arquitecto ha planificado para esta vivienda. Hay que verificar los planos y solicitarle, en caso no los tuviera, de forma expresa la distribución de los ambientes y sus detalles, pero para fines del diseño de las instalaciones eléctricas. Se debe requerir la función de cada ambiente, su área, la distribución de los enseres y detalles específicos de equipos o artefactos eléctricos decorativos que haya determinado implementar. Los detalles específicos a solicitar, de los equipos son: potencia, tensión, lúmenes, dimensiones, recomendaciones de instalación y uso.
Necesidad 2: Estructural Hay que conocer donde están ubicadas, tipo y dimensiones de: columnas, vigas, puertas, escaleras, ventanas, mamparas, jardines y espacios de luz. Debido a que los tomacorrientes e interruptores de alumbrado se instalan luego que la vivienda se ha edificado, no es recomendable perforar columnas o vigas, ya que se afecta la capacidad portante de los mismos, además del enorme trabajo manual que hay que realizar con las implicancias en costo, tiempo y molestias ruidosas.
Necesidad 3: Mecánicas Hay que conocer la potencia y ubicación de los equipos necesarios para el aire acondicionado, calefacción y ascensores. Estos equipos dependiendo del tamaño y potencia, deben ser conectados a un circuito eléctrico independiente, considerar el lugar de ubicación de motores y otros componentes que deben tener una fuente de tensión permanente.
Necesidad 4: Bombas Hay que conocer la potencia, ubicación y tipo de las bombas a usar. Estas por su tamaño para una vivienda sólo requieren de un circuito independiente con fines
operativos. Los motores monofásicos no son tan exigentes como los trifásicos en términos de corriente de arranque, por lo que hay que tener cuidado con ello. Si hubiera la necesidad de implementar un motor trifásico se trataría como una instalación industrial que sale del alcance de este tex to.
Necesidad 5: Voz y Data Hay que conocer la potencia, ubicación y dimensiones de los equipos de cómputo, servidores, intercomunicadores, fuentes para señal de TV, telefonía, etc.
Información para el cálculo Una forma de hacer este cálculo es tener información de la potencia de todos los artefactos y equipos que funcionarán en la vivienda, pero esto no sólo es difícil sino también riesgoso, pues puede que el usuario o propietario adquiera, con el tiempo, equipos que por ahora no conocemos. Otro factor que pone en riesgo, este tipo de cálculo, es que al comienzo el propietario considere una modesta cantidad y tipo de artefactos y, posteriormente estos se modifiquen incrementando su potencia instalada. Lo anterior no ex ime que este cálculo se pueda realizar con información específica del propietario o usuario. No es un caso común pero puede suceder. Anteriormente el cálculo de la máx ima demanda para una vivienda, se realizaba tomando una determinada cantidad de vatios por metro cuadrado (w/m2), que era indicado en el Código Nacional de Electricidad. Pero desde el 2006, este Código fue modificado y ahora, se toma en cuenta el área techada de la vivienda. Este nuevo código en la sección 050 denominada "cargas de circuitos y factores de demanda" indica los factores de demanda o porcentajes de la potencia total que deben tomarse como potencias máximas para todo tipo de edificaciones como las viviendas, definidas como “ viviendas unifamiliares” con el fin de diferenciarlas de las viviendas en edificios por departamentos.
Cálculo del área techada El primer valor a tener en cuenta es el área interior techada de la vivienda y, para ello el CNE-Utilización en la sección 050-110: Determinación de Áreas y Previsión de la Demanda Máx ima Total Cuando No Se Dispone de Información, nos indica que las áreas de viviendas deben ser determinadas por las dimensiones interiores (áreas techadas) y que se deben calcular de la siguiente manera:
1. 100% del área del primer piso, más 2. 100% del área de los pisos superiores, dedicados a viviendas, más. 3. 75% del área del sótano.
Ejemplo 2.4 Cuál será el área total interior de la vivienda cuyas áreas interiores son las siguientes: Primer piso: 70m2. Segundo piso: 35m2.
Solución A1=70.00m2 A2=35.00m2 AT=105.00m2
Ejemplo 2.5 Cuál es el área total de una vivienda que tiene las siguientes dimensiones: 8m de frontera y 25m de fondo.
Solución No se pude determinar el área interior de esta vivienda, pues no se tiene información de los espesores de las paredes. Una solución es tomar el plano y medirlas o, la más recomendable, solicitar al especialista que la indique en la información proporcionada.
Ejemplo 2.6 Cuál es el área total de una vivienda de dos pisos y un sótano que tiene las siguientes dimensiones: 8m de frontera y 25m de fondo, sabiendo que todas las paredes de la casa tienen 0.20m de espesor incluyendo los acabados.
Solución A1=(8m-0.4m) (25m-0.4m) A1=186 96m2
Se indica 0.4m, porque la pared está en ambos lados del perímetro de la casa. A2=(8m-0.4m) (25m-0.4m) A2=186 96m2 As=0.75.(8m-0.4m) (25m-0.4m) As=140 22m2 AT=A1+A2+As AT=514.14m2. En este ejemplo se ha considerado que toda el área es techada. Este cálculo se realiza en base a la información proporcionada por el especialista de estructuras y el arquitecto.
MD1: Máxima Demanda por Área Techada En la sección 050-200 referida a "acometidas y alimentadores para viviendas unifamiliares", nos indica cómo obtener la mínima capacidad de corriente de los conductores de acometida o alimentadores para una vivienda unifamiliar y que comprende considerar lo siguiente: (i) Una carga básica de 2 500 W para los primeros 90 m2 del área de vivienda; más (ii) Una carga adicional de 1 000 W por cada 90 m2, o fracción, en exceso de los rimeros 90 m2.
Ejemplo 2.7 Cuál es la máx ima demanda por área techada de la vivienda del ejemplo 1.6.
Solución Primeros 90m2=2 500W Nos queda=514.14m2-90m2=424.14m2 Por cada 90m2 o fracción en ex ceso=424.14m2/90m2=4.7 Como cada fracción debe tomarse como unidad, se toma 5.
Carga básica=2 500W Carga adicional=(5)(1 000W)=5 000W Máx ima Demanda por Área Techada=7 500W=7 5kW
Ejemplo 2.8 Cuál es la máx ima demanda por área techada de la vivienda de dos pisos, cuya área interior total es de 145m2.
Solución Primeros 90m2=2 500W Nos queda=145m2-90m2=55m2 Por cada 90m2 o fracción en ex ceso=55m2/90m2=0.6 Como cada fracción debe tomarse como unidad, se toma 1. Carga básica=2 500W Carga adicional=(1)(1 000W)=1 000W Máx ima Demanda por Área Techada=3 500W=3 5kW
Ejemplo 2.9 Cuál es la máx ima demanda por área techada de la vivienda de dos pisos, cuya área interior total es de 75m2.
Solución Primeros 90m2=2 500W Por cada 90m2 o fracción en exceso=No hay exceso Carga básica=2 500W Carga adicional=0 Máx ima Demanda por Área Techada=2 500W=2 5kW
MD2: Máxima Demanda por Calefacción La calefacción consiste en inyectar calor a un determinado ambiente para mantener una temperatura adecuada para los habitantes de la misma. El aire acondicionado cumple la misma función, pero quitando o removiendo calor. Ambos, tiene como objetivo brindar una temperatura confortable a las personas. La temperatura ex terna o del medio ambiente, dependiente de la localidad, varía a lo largo del año en valores, algo predecibles. El cuerpo humano, dependiendo de la actividad que realiza, necesita de una determinada temperatura y flujo de aire para mantenerse fresco y confortable. No es parte de este cálculo determinar el tipo y potencia de los equipos calefactores o de aire acondicionado necesarios para un vivienda, ya que realizar este cálculo o diseño de climatización de la vivienda, dependen de varios factores tales como: orientación de la vivienda, dimensiones de los ambientes que se desea acondicionar, estructura y material que conforma la vivienda para determinar la inercia térmica, condiciones del entorno para evaluar efectos de sombra y calor, ventanas, puertas, escaleras, huecos verticales, cantidad de ocupantes, etc. Por lo tanto, si la vivienda va tener climatización, es necesario que el especialista nos proporcione los datos de potencia y ubicación de los equipos de calefacción y aire acondicionado que se utilizarán. Para suministrar energía eléctrica a estos equipos, se usa un circuito independiente, con el objetivo de tener un control ex clusivo sobre ellos para cuando se tenga de hacer trabajos de mantenimiento, reparación o cambios y no afectar el resto de instalaciones de la vivienda. El cálculo de la máx ima demanda para este circuito de calefacción requiere saber si el sistema de calefacción tendrá control automático. En caso no tenga control automático se debe considerar la suma de potencia de todos los equipos. Es como considerar el factor de demanda igual al 100% . Pero cuando están provistos de dispositivos de control automáticos de tipo termostato, en cada ambiente o área donde sometida a calefacción, la potencia que se debe considerar es la siguiente: 1. Los primeros 10kW de carga de calefacción conectada con un factor de demanda del 100% , más
2. La carga restante de calefacción conectada, con un factor de demanda del 75% Para el caso de los equipos de aire acondicionado, se considerará la potencia total de ellos. Es decir, un factor de demanda del 100% . Por lo tanto tendremos una potencia por calefacción y una potencia por aire acondicionado. Es decir, una demanda para calentar los ambientes y otra demanda para enfriarlos. Como ambos estados no son coincidentes, sólo se usará uno de ellos en un determinado momento, por lo que la máx ima demanda a considerar será el mayor valor de los dos.
Ejemplo 2.10 Cuál es la máx ima demanda por calefacción en una vivienda que se ha diseñado para instalar un sistema de aire acondicionado de 4kW y un sistema de calefacción sin control automático de 6kW.
Solución Demanda por Calor=6kW Demanda por Frio=4kW Se elige el mayor La Máx ima Demanda por calefacción es de 6kW
Ejemplo 2.11 Cuál es la máxima demanda por calefacción en una vivienda que tiene un sistema de calefacción no eléctrica y un equipo de aire acondicionado de 4kW.
Solución Demanda por Calor=0 Demanda por Frio=4kW Se elige el mayor
La Máx ima Demanda por calefacción es de 4kW
Ejemplo 2.12 Cuál es la máxima demanda por calefacción en una vivienda equipada con un calentador eléctrico de zócalos con control automático y un equipo de aire acondicionado de 4kW.
Solución Calefactor con control automático=25kW Primeros 10kW se toma el 100% =10kW Carga restante se toma el 75% =(0.75).(25kW-10kW)=11 25kW Demanda por Calor=21.25kW Demanda por Frio=4kW Se elige el mayor La Máx ima Demanda por calefacción es de 21 25kW
Ejemplo 2.13 Calcular la Máx ima Demanda de una vivienda unifamiliar de dos pisos y un sótano que tiene 12 m x 10 m y las paredes ex ternas con grosor de 200 mm. La casa estará equipada con los siguientes equipos: Un calentador eléctrico de zócalos de 25 000 W con control automático. Una unidad de aire acondicionado de 3 000 W
Solución a. Cálculo del Ár ea Techada A1=(12m-0.4m) (10m-0.4m) A1=111.36m2 Se indica 0.4m, porque la pared está en ambos lados del perímetro de la casa.
A2=(12m-0.4m) (10m-0.4m) A2=111.36m2 As=0.75.(12m-0.4m) (10m-0.4m) As=83 52m2 AT=A1+A2+As AT=306 24m2.
b. Cálculo de la Máxima Demanda por Ár ea Techada Primeros 90m2=2 500W Nos queda=306.24m2-90.00m2=216 24m2 Por cada 90m2 o fracción en ex ceso=216 24m2/90m2=2.4 Como cada fracción debe tomarse como unidad, se toma 3. Carga básica=2 500W Carga adicional=(3)(1 000W)=3 000W Máx ima Demanda por Área Techada=MD1=5 500W=5.5kW
c. Cálculo de Máxima Demanda por calefacción. Potencia total del equipo calefactor=25 000W Como tiene control automático, la potencia total a considerar debe calcular siguiendo el procedimiento descrito. Primeros 10kW de calefacción, al 100% =(1) (10kW)=10kW Restantes (25kW-10kW) de calefacción, al 75% =(0.75)(15kW)=11 25kW Demanda por Calor=21.25kW Demanda por Frio=3kW Se elige el mayor
La Máx ima Demanda por calefacción es de MD2=21.25kW
d. Máxima Demanda Total MDT=MD1+MD2=5.5kW+21.25kW=26.75kW
MD3: Máxima Demanda por Cocina Eléctrica. La tecnología de las cocinas eléctricas se ha desarrollado tanto en los últimos años que su sistema se considera más cómodo, atractivo y hasta seguro. La ventaja de usar electricidad para cocinar es que puede ser controlada de forma automática hasta el punto de regularla o desconectarla de la fuente de tensión y así controlar el incremento de calor. Una forma muy sencilla de comprobarlo es con el hervidor eléctrico, que se desconecta cuando el agua ha llegado a temperaturas superiores a los 100 C. Las cocinas eléctricas modernas, son las vitrocerámicas que utilizan un sistema de cocción mediante un vidrio entre la fuente de calor y el recipiente al cual se le va transferir el calor. Este sistema es más cómodo de limpiar y cuentan con indicadores de calor. Este sistema es más preciso y, por supuesto, más rápido. Una de las más modernas es la cocina de inducción que no usan resistencias como medio para generar calor, pues lo hacen a través de un campo magnético. Estas cocinas se fabrican con quemadores que consumen potencias que varían entre 1250W a 3000W. Por lo tanto una cocina eléctrica puede llegar a tener una potencia instalada, en sus cuatro quemadores, de 5 000W hasta 12 000W. El código nacional de electricidad indica que se debe considerar 6 000W para cocina única, más el 40% de la cantidad en la que la potencia de dicha cocina ex ceda los 12 000W. Si en el diseño de una vivienda, es necesario considerar la carga de una cocina eléctrica, es muy importante considerar la mayor posibilidad de uso que sería la suma de potencias de todos los quemadores. El resto de potencia que puede estar considerada en la ampliación de quemadores y horno se le debe aplicar el porcentaje del 40% , teniendo en cuenta que la posibilidad de usar horno y quemadores al mismo tiempo no es común.
Ejemplo 2.14 Calcular la Máx ima Demanda por cocina eléctrica de una vivienda que será equipa con una única cocina eléctrica cuya potencia total incluyendo horno y quemadores es de 8 000W.
Solución Cocina única=6 000W Ex ceso de 12 000W=0 La Máx ima Demanda por cocina eléctrica es de 6kW
Ejemplo 2.15 Calcular la Máx ima Demanda por cocina eléctrica de una vivienda que será equipa con una única cocina eléctrica cuya potencia total incluyendo horno y quemadores es de 16 000W.
Solución Cocina única=6 000W Ex ceso de 12 000W=(0.4)(4 000W) La Máxima Demanda por cocina eléctrica es de 7.6kW
MD4: Máxima Demanda por Calentadores de Agua. Usar agua caliente en el aseo tiene sus ventajas. Un baño es relajante y usarlo en el levado de utensilios, durante épocas de invierno disminuye los efectos negativos sobre las articulaciones. Muchas viviendas deben considerar en el diseño de sus instalaciones calentadores de agua para la ducha, baños, piscina y lavavajillas. Para este caso se debe considerar la potencia total de estos artefactos, pues cuando funcionan lo hacen hasta lograr su potencia máxima y, si tienen sistema de automatización, estos sólo se encargan de mantener el agua caliente, siempre. No haremos ejemplos en esta parte, porque sólo hay que sumar el valor de esas potencias a nuestra demanda total como MD4.
MD5: Máxima Demanda por Cargas Adicionales. Las cargas adicionales son los artefactos que no son de uso general en una vivienda y que suman mayor potencia a la que normalmente se usa. Por ejemplo, un portero eléctrico para puerta de casa o de cochera. Para calcular esta potencia, se debe tener en cuenta si el diseño de las instalaciones
eléctricas considera una cocina eléctrica, debido a que este equipo, que tiene un considerable consumo, no siempre está en funcionamiento y su uso no es simultáneo con la demanda total de la casa. Por lo tanto su cálculo incluye dos opciones: Cuando se ha considerado cocina eléctrica y cuando no se ha considerado. Para realizar este cálculo se deben tomar todas las cargas adicionales y separarlas en grupos de cargas menores o iguales y, mayores a 1 500W. CASO1: Cuando el diseño contempla una cocina eléctrica. Se deben tomar todas las cargas mayores a 1 500W con un factor de demanda del 25% . Y, las cargas menores o iguales a 1 500W, se deben tomar con un factor de demanda de 100%.
Ejemplo 2.16 Calcular la Máx ima Demanda por cargas adicionales de una vivienda que será equipa con: - Cocina Eléctrica de 8 000W. - Secador de ropa de 3 000W - Electrobomba de agua de 747W - Puerta levadiza de 373W
Solución El ejemplo es para calcular sólo lo referente a las cargas adicionales. La indicación de la cocina eléctrica es para tener en criterio de aplicar el cálculo. Como podemos ver, el secador de ropa es la única carga adicional con potencia mayor a 1 500W, por lo tanto esta se considerará con un factor de demanda del 25% y las cargas menores con el 100% . Cargas > 1 500W = (0.25).(3 000W) = 750W Cargas =< 1 500W= (1.0) (747W) + (1.0).(373W) = 1 120W La Máxima Demanda por cargas adicionales es de 1 870W CASO2: Cuando el diseño no contempla cocina eléctrica.
Se deben tomar todas las cargas mayores a 1 500W con un factor de demanda del 100% , hasta llegar a los 6 000W como máx ima. Toda la carga que supere ese valor se debe considerar al 25% . Y, las cargas menores o iguales a 1 500W, se deben tomar con un factor de demanda de 100%.
Ejemplo 2.17 Calcular la Máx ima Demanda por cargas adicionales de una vivienda que no tiene cocina eléctrica y será equipa con: - Secador de ropa de 3 000W - Electrobomba de agua de 747W - Puerta levadiza de 373W
Solución El ejemplo es similar al anterior, pero varía en que no tiene cocina eléctrica. Como podemos ver, el secador de ropa es la única carga adicional con potencia mayor a 1 500W, por lo tanto, para este caso, esta se considerará con un factor de demanda del 100% y las cargas menores con el 100% . Cargas > 1 500W = (1.0).(3 000W) = 3 000W Cargas =< 1 500W= (1.0) (747W) + (1.0).(373W) = 1 120W La Máxima Demanda por cargas adicionales es de 4 120W
Ejemplo 2.18 Calcular la Máx ima Demanda por cargas adicionales de una vivienda que no tiene cocina eléctrica y será equipa con: - Secador de ropa de 3 000W - Iluminación de piscina de 5 000W - Electrobomba de agua de 747W - Puerta levadiza de 373W - Triturador de desperdicios de 500W
Solución Se ha modificado la carga para aplicar todas las recomendaciones del caso de una vivienda que no tiene cocina eléctrica.
Como podemos ver, ahora, tenemos dos cargas mayores a 1 500W: el secador de ropa y la iluminación de la piscina. En este caso se considerará un factor de demanda del 100% pero hasta 6 000W y las cargas restantes con el 25% . Cargas > 1 500W = 3 000W + 5 000W = 8 000W Esta carga se partirá entre el valor máx imo que debemos tomar al 100% y lo restante al 25% . Por lo tanto, tenemos: Factor de demanda al 100% hasta 6 000W. La carga restante, al 25% = (0.25).(8 000W – 6 000W)=500W Cargas =< 1 500W= (1.0) (747W) + (1.0).(373W) + (1.0).(500W) = 1 620W La Máxima Demanda por cargas adicionales es de: 6 000W + 500W + 1 620W = 8 120W
MDT: Máxima Demanda Total. Esta es la suma de todas las máx imas demandas calculadas. Es decir: MDT=MD1+MD2+MD3+MD4+MD5
Carga Máxima La carga o corriente máx ima se calcula teniendo en cuenta los siguientes datos: 1. Tipo de conex ión de la vivienda. Para el caso que se trata en este tex to es una acometida monofásica. Lo de monofásica se refiere a una conexión eléctrica que lleve un solo conductor o fase. Esto es correcto eléctricamente, ya que la otra fase es el neutro y eléctricamente se considera que la corriente que pasa por él es cero. 2. Tensión en el punto de entrega de la vivienda, llamado punto de conex ión que debe ser igual a la tensión nominal que para nuestro caso será de 220V. Este valor no es del todo correcto, pero debido a la ex istencia de la norma técnica de la calidad de los servicios eléctricos, la tensión de
cualquier suministro eléctrico para viviendas debe ser de 220V con una tolerancia de +- 5% . Para efectos del cálculo se usará la tensión nominal. 3. Factor de potencia. En este caso se debe considera superior a 0 95, pero nunca 1. La razón es que para cualquier tipo de instalación eléctrica es muy difícil que todas las cargas que se conecten en la vivienda sean totalmente resistivas. Para entenderlo un poco, mencionaremos algunas cargas que no son resistivas por tener bobinas para funcionar o componentes electrónicos como condensadores. Estas son, por ejemplo: Licuadora, lavadora, lámparas ahorradoras, lámparas fluorescentes, computadoras, celulares. 4. Relación matemática de la potencia monofásica. Como la máx ima demanda viene expresada en vatios, se trata de la potencia activa y su fórmula es la siguiente:
P=V.I.fp
Que reemplazando P por MDT, tenemos:
MDT=V.I.fp
Ejemplo 2.19 Calcular la carga máx ima de una vivienda cuya máx ima demanda total es de 8120W.
Solución MDT=V.I.fp 8 120W=(220V).(I).(0.95) Despejando I=8 120W/(220V).(0.95) I=8 120W/209V
I=38.85 Amperios. Por lo tanto, la carga máx ima es de 39 Amperios. Cabe indicar que para efectos de cálculos de la carga máxima, los decimales no son importantes mantenerlos. Ya lo veremos en la selección de los conductores. Por esta razón se usa el redondeo al entero mayor.
Ejemplo 2.20 Calcular la carga máx ima de una vivienda cuya máxima demanda total es de 12kW.
Solución MDT=V.I.fp 12 000W=(220V).(I).(0.95) Despejando I=12 000W/(220V).(0.95) I=12 000W/209V I=57.42 Amperios. Por lo tanto, la carga máx ima es de 57 Amperios. Cabe indicar que para efectos de cálculos de la carga máxima, los decimales no son importantes mantenerlos. Ya lo veremos en la selección de los conductores. Por esta razón se usa el redondeo al entero mayor.
Carga Mínima. El Código Nacional de Electricidad, indica que para el cálculo de la carga máxima de una vivienda el valor mínimo que debe tomarse es de 40 Amperios.
Ejemplo 2.21 Calcular la carga máx ima de una vivienda cuya máx ima demanda total es de 7500W.
Solución MDT=V.I.fp
7500W=(220V) (I) (0 95) Despejando I=7 500W/(220V).(0.95) I=7 500W/209V I=35.89 Amperios. Como la carga mínima debe ser de 40 Amperios, se tomará este valor.
¿Es muy alta la máxima demanda? El resultado de este cálculo es, para algunas viviendas, alto. Pero debe tener en cuenta que este cálculo se usará para dimensionar los conductores y es muy importante que los conductores nunca funcionen al límite de su corriente nominal. En muchas instalaciones de viviendas que ya están operando, el valor de su máxima potencia real, es menor al valor calculado en el proyecto y, eso es bueno en realidad. Se tiene la seguridad que los conductores están funcionando de forma adecuada. Tenga en cuenta que los conductores una vez instalados en su vivienda, nunca más podrá verlos, ni tocarlos. Así que no sabrá en que momento están sobrecalentándose. Una recomendación para realizar el cálculo de sus instalaciones de forma más ex acta es conocer que artefactos formarán parte del equipamiento de su hogar y la forma como hará uso de ellos. El objetivo no es usar una potencia menor, sino de realizar la selección de conductores de forma segura. Pero esto es complicado, pues los artefactos de una vivienda cambian con el tiempo y su forma de uso dependen de factores que van asociados a las actividades de las personas, las cuales siempre son variables. Vemos un ejemplo donde usamos una carga inferior a la indicada como mínima por el Código Nacional de Electricidad. Un conductor de sección de 14 AWG puede conducir, a temperatura ambiente, 25 amperios. Esto, en una fuente de tensión de 220V y un factor de potencia unitario (fp=1) forma un circuito que puede suministrar energía eléctrica hasta una potencia máx ima de 5 5 kW. Es decir, sólo podemos conectar artefactos que no superen ese valor. Si una vivienda tiene un circuito con un conductor 14 AWG y conecta; un calentador de agua que consume 2 5 kW, una plancha de 1 kW, una cafetera eléctrica de 1 5 kW, un microondas de 1.2 kW y un hervidor eléctrico de 1.5 kW y, pone a funcionar todos de
forma simultánea, el circuito eléctrico de esta vivienda estará consumiendo 7.7kW. Este valor es 40% superior a lo que el conductor puede soportar de forma normal o nominal. Esto quiere decir que el conductor está operando de forma anormal o defectuosa, está elevando su temperatura y si el funcionamiento de esos artefactos no se detiene o se repite de forma periódica puede averiar el aislamiento. Por esta razón es muy importante que la máx ima demanda que se calcula para seleccionar los conductores, sea superior a la potencia que en algún momento va consumir la vivienda. Otra consideración importante es que la máxima demanda es una información con la cual la empresa concesionaria puede dimensionar sus instalaciones para evitar inconvenientes de operación. Con ese valor que proporcionamos a la concesionaria, debe acondicionar sus redes para que puedan asumir esa máxima potencia en algún momento. En diciembre del 2013, la provincia de Buenos Aires en Argentina se quedó sin energía eléctrica por varias semanas. La causa, según alcances de los medios de comunicación, fue el incremento del consumo de potencia producto de una ola de calor que generó un uso simultáneo de equipos de aire acondicionado y, para lo cual no estaban acondicionadas las redes eléctricas de la ciudad.
3.Cálculo Dos: La Caída de Tensión 3.1 Caída de Tensión. Se denomina caída de tensión a la disminución de la tensión que ocurre en los circuitos de una vivienda. Esta se calcula desde el punto de suministro de energía eléctrica hasta el tablero general de la vivienda. En cálculo de la caída de tensión de cada circuito también es posible calcular tomando la mayor longitud que tenga. La tensión con la cual se deben abastecer de energía eléctrica todas las viviendas en nuestro País debe ser de 220V, con circuitos eléctricos formados por dos conductores (fase + neutro). A este circuito se le denomina monofásico y a la tensión se le llama tensión nominal y se representa generalmente como Vn . Por lo tanto a partir de ahora podemos tomar a Vn=220V, a menos en este tex to, que quiere decir que la tensión nominal monofásica es de 220 voltios.
3.2 Caída de Tensión según la NTCSE La norma denominada NTCSE (Norma Técnica de la calidad de los Servicios Eléctricos) establece que la buena calidad de suministro eléctrico es aquella donde la tensión varía desde un valor máx imo igual 5% sobre la tensión nominal (220V + 5%Vn) que es de 231V, hasta un valor mínimo igual al 5% por debajo de la tensión nominal (220V – 5%Vn) que es de 209V. Valores de tensión fuera de ese rango, se reportan como casos de mala calidad de producto y las empresas concesionarias son obligadas a pagar un monto de compensación por ella a los usuarios afectados. Para el diseño de instalaciones eléctricas, se parte de la condición inicial, supuesta, que la tensión en el punto de suministro o de entrega de la energía eléctrica es de 220V. El punto de entrega es el lugar donde la acometida, que suministrará energía eléctrica a la vivienda, se conecta a la red de distribución de la empresa concesionaria. Para la norma de conexiones eléctricas en baja tensión el término “ Acometida” es la “ Derivación que parte de la red de distribución eléctrica para suministrar energía a la instalación del usuario” . El Código Nacional de Electricidad - Suministro amplía esta definición y considera a la acometida como parte de una instalación eléctrica comprendida entre la red de distribución (incluye el empalme) y la caja de conex ión y medición o la caja de toma. Esta tensión, desde el punto de entrega, disminuye poco a poco a lo largo del recorrido de las instalaciones eléctricas (circuito eléctrico) interiores de la vivienda. Este circuito eléctrico está formado por conductores y artefactos eléctricos. A esta disminución de la tensión se le llama caída de tensión y se representa generalmente por un triángulo junto al símbolo del voltio (∆V). Por lo tanto ∆V = ± 5%Vn, que indica que la caída o variación de tensión debe estar entre el +5% y -5% de la tensión nominal. Teniendo los valores de la tensión en cualquier punto de un circuito, podemos calcular la caída de tensión. Para ello se realiza la siguiente operación: ∆V = (V-Vn)/Vn Donde: V: tensión en cualquier punto del circuito. Si queremos conocer en porcentaje será: ∆V (% ) = 100*(V-Vn)/Vn (% )
Ejemplo 3.1 Al medir la tensión en el punto de entrega o en un punto cercano a él, como la bornera donde se conecta el contador de energía eléctrica que se ubica en el límite de propiedad de la vivienda, encontramos que la tensión es de 204V. ¿Cuál es la calidad de suministro de energía eléctrica de la vivienda? SOLUCION Vn = 220V V = 204V ∆V = (204V – 220V)/220V = -16/220 = -0.073 = -7.3% Vn RESPUESTA: El suministro de energía eléctrica de la vivienda, tiene mala calidad, pues su valor es 7.3% inferior al valor nominal y por debajo de lo que indica la NTCSE. Este valor de 204 Voltios, es muy interesante. Fíjese, sí usted se toma el trabajo de ver cuál es el valor mínimo de tensión que soportan todos los artefactos de su vivienda, notará que en la mayoría de ellos es de 200 Voltios, lo cual nos deja un poco de tranquilidad. Pues a pesar de que la calidad es mala y los rangos fuera de la que indican las normas legales del sector eléctrico, nuestros artefactos estarán a salvo. Esto, también indica que la norma al ex igir esos rangos, que debe respetar la empresa concesionaria, es una medida de protección a nuestros artefactos.
Procedim iento para Calcular la caída de tensión Para calcular la caída de tensión en un circuito eléctrico se tiene tres formas: 1. Conociendo los valores de la tensión en los ex tremos del circuito. Para lograr esto se realizan medidas directas con un instrumento llamado voltímetro. 2. Conociendo; la tensión en el punto de entrega, la corriente o potencia que consumen los equipos que conforman el circuito eléctrico y, las características físicas del conductor, tales como la sección, longitud y resistividad. 3. Conociendo la tensión en el punto de entrega y la tabla de especificaciones técnicas del conductor que se va usar en la instalación. Estas especificaciones varían, ligeramente, de un fabricante a otro, por lo cual, para nuestro caso, se toman las que indica el código nacional de electricidad, que proporciona tablas con valores recomendados. La primera forma se aplica cuando la vivienda ya cuenta con un suministro de energía eléctrica. La segunda, cuando se va realizar un diseño preliminar y, la tercera cuando se va desarrollar un proyecto. El ejemplo 2.1 corresponde al primer caso. Para el segundo caso, vamos a definir resistividad que es una propiedad importante en los conductores eléctricos.
Resistividad Es la propiedad que tiene todo material de oponerse al paso de la corriente eléctrica. El símbolo que se usa es la letra griega “ rho” y que se escribe “ ρ” . Su unidad de media es el Ω-m (ohmio-metro) y se calcula de la siguiente manera: ρ=R.S/L O también se puede escribir, con respecto a R, de la siguiente manera: R=ρ.L/S Donde: ρ: Resistividad en Ω-m R: Resistencia en Ω L: Longitud en m.
S: Área en mm². En las instalaciones eléctricas se usan los conductores de cobre y la resistividad del cobre recocido o temple blando a 20 C es de 0.01724Ω.mm²/m. Para otros materiales como el aluminio y la palta, la resistividad se muestra en la siguiente tabla.
Ítem
Mater ial
Resistividad
1
Plata
0.0159
2
Cobre
0.0172
3
Aluminio
0.0282
Debido a que el Código Nacional de Electricidad, ex ige el uso de cobre en las instalaciones eléctricas de baja tensión, todos los ejemplos se desarrollarán tomando ese material. Sin embargo, puede desarrollar cálculos con el conductor de aluminio y realizar algunas evaluaciones interesantes especialmente para el tema de costos, pues el aluminio es menos costoso.
Ejemplo 3.2 Calcular la resistencia de un conductor de cobre que tiene 15m de longitud y una sección de 2.5mm². SOLUCION R = ρ L/S = 0.01724*(15m)/2.5mm² = 0.10344Ω RESPUESTA La resistencia es de 0.10344 ohmios, es decir, menor de un ohmio, lo cual es un valor muy pequeño.
Ejemplo 3.3 Calcular la resistencia de un conductor de cobre que tiene 15m de longitud y una sección de 10mm². SOLUCION
R = ρ L/S = 0.01724*(15m)/10mm² = 0.02586Ω RESPUESTA La resistencia es de 0.02586 ohmios, es decir, mucho menor de una décima parte de un ohmio, lo cual es un valor más pequeño que el anterior. Estos dos ejemplos muestran casos reales. La sección del conductor de 2 5mm² es el más común y la sección mínima que puede utilizarse según el Código Nacional de Electricidad para circuitos alimentadores o principales. La longitud, es aprox imadamente la que se tiene en una casa de 20m de longitud, pues el tablero no se ubica en la parte final de la vivienda, sino en la cocina que está en la parte media de la vivienda. Para el tercer caso, se utiliza el catálogo del fabricante. Aquí se tiene la desventaja que muchos fabricantes no brindan el valor de la resistencia para conductores de pequeño calibre, por ser un valor muy pequeño, tal como se puede apreciar en el resultado de los ejemplos 2 2 y 2.3. Otra razón es que siendo la resistencia muy pequeña, la caída de tensión en una vivienda, donde los circuitos son de unos cuantos metros de longitud, resulta de poco interés para el diseño. Pero, hay algunos fabricantes como Phelps Dodge que en su catálogo par el conductor de cobre del tipo THHN, por ejemplo, muestra sus valores de resistencia que se han reproducido n en la siguiente Tabla
Resistenc ia a 30°C en c d
Calibre
Sección
Diámetro
Peso
AWG
mm²
mm
Kg/km
1
14
2.08
2.59
23
8.81
2
12
3.31
3.02
34
5.57
3
10
5.26
3.81
55
3.49
4
8
8.37
5.04
89
2.19
5
6
13 30
5.89
136
1.37
Ítem
Ω/km
Como se pude apreciar, la resistencia está dada por km de conductor, para que la cifra
sea un número entero y no un decimal tan pequeño como el que calculamos en los ejemplos anteriores.
Ejemplo 3.4 Determine la diferencia de resistencia del conductor THHN 14 AWG Phelps Dodge, por medio de la fórmula de resistividad y haga la comparación con el valor del catálogo indicando las justificaciones. SOLUCION R = ρ L/S = 0.01724*(1000m)/2.08mm² = 8.288Ω RESPUESTA El valor obtenido con la resistividad del cobre recocido o temple blando es de 8 29Ω y en la tabla de Phelps Dodge indica 8.81Ω La diferencia entre ambos valores es del orden del 0.5Ω que representa el 6% aprox imadamente y se ex plica por la diferencia de temperaturas. La resistividad del cobre es a 20 C y la resistencia de Phelps Dodge es a 30 C. La recomendación es tomar el valor de la resistencia más alta que para este ejemplo sería el que se muestra en la tabla del fabricante.
Ejemplo 3.5 Determine el porcentaje de diferencia de resistencia del conductor THHN 6 AWG Phelps Dodge, por medio de la fórmula de resistividad y el valor del catálogo. SOLUCION R = ρ L/S = 0.01724*(1000m)/13.30mm² = 1.319Ω RESPUESTA El valor obtenido con la resistividad del cobre recocido o temple blando es de 1 32Ω y en la tabla de Phelps Dodge indica 1 37Ω. El porcentaje de diferencia es de 4% .
3.3 Caída de Tensión según CNE. El Código Nacional de Electricidad Utilización establece los mismos límites de caída de tensión, tanto para los conductores de los alimentadores, como de los circuitos derivados en instalaciones eléctricas de baja tensión.
Conductor o Cir cuito Alimentador. Para el circuito formado desde el contador de energía hasta el tablero general de la vivienda, la caída de tensión no debe ser mayor del 2,5% . Esta caída de tensión es para garantizar que la máxima caída de tensión que se obtenga en las redes eléctricas de la empresa concesionaria, más la caída de tensión de la acometida de la vivienda, se mantenga por encima de los valores mínimos que los fabricantes de los artefactos eléctricos garantizan. Si lo vemos en números tenemos que el 7 5% de la tensión nominal equivale a 16.5 Voltios, lo que deja a nuestro tablero principal con una tensión mínima de 203 5 Voltios (220V-16 5V). Un valor ligeramente superior a lo que necesita como mínimo un artefacto electrodoméstico para que funcione de acuerdo a las especificaciones del fabricante.
Conductor o Circuito Derivado. Para el circuito formado desde el contador de energía hasta el tomacorriente más alejado del circuito derivado más largo no debe ser mayor del 4% . Esta caída de tensión debe ser calculada utilizando la carga conectada al circuito, es decir, con el valor de la corriente determinada según el procedimiento de cálculo de la máxima demanda. Esta caída de tensión es, en realidad, el límite para los artefactos o equipos eléctricos. Me refiero a los más comunes. Si lo vemos en números tenemos que el 9% de la tensión nominal equivale a 19.8 Voltios, lo que deja a nuestro artefacto o equipo más alejado con una tensión mínima de 200 2 Voltios (220V-19.8V). Un valor casi igual a lo que necesita como mínimo un artefacto electrodoméstico para que funcione de acuerdo a las especificaciones del fabricante. Actualmente y gracias a la globalización muchos artefactos son fabricados para funcionar en frecuencias de 50 y 60 Hz y en tensiones que van desde los 110 voltios hasta los 240 voltios, como la placa que se muestra en la figura adjunta que pertenece a
Ejemplo 3.6 Desde el contador de energía hasta el tablero principal de una vivienda hay 20m de longitud total, incluyendo curvas, subidas y bajadas. Se ha utilizado conductor THHN Phelps Dodge 10AWG y la corriente máx ima que pasará es de 15 amperios. Calcular el porcentaje de la caída de tensión. SOLUCION Vn = 220V (asumido) R = 3.49Ω/km (de catálogo de Phelps Dodge). L = 20m I = 15 A. ∆V = I R L = (15)*(3.49/1000)*(20) = 1.047V La Resistencia se divide entre 1000, para convertir la unidad de kilometro a metros y desarrollar el cálculo con las unidades adecuadas. ∆V (% ) = ∆V/Vn = 1.047*100/220 = 0.5% RESPUESTA El porcentaje de la caída de tensión es de 0.5% .
Ejemplo 3.7 Desde el contador de energía hasta el tablero principal de una vivienda hay 25m de longitud total incluyendo curvas, subidas y bajadas. Se ha utilizado conductor THHN Phelps Dodge 10AWG. Calcular la cantidad de corriente máx ima que debe pasar por el conductor para que la caída de tensión no sea mayor del 2% . SOLUCION Vn = 220V (asumido) R = 3.49Ω/km (de catálogo de Phelps Dodge). L = 25m
∆V (%) = 2% ∆V = ∆V (% )*Vn/100 = 2*220/100 = 4.4V I = ∆V*1000/(L*R) = 4.4*1000/(25*3.49) = 50.4 A. Nuevamente, en este ejemplo, el valor de 1000 es para convertir los kilómetros a metros, tal como se indicó en el ejemplo anterior. RESPESTA La corriente máx ima que debe pasar por el conductor es de 50.4 amperios.
4.Cálculo Tres: Cantidad de Circuitos. El Código Nacional de Electricidad establece una cantidad mínima de circuitos para una vivienda en función de su máxima demanda.
Con MD ≤ 3 kW Dos circuitos derivados: uno para alumbrado fijo y otro para tomacorrientes con la posibilidad que un interruptor automático instalado en el tablero sirva para la protección de estos dos. En este caso, el interruptor automático debe garantizar la protección de los conductores de cada uno de los ramales principales de manera independiente.
Con 3 kW < MD ≤ 5 kW Dos circuitos derivados: uno para alumbrado fijo y otro para tomacorrientes con la posibilidad de que sean tres y donde un interruptor automático instalado en el tablero sirva para la protección sólo dos de ellos. En este caso, el interruptor automático debe garantizar la protección de los conductores de cada uno de los ramales principales de manera independiente.
Con 5 kW < MD ≤ 8 kW Tres circuitos derivados con la posibilidad de que sean cuatro y donde un interruptor automático instalado en el tablero sirva para la protección sólo dos de ellos. En este caso, el interruptor automático debe garantizar la protección de los conductores de cada uno de los ramales principales de manera independiente. Haciendo un promedio de las recomendaciones anteriores, tenemos que un circuito puede tener como potencia máx ima 2 kW. Estos 2 kW son de mucha utilidad para seleccionar la mínima sección de los conductores, la cual no debe ser menor de 2 5mm2 según lo ex ige el Código Nacional de Electricidad.
4.1 Carga ideal para un circuito Es importante que los circuitos funcionen con potencias que sean comerciales. Es decir, que tengan mayor demanda en el mercado, para que el costo del suministro en conductores y dispositivos de protección sea el mínimo posible. Esto se debe buscar sin descuidar la calidad de los materiales. Lograr un menor costo no significa comprar los productos más baratos. Una corriente en un circuito derivado mayor a 19 5 amperios, por ejemplo, va requerir de conductores y equipos de protección más robustos y comercialmente más costosos. Po otra parte, un circuito derivado menor de 4 amperios, resulta demasiado pequeño y su costo de implementación sería alto, pues los conductores y equipos de protección habría que sobredimensionarlos. Para tener una mejor idea, he preparado la siguiente tabla donde se muestra la máx ima corriente que podría tener un circuito para diferentes potencias y la sección de conductor necesario para atender esa carga de forma normal. Se ha considerado una fuente de tensión constante de 220V y un factor de potencia de 0.95. Las secciones han sido tomadas de la Tabla 2 del CNE-Utilización para el modelo de instalación empotrado en pared de concreto y con conductor dentro de tubo de PVC. Potencia
Corriente
Sección
(kW)
(A)
(mm2)
1
4.78
1.5
2
9 57
1.5
3
14.35
1.5
4
19.14
2.5
5
23.92
4.0
6
28.71
6.0
7
33.49
6.0
8
38.28
10.0
9
43.06
10.0
Intencionalmente he sombreado una parte de este cuadro para resaltar que esas secci sec ciones ones de conductor son las más usadas y, por lo tanto, las que tienen mejores mejores ventajas ventajas económicas. económicas. Si mir mi ramos la columna col umna de “ Potencia” , se pude pude apre apreci ciar ar que al tener un circuito con una potenci potenciaa de 4kW se vvaa re requer queririr el uso de un conductor c onductor con una secci sec ción ón de 2.5mm2. 2.5mm2. Esta sección secc ión en el sistema si stema ame amerricano ic ano equivale equivale a 14AWG que es es la l a sección secci ón qu quee más más se vende y usa en instalaciones eléctricas para viviendas. Por esta razón es recomendable separar separar los circui c ircuitos tos en car c argas gas menores menores a 19.5 Amper Amperios con el objetivo objetiv o de no superar superar los 4kW de potencia. potencia. Las recomendaci recomendaciones ones establecidas establec idas por Código y descritas en la primera primera parte parte de este capítulo nos indican indi can que el promed promedio io que debemos manejar es es de 2kW, 2kW, lo l o cual concuerda con este análisis. Si usamos los l os 2kw 2k w o 3 kW, kW, teóric teóricamen amente te podríamos podríamos usar un conductor conductor con una sección secc ión de 1.5mm2. Pero, el Código, que es el marco legal de las instalaciones eléctricas restringe restringe esta sección secc ión a un valor mínimo mínimo de 2 5mm2. 5mm2. Lo cual le brinda a la viv v ivienda ienda una mayor seguridad para la operación y protección de sus instalaciones.
4.2 Carga para un circuito de alumbrado Las car c argas gas de alumbr al umbrado ado son más pequeñas aún. Si en un circuito ci rcuito se s e consider consi deran an todas las lámparas del primer nivel de una vivienda y consideramos una vivienda formada por 4 o 5 habitaciones habitaci ones con c on unas 12 lámparas lámparas de 25 vatios v atios cada una, tendríamos tendríamos una potenci potenciaa total posible, posi ble, en un solo s olo ccircuito ircuito de alumbrado alumbrado de 300W 300W ó 0.3kW, 0.3kW, que con una fuente de 220V 220V y una fp=0 fp=0 95, nos daría daría una corriente corriente máx ima de 1.44 Amperios Amperios.. Un conductor de 1 5mm2 sería sufici sufi ciente. ente. El cál cálcul culoo anterior anterior es una aprox aprox imación imaci ón muy real real a la l a carga de alumbr alumbrado ado de una una vivi vi vienda, enda, ex ex cepto aquellas que dentr dentroo de su arquitectura arquitectura han considerado considerado otros otros tipos ti pos de iluminaci il uminación ón que harían harían incr inc rementar ementarse se es esta ta potenci potencia. a. Consi Consider deroo que, con las l as nuevas tecnologías LED para para alumbrado, alumbrado, llegar ll egar a 1kW en una vivi vi vienda enda de dos dos niv niveles eles para para una familia promedio, es casi imposible, por lo que tomar 0.5kW como carga de un circuito de alumbrado alumbrado es una aprox aprox imación imaci ón muy cer c erter tera. a.
4.3 El circuito estabilizado Las viviendas actualmente hacen uso de muchos artefactos que funcionan gracias a cir ci rcuitos electrónicos electrónicos cuya sensibili sensi bilidad dad a la variación de la tensi tensión ón es es alta. La tensión que llega a una vivienda depende de las demás viviendas que se encuentran conectadas al mismo circuito de distribución de la red eléctrica externa que es propiedad propiedad del concesi c oncesionar onario. io. Dependiendo de Dependiendo de la cantidad c antidad de artefactos artefactos que se conecten c onecten en cada vivienda, viv ienda, la tensión tensi ón de la red variará. variará. En forma forma específica específi ca mi mientr entras as mayor sea la l a potencia que se s e conecta o desconecta, la variación de la tensión será más alta. Existe una relación directa entre la variación de tensión y la variación de consumo. Cada vez que usted enciende una lámpara, está generando una pequeña variación de tensión. Para suerte, las cargas son tan pequeñas que esta variación no es muy nociva o perjudicial. Los artefactos electrónicos como televisores, computadoras, equipos de sonido, lámparas y todos aquellos que tienen circuitos electrónicos o tarjetas electrónicas funcionan mejor y duran más más ssii la fuente de tensión tensi ón permane permanece ce cconstante onstante o con variaci var iacione oness mínimas. mínimas. Una forma de lograr mantener esta tensión es instalando un estabilizador para todos estos artef artefactos actos sensibles sensibl es a las var v ariaci iacione oness de tensión mediant mediantee un circuito ex ex clusiv cl usivoo para para ello. A este cir ci rcui cuito to por por tener este dispositi dis positivo vo de control control se s e denomina denomina “ circuito ci rcuito estab est abilizado ilizado”” .
Donde on de instal instalar ar c irc ir c uitos uitos estabili estabilizado zados. s. En la sala por el televisor, equipo de sonido, reproductores de video y por las
computadoras portátiles que algún momento pueden llevarse hasta este lugar. En la sala s ala de estudio estudio, por ser el lugar donde se encuentran la mayor cantidad de equipos
sensibles como computadoras. Los demás ambientes como c omo la cocina, coc ina, lavander l avandería ía y baños, son s on lugares lugares donde no es necesario instalar circuitos estabilizados, pues los equipos como licuadora, lavadora y otros usan motores que son muy resistentes a las variaciones de tensión. Un circuito estabili es tabilizado zado requiere requiere cambiar cambiar la forma forma como se han venido veni do construyendo los espacios para para los tab tablero leross eléctr el éctric icos os de las vivi vi viend endas, as, pues pues los l os estabilizador estabili zadores es sson on equipos que en volumen vol umen equival equivalen en a varios inter i nterru ruptor ptores es automáticos juntos.
En la siguiente imagen se muestra una variedad de potencia de estabilizadores con sus respecti respectivas vas dimensiones dimensi ones y que se pueden tomar tomar como refer referencial enciales es para dimensionar el tablero. Estas dimensiones deben ser validas una vez se tenga definida la marca y potenci potenciaa del estabiliz estabil izador ador a usar. usar. Potencia
Dimensiones
(kVA)
(Fondo/Ancho/Largo)
1
03
280mm/210mm/185mm
2
03
280mm/210mm/185mm
3
1
280mm/210mm/185mm
4
2
390mm/250mm/195mm
5
3
390mm/250mm/195mm
6
45
460mm/300mm/220mm
7
6
540mm/330mm/500mm
8
9
540mm/330mm/500mm
9
12
540mm/330mm/500mm
10
15
540mm/330mm/500mm
11
20
840mm/450mm/620mm
12
25
840mm/450mm/620mm
13
30
840mm/450mm/620mm
14
40
840mm/450mm/620mm
Ítem
Para poder dimensionar el tamaño del estabilizador a usar, se debe hacer una lista de los equipos que se conectarán al circuito estabilizado, sumando sus potencias. Con este valor v alor se debe selecci selec cionar onar un estabiliz estabil izador ador de potenci potenciaa mayor a la requer requerida ida y protege protegerr el circui c ircuito to con su s u respectivo respectiv o inter i nterrruptor automátic automático. o.
4.4 Circuitos por Niveles No todas las viviendas son de un solo nivel, piso o planta. El desarrollo de la construcción y la sobrepoblación de las grandes ciudades han generado escases de viviendas grandes y amplias. Los edificios con departamentos en su gran mayoría ofrecen viviendas además de pequeñitas, de un solo nivel o piso. Este tex to no está destinado a las instalaciones eléctricas de edificios para departamentos de viviendas, pero mucha de la información y recomendaciones que aquí se comparte en aplicable para las viviendas que conforman esos edificios. Cuando se trata de vivienda con más de un nivel, por seguridad y facilidad de acceso a los dispositivos de protección es recomendable instalar un tablero en cada uno de ellos. Con esto se logra conectar o desconectar circuitos de la primera o segunda planta o nivel, de forma independiente. No es recomendable, correr el riesgo, de subir o bajar escaleras para maniobrar estos dispositivos de protección en momentos en que nuestras instalaciones han fallado y la iluminación es escaza o nula.
Ejemplo 4.1 La máxima demanda de una vivienda es de 8kW, determinar la cantidad de circuitos más adecuada.
Solución Numero de circuitos=MD/2kw=8kW/2kW=4 Pero según la norma es suficiente con tres circuitos. Para esta vivienda recomendaría instalar tres circuitos de la siguiente forma: -
01 circuito de alumbrado 01 circuitos de tomacorriente para los artefactos y equipos de fuerza 01 circuito estabilizado para los artefactos y equipos sensibles.
Ejemplo 4.2 La máxima demanda de una vivienda de dos plantas es de 8kW, incluyendo la terma de 1200W. Determinar la cantidad de circuitos para esta vivienda.
Solución Como la terma, es un artefacto que puede requiere de mantenimiento y, en algunas oportunidades, reparación, es recomendable poner un circuito independiente para abastecerlo de energía, por lo tanto nos quedamos con 6.8kW para el resto de circuitos. Ahora, por ser una vivienda de dos niveles, se recomienda tener circuitos independientes por cada nivel, con lo que la potencia por cada nivel será la mitad. Numero de circuitos por nivel=MD/2kw=3.4kW/2kW=1.7≈2 Además según la norma es suficiente con dos circuitos. Para esta vivienda recomendaría instalar los circuitos de la siguiente forma: Tablero del prime nivel -
01 circuito de alumbrado primer nivel. 01 circuito de alumbrado segundo nivel. 01 circuitos ex clusivo para la terma.
Tablero del segundo nivel. -
01 circuitos de tomacorriente para el primer nivel. 01 circuitos de tomacorriente para el segundo nivel.
Se instalarán en total 05 circuitos que pueden ser agrupados en dos tableros Si consideramos los circuitos estabilizados tendríamos que conocer donde se instalarán los equipos que requieren este tipo de circuitos para incluirlos ya sea en uno o en los dos tableros, con lo cual la cantidad de circuitos totales se incrementaría.
5.Cálculo Cuatro: La Selección del Conductor 5.1 Material del Conductor. Los materiales más usados para conducir la corriente son el cobre y el aluminio. Pero los que se usan en instalaciones eléctricas en edificaciones como una vivienda, son los de cobre. En nuestro País, será difícil, por ahora, encontrar conductores de aluminio e incluso si hubiera, ningún proyecto podría considerarlo ya que el Código Nacional de Electricidad, indica que todos los conductores deben ser de cobre.
5.2 Tipo de Aislamiento del Conductor. Se determina de acuerdo al tipo de instalación que se va realizar en la vivienda y que se desprende de la arquitectura que habíamos comentado en la primera parte del tex to. Según la NTP, el material de aislamiento consistirá de un compuesto termoplástico de cloruro de polivinilo (PVC) o de un compuesto termoplástico libre de halógenos (HX) o de un compuesto de polietileno reticulado (XLPE). Para el caso de los aislamientos con PVC, estos se diferencias por las siguientes características: T=Termoplástico. W=Resistente a la humedad. H=Resistente al calor. En aislamiento HX se usa en lugares públicos donde la afluencia de personas en considerable como hospitales, colegios, centros comerciales. O, donde las instalaciones van adosadas o expuestas sobre bandejas. El objetivo es que ante un incendio, los gases que emite este aislamiento no generen consecuencias fatales. El aislamiento XLPE soporta altas temperaturas y es un material muy rígido para manipularlo dentro de tuberías, por lo que su uso se estima más conveniente en instalaciones soterradas. Por lo tanto, para una vivienda usaremos conductores con aislamiento de PVC y estas pueden ser resistente a la humedad (TW) o resistente tanto a la humedad como al calor (THW). Una vivienda ubicada en un clima frio o templado es suficiente con un aislamiento TW, pero la que se encuentre en una zona de calor donde la temperatura del medio ambiente supera los 30C, es recomendable usar THW.
5.3 Sección Mínima del Conductor. En las instalaciones eléctricas para una vivienda, tal como hemos visto en los ejemplos de cálculo de la máx ima demanda, el alimentador principal debe tener una corriente admisible mayor a los 40 Amperios. Si a esta recomendación le agregamos la cantidad de circuitos que debe tener una vivienda, podemos concluir que para un mínimo de dos circuitos, estos deben tener una corriente máx ima de 20 amperios. Si con esos valores de corrientes para los circuitos derivados, seleccionamos las secciones de conductores, tenemos que para corrientes de más de 20 amperios deben ser de 2.5mm2. El Código Nacional de Electricidad en su sección 030-002 denominada “ sección mínima de conductores” indica que todos los conductores deben ser cobre y no pueden tener una sección menor a 2 5mm2 para circuitos derivados de fuerza y alumbrado y 1.5mm2 para los circuitos de control de alumbrado. Los circuitos de control de alumbrado, son los que se usan para conectar el interruptor a las lámparas de alumbrado y controlar el encendido y apagado de estas lámparas. La sección de 1 5mm2 es muy pequeña en realidad a pesar de que su corriente admisible es del orden de los 14 amperios, muy superior a lo que requiere para encender o apagar una lámpara de 20 vatios cuyo consumo no llega a un amperio. Todas estas consideraciones dan la tranquilidad de que los circuitos que conformarán una vivienda trabajaran sin mayores riesgos, siempre que la forma de uso no ex ija que se supere las capacidades máximas, como ocurre al poner varios artefactos conectados a un mismo tomacorriente. El párrafo anterior sustenta la recomendación de “ no usar múltiples” , que son dispositivos con tres tomacorrientes en forma de cruz y que sirven para conectar más de dos artefactos a un solo tomacorriente. Esta acción cuando se hace sin conocer la corriente admisible del conductor que llega hasta ese tomacorriente, pone en riesgo la instalación eléctrica. Otra consideración es que, por norma, los tomacorrientes de uso general que son los que usan en las viviendas, son fabricados para soportar corrientes máx imas de 15 amperios. Es decir, que al sobrecargar el tomacorriente, este comenzará a dañarse (quemarse en los bornes) aunque el conductor no sufra ningún daños. Tenga en cuenta que los tomacorrientes, por regla general, están destinados a recibir hasta tres artefactos (tomacorrientes triples) y la corriente nominal no debe superarse.
5.4 Sección de Conductor para la Máxima Demanda. Para seleccionar el conductor, ya sea el principal o de cualquier circuito derivado, hay que tomar en cuenta cuatro factores: La corriente máx ima, la caída de tensión, la temperatura ambiente y el tipo de instalación. La caída de tensión y la corriente máx ima ya lo hemos abordado en los cálculos anteriores así que sólo veremos los otros dos factores.
Tipo de Instalación. Según el Código Nacional de Electricidad en su tabla 2, se tiene varios métodos de instalación. De ellos, he seleccionado los que describo a continuación conservando las letras que usan para diferenciarlas. A1: Conductores unipolares aislados, en un tubo y en una pared de concreto. A2: Conductores tripolares aislados, en un tubo y en una pared de concreto. B1: Conductores unipolares aislados, en un tubo y en una pared de madera. B2: Conductores tripolares aislados, en un tubo y en una pared de madera. C: Cable unipolar o multipolar en una pared de madera. D: Cable unipolar o multipolar en ductos en el suelo. La capacidad de corriente para dos conductores (conex ión monofásica) y diferentes secciones en función de su método de instalación es la siguiente: Sección
A1
A2
B1
B2
C
D
1.5mm2
14.5
14
17.8
16.5
19.5
22
2.5mm2
19.5
18.5
24
23
27
29
4mm2
26
25
32
30
38
38
6mm2
34
32
41
38
46
47
10mm2
46
43
57
52
63
63
16mm2
61
57
76
69
85
81
25mm2
80
75
101
90
112
104
35mm2
99
92
125
111
138
125
Ejemplo 5.1 Determinar el tipo de conductor que se debe utilizar en una vivienda cuya corriente máx ima es de 30 Amperios, sabiendo que la recomendación es que las instalaciones eléctricas se hagan dentro de paredes de madera.
Solución Como se trata de una vivienda la conexión será monofásica, es decir, de dos conductores y el método de instalación será el B1. Como la corriente máx ima no puede ser 30 amperios, sino 40 amperios, tal como lo indicamos en la parte correspondiente al cálculo de la máx ima demanda, entonces buscamos una sección que tenga una capacidad de corriente igual o mayor a 40 amperios. Respuesta: Conductor de cobre de 6mm2, con aislamiento PVC del tipo TW que tiene una capacidad de corriente de 41 amperios.
Ejemplo 5.2 Determinar el tipo de conductor que se debe utilizar en una vivienda cuya corriente máx ima es de 50 Amperios, sabiendo que la recomendación es que las instalaciones eléctricas se harán dentro de paredes de concreto.
Solución Como se trata de una vivienda la conexión será monofásica, es decir, de dos conductores y el método de instalación será el A1. Como la corriente máx ima no puede ser menor de 40 amperios y, la que se ha obtenido es mayor, de 50 Amperios, buscamos una sección que tenga una capacidad de corriente igual o mayor a 50 amperios. Respuesta: Conductor de cobre de 16mm2, con aislamiento PVC del tipo TW que tiene una capacidad de corriente de 61 amperios.
Temperatura Ambiente
Los factor fac tores es de correcc corrección ión por temper temperatura atura ambiente se aplican apli can a los conductores conductores que van expuestos al aire y los que van enterrados en ductos. En la siguiente tabla se muestran los valores para el caso de conductores con aislamiento PVC. Temperatura
Cables Ca bles al
Cables en Ductos
Ambiente
Aire
Enterrados
10 C
1 22
1.10
15 C
1.17
1.05
20 C
1.12
1.00
25 C
1.06
0 95
30 C
1.00
0.89
35 C
0 94
0.84
40 C
0.87
0.77
45 C
0.79
0.71
Ejemplo 5.3 Determinar Deter minar el tipo ti po de conductor que que se debe utilizar utili zar en una vivienda viv ienda ubicada ubic ada en una locali loc alidad dad donde donde la temperatur temperaturaa ambiente llega a 35C, cuya corriente corriente máx ima es de 50 Amperios, sabiendo que la recomendación es que las instalaciones eléctricas se harán en ductos enterrados.
Solución Cantidad de conductores: 02 Método de instalación: D Temper emperatu aturra Ambiente: Ambiente: 35 35 C F actor de corr corrección: ecc ión: 0.84 Corriente Corriente máxima: máx ima: 50 Amperi Amperi os Corriente de selección: 50 Amperios/0.84=59.6 Amperios
Conductor:: Buscamos Conductor Busc amos una secci sec ción ón que tenga tenga una capacidad capaci dad de corriente corriente igual i gual o mayor a 59.6 amperios. Respuesta: Conductor Respuesta: Conductor de cobre cobre de 10mm2, 10mm2, con aisl ai slamiento amiento PVC del tipo TW T W que tiene una capacidad de corriente de 63 amperios. Como puede apreciar, en los dos ejemplos anteriores, instalar un conductor bajo tierra a pesar de de aplicar apli car el factor de corr corrección, ecc ión, tiene ti ene la ventaja v entaja de utilizar utili zar un conductor de menor sección por tener, en esas condiciones, una mayor capacidad de corriente.
6.Cálculo 6. Cálculo Cinco: La Puesta a Tierra 6.1 Como es una puesta a tierra Es un hueco de aprox aprox imadamente imadamente 0.8m x 0.80m, 0.80m, de forma forma circular ci rcular,, con espacio es pacio sufici sufi ciente ente par paraa cavar hasta hasta una profund profundidad idad de 3.00m. 3.00m. En el centro se coloca c oloca un varilla varill a de cobre de 2.40m de longitud con un espesor que puede ser de ½ pulgada o 5/8 de pulgada, por ser los más usados, aunque pueden ser de cualquier otro espesor. El pozo se rellena, alrededor de la varilla con material preparado adecuadamente, tratando de que sea lo más homogéneo homogéneo posi posible. ble. Lo que se busca es una resistencia artificial que sea capaz de conducir una corriente o carga hacia el suelo en una zona bajo la superficie. De esta forma el suelo actúa como una fuente, que consumirá esa corriente y que, por ser parte de una inmensa cantidad de tierra, tierra, se puede consider consi derar ar idealmente infinita. infini ta. lus trativ lustr ativamen amente, te, podemos podemos decir deci r que que la puesta a tier ti errra es un pozo donde la var v arililla la descarga todas todas las l as cor c orrrientes no usadas us adas y las pasa al suelo en donde se pierden. Para Para que esto suceda, suc eda, la resistencia resis tencia debe tener tener uunn val valor or bbajo ajo para que que estas cargas puedan puedan pasar con facilidad. Si la resistencia es alta, sucederá lo contrario.
6.2 Objetivo de la Puesta a Tierra Una comparación sencilla es la siguiente: Imagine las tuberías de desagüe de su casa. Todas ellas van a una red principal de su casa, luego a una red de tuberías más grandes de la ciudad y finalmente al mar. Actualmente, hay nuevas instalaciones, donde estas aguas que no se usan ya no van al mar sino a una laguna de ox idación que es una fuente donde se evapora el agua y los residuos tienen otros usos. Pero al final, se logra que todas las aguas que no se usan en su casa se vayan a un determinado lugar donde puedan ser transformadas en otros materiales utilizables por el hombre y la naturaleza. Pues bien, la corriente que pasa por los conductores y nuestros artefactos, es una corriente de electrones y estos de todas formas se salen de los ellos, pues no existen aislantes perfectos, hasta ahora. Para evitar que estas corrientes se acumulen en las instalaciones o artefactos, les facilitamos un conductor para llevarlos a la tierra y así evitar que su acumulación cause daños, especialmente a las personas. El objetivo, entonces, de una puesta a tierra es eliminar las corrientes “ vagabundas” , por así decirlo, de sus instalaciones y mantener sus equipos y artefactos limpios y libres de peligros.
6.3 Ubicación de la Puesta a tierra. Hay que tener algunos conocimientos del comportamiento de la puesta a tierra para poder elegir de forma adecuada donde ubicarlo. Generalmente lo hacen cerca del tablero de la vivienda o en un jardín, pero no siempre se dispone de ese lugar ideal. Pues bien, el objetivo principal es mantener el valor de la resistencia de la puesta a tierra. Para ello se requiere de conocer varias condiciones o estado del suelo que pueden favorecer o perjudicar que este valor se mantenga constante la mayor cantidad de tiempo. Vemos quienes son estas condiciones y cómo podemos controlarlas.
La humedad Mientras más seco es el terreno, la resistividad será más alta. Por lo tanto, la primera condición para seleccionar el lugar de la puesta a tierra es donde siempre haya humedad. Esta es la razón por la cual se elige el jardín, siempre que se tenga la certeza que lo cuidará, pues hay jardines que no lo parecen. Esta característica sirve para recomendar que el pozo deba permanecer con cierta humedad, lo que significa que el acceso al pozo y su ubicación debe ser sencillo para usted o para quien estime hará el trabajo.
La temperatura Mientras más alta es la temperatura, más alta será la resistividad. Por lo tanto hay que cuidar que el pozo a tierra este lejos de zonas de calentamiento y de preferencia donde haya sombra. Esto aplica para zonas donde la temperatura del suelo está por encima de los 4 C como referencia. Las temperaturas bajas e inferiores a cero, afectan la resistividad incrementándola, por lo tanto en zonas donde la temperatura es muy baja, la recomendación de ubicarlo bajo sombra no aplicaría. Ubicar un pozo a tierra, entonces, requiere de tener cuidado en torno a la humedad y temperatura. Recuerde que se busca utilizar estas dos condiciones para beneficio del objetivo de la puesta a tierra.
Conocer la resistividad del terreno. Ahora que ya tenemos ubicado el lugar donde se instalará la puesta a tierra y se construirá el pozo, hay que medir la resistividad del terreno. Todos los materiales tienen resistividad y es la propiedad que cuantifica la capacidad
del material para oponerse al paso de la corriente eléctrica. Si un material tiene una resistividad alta, la corriente tendrá dificultades para pasar y se comportará como un aislante. En cambio, si tienen poca resistividad, facilitarán el paso de la corriente y se comportará como un conductor, que es lo que debemos conseguir siempre. Para una puesta a tierra, buscamos que el suelo tenga una resistividad baja, para que las corrientes “ vagabundas” se dispersen por la tierra y se alejen de nuestras instalaciones. El suelo, no es el mismo en todos los lugares, así que la resistividad tampoco lo será, por eso es importante medirla. El Código Nacional de Electricidad denominado Utilización, ha elaborado una tabla de valores de resistividad “ referenciales” y que pueden servir para desarrollar un primer cálculo de la cantidad de pozos a tierra que será necesario instalar. Esta tabla es la A2-06 que se muestra a continuación.
El procedimiento de medir la resistividad se realiza siguiendo varios métodos, de los cuales el más recomendado es el de Schulumberger-Palmer, ya que el método de Wenner tiene la desventaja de que la tensión decrece de forma rápida entre los dos electrodos interiores cuando su distancia se va incrementando a valores muy grandes.
Calcular la resistencia de la puesta a tierra. El cálculo de la resistencia de cualquier material homogéneo se calcula utilizando la siguiente relación: R=ρ.L/S Dónde: R: Resistencia del material. Se mide en ohmios (Ω)
.ρ: Resistividad del material. Se mide en ohmios-metro (Ω-m) L: Longitud del material. Se mide en metros. (m) S: Sección del material. Se mide en metros cuadrados. (m²) Pero el suelo no es homogéneo y tampoco se comporta como tal, por lo tanto la fórmula que se aplica para hallar la resistencia de todos los materiales no puede ser aplicada a un material como el suelo, cuya composición no es homogénea. La relación que se usa para una puesta a tierra con una varilla de cobre en posición vertical, conectada al suelo, es la siguiente: R=(ρ/2πL)*ln(4L/D) Dónde: R: Resistencia de la puesta a tierra. Se mide en ohmios (Ω) ρ: Resistividad de suelo. Se mide en ohmios-metro (Ω-m) L: Longitud de la varilla. Se mide en metros. (m) D: Diámetro de la varilla. Se mide en metros (m)
Ejemplo 6.1
Imaginemos que hemos medido la resistividad del terreno donde haremos la construcción del pozo a tierra y hemos obtenido como resultado el siguiente: ρ=80Ω-m Ahora vamos a utilizar la varilla de ½ pulgada de diámetro y 2.40m de longitud. L=2.40m D=1/2” =0.0127m. Aplicando la fórmula obtenemos una resistencia de: R=35.16 Ω
Ejemplo 6.2 Si realizamos el cálculo del ejemplo anterior pero con una varilla de 5/8 pulgadas de diámetro obtenemos: R=33 98 Ω Como se puede apreciar la diferencia no es grande. Si se trata de mejorar el valor de la resistencia, incrementar el diámetro de la varilla no es una buena alternativa. Luego veremos que hay otras condiciones que podemos manipular para obtener un mejor valor.
Valor máximo de una Puesta a Tierra El Código Nacional de Electricidad – Utilización, señala como valor máx imo de un electrodo de puesta a tierra en 25Ω. Superior a este valor recomienda instalar un electrodo o puesta a tierra adicional a una distancia de por lo menos 2m. En algunos casos por el alto valor de la resistividad del terreno, tal como se ha mostrado en los ejemplos anteriores, no es posible lograr este valor máximo. Ante esto, es necesario optar por dos opciones: disminuir la resistividad del terreno o instalar uno mayor cantidad de electrodos en paralelo.
Modificar la resistividad del terreno. Actualmente hay mucho avance en componentes que se agregan o mezclan con la tierra que alojará el electrodo para obtener una baja resistencia. Con el cuidado que se tiene
sobre el medio ambiente, es una gran responsabilidad, lograr una baja resistencia de puesta a tierra, sin alterar negativamente el terreno. Aunque existen diversas alternativas, que pueden aplicarse a instalaciones eléctricas más complejas o de condiciones ex tremas, para una vivienda, es necesario tener en cuenta tres condiciones sobre el suelo. Las cuales podemos modificar para lograr el objetivo de una baja resistencia.
La concentr ación de sales: Estas ayudan a disminuir la resistividad, pero en cantidades adecuadas. Un alto valor de sales no necesariamente ayuda a disminuir la resistividad en proporción directa, pues la tierra no es un material homogéneo. La sal o cloruro de sodio es altamente conductivo en presencia de agua, lo cual es una ventaja para conseguir un bajo valor de resistencia. Pero, como la puesta a tierra es un medio que conduce corriente, su acción electrolítica genera formación de hidróx ido de sodio que afecta a la varilla de cobre, disminuyendo su duración, llegando incluso a destruirla.
Tr atamiento químico del Suelo. Ex isten en el mercado compuestos químicos que ayudan a mejorar la resistividad del suelo con ventajas sobre las sales, carbón vegetal o bentonita, tales como Thorgel, Favigel, Ericogel, Protegel y otros. Cada uno de estos compuestos viene con sus recomendaciones de aplicación para obtener el mejor resultado. Estos compuestos no son corrosivos para la varilla de cobre, no hacen daño a la naturaleza, no son tóx icos y tienen alta conductividad eléctrica que es lo que se busca en una puesta a tierra.
La compactación del terr eno La compactación del terreno ayuda a bajar la resistividad y mejora las propiedades del terreno. Como se ha mencionado, lograr una baja resistencia está relacionado con una buena conductividad para facilitar el paso de la corriente hacia la tierra. La tierra con demasiados poros o zonas libres perjudica la conductividad. La compactación consiste en aplicar presión al suelo con el objetivo de eliminar los espacios vacíos e incrementar su densidad. Este beneficia la conductividad y además, como consecuencia de este trabajo, el suelo aumenta su densidad y estabilidad.
La compactación no debe ser realizada de forma tan severa. No queremos construir las bases de un edificio o el asfalto de una carretera. El ex ceso de compactación reduce la permeabilidad del suelo y evita la penetración de agua. Recuerde que en una puesta a tierra, queremos mantener cierto nivel de humedad, pues un terreno seco y agrietado baja drásticamente las propiedades conductivas del terreno. Una recomendación es realizar la compactación en capas de 30cm. Capas menores afectarían la permeabilidad que deseamos.
Ejemplo 6.3 Que resistividad debe tener el terreno donde se instalará un pozo a tierra de 20Ω, si la varilla que se usará es de cobre, 2.40m de longitud y 5/8” de diámetro.
Solución R=20Ω L=2.40m D=0.01588m. Reemplazando en la fórmula, tenemos ρ=45.50Ω-m Respuesta: Necesitamos bajar la resistividad del terreno a un valor igual o menor a 45 50 Ω-m.
Ejemplo 6.4 Que resistividad debe tener el terreno donde se instalará un pozo a tierra de 15Ω, si la varilla que se usará es de cobre, 2.40m de longitud y 5/8” de diámetro.
Solución R=15Ω L=2.40m D=0.01588m. Reemplazando en la fórmula, tenemos
ρ=34.30Ω-m Respuesta: Necesitamos bajar la resistividad del terreno a un valor igual o menor a 34 30 Ω-m. Analicemos este resultado para dar algunas recomendaciones. Sabemos que el valor máximo, según el Código Nacional de Electricidad, de la resistencia de la puesta a tierra es de 25Ω. Este valor es el límite al cual debe llegar una puesta a tierra, por lo tanto no debería superarse. También sabemos que, por la forma dinámica como la tierra va cambiando por diversos fenómenos internos y ex ternos que suceden dentro y sobre él, el valor de su resistencia, al ser artificial, se va incrementando con el tiempo. La naturaleza tiene a recuperar su estado. Si nuestro objetivo es que ese valor se mantenga debajo del valor recomendado por el Código de Electricidad, entonces debemos construir un pozo de puesta a tierra con un valor inferior a 25 Ω. En realidad debemos tratar de obtener el más bajo posible. Los dos ejemplos anteriores nos dan valores de referencia para elegir adecuadamente el lugar donde se construirá el pozo de la puesta a tierra. Para efectos de un proyecto, se debe medir el valor de la resistividad del terreno y con ese resultado tomar la decisión de construirlo directamente o recomendar que se intervenga sobre el terreno para mejorar sus propiedades.
Incrementar la resistencia del Electrodo Si después de haber mejorado la resistividad del terreno no es posible lograr una resistencia menor a 25Ω, nos queda la posibilidad es instalar electrodos en paralelo. Geraldo Kindermann y Jorge M. Campagnolo, en su libro publicado en 1992, titulado “ Aterramiento Eléctrico” , muestran en el apéndice A, las tablas para utilizar un coeficiente de reducción cuando se usa más de una varilla en paralelo, según la longitud de separación. Si consideramos, por ejemplo, instalar dos varillas verticales, separadas 5.00m, el facto de corrección indicado es de k=0 536, por lo tanto el valor de nuestra puesta a tierra total sería de: R=(0.536)x(33.98Ω)=18 21Ω Si consideramos, por ejemplo, instalar tres varillas verticales, separadas 5.00m, el facto
de corrección indicado es de k=0 374, por lo tanto el valor de nuestra puesta a tierra total sería de: R=(0.374)x (33.98Ω)=12.71Ω Ahora, si quisiéramos obtener los 25Ω, tendríamos que buscar un factor de corrección de: K=(25Ω)/(33 98Ω)=0.736 Pero en las tablas encontramos que el factor de corrección más alto para dos electrodos ubicados a 2.5m de separación tiene un K=0 566, con el cual obtenemos una resistencia de la puesta a tierra de: R=(0.566)x(33.98Ω)=19 23Ω Con este valor, que es menor a lo recomendado por las normas estaríamos cumpliendo con la construcción de un sistema de puestas a tierra normalizado y seguro para la vivienda o edificación. Por lo tanto recomendaríamos instalar dos puestas a tierra separadas 2 5m una de la otra compuestas con varillas de cobre de 5/8” de diámetro y 2.40m de longitud.
7.Cálculo Seis: La Protección. La Protección consiste en evitar que las capacidades nominales de los conductores se superen. El objetivo principal es cuidar los conductores y todos los equipos eléctricos y electrónicos que se usan en una vivienda. La Protección se encarga de actuar sobre la Tensión y la Corriente. Estas dos magnitudes tienen rangos que deben mantenerse y que dependen de la cantidad de equipos que se usan, sus especificaciones y, de la calidad de energía que nos entrega la empresa concesionaria. Si la tensión se eleva a valores superiores a los que soportan los artefactos eléctricos y electrónicos, estos se dañarán de forma irreversible. Para evitar que eso ocurra debemos tener un dispositivo que sea capaz de detectar ese valor y desconectar el circuito de la fuente o mitigar el efecto. Si la tensión se reduce a valores inferiores a los que necesitan los artefactos, estos no funcionarán. En cambio, la corriente, se elevará o bajará dependiendo de la cantidad de artefactos que se conecten o desconecten. El efecto nocivo de la corriente es cuando esta se eleva a valores superiores a los nominales. Como resultado los conductores se calentarán y si esto no se detiene, se puede dañar el aislamiento y luego toda la instalación. Proteger un circuito de las corrientes elevadas o sobrecorrientes es evitar que los conductores se calienten hasta alcanzar temperaturas que dañen el aislamiento. El conductor de una instalación eléctrica para una vivienda es de cobre y con aislamiento de PVC. De los dos materiales, el PVC es el más débil a la temperatura, pues soporta en condiciones normales hasta 90 C, según el tipo de fabricante. Por lo tanto, debemos proteger el conductor para que esta temperatura nunca llegue a ocurrir y eso lo podemos lograr si mantenemos la corriente que pasa por el conductor en niveles inferiores a la corriente nominal. El Código Nacional de Electricidad y la NTP (Norma Técnica Peruana) establecen para conductores con aislamiento de PVC una temperatura máx ima de operación de 70 C, inferior a lo que indican varios fabricantes en sus especificaciones. Esto garantiza que los conductores operen en buenas condiciones, siempre que el diseño y selección tome en cuenta ese valor.
es de responsabilidad del usuario y de los que habitan la vivienda. Esta elevará su valo en función de la cantidad de artefactos que se enciendan simultáneamente. Las noches son los momentos donde se registra los más altos consumos de energía eléctrica y por lo tanto de corriente, por lo tanto son los momentos más propicios para que ocurran fallas o defectos en los conductores. Es importante que todos los circuitos tengan dispositivos de protección para evitar sobrecargas y sobretensiones y, como en la vivienda debe haber varios circuitos, tal como se indicó en el capítulo anterior, se va necesitar varios dispositivos que deben ubicarse en un solo espacio o caja que se le denomina Tablero.
7.1 El Tablero de la Vivienda. El Código define al Tablero o Panel de Distribución como el Panel o conjunto de paneles diseñados para constituir un solo panel; incluye barras, dispositivos automáticos de sobrecorriente, y con o sin interruptores para el control de circuitos de alumbrado y fuerza; construidos para su colocación en un gabinete adosado o empotrado en la pared y accesible solo por un frente. Según la sección 150-400 del Código se establece que debe instalarse un tablero en cada unidad de vivienda. El tamaño del tablero depende de la cantidad de circuitos que se van a utilizar y del tipo de dispositivos de protección que debe contener. Como punto de partida sabemos que la vivienda debe implementarse con una conexión monofásica, por lo tanto los dispositivos de protección deben ser de dos polos. La función del Tablero es alojar a todos los dispositivos de protección de las instalaciones eléctricas de la vivienda. Por lo tanto, hay que saber cuál será su tamaño y donde lo debemos instalar para que cumpla su función de forma adecuada y segura. Lo primero es que todo tablero instalado en una vivienda debe estar protegido por un dispositivo de protección contra sobre corrientes que puedan ocurrir. Para ello debe instalarse un interruptor automático del tipo Termomagnéticos o fusibles, adecuados para la potencia instalada o contratada de la vivienda. La diferencia entre un interruptor Termomagnético y un fusible es que el fusible se fundirá cada vez que suceda una sobrecarga, lo cual ex ige de tener disponible un repuesto. En el caso del interruptor Termomagnético, esto no ocurre, pues su funcionamiento es desconectarse mediante un sistema mecánico de apertura que puede volver a su estado inicial una vez que cesa el efecto que lo produjo. Asimismo, cuando se requiera abrir el circuito y que éste quede aislado eléctricamente, se recomienda la instalación de un interruptor de aislamiento o seccionador, aguas arriba del interruptor general. Este dispositivo de protección, también debe brindar la posibilidad de desconectar la carga de la vivienda sin afectar el suministro de energía a las otras unidades de vivienda en caso se trate de un edificio de departamentos, por ejemplo. Lo segundo, es que todo tablero, debe tener un dispositivo de protección contra posibles riesgos de incendios por fallas a tierra en el cable alimentador. Para ello se recomienda
instalar un interruptor diferencial o un interruptor de falla a tierra. Lo tercero es que en el tablero de la vivienda, cada circuito derivado, debe estar protegido por un interruptor automático del tipo Termomagnético, dotado de elementos de protección contra sobrecorrientes, cuya corriente nominal sea adecuada para la capacidad de corriente de los conductores derivados protegidos. Y, por último, se debe instalar al menos un interruptor diferencial general, de 30 mA (mili amperios) de sensibilidad, para proteger a las personas contra los riesgos de electrocución, por contacto eléctrico.
7.2 Ubicación del Tablero Según la sección 150-402 del Código, se establece que los tableros no deben ser ubicados en carboneras, armarios de ropa, cuartos de baño, escaleras, ambientes de doble altura, lugares peligrosos, ni en ningún otro lugar poco adecuado. Esta sección recomienda que los tableros en unidades de vivienda se deben ubicar tan alto como sea posible, pero teniendo en cuenta que ninguna manija de dispositivo de protección quede a más de 1,7 m sobre el nivel del piso. Esta altura evita la manipulación de los más pequeños. Para hacer una adecuada ubicación del tablero debe considerar los siguientes aspectos: 1. Una persona puede trabajar en él sin que el tránsito de las personas de un lado a otro de la casa interfiera con su trabajo. 2. Ningún artefacto, cuadro, cortina u otro elemento debe evitar que se vea. 3. Debe estar en un lugar de fácil acceso y adonde cualquier persona desde los ex tremos de la casa pueda llegar libremente. 4. Debe estar en un lugar que se pueda indicar de forma sencilla. Las mejores ubicaciones para un tablero son las siguientes: 1. En la cocina, cerca de la puerta de acceso al comedor o al jardín. 2. En el comedor, cerca de la puerta de la cocina o del jardín. 3. En la sala cerca de la puerta del jardín o del comedor.
7.4 Mantenimiento y Espacio en los Tableros El CNE-Utilización en la sección 010-010, ítem (3), se indica que se debe garantizar el buen funcionamiento de las protecciones mediante mantenimiento oportuno y apropiado por personal calificado y acreditado. Es importante que cada año se haga una revisión de las instalaciones eléctricas, especialmente las destinadas a la protección que se encuentran alojadas en el tablero. Verificar los terminales de los cables que se conectan a los interruptores Termomagnéticos, observando si están bien ajustados o verificar que el aislamiento tiene un color desvanecido son muestras de que algo está pasando en las instalaciones. En la sección 050-108 se establecen los espacios para los circuitos derivados dentro del tablero y donde se indica que para una unidad de vivienda unifamiliar se debe proveer suficiente espacio en el tablero, para al menos cuatro interruptores automáticos bipolares contra sobrecorrientes. No obstante de lo indicado anteriormente, debe proveerse suficiente espacio en el tablero para dos dispositivos de protección adicionales para futuras ampliaciones. Donde se prevea cocina o equipo trifásico se deben proveer interruptor automático contra sobrecorrientes tripolares.
7.5 Dispositivos de Protección. Los dispositivos de protección que deben considerarse en una vivienda son tres: Contra sobrecargas, contra sobrecorrientes y de corriente residual. Para todos los casos se debe tener en cuenta que la capacidad nominal o el ajuste de los dispositivos de sobrecorriente no debe exceder la capacidad de corriente de los conductores que protegen
Dispositivo de sobr ecar ga: Dispositivo que brinda protección contra corrientes ex cesivas, pero no necesariamente protege contra cortocircuitos, y es capaz de interrumpir un circuito, bien sea por la fusión de un metal o por medios electromecánicos. Los dispositivos que se usan para sobrecargas son fusibles o interruptores térmicos. Su única función es actuar por calentamiento como consecuencia de las corrientes que superan el valor determinado como máx imo.
Dispositivo de sobr ecor r iente: Dispositivo capaz de interrumpir automáticamente un circuito eléctrico, tanto en condiciones predeterminadas de sobrecarga como en condiciones de cortocircuito, bien sea por fusión de un metal o por medios electromecánicos. Los dispositivos que se usan para sobrecorrientes con los interruptores Termomagnéticos.
Dispositivo de cor r iente r esidual: También denominado Interruptor Diferencial (ID) o Interruptor de falla a tierra (GFCI “ Ground Fault Circuit Interrupter” ). Es un dispositivo para la protección de personas, cuya función es interrumpir automáticamente la corriente de un circuito, en un tiempo predeterminado, cuando la corriente a tierra ex cede un valor predeterminado. El proyectista debe verificar que exista una adecuada coordinación entre los interruptores de falla a tierra de una instalación.
Protección Diferencial Según la sección 020-132 referida a Protección con Interruptores Diferenciales ( D) o Interruptores de Falla a Tierra (GFCI), el Código establece que toda instalación en la que se prevea o ex ista conectado equipo de utilización, debe contar con interruptor diferencial de no más de 30 mA (mili amperios) de umbral de operación de corriente residual; pero éste no debe ser usado como sustituto del sistema de puesta a tierra. Los estudios relacionados con la capacidad del cuerpo humano a la conducción de la
corriente eléctrica han determinado que 30 miliamperios es un valor donde aún es posible tener reflejos suficientes para actuar o movernos. Eso significa que un contacto desprevenido con una de las fases de un circuito protegido con un dispositivo de esta sensibilidad, evitará poner en riesgo su vida. Todo interruptor diferencial debe actuar como interruptor de cabecera, en instalaciones de hasta tres circuitos derivados, es decir, de un grupo de hasta tres dispositivos de sobrecorriente o Termomagnéticos. En este caso el interruptor diferencial se debe instalar aguas abajo del interruptor automático general. Hay que tener presente que el valor de la corriente nominal del interruptor diferencial debe ser igual o mayor que la corriente nominal del interruptor automático general. En instalaciones con más de tres circuitos derivados, éstos pueden agruparse de a tres y poner a la cabeza de cada grupo un interruptor diferencial de 30 mA de sensibilidad. Estos interruptores diferenciales deben quedar instalados aguas abajo del interruptor automático general mencionado. Esta medida es para evitar los disparos indeseados producidos por las corrientes de fuga parásitas normales. Para mejorar la confiabilidad del servicio de las instalaciones internas, se puede instala un interruptor diferencial de 30 mA de sensibilidad en cada circuito derivado. En este caso, cada interruptor diferencial se debe instalar aguas abajo del interruptor automático respectivo. Si todos los circuitos derivados cuentan con interruptores diferenciales, puede omitirse el interruptor diferencial general. La selección de las corrientes nominal y de cortocircuito de cada interruptor diferencial, se debe hacer bajo los mismos criterios usados para el cálculo de un dispositivo de protección contra sobrecorriente que corresponde en dicha posición.
Protección de Tomacorrientes. Según la sección 080-600 del CNE, no deben conectarse tomacorrientes en circuitos derivados que tengan protección contra sobre corrientes de capacidad nominal o ajuste mayor que la corriente nominal del tomacorriente. En cada circuito se instalarán tomacorrientes y estos tienen una capacidad nominal que generalmente es de 15 amperios. Por lo tanto, el dispositivo de protección de ese circuito debe ser de un valor igual o menor que esa corriente nominal. Si la corriente del circuito va requerir de un dispositivo de protección de mayor corriente nominal se deben
considerar tomacorrientes de ese valor o dividir el circuito para una mejor protección. Lo anterior busca proteger la instalación de una conex ión descuidada en los tomacorrientes. Si su corriente nominal es de 15 Amperios y el dispositivo de protección de 25 amperios, puede ocurrir que al conectar una carga en ese tomacorriente de un valor mayor a 15 amperios, este puede fallar, pues el dispositivo de protección no va disparar o actuar para protegerlo.
Protección no indispensable. En la sección 080-602, referida a dispositivos de Control Adicionales No Necesarios, el Código indica que los electrodomésticos portátiles no deben ser equipados con dispositivos de control adicionales cuando tengan una capacidad nominal inferior que 1 500 W y, cuando estén provistos con una conex ión de cordón y enchufe, o algún medio similar mediante el cual puedan ser fácilmente desconectados de los circuitos. El párrafo anterior, deja al circuito de la electrobomba, por ejemplo, que tiene una carga menor a 500W, sin dispositivo de protección debido a que es una carga pequeña, menor a 1 500W. Esto es razonable, considerando que toda la instalación eléctrica de la vivienda tiene una protección general que finalmente va prevenir una sobre corriente en cualquier parte de la instalación. Pero, como la electrobomba, no va conectada a un tomacorriente con un cordón y enchufe sino que se conecta directamente a los conductores, hacer su mantenimiento o repararla va comprometer la instalación de toda la vivienda. Por eso, aunque no lo recomiende el Código, por flex ibilidad de la instalación es necesario considerar a la electrobomba como un circuito independiente con su propio dispositivo de desconex ión y protección.
7.6 El Interruptor Automático o Termomagnético En esta parte vamos a ver el procedimiento de seleccionar un interruptor automático para el alimentador principal de una vivienda. El mismo puede aplicarse también, para los circuitos derivados. Estos dispositivos, mecánicamente, cumplen la función de desconectar el circuito de la fuente de tensión que lo alimenta. Desconectada la fuente no hay tensión ni corriente que pueda dañar los conductores. Para lograrlo debe “ disparar” , es decir, desconectar el circuito cuando aún está circulando corriente. Esta acción genera un arco que debe eliminarse. Para ello cuenta con una pequeña cámara donde usa el mismo aire aprovechando la velocidad de desenganche del contacto de apertura. A esta característica se le llama “ corte en aire” . Por lo tanto, el medio ambiente (aire) y sus condiciones son importantes para que el Termomagnético cumpla su función.
Condiciones Ambientales. Dentro de las condiciones ambientales que afectan la operación de un Termomagnético se tiene la contaminación, altitud y temperatura ambiente. Ellas afectan la pequeña cámara de “ corte en aire” , disminuyendo su velocidad de disparo. Para todos los casos que vamos a considerar se ha previsto que el grado de protección no será superior al IP20. Se asume, con suficiente criterio que las viviendas que trataremos aquí no se construirán en climas agresivos. En caso eso suceda, se tendrá que evaluar el grado de protección adecuado y seleccionar un dispositivo acorde con esas exigencias. Hasta 2000 metros de altitud, los interruptores automáticos no sufren alteraciones en las especificaciones asignadas. Al aumentar la altitud, se modifican las propiedades de la atmósfera en cuanto a la composición, la capacidad dieléctrica, el poder refrigerante y la presión. Por lo tanto, las prestaciones de los interruptores presentan variación de los parámetros significativos, como la máxima tensión asignada de funcionamiento y la corriente permanente asignada. Las especificaciones técnicas generales de los interruptores se cumplen para una temperatura ambiente del aire que no sobrepase los 40 C y la media durante 24 horas no debe exceder los 35 C, así como una mínima de -5 C. Valores diferentes deben ser afectados por un factor de corrección que debe proporcionar el mismo fabricante.
Características Físicas. Considerando una conex ión monofásica, los dispositivos de protección serán de dos polos y por lo tanto deben ser de montaje sobre riel D N con corrientes nominales que van desde 0 2 hasta 125 amperios con poder de ruptura desde 2 hasta 25kA. (kA = kilo amperios o mil amperios). Debido a que la fabricación y condiciones de operación están normados por la IEC 60898, la mayor parte de estos dispositivos presentan características semejantes. Como característica principal de su funcionamiento, el interruptor automático está formado por una pieza bimetálica y un electroimán de bobina, normalmente montados en serie con el circuito que hay que proteger. La acción del bimetal es más rápida cuando la sobrecarga es elevada. Siguiendo el principio del electroimán, el mismo actúa a partir de sobrecorrientes importantes en forma casi instantánea. Haciendo pruebas de variación de sobrecargas es posible determinar una curva tiempocorriente que indica el comportamiento del disparo. A esta curva se le llama curva de protección y la norma EC ha establecido tres tipos que se aplican según la carga o equipos que protegen y que veremos más adelante como curvas de disparo.
Características Técnicas Las características más importantes de un interruptor automático y que deben tener en forma indeleble son: -
Nombre del fabricante. Tipo y Número de catálogo. Tensión nominal. Corriente nominal. Característica de disparo (B,C ó D) Frecuencia. Capacidad de cortocircuito. Grado de protección. Temperatura ambiente.
Corrientes nominales normalizadas Las corrientes nominales normalizadas según la NTP- EC-60898-1 2004 son: 6, 8, 10, 13, 16, 20, 25, 32, 40, 50, 63, 80, 100 y 125 amperios.
Características de Operación. Este es el valor que debemos tener en cuenta para seleccionar los dispositivos de protección. Según la norma NTP basada en la EC 60898-1, se debe conocer tres definiciones importantes de corriente:
Corriente nominal (In) Es la corriente asignada por el fabricante y se puede decir que coincide con la corriente térmica, al aire libre ( th según EC 947-2) y representa el valor de la corriente en la que el interruptor no dispara. Para los interruptores que cumplen con la norma IEC 898, este valor no puede ser superior a 125 amperios.
Cor r iente convencional de no disparo (Inf) Este valor representa la sobrecorriente con la cual no se efectúa el disparo de un interruptor termomagnético (o electrónico) en un tiempo dado. Según la norma IEC 898, este valor es del orden de 1.13In, es decir 1.13 veces la corriente nominal.
Cor r iente convencional de dispar o (If) Representa el valor de la sobrecorriente, con la cual se efectúa la operación de disparo de un interruptor termomagnético (o electrónico) en el tiempo convencional. Según la norma IEC 898, este valor es del orden de 1.45In, es decir 1.45 veces la corriente nominal, siempre que la corriente nominal del interruptor sea de hasta 63 amperios. Para interruptores mayores será de 2 horas.
Cor r iente de dispar o instantáneo (Im) Es el valor mínimo de la corriente que provoca el disparo automático del interruptor. Según la norma EC, este valor depende del tipo de disparo del dispositivo que puede ser: Valor
Valor
Inferior
Superior
(Im1)
(Im2)
B
3In
5In
C
5In
10In
Tipo
D Tiempo
10In
20In
≤0.1
<0.1
(Segundos) A continuación se muestra la curva de disparo tipo C que deben tener todos los interruptores automáticos que se fabrican bajo las indicaciones mínimas de la norma EC mencionada.
Ejemplo 7.1 Indique las características de operación de un interruptor automático del tipo Termomagnético de 25 Amperios.
Solución. In=25 Amperios. Inf=1.13In=25 25 Amperios. If=1.45In=36 25 Amperios. Para determinar Im1 e Im2 hace falta indicar el tipo de disparo del interruptor.
Tipos de Disparo. La norma EC 898 establece tres tipos de operación diferentes para el disparo magnético que deben tener los interruptores automáticos. Estos tipos se han clasificado en tres curvas características denominadas B-C-D y que tiene como objetivo indicar los usos y aplicación que tienen. T PO B que es para cargas mayormente resistivas. T PO C que es para protección de cables y conductores en instalaciones que suministran energía eléctrica a equipos o artefactos de uso normal. Este tipo es el que se debe usar para una vivienda. T PO D que es para protección de cables que suministran energía a equipos de corrientes altas de arranque como motores. Este tipo es para uso industrial.
Ejemplo 7.2 Indique las características de operación de un interruptor automático del tipo Termomagnético de 25 Amperios que se usará en una vivienda.
Solución. Tipo de disparo: C In=25 Amperios.
Inf=1.13In=25 25 Amperios. If=1.45In=36 25 Amperios. Im1=5In=125 Amperios. Im2=10In=250 Amperios.
7.7 Selección de un Interruptor Termomagnético Para seleccionar un interruptor automático del tipo Termomagnético para una vivienda, deben cumplirse dos condiciones:
Primero: La corriente de la máx ima demanda debe pasar sin problemas por el interruptor. Esto se logra seleccionado uno de corriente nominal igual o superior a la corriente máx ima de la vivienda. Ejemplo 7.3 Seleccionar un interruptor general para el tablero de una vivienda cuya máx ima demanda es de 5kW.
Solución. Calculamos la cor r iente máxima Potencia: P=5 000W Tensión: V=220 V monofásica (valor asumido en base a la tensión nominal normalizada en la zona del proyecto) Fp: 0 95 (factor de potencia asumido en base a ejemplos anteriores) Corriente máx ima: I=P/(V.fp)=23.92 Amperios
Seleccionamos en interruptor Tipo de disparo: C In=25 Amperios. Inf=1.13In=25 25 Amperios. If=1.45In=36 25 Amperios. (Corriente de disparo) Im1=5In=125 Amperios. Im2=10In=250 Amperios.
Segundo: La corriente de disparo del interruptor debe ser menor que la corriente máx ima admisible del conductor. Esta condición sirve para seleccionar el conductor en
base a la protección.
Ejemplo 7.4 Seleccionar la sección de conductor adecuada para el alimentador principal de una vivienda cuya máxima demanda es de 5kW, sabiendo que la instalación será del tipo empotrada en pared.
Solución. Calculamos la cor r iente máxima Potencia: P=5 000W Tensión: V=220 V monofásica (valor asumido en base a la tensión nominal normalizada en la zona del proyecto) Fp: 0 95 (factor de potencia asumido en base a ejemplos anteriores) Corriente máx ima: I=P/(V.fp)=23.92 Amperios
Seleccionamos en interruptor Tipo de disparo: C In=25 Amperios. Inf=1.13In=25 25 Amperios. If=1.45In=36 25 Amperios. (Corriente de disparo) Im1=5In=125 Amperios. Im2=10In=250 Amperios.
Seleccionamos el conduc tor Veamos la tabla de corrientes admisibles para conductores según tipo de instalación
el tipo de instalación. Tipo de instalación: A1 Sección de conductor: 10mm2
Ejemplo 7.5 Seleccionar la sección de conductor y tipo de instalación adecuada para el alimentador principal de una vivienda cuya máx ima demanda es de 5kW.
Solución Siguiendo todo el procedimiento anterior de cálculo, obtenemos que la corriente del conductor debe ser de 36.25 amperios o superior. Tipo de instalación: D Sección de conductor: 4mm2 Los dos ejemplos anteriores muestran la razón por la cual es importante que el conductor alimentador o conductores de alta carga o consumo de corriente deben ir enterrados y en ducto.
Ejemplo 7.6 Seleccionar la sección de conductor adecuada para el alimentador principal de una vivienda cuya máxima demanda es de 2kW. Defina así mismo el tipo de instalación.
Solución. Calculamos la cor r iente máxima Potencia: P=2 000W Tensión: V=220 V monofásica (valor asumido en base a la tensión nominal normalizada en la zona del proyecto) Fp: 0 95 (factor de potencia asumido en base a ejemplos anteriores) Corriente máx ima: I=P/(V.fp)=9.57 Amperios
Seleccionamos en interruptor
Tipo de disparo: C In=10 Amperios. Inf=1.13In=11.30 Amperios. If=1.45In=14 50 Amperios. (Corriente de disparo) Im1=5In=50 Amperios. Im2=10In=100 Amperios.
Seleccionamos el conduc tor Veamos la tabla de corrientes admisibles para conductores según tipo de instalación y vemos que un conductor de 1 5mm2 es suficiente. Tipo de instalación: A1 Sección de conductor: 1.5mm2 Pero, por recomendación y ex igencia del Código, las secciones de los conductores de cualquier circuito principal o derivado no debe ser menor de 2 5mm2 de sección, entonces tendremos que: Sección de conductor: 2.5mm2
Ejemplo 7.7 Cuál será la potencia máx ima que debe tener una vivienda para que su circuito principal use conductor de 2.5mm2 con tipo de instalación empotrada en pared.
Solución. Seleccionamos la cor r iente del conductor Veamos la tabla de corrientes admisibles para conductores según tipo de instalación y vemos que un conductor de 2 5mm2 es de 19 5 Amperios. Tipo de instalación: A1 Corriente máx ima: I=19 5 Amperios.
Calculamos el interr uptor Tipo de disparo: C If=1.45In=19 50 Amperios. (Corriente de disparo) In=If/1.45=13.44 Amperios. In=13 Amperios. Inf=1.13In=14.69 Amperios. Im1=5In=65 Amperios. Im2=10In=130 Amperios.
Calculamos la potencia máxima Tensión: V=220 V monofásica (valor asumido en base a la tensión nominal normalizada en la zona del proyecto) Fp: 0 95 (factor de potencia asumido en base a ejemplos anteriores) Potencia máx ima: P=V.In.fp P=(220V).(13 Amperios) (0 95)=2 717W
7.8 Corriente de Cortocircuito. La corriente de cortocircuito es el valor que alcanza la corriente cuando se produce un cortocircuito, por lo que vamos a ex plicar que es un cortocircuito para los fines y objetivos de las instalaciones eléctricas de una vivienda. A este término se la relaciona más con las fallas y no es incorrecto, pero sí inadecuado. Un corto circuito, es lo que su nombre lo indica: “ un circuito corto” o muy pequeño a tal punto que la longitud del conductor es casi cero. Nunca puede ser cero, pues si no hay conductor, no puede haber un circuito. En una vivienda, un cortocircuito puede ser el resultado de una falla o de una mala conex ión. Una falla ocurre cuando un defecto permanece por mucho tiempo y no se detecta. Es importante recordar que un circuito eléctrico es el camino que recorre la corriente eléctrica dentro de un conductor en forma de espira cerrada. Es decir, si no hay conductor, no puede haber circuito. En el libro de Física Universitaria de Sears y Zemanski, se indica: Una corriente eléctrica consiste en cargas en movimiento de una región a otra. Cuando este desplazamiento se lleva a cabo dentro de un camino conductor que forma una espira cerrada, el camino se conoce como un circuito eléctrico.
Otro concepto que debemos tener en cuenta es la Ley de Ohm, que establece que la resistencia de un conductor es directamente proporcional a la tensión e inversamente proporcional a la corriente, es decir: R=V/I. Si conocemos el valor de R y de V, podemos hallar I, usando una fórmula derivada de la ley de Ohm que es la siguiente: I=V/R. Con esta relación podemos deducir algunos comportamientos de un circuito eléctrico: 1. Si la tensión se mantiene constante y la resistencia de un conductor es muy pequeña, la corriente será muy grande. 2. Si la tensión se mantiene constante y la resistencia de un conductor es muy grande, la corriente será muy pequeña. 3. Si la resistencia se mantiene constante y la tensión que se aplica al circuito es muy grande, la corriente será muy grande. 4. Si la resistencia se mantiene constante y la tensión que se aplica al circuito
es muy pequeña, la corriente será muy pequeña. Con esto ya podemos entender un cortocircuito. Es un circuito que tiene un conductor con una resistencia muy pequeña y cuya corriente es muy grande. Esta corriente puede llegar a ser tan grande que puede averiar los equipos y dañar los conductores que se encuentren dentro de ese circuito si no la detenemos. Entonces, lo malo de un cortocircuito es la enorme corriente que produce y una de las formas más usadas actualmente para detener esta corriente, cuando ocurre, es “ cortar el circuito” o desconectarlo de la fuente. Sin tensión, no circulará corriente por el circuito.
7.9 Interruptor Automático para Cortocircuitos Su denominación general es Dispositivo de Protección contra Cortocircuitos o SDPT que son las siglas en inglés (Short Circuit Protective Device). Estos dispositivos deben ser capaces de desconectar el circuito de la fuente, sin dañarse. Es decir, deben ser capaces de soportar esas altas corrientes y además tener la capacidad de desconectar el circuito sin que sufra daños físicos y pueda ser reutilizado. Estas condiciones no pueden ser soportados por un dispositivo por mucho tiempo, por lo que generalmente, los tiempos de actuación deben ser muy pequeños del orden de la fracción de segundos que para fines de entendimiento de describen como de “ actuación instantánea” .
Capacidades para Corrientes de Cortocircuitos Los interruptores automáticos deben tener, según la EC, especificadas las capacidades para altos valores de corriente definidos de la siguiente manera:
Capacidad de Cor toc ircuito Nominal (Icn). Valor eficaz de la corriente alterna, que el interruptor automático, por diseño, puede establecer, transportar durante el tiempo de apertura e interrumpir en las condiciones especificadas. A esta corriente también se le denomina capacidad de ruptura. Estos interruptores están diseñados para ser instalados en una vivienda o edificaciones de potencias comerciales o valores nominales como los indicados anteriormente.
Como se determina el valor nominal Icn. La Norma IEC6089 establece que los interruptores deben cumplir con un ciclo de ensayos para determinar su capacidad nominal. Lo que se indica a continuación es para dispositivos de uno o dos polos para uso en viviendas o edificaciones de capacidades nominales dentro de esta norma. Estos ensayos consisten en hacer maniobras en el dispositivo, mientras es atravesado por una corriente de ensayo. Las maniobras son: “ O” significa abrir la corriente de ensayo “ t” significa tiempo de espera y “ C” significa cierre del interruptor
Primer Ensayo: Se aplica la corriente de ensayo seis veces y debe abrir cada vez que se aplique esa corriente. Secuencia de maniobras: O – t – O – t – O – t – O – t – O – t – O – t Segundo Ensayo: Se le aplica una corriente de 500 amperios y se realizan tres operaciones de apertura y cierre. Secuencia de maniobras: CO – t – CO – t – CO Tercer Ensayo: Se le aplica una corriente de 1500 amperios y se realizan cinco operaciones de apertura y cierre. Secuencia de maniobras: O-t-O-t-CO Ensayo Final: Se aplica la corriente nominal de cortocircuito que puede ser de 10,000 amperios, por ejemplo, en un ciclo de tres maniobras. Secuencia de maniobras: O-t-CO Al final el dispositivo debe quedar sin daños mecánicos.
Valores Norm alizados de Corrientes de Cortocircuitos Según la norma NTP IEC 60698, los valores normalizados de la capacidad de cortocircuito nominal son de: 1 500, 3 000, 4 500, 6 000 y 10 000 amperios. Los valores de 1 000, 2 000, 2 500, 5 000, 7 500, 9 000 amperios son también considerados como normalizados en algunos países.
7.10 Calculo de Cortocircuito Para hacer estos cálculos necesitamos conocer el valor de la resistencia de los conductores y para ello podemos tomar el catálogo de un fabricante o hallarlo mediante el uso de la relación física de la resistividad. Vamos a usar este último. La fórmula es la siguiente: R=ρ.L/S La resistividad del cobre, que es el único material que puede usarse, según norma, para instalaciones eléctricas en baja tensión es de 0.0172
Ejemplo 7.8 Calcular la corriente que se produce en un circuito formado por un conductor de 2m de longitud, de cobre, de 1 5mm2 de sección. Si este se conecta a una fuente de tensión de 220 voltios con un factor de potencia de 1.
Solución Resistencia del conductor. R=(0.072).(2m)/(1.5mm2) R=0.096Ω Corriente que pasa por el conductor I=V/R=(220V)/(0.096Ω) I=2 291.7 Amperios.
Ejemplo 7.9 En circuito mostrado en la figura está formado por una fuente de corriente alterna de 220 voltios, una resistencia de 100Ω y conductor de cobre de 1 5mm2. Calcular la corriente que pasa por el circuito si la longitud desde la fuente a la resistencia es de 1m.
I=2.2 Amperios. Los dos ejemplos anteriores muestran la diferencia entre una alta y baja resistencia que se conectan a una determinada fuente de tensión. El ejemplo 6 2 puede tomarse como una lámpara conectada a una fuente y el ejemplo 6.1 como, el mismo circuito, pero quitando la lámpara, de tal forma que ahora el circuito tiene una resistencia muy pequeña. Esto ilustra, por ejemplo, lo que pasaría si al querer conectarla, por error o mala conexión, justamos los dos conductores del circuito. Esto genera un “ cortocircuito” y su resultado es una corriente muy alta.
Ejemplo 7.10 Calcular la corriente que se produce en un circuito formado por un conductor de 2m de longitud, de cobre, de 2 5mm2 de sección. Si este se conecta a una fuente de tensión de 220 voltios con un factor de potencia de 1.
Solución Resistencia del conductor. R=(0.072).(2m)/(2.5mm2) R=0.0576Ω Corriente que pasa por el conductor I=V/R=(220V)/(0.0576Ω) I=3 819.4 Amperios. Si compara el resultado del ejemplo 6.3 con el 6.1, se puede deducir que, a menor resistencia, mayor corriente.
Ejemplo 7.11 Calcular la longitud de conductor de cobre, de 1.5mm2 de sección, necesaria para generar una corriente de 10 000 amperios, si este se conecta a una fuente de tensión de 220 voltios con un factor de potencia de 1.
Solución Calculo de la resistencia.
R=V/I=(220V)/(10 000 Amperios) R=0.022Ω Longitud total del conductor. L=(0.022Ω). (2.5mm2)/(0.072) L=0.76m Longitud del circuito: Lc=0 38m Con estos ejemplos, podemos concluir en lo siguiente: Los cortocircuitos en una vivienda, se deben calcular considerando que “ pueden” ocurrir en los tomacorrientes más cercanos al tablero de distribución principal. Si queremos obtener menores posibilidades de corrientes altas por cortocircuitos, es recomendable instalar los tomacorrientes a longitudes mayores a los 3m. Cabe indicar que el cálculo de la corriente de cortocircuito, de forma teóricamente ex acta, se hace considerando la tensión en la fuente real desde donde se suministra la energía eléctrica. Para el caso de nuestra vivienda, tendríamos que tomar la fuente desde la central de generación eléctrica que puede ser una central hidráulica, térmica, eólica, solar, etc. Luego hay que conocer la impedancia (resistencia + inductancia + capacitancia) de las redes eléctricas que van desde la central hasta la vivienda. Este cálculo no es imposible, pero si escapa a los requerimientos para dimensionar los dispositivos de una vivienda. Los ejemplos mostrados anteriormente no son exactos teóricamente debido a que falta incluir la impedancia de las redes ex ternas aunque el error incurrido no es tan significativo. En la norma de proyectos eléctricos, se indica que la empresa concesionaria debe proporcionar la potencia de cortocircuito en el punto de conex ión con lo cual se obtendría un valor más preciso.
7.11 Protección contra Sobretensiones Las sobretensiones se refieren a tensiones que superan los valores nominales o los que pueden soportar los equipos y electrodomésticos. Se estiman en el orden del 10% hacia arriba como valores nocivos o peligrosos. Su alto valor puede dañar y desencadenar eventos lamentables en las instalaciones eléctricas y las personas. En nuestro País, la tensión nominal para las viviendas es de 220 voltios y según la Norma Técnica de la Calidad de los Servicios Eléctricos (NTCSE), las empresas concesionarias deben entregar a cada hogar como máx imo 220 V + 5% que equivale a 231 voltios y como mínimo 220 V - 5% que equivale a 209 voltios. Valores fuera de ese rango originan procesos de sanción y multas a las empresas concesionarias. El objetivo es proteger al usuario. Por lo tanto es importante, para cualquier usuario, que la tensión eléctrica que llega a todas las partes de las instalaciones eléctricas de nuestra casa se mantenga en rangos que nuestros artefactos puedan soportar. En todos los electrodomésticos y equipos, como las lámparas, los fabricantes estampan una placa de especificaciones técnicas o las escriben sobre una parte visible del equipo, donde muestran los rangos de tensión, frecuencia y corriente en las que funcionan normalmente. La garantía de estos equipos sólo cubre condiciones en las cuales se respeten estas especificaciones. Si mira la descripción técnica de una lámpara, por ejemplo, puede ver que indica como rango de tensión entre 220-240V, que son los valores dentro de los cuales, el fabricante, garantiza que este artefacto responderá a las especificaciones indicadas. Puede hacer lo mismo, con los demás y podrá notar que, en la mayoría, la tensión máx ima recomendada por los fabricantes es de 240 voltios. Este valor es superior a la máxima tensión que las empresas concesionarias están en la responsabilidad de entregar. Teóricamente, podemos decir que es imposible que nuestros artefactos se dañen por sobretensiones. En realidad, no es posible considerar una instalación eléctrica, totalmente libre de sobretensiones Estas pueden ocurrir por efectos atmosféricos o maniobras inadecuadas en las redes eléctricas. Para ambos casos la empresa concesionaria está en responsabilidad de instalar equipos mitigadores de estos efectos sobre sus redes eléctricas para evitar afectar de forma indirecta a las viviendas, pero siempre ex istirá la posibilidad de que nuestras instalaciones sean afectadas. En las redes eléctricas permanentemente se conectan y desconectan subestaciones de
distribución o centros de transformación para cargas de diferente tipo que van desde domésticas y comerciales hasta industriales. Estas generan sobretensiones transitorias, que no son tan potentes como una descarga atmosférica o la caída de un rayo directamente en la red, pero que degradan la calidad de suministro. La mayoría de los artefactos actualmente tienen componentes electrónicos que son muy sensibles a las variaciones de tensión y su vida útil se ve afectada si esto ocurre de forma frecuente. Las perturbaciones en la calidad del suministro definidas por el estándar del IEEE han sido organizadas en siete categorías, según la forma de la onda: 1. Transitorios 2. Interrupciones 3. Bajada de tensión / subtensión 4. Aumento de tensión / sobretensión 5. Distorsión de la forma de onda 6. Fluctuaciones de tensión 7. Variaciones de frecuencia Las causas de los transitorios incluyen rayos, puesta a tierra deficiente, encendido de cargas inductivas, liberación de fallas de la red eléctrica y descargas electrostáticas. Las consecuencias más temidas son el daño físico de los equipos. El rayo, es la causa más perjudicial, determinada hasta ahora. Los dispositivos de protección más viables contra estos defectos son los SPD (Surge Protective Device) o Dispositivo protector contra Sobretensiones.
7.13 Dispositivo Protector contra Sobretensiones Permanente Las sobretensiones permanentes con aquellas que se mantienen en la red de forma permanente originadas por defectos en la conex ión o cortes del neutro. Cuando la tensión supera el 10% de del valor nominal y permanece en ese valor por varios ciclos o segundos, se trata de una sobretensión permanente. La diferencia entre una sobretensión transitoria y una permanente, es que la primera tiene una duración de micros segundos, es una perturbación muy rápida a tal punto que sólo somos capaces de ver los efectos de ella. Para proteger a la instalación eléctrica de una vivienda de este tipo de sobretensiones se debe instalar un dispositivo que sea capaz de desconectar la instalación de la fuente de tensión. Esto se logra instalando una bobina de protección que controla la tensión de la instalación. Esta se instala junto al interruptor automático general o del circuito que se desea proteger, de tal forma que permita provocar el disparo del interruptor cuando la bobina detecte una sobretensión permanente.
7.13 Protección contra sobretensión total. Una protección contra todo tipo de sobretensiones requiere de implementar un dispositivo contra sobretensiones transitorias y contra sobretensiones permanentes. Pero, existen lugares donde las descargas atmosféricas no son comunes e incluso no hay eventos de este tipo durante el año, con lo cual una protección contra sobretensiones permanentes es suficiente.
8.Ejemplo de Aplicación Una Vivienda Unifamiliar de dos plantas tiene un área total de 180m2, de los cuales sólo 150m2 están techados. Lo restante es área verde dedicado a jardines y cochera. Ambas plantas tiene 75m2 como área techada, cada una. La Vivienda, se ubica en una zona donde la temperatura promedio es de 30 C con precipitaciones pluviales anual de 700mm que en promedio se puede considerar moderada. El Arquitecto ha indicado que la vivienda tendrá las siguientes características especiales: 1. Alumbrado en la fachada y áreas libres con lámparas LED con una potencia toral de 50W distribuidas en 10 unidades de 5W. 2. Una bañera con hidromasajes. 3. Una sala de estudio con aire acondicionado. Luego de las coordinaciones con el Arquitecto y los propietarios de la vivienda, se determinó las siguientes instalaciones especiales: 1. El alumbrado especial será de 50W que incluye todas las áreas libres. 2. La bañera que eligió es una del tipo redonda que usa dos motores con un total de 2HP. 3. El aire acondicionado será de 1200W. 4. En la cocina se instalará una trituradora de 0.7HP, cafetera eléctrica, campana extractora para la cocina a gas y los demás artefactos comunes. 5. En el segundo baño se instalará una ducha con terma de 800W. 6. Los dos baños tendrán ex tractores de aire. Luego de revisar los planos y realizar la inspección al lugar de la vivienda, se determinó las siguientes consideraciones, coordinadas con el Arquitecto: 1. El alimentador principal desde el medidor al tablero será soterrado y tendrá una longitud total de 20m. 2. Se midió la resistividad eléctrica del terreno y se obtuvo 66Ω-m. Con este valor se recomendó que mejoraran el terreno del jardín como parte de la construcción para tener mejores condiciones del pozo. Al final se obtuvo una resistividad de 30Ω-m 3. El espesor de las paredes del perímetro de la vivienda es de 20cm.
4. En la primera planta estará ubicada la sala de estudio. 5. En la segunda planta estarán los baños que llevan terma y bañera con hidromasajes.
SOLUCION
8.1 Condiciones Iniciales Factor de potencia (fp) = 0 98 Tipo de conexión = Monofásica. Tensión Nominal = 220V Tipo de Instalación para alimentador principal = D (enterrado) Tipo de Instalación para alimentador secundario = A1 (en pared de concreto)
8.2 Cálculo de la Máxima Demanda. MD1-Por área techada Primeros 90m2=2 500W Nos queda=150m2-90m2=60m2 Por cada 90m2 o fracción en ex ceso=60m2/90m2=0.67 Como cada fracción debe tomarse como unidad, se toma 1. Carga básica=2 500W Carga adicional=(1)(1 000W)=1 000W Máx ima Demanda por Área Techada=3 500W=3 5kW
MD2-Por calefacción Demanda por Calor=0kW Demanda por Frio=1.2kW Se elige el mayor La Máx ima Demanda por calefacción es de 1 2Kw
MD3-Por coc ina eléctrica Cocina única=0W Ex ceso de 12 000W=0W La Máx ima Demanda por cocina eléctrica es de 0kW
MD4-Por calentador es de agua Terma en baño 2=8000W La Máx ima Demanda por calentadores de agua es de 0.8kW
MD5-Por cargas adicionales
Se debe calcular considerando que la vivienda no tiene cocina eléctrica. Para este caso las cargas adicionales no superan los 1 500W, por lo tanto, para este caso, esta se considerará las cargas menores con un factor de demanda del 100% . Cargas > 1 500W = 0 W Cargas ≤ 1 500W Tina de hidromasajes = (2 HP).(735.5W/HP) = 1 471W Alumbrado áreas libres = 50W Trituradora de alimentos = (0.7 HP) (735 5W/HP) = 515W Cafetera Eléctrica = 1 200W Campana ex tractora = 45W La Máxima Demanda por cargas adicionales es de 3 281W
MDT-Máxima demanda total MDT=MD1+MD2+MD3+MD4+MD5 MDT=3 500W+1 200W+0W+800W+3 281W MDT=8 781W
8.2 Cálculo aplicando las condiciones iniciales Calculo de la cor r iente I=P/V.fp I =8 781W/(220Vx0.98) I=40.7 A.
Selección del Conduc tor por tipo de instalación. Para tipo D, corresponde de 6mm2 con corriente admisible de 47 Amperios. Cálculo dela resistencia del conductor.
8.3 Cálculo de los circuitos Como en el primer nivel estará la sala de estudios y la sala principal, se considerará un circuito estabilizado. Como la casa es de dos plantas se tendrán dos tableros. Uno para cada planta. La bañera de hidromasajes, la terma y el aire acondicionado tendrán cada uno un circuito independiente con el objetivo de no perjudicar al resto de la instalación de la vivienda cuando se hagan trabajos de mantenimiento, reemplazo o reparaciones en ellos. Este mismo criterio debe aplicarse en caso sea necesario incluir otro equipamiento como una electrobomba, por ejemplo. Por lo tanto tendríamos en total 08 circuitos distribuidos de la siguiente manera Tablero de la primera planta -
01 Circuito para alumbrado. 01 Circuito para tomacorrientes. 01 Circuito estabilizado. 01 Circuito para el aire acondicionado.
Tablero de la segunda planta -
01 Circuito para alumbrado. 01 Circuito para tomacorrientes. 01 Circuito para la bañera de hidromasajes. 01 Circuito para la terma.
8.4 Cálculo de la Puesta a Tierra Valor medido ρ=66Ω-m Ahora vamos a utilizar la varilla de 5/8 pulgada de diámetro y 2.40m de longitud. L=2.40m D=5/8” = 0.015875m. Aplicando la fórmula R=28.03 Ω Este valor no es adecuado, así que debemos mejorar la resistividad del terreno o instala dos pozos a tierra en la vivienda. Pero gracias a las coordinaciones con el Arquitecto y propietario se mejoró el terreno y se obtuvo una resistencia de 12.74Ω, lo cual es suficiente.
8.5 Selección del Interruptor Termomagnético Condiciones Iniciales y Calculadas Vn = 220V I = 40.7 A.
Selección del Interruptor Tipo de disparo: C In=40 Amperios. Característica: Interruptor termomagnético de dos polos de 40 Amperios. En este caso no hemos seleccionado el de 50 amperios, por que el 0.7 es un valor pequeño y se puede extinguir en el tiempo y frecuencia de operación simultánea de los equipos de la vivienda. Inf=1.13In=45 2 Amperios. If=1.45In=58 Amperios. Im1=5In=200 Amperios. Im2=10In=400 Amperios. Especificación: Interruptor Termomagnético Bipolar In=40 amperios, Curva C.
8.6 Selección del Conductor Principal El conductor que se había seleccionado para el circuito principal de la vivienda era de 6mm2, pero se debe tener en cuenta que la corriente de disparo del interruptor debe ser menor que la corriente máx ima admisible del conductor. Entonces, tenemos que: Imd: Corriente de máx ima demanda=407 amperios Ic1: Corriente admisible del conductor para 6mm2=46 amperios. Ic2: Corriente admisible del conductor para 10mm2=63 amperios. In: Corriente nominal de Interruptor=40 amperios. If: Corriente de disparo del Interruptor=58 amperios. Y, se debe cumplir que: Imd
Selección del conductor Cantidad de conductores: 02 Método de instalación: D Temperatura Ambiente: 30 C Factor de corrección: 1 Aislamiento: PVC Tipo de aislamiento recomendado: THW Especificación completa: Conductor 2x10mm2 THW-90
8.7 Selección del Conductor por Circuito Circuito de Alumbrado de la primera y segunda planta La potencia que vamos a considerar será de 500W, lo que equivale a instalar y poner a funcionar en forma simultánea 25 lámparas LED de 20W cada una.
Calculo de la cor r iente I=P/V.fp I =500W/(220Vx 0 98) I=2.3 A.
Selección del Conduc tor por tipo de instalación. Los circuitos de alumbrado van por techo empotradas por lo tanto el tipo de instalación es A1 y corresponde un conductor mínimo de 1 5mm2 con corriente admisible de 14.5 Amperios, muy superior a lo que necesitamos. Cálculo dela resistencia del conductor. Vn = 220V L = 20m (la más grande posible para tener mayor seguridad en el diseño)
Calculo de la Resistencia del Conductor. R=ρ L/S R= 0.01724*(20m)/1 5mm² = 0 23Ω R = 0 23Ω. I=2.3 A.
Cálculo de la Caída de Tensión ∆V = I R = (2.3)*(0.23) = 0.53V La tensión que llega a este circuito ya no es 220V, pues una parte se ha perdido en el circuito alimentador principal y que ha hemos calculado.
Ahora tendremos una caída de tensión total igual a 2.34V+0.53V=2.87V ∆V (% ) = ∆V/Vn = 2.87*100/220 = 1.3% Este valor es adecuado para el circuito alimentador.
Selección del Interruptor Tipo de disparo: C In=6 Amperios. (Este es el valor mínimo recomendado por la norma) Característica: Interruptor termomagnético de dos polos de 6 Amperios. Inf=1.13In=6.78 Amperios. If=1.45In=8.7 Amperios. Im1=5In=30 Amperios. Im2=10In=60 Amperios. Especificación: Interruptor Termomagnético Bipolar In=6 amperios, Curva C.
Selección del conduc tor por Protección Imd
Especificación completa: Conductor 2x 1 5mm2 THW-90
Circuito del Aire Acondicionado La potencia de este equipo es de 1 200W.
Calculo de la cor r iente I=P/V.fp I =1 200W/(220Vx0.90) El factor de potencia hay que tomarlo de la especificación del equipo que se va instalar. En este caso hemos tomado de uno referencial. I=6.1 A.
Selección del Conduc tor por tipo de instalación. Este circuito se instalará por paredes y techo empotrada, por lo tanto el tipo de instalación es A1 y corresponde un conductor mínimo de 1.5mm2 con corriente admisible de 14 5 Amperios, muy superior a lo que necesitamos. Pero el Código recomienda como sección mínima la de 2 5mm2 con corriente admisible de 19 5 amperios para circuitos derivados. Cálculo dela resistencia del conductor. Vn = 220V L = 10m (Hay que medir la distancia adecuada en el plano y comprende desde el Tablero)
Calculo de la Resistencia del Conductor. R = ρ L/S R = 0.01724*(10m)/2.5mm² = 0.069Ω R = 0.0.69Ω.
Cálculo de la Caída de Tensión ∆V = I R = (6.1)*(0.0.69) = 0.42V
La tensión que llega l lega a este es te ci cirrcui cuito to ya no es 220V, 220V, pues una parte parte se ha perdido en el circuito alimentador principal y que ha hemos calculado. Ahora tendremos una caída de tensión total igual a 2.34V+0.42V=2.76V ∆ V (% ) = ∆ V/Vn = 2.76*100/220 2.76*100/220 = 1.3% Este val valor or es adecuado para para el cir ci rcui cuito to alimenta ali mentador dor.
Selección del Interruptor Tipo de disparo: C In=8 Amperios. Característica: Interruptor termomagnético de dos polos de 8 Amperios. Inf=1.13In=9.04 Inf=1.13In=9.04 Amperios. Amperios . If=1.45In=11.6 Amperios. Im1=5In=40 Im1=5In=40 Amperios. Amperios . Im2=10In=80 Im2=10In=80 Amperios. Amperios . Especificación: Interruptor Termomagnético Bipolar In=8 amperios, Curva C.
Sel Selec c ión del c onduc tor por Prot Pr oteec c ión Imd
Tipo de aislamiento recomendado: THW Especificaci Especifi cación ón completa: completa: Cond Conductor uctor 2x 2 5mm2 5mm2 THW-90 THW-90
Circuito de la Terma La potencia de este equipo es de 800W.
Calc alc ulo de la la c or r ient ientee I=P/V.fp I =800W/(220Vx =800W/(220Vx 1.00) El factor de potencia hay que tomarlo de la especificación del equipo que se va instalar. En este caso cas o hemos tomado de uno refer referencial encial.. I=3.63 A.
Sele Selecc c ión del Conduc on duc tor por tipo de inst instal alación ación.. Este circuito c ircuito se instalará i nstalará por paredes paredes y techo empotrada, empotrada, por lo tanto el tipo ti po de instalaci ins talación ón es A1 y corresponde corresponde un conductor mínimo mínimo de 1.5mm2 1.5mm2 con cor c orriente riente admisible admisi ble de 14 5 Amper Amperios ios,, muy superior superior a lo que necesitamo necesi tamos. s. Pero el el Código recomienda ecomienda como sección mínima la de 2 5mm2 5mm2 con corr corriente admisi admisible ble de 19 5 amperios amperios para para cir ci rcui cuitos tos deriv derivados. ados. Cálc Cá lculo ulo dela resistenci resi stenciaa del conductor c onductor. Vn = 220V L = 10m (Hay que medir la distancia adecuada en el plano y comprende desde el Tablero)
Calc alc ulo de la Resi Resist stenc encia ia del Con Condu ducc tor. R = ρ L/S L/S R = 0.01724*(10m)/2.5mm² = 0.069Ω R = 0.0.69Ω.
Cálculo álc ulo de la Caída Caída de d e TTensión ensión
∆ V = I R = (3.63)*(0.069) (3.63)*(0.069) = 0.25V La tensión que llega l lega a este es te ci cirrcui cuito to ya no es 220V, 220V, pues una parte parte se ha perdido en el circuito alimentador principal y que ha hemos calculado. Ahora Ahora tendremos tendremos una caída de tensión total igual a 2.34V+0.25V= 2.34V+0.25V=22 59V ∆ V (% ) = ∆ V/Vn = 2.59*100/220 2.59*100/220 = 1.2% Este val valor or es adecuado para para el cir ci rcui cuito to alimenta ali mentador dor.
Selección del Interruptor Tipo de disparo: C In=6 Amperios. (Este es el valor mínimo recomendado por la norma) Característica: Interruptor termomagnético de dos polos de 6 Amperios. Inf=1.13In=6.78 Inf=1.13In=6.78 Amperios. Amperios . If=1.45In=8.7 Amperios. Im1=5In=30 Im1=5In=30 Amperios. Amperios . Im2=10In=60 Im2=10In=60 Amperios. Amperios . Especificación: Interruptor Termomagnético Bipolar In=6 amperios, Curva C.
Sel Selec c ión del c onduc tor por Prot Pr oteec c ión Imd
Aislamiento: PVC Tipo de aislamiento recomendado: THW Especificación completa: Conductor 2x 2 5mm2 THW-90
Circuito de la Tina con Hidromasajes La potencia de este equipo es de 1 471W.
Calculo de la cor r iente I=P/V.fp I =1 471W/(220Vx0.90) El factor de potencia hay que tomarlo de la especificación del equipo que se va instalar. En este caso hemos tomado de uno referencial. I=7.43 A.
Selección del Conduc tor por tipo de instalación. Este circuito se instalará por paredes y techo empotrada, por lo tanto el tipo de instalación es A1 y corresponde un conductor mínimo de 1.5mm2 con corriente admisible de 14 5 Amperios, muy superior a lo que necesitamos. Pero el Código recomienda como sección mínima la de 2 5mm2 con corriente admisible de 19 5 amperios para circuitos derivados. Cálculo dela resistencia del conductor. Vn = 220V L = 10m (Hay que medir la distancia adecuada en el plano y comprende desde el Tablero)
Calculo de la Resistencia del Conductor. R = ρ L/S R = 0.01724*(10m)/2.5mm² = 0.069Ω R = 0.0.69Ω.
Cálculo de la Caída de Tensión ∆V = I R = (7.43)*(0.069) = 0.51V La tensión que llega a este circuito ya no es 220V, pues una parte se ha perdido en el circuito alimentador principal y que ha hemos calculado. Ahora tendremos una caída de tensión total igual a 2.34V+0.51V=2.85V ∆V (% ) = ∆V/Vn = 2.85*100/220 = 1.3% Este valor es adecuado para el circuito alimentador.
Selección del Interruptor Tipo de disparo: C In=8 Amperios. Característica: Interruptor termomagnético de dos polos de 8 Amperios. Inf=1.13In=9.04 Amperios. If=1.45In=11.6 Amperios. Im1=5In=40 Amperios. Im2=10In=80 Amperios. Especificación: Interruptor Termomagnético Bipolar In=8 amperios, Curva C.
Selección del conduc tor por Protección Imd
Factor de corrección: 1 Aislamiento: PVC Tipo de aislamiento recomendado: THW Especificación completa: Conductor 2x 2 5mm2 THW-90
Circuito de Tomacorrientes del Primer Piso La potencia por área techada es de 3 5KW para toda la casa y como cada planta tiene la mitad de área entonces la carga por área techada para el primer y segundo piso es de 1 750W. Pero en el caso del primer piso tenemos cargas adicionales que considerar como la cafetera eléctrica, el triturador de alimentos y la campara ex tractora de la cocina. Por lo tanto la potencia de este circuito se debe considerar en: 1 750W+1 200W+515W+45W=3 510W
Calculo de la cor r iente I=P/V.fp I =3 510W/(220Vx0.95) El factor de potencia se ha tomado como promedio de los equipos y referenciales. I=16.8 A.
Selección del Conduc tor por tipo de instalación. Este circuito se instalará por paredes y techo empotrada, por lo tanto el tipo de instalación es A1 y corresponde un conductor mínimo de 2.5mm2 con corriente admisible de 19 5 amperios. Cálculo dela resistencia del conductor. Vn = 220V L = 10m (Hay que medir la distancia al equipo más alejado desde el Tablero)
Calculo de la Resistencia del Conductor.
R = ρ L/S R = 0.01724*(10m)/2.5mm² = 0.069Ω R = 0.0.69Ω.
Cálculo de la Caída de Tensión ∆V = I R = (16.8)*(0.069) = 1.16V La tensión que llega a este circuito ya no es 220V, pues una parte se ha perdido en el circuito alimentador principal y que ha hemos calculado. Ahora tendremos una caída de tensión total igual a 2.34V+1.16V=3 5V ∆V (% ) = ∆V/Vn = 3.5*100/220 = 1.6% Este valor es adecuado para el circuito alimentador.
Selección del Interruptor Tipo de disparo: C In=16 Amperios. Característica: Interruptor termomagnético de dos polos de 16 Amperios. Inf=1.13In=18.08 Amperios. If=1.45In=23 2 Amperios. Im1=5In=80 Amperios. Im2=10In=160 Amperios. Especificación: Interruptor Termomagnético Bipolar In=16 amperios, Curva C.
Selección del conduc tor por Protección Imd
Debemos seleccionar un conductor con mayor corriente admisibles que debe ser el inmediato superior: 4mm2 con corriente admisibles de 26 amperios. 16.8<23.2<26 ….…………… !Correcto! Cantidad de conductores: 02 Método de instalación: A1 Temperatura Ambiente: 30 C Factor de corrección: 1 Aislamiento: PVC Tipo de aislamiento recomendado: THW Especificación completa: Conductor 2x4mm2 THW-90
Circuito de Tomacorrientes del Segundo Piso La potencia por área techada es de 3 5KW para toda la casa y como cada planta tiene la mitad de área entonces la carga por área techada para el primer y segundo piso es de 1 750W. En el caso del segundo piso tenemos cargas adicionales pero que se han considerado con sus propios circuitos independientes. Por lo tanto la potencia de este circuito se debe considerar en 1 750W
Calculo de la cor r iente I=P/V.fp I =1 750W/(220Vx0.98) El factor de potencia se ha tomado como promedio de los equipos y referenciales. I=8.1 A.
Selección del Conduc tor por tipo de instalación. Este circuito se instalará por paredes y techo empotrada, por lo tanto el tipo de instalación es A1 y corresponde un conductor mínimo de 2.5mm2 con corriente
admisible de 19 5 amperios. Cálculo dela resistencia del conductor. Vn = 220V L = 10m (Hay que medir la distancia al tomacorriente más alejado desde el Tablero)
Calculo de la Resistencia del Conductor. R = ρ L/S R = 0.01724*(10m)/2.5mm² = 0.069Ω R = 0.0.69Ω.
Cálculo de la Caída de Tensión ∆V = I R = (8.1)*(0.069) = 0.56V La tensión que llega a este circuito ya no es 220V, pues una parte se ha perdido en el circuito alimentador principal y que ha hemos calculado. Ahora tendremos una caída de tensión total igual a 2.34V+0.56V=2 9V ∆V (% ) = ∆V/Vn = 2.9*100/220 = 1.3% Este valor es adecuado para el circuito alimentador.
Selección del Interruptor Tipo de disparo: C In=10 Amperios. Característica: Interruptor termomagnético de dos polos de 10 Amperios. Inf=1.13In=11.3 Amperios. If=1.45In=14 5 Amperios. Im1=5In=50 Amperios. Im2=10In=100 Amperios.