TEMA 8 INSTALACIONES ELÉCTRICAS

Transcripción

1 TEMA 8 INSTALACIONES ELÉCTRICAS VIII.1 Elementos de una instalación VIII.2 Intensidades VIII.3 Criterio térmico VIII.4 Aparamenta VIII.5 Criterio de caída de tensión VIII.6 Cortocircuitos Cuestiones 1

2 VIII.1 ELEMENTOS DE UNA INSTALACIÓN Ya hemos visto cómo la energía eléctrica es generada, transportada y distribuida hasta los usuarios finales. Cuando una línea eléctrica abandona la propiedad pública y entra en una propiedad privada para abastecer a uno o varios usuarios comienza el subsistema eléctrico de consumo. La línea que une la red de distribución con la instalación receptora se llama acometida. Las clasificaremos en aérea o subterránea, según si la acometida está enterrada o viene por la fachada o desde un poste, en punta o en anillo, según la configuración de la red, monofásica (hasta 15KW), trifásica (hasta 100KW) o en MT. La acometida todavía pertenece a la red de distribución. Al inicio de la instalación de consumo, encontramos la caja general de protección, donde se ubican los cortacircuitos fusibles. A partir de aquí estudiaremos las siguientes configuraciones básicas (ITC12): - un solo usuario con acometida propia en BT - múltiples usuarios con una acometida en BT y con centralización de contadores - un solo usuario con acometida en MT y transformador propio En el primer caso, los contadores de energía se ubican junto a los fusibles. Esta caja ha de ser accesible a la compañía distribuidora para su posible manipulación y lectura de los contadores. Aquí podemos encontrar un solo contador de potencia activa monofásico, en las instalaciones más sencillas, o contadores trifásicos multifunción con posibilidad de medir la potencia activa, reactiva, con maxímetro, discriminador horario. En caso de corrientes de consumo elevadas (50KW), también encontraremos transformadores de intensidad para la toma de medidas. Si la acometida es en MT, encontramos transformadores de tensión para medir directamente el consumo en alta. En el caso de múltiples usuarios, desde la CGP sale la línea general de alimentación hasta la centralización de contadores. Aquí encontramos el interruptor general de maniobra, de tipo magnetotérmico, con calibres de 160A (para instalaciones de hasta 90KW), 250A (hasta 150KW) y 400A, con posibilidad de corte y seccionamiento (ITC16); y los fusibles y contadores de cada usuario final. De aquí parten las derivaciones individuales hasta la propiedad del usuario, inicio de la instalación de interior o receptora. Con un solo usuario, solo existe una única derivación individual. Al conjunto de elementos hasta ahora descritos se les conoce como instalación de enlace. Esta instalación pertenece a la comunidad de vecinos si es un edificio de viviendas. Pero si la acometida alimenta a un solo usuario, esta línea de enlace pertenece al usuario final, por ejemplo una vivienda unifamiliar, una industria o un local comercial con acometida propia. 2

3 fig. 1: instalación con un solo usuario fig. 2: instalación con múltiples usuarios 3

4 En caso de usuarios con acometida en MT, primero encontramos los cortacircuitos fusibles de MT, que protegen al transformador, después el transformador propio (sobre poste, en edificio prefabricado, o en edificio destinado a otros usos). Aquí comienza la instalación de interior del usuario (ITC19). Inmediatamente después de la salida de BT del transformador encontramos el cuadro de BT, con los fusibles de protección. A continuación vendrían los sucesivos cuadros secundarios de protección. La instalación de enlace llega hasta el cuadro general de mando y protección, donde se ubica primero el interruptor de control de potencia, si previamente no hay instalados maxímetros. Este interruptor es de tipo magnetotérmico y los instala la compañía suministradora para limitar la potencia de consumo a la potencia contratada. En caso de instalaciones interiores de vivienda, la estructura de la instalación viene completamente detallada en el REBT (ITC25). Posteriormente está el interruptor general de la instalación, también de tipo magnetotérmico, luego el o los interruptores diferenciales, y finalmente los pequeños interruptores automáticos magnetotérmicos, que protegen a los conductores de cada línea o circuito. fig. 3: Cuadro de protección de una vivienda, con el ICP, el IG, los IDs y los PIAs En el caso de instalaciones no residenciales (industriales, comerciales, ) la estructura es menos rígida. Solemos encontrar un cuadro principal de protección, y opcionalmente varios cuadros secundarios o terciarios. Por regla general, cada vez que realicemos un cambio de sección en una línea debemos colocar un interruptor magnetotérmico que proteja al conductor, por lo que toda una línea o circuito siempre tendrá la misma sección. 4

5 Interruptor diferencial Un interruptor diferencial, también llamado disyuntor por corriente diferencial o residual, es un dispositivo electromecánico que se coloca en las instalaciones eléctricas con el fin de proteger a las personas de las derivaciones causadas por faltas de aislamiento entre los conductores activos y tierra o masa de los aparatos. En esencia, el interruptor diferencial consta de dos bobinas, colocadas en serie con los conductores de alimentación de corriente y que producen campos magnéticos opuestos y un núcleo o armadura que mediante un dispositivo mecánico adecuado puede accionar unos contactos. Figura 1 Si nos fijamos en la Figura 1, vemos que la intensidad (I 1 ) que circula entre el punto a y la carga debe ser igual a la (I 2 ) que circula entre la carga y el punto b (I 1 I 2 ) y por tanto los campos magnéticos creados por ambas bobinas son iguales y opuestos, por lo que la resultante de ambos es nula. Éste es el estado normal del circuito. Figura 2 Si ahora nos fijamos en la Figura 2, vemos que la carga presenta una derivación a tierra por la que circula una corriente de fuga (I f ), por lo que ahora I 2 I 1 - I f y por tanto menor que I 1. 5

6 Es aquí donde el dispositivo desconecta el circuito para prevenir electrocuciones, actuando bajo la presunción de que la corriente de fuga circula a través de una persona que está conectada a tierra y que ha entrado en contacto con un componente eléctrico del circuito. La diferencia entre las dos corrientes es la que produce un campo magnético resultante, que no es nulo y que por tanto producirá una atracción sobre el núcleo N, desplazándolo de su posición de equilibrio, provocando la apertura de los contactos C 1 y C 2 e interrumpiendo el paso de corriente hacia la carga, en tanto no se rearme manualmente el dispositivo una vez se haya corregido la avería o el peligro de electrocución. Aunque existen interruptores para distintas intensidades de actuación, el Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión exige que en las instalaciones domésticas se instalan normalmente interruptores diferenciales que actúen con una corriente de fuga máxima de 30 ma y un tiempo de respuesta de 50 ms, lo cual garantiza una protección adecuada para las personas y cosas. La norma UNE dice que se considera un interruptor diferencial de alta sensibilidad cuando el valor de ésta es igual o inferior a 30 miliamperios. Las características que definen un interruptor diferencial son el amperaje, número de polos, y sensibilidad, por ejemplo: Interruptor diferencial 16A-IV-30mA El amperaje, calibre o intensidad nominal es la corriente máxima que puede circular por el interruptor sin sobrecalentarse. El número de polos coincide con el número de conductores que tiene la línea a proteger. La sensibilidad es la corriente de fuga mínima necesaria para hacer saltar el interruptor. 6

7 Se denomina fusible a un dispositivo, constituido por un soporte adecuado, un filamento o lámina de un metal o aleación de bajo punto de fusión que se intercala en un punto determinado de una instalación eléctrica para que se funda, por Efecto Joule, cuando la intensidad de corriente supere, por un cortocircuito o un exceso de carga, un determinado valor que pudiera hacer peligrar la integridad de los conductores de la instalación con el consiguiente riesgo de incendio o destrucción de otros elementos. El principio de funcionamiento del fusible es muy simple: se basa en intercalar un elemento más débil en el circuito, de manera tal que cuando la corriente alcance niveles que podrían dañar a los componentes del mismo, el fusible se funda e interrumpa la circulación de la corriente. Fundamentalmente encontraremos dos tipos de fusibles en las instalaciones de baja tensión: - gg o gl (fusible de empleo general y de líneas) - am (fusible de acompañamiento de Motor) Los fusibles de tipo gl se utilizan en la protección de líneas, estando diseñada su curva de fusión "intensidad-tiempo" para una respuesta lenta en las sobrecargas, y rápida frente a los cortocircuitos. Los fusibles de tipo am, especialmente diseñados para la protección de motores, tienen una respuesta extremadamente lenta frente a las sobrecargas, y rápida frente a los cortocircuitos. Las intensidades de hasta diez veces la nominal (10 In) deben ser desconectadas por los aparatos de protección propios del motor, mientras que las intensidades superiores deberán ser interrumpidas por los fusibles am. La intensidad nominal de un fusible, así como su poder de corte, son las dos características que definen a un fusible. La intensidad nominal es la intensidad normal de funcionamiento para la cual el fusible ha sido proyectado, y el poder de corte es la intensidad máxima de cortocircuito capaz de poder ser interrumpida por el fusible. Para una misma intensidad nominal, el tamaño de un fusible depende del poder de corte para el que ha sido diseñado, normalmente comprendido entre 50 y 100 ka. 7

8 De estas curvas obtenemos los valores aproximados de tiempos de fusión en 5 segundos para los calibres de fusibles más típicos: I N (Amperios) I Fusión en 5 segundos Un gran inconveniente de los fusibles es la imprecisión que tiene su curva característica de fusión frente a otros dispositivos que cumplen el mismo fin, tales como los interruptores automáticos. Esto equivale a decir que la banda de dispersión de los fusibles es mayor que la de los interruptores automáticos, pese a que el fabricante solamente facilita la curva media de los fusibles. Un dato importante es la intensidad mínima de fusión, que para los fusibles tipo gg y gl viene dada por: n (I FUSIÓN n veces la I N) 2,1 1,9 1,6 I N < 4A Entre 4A y 16A >16A Para fusibles tipo am, este valor se incrementa a n5. Es decir, una sobrecarga de 3 o 4 veces la intensidad nominal no es eliminada por este tipo de fusibles. 8

9 Interruptor magnetotérmico Figura 1.- Diagrama de un interruptor termomagnético Un interruptor termomagnético, o disyuntor termomagnético, es un dispositivo capaz de interrumpir la corriente eléctrica de un circuito cuando ésta sobrepasa ciertos valores máximos. Su funcionamiento se basa en dos de los efectos producidos por la circulación de corriente eléctrica en un circuito: el magnético y el térmico (efecto Joule). El dispositivo consta, por tanto, de dos partes, un electroimán y una lámina bimetálica, conectadas en serie y por las que circula la corriente que va hacia la carga. Al circular la corriente el electroimán crea una fuerza que, mediante un dispositivo mecánico adecuado (M), tiende a abrir el contacto C, pero sólo podrá abrirlo si la intensidad I que circula por la carga sobrepasa el límite de intervención fijado. Este nivel de intervención suele estar comprendido entre 3 y 14 veces la intensidad nominal (la intensidad de diseño del interruptor magnetotérmico) y su actuación es de aproximadamente unas 25 milésimas de segundo, lo cual lo hace muy seguro por su velocidad de reacción. Esta es la parte destinada a la protección frente a los cortocircuitos, donde se produce un aumento muy rápido y elevado de corriente. La otra parte está constituida por una lámina bimetálica (representada en rojo) que, al calentarse por encima de un determinado límite, sufre una deformación y pasa a la posición señalada en línea de trazos lo que, mediante el correspondiente dispositivo mecánico (M), provoca la apertura del contacto C. Esta parte es la encargada de proteger de corrientes que, aunque son superiores a las permitidas por la instalación, no llegan al nivel de intervención del dispositivo magnético. Esta situación es típica de una sobrecarga, donde el consumo va aumentando conforme se van conectando aparatos. El disparo térmico Ambos dispositivos se complementan en su acción de protección, el magnético para los cortocircuitos y el térmico para las sobrecargas. Además de esta desconexión automática, el aparato está provisto de una palanca que permite la desconexión manual de la corriente y el rearme del dispositivo automático cuando se ha producido una desconexión. No obstante, este rearme no es posible si persisten las condiciones de 9

10 sobrecarga o cortocircuito. Incluso volvería a saltar, aunque la palanca estuviese sujeta con el dedo, ya que utiliza un mecanismo independiente para desconectar la corriente y bajar la palanca. El dispositivo descrito es un interruptor magnetotérmico unipolar, por cuanto sólo corta uno de los hilos del suministro eléctrico. También existen versiones bipolares y para corrientes trifásicas, pero en esencia todos están fundados en los mismos principios que el descrito. Se dice que un interruptor es de corte omnipolar cuando interrumpe la corriente en todos los conductores activos, es decir las fases y el neutro si está distribuido. Las características que definen un interruptor termomagnético son el amperaje, el número de polos, el poder de corte y el tipo de curva de disparo (B,C,D,MA). (por ejemplo, Interruptor termomagnético C-16A-IV 6kA). El poder de corte es la máxima corriente que puede estar pasando por el dispositivo en el momento de apertura para que esta se realice de forma segura, sin arco eléctrico. Las curvas de disparo permiten adaptar para una misma intensidad de empleo la intensidad de disparo según el tipo de receptor que se esté utilizando. 10

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12 Curva de disparo tipo C con los siguientes puntos característicos: - a 60 minutos, entre 1,13 y 1,45 veces la intensidad nominal - a 100ms, entre 5 y 10 veces la intensidad nominal - entre 100ms y 1s, a 2,5 veces la intensidad nominal 12

13 Se pretende realizar la instalación del circuito de fuerza para un local industrial destinado a moler grano para pienso, que tiene las máquinas trifásicas representadas en el plano de situación. Cada máquina está alimentada por una línea que parte del cuadro general de protección hasta los cuadros situados a pie de máquina, donde se alojan los cuadros de maniobra y protección de cada máquina. A efectos de cálculo se considerará la temperatura del conductor a 40ºC, conductores de cobre multiconductores RZ1 con aislamiento de XLPE instalados en bandeja perforada. - Máquina 1: motor de molino trifásico con potencia de 15CV, cosφ0,75 y rendimiento del 78%. Longitud de la línea: 15m - Máquina 2: máquina moledora con dos motores de 5CV/fp0,75/η75% y 4KW con factor de potencia 0,75 inductivo. Longitud de la línea: 35m - Máquina 3: motocompresor de 22000W, FP0,85 y 85% de rendimiento. Longitud de la línea: 50m - 3 líneas monofásicas con 4 luminarias cada una de ellas con una lámpara de vapor de mercurio de 250W y cosφ0,73. Longitud de cada línea: 40m - 8 tomas de corriente de uso general monofásicas de 25A. Máxima longitud: 40m La derivación individual será con cables de aluminio unipolares con aislamiento de XLPE, enterrada bajo tubo a 50cm de profundidad. La longitud de la derivación individual será de 35m. La acometida vendrá de una red de distribución trifásica a 400V/50Hz. Ejercicio 1: Dibuja el esquema unifilar de la instalación, indicando las partes y elementos que componen la instalación. 13

14 EJERCICIOS VIII.1: Elementos de una instalación. Alumno: Grupo: Dibuja el esquema unifilar de las instalaciones, indicando las partes y elementos que la componen. 1.- Una instalación eléctrica de almacén de material de una instaladora de climatización necesita los siguientes receptores: - alumbrado del almacén: 24 luminarias con 2 lámparas fluorescentes de 36W cada una con factor de potencia inductivo 0,71. - alumbrado de la oficina: 14 puntos de luz para lámparas halógenas de 60W - 8 tomas de corriente monofásicas de 16A. - aire acondicionado monofásico: 2,1 KW con factor de potencia estimado en 0,9. - puerta del garaje: motor monofásico de 0,75CV. La instalación se alimenta directamente de la red de distribución a 400V/50Hz, con una acometida posada sobre la fachada para un solo usuario, la derivación individual que parte de la CGPM será de cobre multiconductor con XLPE en montaje superficial sobre la pared, y medirá 18 metros. Del cuadro principal de distribución partirán los circuitos que alimentan a los receptores mediante cables unipolares de cobre con PVC bajo tubo empotrado en obra. Los fluorescentes distarán 32m del cuadro, el aire acondicionado, las tomas monofásicas y los halógenos medirán 14m, y la puerta del garaje distará 36m. 2.- Una industria es alimentada desde un transformador propio de 250 KVA, 20KV/400V y caída de tensión de cortocircuito del 6%. De donde parte el circuito de alimentación al cuadro general de baja tensión (CGBT), y de aquí a tres cuadros secundarios (CS1, CS2 y CS3), y de aquí a dos sub-cuadros, y a los receptores. La instalación discurre bajo tubo superficial, salvo los circuitos de CGBT a los cuadros secundarios, que discurren enterrados bajo tubo, y los de llegada al cuadro de CGBT que lo hacen en bandeja perforada. Todos los circuitos serán de cobre unipolar en PVC. Las distancias de el transformador al CGBT es 5m, del CGBT a los cuadros secundarios y receptores directamente alimentados desde el CGBT es de 10m, desde estos a los subcuadros, y a los receptores alimentados directamente desde los CS es de 15m, y desde los subcuadros a los receptores restantes 20m. A continuación detallamos las potencias: Desde el subcuadro 1: - Tomas monofásicas de uso específico fijada en 6KW con FU0,85, y fp discos de corte con 20CV/400V cada uno, y fp0,8. Desde el cuadro secundario 1: - Subcuadro tomas de corriente monofásica de 10A. Desde el subcuadro 2: - 2 extractores de 3KW y FU0,85, con fp0, tomas de corriente monofásica de 25A. - 2 compresores de 20KW con factor de utilización 0,9 y fp0,8. Desde el cuadro secundario 2: - Subcuadro 2. - Pulidora, con 15CV, FU0,8, y fp0, tomas de corriente de 16A. Desde el cuadro secundario 3: - 10 fluorescentes de 2x36W - 30 fluorescentes de 2x58W - 4 lámparas de vapor de sodio de 250W. Desde el CGBT: - Los tres cuadros secundarios. - 5 tomas de 10A fluorescentes de 2x58W. 14

15 VIII.2 CÁLCULO DE INTENSIDADES El primer paso a la hora de diseñar una instalación consiste en obtener las potencias de cálculo y las intensidades de empleo de cada línea o circuito. Empezaremos obteniendo las potencias de consumo de cada circuito, que se obtienen sumando las potencias nominales todos los receptores eléctricos que se puedan alimentar de dicho circuito. En caso de no conocer esta potencia, pero sí conocemos la corriente de consumo (como en las bases de usos general), estimaremos la potencia considerando cosφ1. Estas potencias se verán incrementadas: - Para lámparas de descarga: la potencia prevista en voltio-amperios será 1,8 veces la nominal (ITC44). Se debe a considerar no solo los elementos de alumbrado, sino al efecto de las corrientes armónicas, corrientes de arranque y desequilibrio de fases. Este factor se podrá ignorar si tenemos los datos completos del fabricante. Esto lo traducimos en multiplicar por 1,8 la potencia activa, y ponerle un cosφ1. - Para motores, se aumentará en 125% la potencia del motor de mayor potencia de dicho circuito, (ITC47). Esto es debido a las puntas de arranque de los motores. Además, si el dato lo obtenemos de la placa de características tendremos que aplicarle el rendimiento. Pmec Pcálculo El rendimiento de los motores asíncronos suele ser del 70%-80%. η A continuación aplicaremos tres factores generales a cada circuito, y obtendremos la potencia de cálculo: - Factor de utilización: debido al sobredimensionamiento de los elementos por cuestiones comerciales o de uso. - Factor de simultaneidad: pues no todos los receptores de un mismo circuito trabajan a plena carga simultáneamente. A falta de un conocimiento más preciso de la instalación, 0.9 aplicaremos el siguiente criterio tomas de uso general. F S 0.1+ nº tomas - Factor de ampliación: preparando la instalación para futuras ampliaciones. Lo normal es aplicarlo sólo a las líneas de alimentación de otros cuadros de distribución. Los factores de potencia los motores y demás maquinaria pesada, la obtendremos de la placa de características, o la estimamos en aproximadamente. Para lámparas que no son de descarga, elementos de caldeo y demás receptores de uso general, utilizaremos un cosφ1. La intensidad que consume un receptor se calcula a partir de los datos de la potencia de cálculo y factor de potencia que viene en las características del receptor. 15

16 P P Monofásica: I Trifásica: I V cosϕ 3 V cosϕ Este dato será el punto de partida para el dimensionamiento de los conductores, aparamenta, y demás elementos de la instalación. Cuando tengamos una línea de alimentación a un cuadro de distribución, la potencia, intensidad y factor de potencia en dicha línea se puede estimar mediante: Monofásica y trifásica: ΣP P + P + P... P total - Monofásica: ΣI I + I + I... I Total Trifásica: ITotal ΣI Trifásicas + ΣI Monofásicas cos ϕ cosϕ total total P V I Total Total PTotal 3 V I Esta estimación es aceptable siempre que se cumplan las siguientes condiciones: - que las fases no estén muy desequilibradas. - que no haya receptores con factor de potencia muy reactivo (cosφ > 0.8). El cálculo exacto se realizaría sumando vectorialmente las intensidades de cada línea. Esto es, obteniendo el desfase ( ϕ cos 1 FP ) de cada intensidad y sumando las coordenadas activas por una parte y las reactivas por otra parte. Al resultado obtenido, ya sea mediante el cálculo exacto o aproximado, se le aplicará un factor de ampliación (típicamente un 30%) y dejaremos este mismo espacio disponible en el cuadro de distribución correspondiente. A falta de más información, le aplicaremos el siguiente factor de simultaneidad según el número de circuitos por cuadro (norma UTE 63140): nº de circuitos >10 F S Total Ejercicio 1: Continuando con el ejercicio propuesto en el capítulo anterior, calcula las potencias de cálculo y las intensidades de empleo. 16

17 EJERCICIOS VIII.2: Cálculo de intensidades Alumno: Grupo: 1.- Para sacar agua de un pozo necesitamos entre 14 y 15 CV de potencia hidráulica, así que instalamos una motobomba trifásica de 16CV a 400V con factor de potencia de 0,85 y rendimiento del 78%. Qué potencia de cálculo consume esta línea? Cuál es su corriente de empleo? 2.- En una oficina vamos a instalar un circuito con 12 tomas monofásicas de 16A, para alimentar equipos informáticos (ordenadores, impresoras, fax, teléfono, fotocopiadora, ). Qué factor de simultaneidad aplicarías? Y si fuera un almacén donde instaláramos estas 12 tomas? Qué corriente de empleo aplicarías en cada caso? 3.- Una línea con 8 lámparas de vapor de sodio a baja presión con 250W cada una se destina a alumbrado exterior. Qué potencia de cálculo utilizarías? Qué corriente de empleo usarías? 4.- Continuando con los ejercicios propuestos en el capítulo anterior, calcula ahora las potencias de cálculo y las intensidades de empleo. 17

18 VII.3 CRITERIO TÉRMICO En todo conductor, al circular corriente a través suyo, se disipa energía en forma de calor, debido al efecto Joule. Al calentarse se disipa calor a los elementos que rodean al conductor. Si la corriente es elevada, el conjunto no disipa suficiente calor y aumenta su temperatura, hasta llegar al punto de fusión de los aislantes, 70ºC para aislantes termoplásticos (PVC) y 90º para aislantes termoestables (XLPE, EPR). Evitamos este efecto, utilizando las tablas del REBT que indican la intensidad máxima de un conductor instalado bajo ciertas condiciones, sin que se produzca la fusión del aislamiento. En el REBT encontraremos las tablas con las intensidades máximas: - conductores de cobre para instalaciones de interior o receptoras: ITC-19 - conductores de cobre o aluminio enterrados: ITC-7 - conductores de cobre o aluminio aéreos: ITC-6 Una vez tenemos seleccionada la sección de los conductores de fase, elegiremos la sección del conductor de neutro y de protección según la siguiente tabla: (ITC-19) Sección de fase Sección de neutro Sección de protección S 16 mm 2 S S 16<S<35 25 mm 2 16 mm 2 35<S< mm 2 S/2 150<S< mm 2 S/2 240 mm mm 2 S/2 Ejercicio 1: Qué sección de conductor elegiré para una manguera trifásica, de una línea interior de una industria, de cobre con aislamiento en PVC, instalada en tubo corrugado en montaje superficial, que transporta 25A? Sol: Miramos en la tabla de la ITC-19, en el tipo B2, en 3xPVC por ser trifásica, o sea en la columna 3, y descendemos hasta el valor inmediatamente superior a 25A, que es 30A, y leemos la sección necesaria: 6 mm 2. Ejercicio 2: Qué sección de conductor elegiré para una terna de cables unipolares de aluminio en XLPE, enterrada a 0,9 metros de profundidad en terreno en terreno frío (15ºC) si transporta 285A? Sol: Miramos en la ITC-7, y obtenemos los siguientes factores de corrección: - 1,07 por estar al terreno a 15ºC y ser la temperatura de fusión del XLPE 90ºC. - 0,98 por estar enterrado a 90cm de profundidad. 285 Entonces I corregida 272A. Mirando en la tabla necesitamos 120 mm Ejercicio 3: Continuando con el ejercicio propuesto en el capítulo anterior, calcula las secciones necesarias de cada línea. 18

19 EJERCICIOS VIII.3: Criterio térmico Alumno: Grupo: 1.- Determina la corriente máxima que permite los siguientes conductores en instalaciones de interior. - monofásica, instalada en bandeja perforada con los cables en contacto, cables multiconductores de cobre con aislamiento PVC, de 10 mm 2 de sección: - monofásica, instalada sobre tubo rígido, cables unipolares de cobre con aislamiento XLPE, de 16 mm 2 de sección: - trifásica, instalada sobre bandeja perforada con los cables en contacto, cables unipolares de cobre con aislamiento PVC, de 25 mm 2 de sección: - trifásica, instalada en tubo corrugado dentro de la pared con aislante, multiconductor de cobre con aislamiento EPR, de 6 mm 2 de sección: 2.- Selecciona el conductor necesario si queremos alimentar a un motor eléctrico trifásico de 60KW/400V con rendimiento del 78% y factor de potencia 0,8, con un cable multiconductor de aluminio con EPR instalado en montaje superficial. 3.- Continuando con los ejercicios propuestos en el capítulo anterior, calcula ahora las secciones necesarias para cada línea. 19

20 VIII.4 SELECCIÓN DE APARAMENTA Las instalaciones eléctricas han de llevar unos aparatos de protección, que junto con la instalación de tierra, aseguren que tanto las personas como los equipos están protegidos de accidentes. Agrupamos las funciones de protección en dos clases: - sobretensiones: debido a fenómenos atmosféricos o maniobras indebidas. - sobreintensidades: debido a sobrecargas y cortocircuitos. - derivaciones: debidas a contactos directos (una persona en contacto con un conductor de fase) o indirectos (una persona en contacto con una masa puesta accidentalmente en tensión). Estudiaremos solamente cómo proteger frente a sobrecargas y derivaciones: PRTOECCIÓN CONTRA CONTACTOS DIRECTOS E INDIRECTOS: Colocaremos todas las partes metálicas susceptibles de ponerse accidentalmente en tensión con la instalación de tierra y protección, y colocaremos aguas arriba un interruptor diferencial. Los valores característicos: - I N (Intensidad nominal): es la máxima intensidad que soporta sin sobrecalentarse, elegiremos el valor normalizado superior a la intensidad prevista para la línea. Los calibres normalizados son 25A, 40A, 63A y 80A. - Sensibilidad: el la máxima corriente de defecto antes de que se dispare el mecanismo de apertura del interruptor, los valores usuales son 30mA para instalaciones de interior y 300mA para motores. Tendremos la precaución de no colocar más de 5-7 líneas a un mismo diferencial, pues las líneas siempre tienen unas fugas de corriente, que aún siendo muy bajas, todas juntas pueden hacer saltar repetitivamente el diferencial. PROTECCIÓN CONTRA SOBRECARGAS Y CORTOCIRCUITOS: Colocaremos para cada línea y para la línea general un interruptor magnetotérmico, o un fusible. El calibre de la protección será el que nos indique la potencia instalada. El interruptor magnetotérmico debe cumplir que: I B I N I Z donde: - I B es la intensidad de empleo o utilización, - I Z es la intensidad máxima admisible por el conductor. - I N es la intensidad nominal del interruptor, cuyos calibres normalizados son 2A, 4A, 6A, 10A, 16A, 20A, 25A, 32A, 40A, 50A, 63A y 80A. Para mayores calibres recurrimos al interruptor general de maniobra:160, 250 y 400A. 1,45 El fusible debe cumplir que: I B I N I Z Los calibres de los fusibles son iguales a n los de los interruptores, pero continuando 100A, 125A, 160A, 200A, 250A, 315A, 400A. Si no existiese un magnetotérmico dentro de dichos valores, incrementaremos la sección del conductor y elegiremos el valor normalizado correspondiente. Recuerda que la protección contra sobrecargas se puede realizar al final de circuito, como el interruptor general de la vivienda, que protege a la derivación individual. 20

21 Ejercicio 1: Una instalación una instalación con 20 kw/400v/cosφ0,7 está alimentada mediante unos cables unipolares de cobre aislados en PVC sobre tubo flexible superficial de 10 mm 2. a) calcula la intensidad de empleo o utilización. b) calcula la intensidad máxima admisible por el conductor. c) selecciona el interruptor magnetotérmico necesario. d) selecciona el fusible necesario. e) selecciona el diferencial adecuado, suponiendo que no hay motores en la instalación Sol: la intensidad de empleo la obtenemos como I B A La intensidad máxima soportada por el cable es I Z 44A (ITC-19, fila B, 3xPVC, col 4). No existe un calibre del interruptor entre 41,28 y 44A. Así que aumentamos la sección a 16mm 2 (I Z 59A) y elegimos el interruptor de I N 50A. 1,45 El calibre del fusible debe estar entre 41,28 I N 59 53, 46A, así I N 50A. 1,6 Y para el diferencial (si no hay más de 5-7 circuitos), elegiremos la intensidad nominal de I N 63A y la sensibilidad de I N 30mA. Ejercicio 2: Continuando con el ejercicio propuesto en el capítulo anterior, selecciona la aparamenta para proteger adecuadamente la instalación y las personas. MÉTODO SIMPLIFICADO DE CÁLCULO DE SECCIONES Y PROTECCIONES Como regla sencilla de aplicación, podemos simplificar la intensidad admisible por los conductores de la siguiente forma: Intensidad de empleo Sección del cable Calibre del magnetotérmico 0 < I B < 10A 1,5 mm 2 10A 10 < I B < 16A 2,5 mm 2 16A 16 < I B < 20A 4 mm 2 20A 20 < I B < 25A 6 mm 2 25A 25 < I B < 32A 10 mm 2 32A 32 < I B < 40A 16 mm 2 40A Recuerda: NO ES APLICABLE ESTA TÉCNICA SI LA LONGITUD ES GRANDE!!!! Selectividad: En caso de protecciones colocadas en cascada, el calibre de la protección aguas arriba debe ser 1,6 veces mayor que el calibre de la protección aguas abajo. 21

22 EJERCICIOS VIII.4: Selección de aparamenta. Alumno: Grupo: 1.- Un cable tetrapolar de cobre aislado con XLPE, de sección 16 mm 2, en instalación interior y montaje superficial sobre pared, se utiliza para alimentar a 400V, 50Hz, una potencia de 30 kw, con factor de potencia 0,86. Calcula la intensidad que circula por el cable, y el calibre del interruptor magnetotérmico para proteger al cable contra sobrecargas. 2.- Calcula las potencias instaladas (con factor de potencia unitario) si el interruptor magnetotérmico es de: a) 16A bipolar (230V). b) 25A bipolar (230V). c) 40A bipolar (230V). d) 40A tetrapolar (400V). e) 63A tetrapolar (400V). 3.- Continuando con los ejercicios propuestos en el capítulo anterior, selecciona la aparamenta necesaria. 22

23 VIII.5 CRITERIO CAÍDA DE TENSIÓN En todo conductor, al circular corriente a través suyo, se produce una diferencia de potencial entre sus extremos. Esto hace que la tensión al final de la línea sea menor que la tensión al principio de la línea, a este efecto lo llamamos caída de tensión. Y como muchos receptores no funcionan correctamente si les reduces la tensión de alimentación, es necesario limitar este efecto. El REBT limita el porcentaje máximo de caída de tensión a (ITC-14,15y19): - 3% para instalaciones de alumbrado y vivienda y 5% para otros usos (fuerza). - 1,5% en la instalación de enlace. Este porcentaje se subdivide en 0,5% para la LGA y 1% para las derivaciones individuales en vivienda con centralización de contadores. - Si la instalación se alimenta directamente de un transformador de abonado, se incrementa a 4,5% para alumbrado y 6,5% para otros usos. La reducción de tensión en un conductor se puede aproximar suponiendo que sea un elemento resistivo puro a: - V 2 R I cosϕ 2 R P V en líneas monofásicas - V 3 R I cosϕ R P V en líneas trifásicas l Donde la resistencia del conductor se calculaba como: R ρ S Despejando obtenemos que la caída de tensión absoluta de una línea es: - 2 ρ l I cosϕ 2 ρ l P V S S V en líneas monofásicas - V 3 ρ l I cosϕ ρ l P S S V en líneas trifásicas Y la caída de tensión porcentual se calcula como: V 100 u% V La resistividad de los conductores se tomará a la temperatura más desfavorable, esto es, a la de fusión del aislamiento. RESISTIVIDAD (Ω mm 2 /m) 20ºC 70ºC ( 1,2) 90ºC ( 1,28) Cobre 0,0178 0,021 0,023 Aluminio 0,0282 0,034 0,036 Ejercicio 1: Sea una línea monofásica a 230V de cobre de 120m de longitud y 6 mm 2 de sección, y una corriente de 40A con FP0,9. Calcula a) la resistencia de la línea, b) la caída de tensión absoluta, c) la caída de tensión porcentual. Ejercicio 2: Continuando con el ejercicio propuesto en el capítulo anterior, comprueba que la caída de tensión no supera el valor reglamentario. 23

24 EJERCICIOS VIII.5: Criterio caída de tensión Alumno: Grupo: 1.- Cuál es la máxima diferencia de tensión absoluta que puede aparecer en una línea trifásica de enlace de aluminio de 400 voltios? y en los circuitos monofásicos de cobre de una vivienda a 230V? 2.- Si la corriente que circula por la línea de enlace del problema anterior es de 50A con factor de potencia unitario y la longitud de la línea es de 80m, qué sección mínima debe tener el conductor según el criterio de caída de tensión? qué sección normalizada elegiremos? 3.- Sea una línea trifásica a 400V de aluminio de 300m de longitud y 10 mm 2 de sección, por la que circula una corriente de 60A con FP0,85. Calcula a) la resistencia de la línea, b) la caída de tensión absoluta, c) la caída de tensión porcentual. 4.- Continuando con los ejercicios propuestos en el capítulo anterior, comprueba que la caída de tensión no supera el límite reglamentario, y corrige las secciones si fuera necesario. 24

25 VIII.6 CORTOCIRCUITOS El último paso para finalizar el cálculo de una instalación de consumo consiste en analizar cómo responde ante cortocircuitos. Primero analizaremos las corrientes máximas y mínimas que se pueden producir en caso de cortocircuito. Cuando se produce un cortocircuito, la corriente que circula viene limitada sólo por la resistencia de los conductores y del transformador o generador. Así, cuanto más cerca se produzca el cortocircuito del trafo, mayor intensidad circulará. Esta corriente también viene influenciada por el tipo de cortocircuito que se produzca, tal y como se muestran a continuación: La intensidad de cortocircuito máxima aparece al producirse un cortocircuito trifásico al inicio de la línea, y la obtenemos dividiendo la tensión de fase entre la resistencia obtenida sumando todas las resistencias de cada tramo (R L ) desde la salida del transformador hasta el inicio de la línea. La intensidad mínima aparece al producirse un cortocircuito fase-neutro (unipolar) al final de la línea, sumaremos entonces las resistencias hasta el final de la línea y multiplicaremos por dos, suponiendo el neutro de la misma sección que la fase. Observamos cómo la corriente de cortocircuito (I CC ) disminuye conforme nos alejamos del transformador. VFASE VFASE I CC, MAX I CC, MIN donde R R R + 2 R CC + L 2 V ucc l RCC R L ρ S N S siendo R CC la resistencia de cortocircuito del transformador, S N la potencia nominal, u CC la tensión de cortocircuito (4-6%, osea ). Si desconocemos la red de distribución, se admite considerar la intensidad de 0,8 VFASE cortocircuito mínima igual a I CC, MIN (GUÍA REBT ANEXO 3). 2 R 25 CC ( L ) L

26 Ahora pasamos a analizar el efecto de los cortocircuitos sobre los conductores. A diferencia de las sobrecargas, los conductores se sobrecalientan bruscamente cuando se produce un cortocircuito, sin dar tiempo a que transmita el calor a los aislantes. La relación intensidad-tiempo de cortocircuito viene limitada para conductores aéreos y subterráneos según las ITC 6 y 7. Para otro tipo de instalación usaremos la siguiente fórmula: K S I S t siendo S la sección, t el tiempo que dura el cortocircuito, I S la corriente soportada y K una constante que viene recogida en la siguiente tabla: K PVC XLPE-EPR Cobre Aluminio Ejercicio 1: Qué intensidad de cortocircuito puede circular por un conductor de aluminio de 16 mm 2 con aislamiento en XLPE si el interruptor automático tarda 100ms en interrumpir la corriente? K S Sol: aplicando la fórmula anterior, I S 4756 A t 0,1 Así, las condiciones que debe cumplir la aparamenta (interruptores automáticos y fusibles) para proteger eficazmente contra cortocircuitos se resumen en dos: - que su poder de corte ha de ser superior a la máxima corriente de cortocircuito. - que el tiempo de corte sea inferior tiempo que tarda en alcanzar la temperatura de fusión para cualquier intensidad posible de cortocircuito. Estas dos condiciones se traducen en: I. Automáticos, como el tiempo de disparo magnético es muy rápido, comprobaremos: - Poder de corte > Intensidad de cortocircuito máxima (principio de la línea) Fusibles, Como disponen de un poder de corte suficientemente elevado, comprobaremos: - Intensidad de fusión en 5 segundos < Intensidad soportada por el cable en 5 seg. - Intensidad de fusión en 5 segundos < Intensidad de cortocircuito mínima: Si un cortocircuito dura más de 5 segundos, no se cumplen los supuestos adiabáticos. Esta última condición se traduce en que un fusible sólo protege a una distancia máxima desde su ubicación, ya que conforme aumenta la longitud del conductor, disminuye su intensidad de cortocircuito mínima, y el fusible deja de ser válido. Por tanto, podemos concluir que la longitud máxima que protege un fusible desde el inicio es de: 0,8 VFASE S lmax donde I F,5 seg es la intensidad de fusión a los 5 segundos del fusible 2 ρ I F,5seg 26

27 Ejercicio 2: Un edificio de viviendas consume 180A con factor de potencia estimado de 0.9. Si la LGA es un conductor de aluminio de 120mm 2 y 38m de longitud con XLPE instalado directamente sobre la pared, y está protegido con un fusible gg de 160A. Una derivación individual de cobre con XLPE de 10mm 2 y una longitud de 54 m, alimenta a una vivienda de electrificación básica con un IGA de 25A (clase C) viene protegida por un fusible de 63A gg. - Comprueba si la LGA está correctamente protegida contra cortocircuitos. - Comprueba si la derivación individual está correctamente protegida y hasta qué sección de cable protegería ese fusible. - Selecciona el poder de corte del IGA, y analiza el caso de que se produzca un cortocircuito al final del circuito de alumbrado (de 1,5 mm 2 de sección de Cu en PVC y a una distancia de 30m). Sol: Puesto que su poder de corte es del orden de kA, no será necesario calcular la corriente de cortocircuito máxima. Así, el fusible ha de cumplir que la intensidad de fusión en 5 segundos (mirando en las curvas de disparo de los fusibles obtenemos I F,5 seg 600A) ha de ser inferior a la intensidad soportada por el cable en 5 segundos: K S I S 5044 A > 600 A t 5 Por otra parte, la longitud máxima que protege el fusible de 160A es de: 0,8 VFASE S 0, l 541 max 2 ρ I 2 0, m > 38 m F,5seg Para la derivación individual, la intensidad soportada por el cable en 5 segundos es: K S I S 639 A > I fusión, 5 segundos 300 A t 5 y su longitud máxima a proteger es de: 0,8 VFASE S 0, l 133 max 2 ρ I 2 0, m > 96 m (54+38) F,5seg Comprobamos para secciones menores de 10 mm 2 sus intensidades soportadas: K S I S 383A > 300 A luego sí cumple. t 5 K S I S 255 A < 300 A luego no cumple. t 5 Para el IGA, la intensidad de cortocircuito máxima se obtiene (despreciando la resistencia del trafo y de la red de distribución) como: VFASE 230 I CC, MAX 1696A R + 0, , CC RL Así, con un PdC de 6kA bastará. En caso de que se produzca un cortocircuito en uno de los circuitos de la vivienda, la intensidad de cortocircuito mínima será: 27

28 0,8 VFASE 0,8 230 I CC, MIN 206 A 2 ( R ) 0, , , L 2 ( + + ) ,5 Y si bien no está garantizado el disparo magnético del interruptor (entre 5 y 10 veces la I N, osea, entre 125A y 250A), el conductor quedaría protegido por el disparo térmico. Si bien en este caso, el disparo magnético del PIA correspondiente (de 10A) sí que dispararía. Ejercicio 3: Continuando con el ejercicio propuesto en el capítulo anterior, selecciona el poder de corte de los interruptores automáticos y comprueba que los conductores están correctamente protegidos contra cortocircuitos. 28

29 CUESTIONES TEMA 8: INSTALACIONES Haz una redacción de al menos 100 palabras con cada uno de los siguientes temas: 1.- Describe los elementos que componen una instalación eléctrica de consumo. 2.- El interruptor automático: principio de funcionamiento, protección, parámetros característicos, curvas de disparo 3.- El interruptor diferencial: principio de funcionamiento, protección, parámetros característicos, puesta a tierra 4.- Cortocircuitos: Efectos perjudiciales, cálculo de la intensidad de cortocircuito, criterios de protección general, y mediante fusibles y magnetotérmicos. 29

30 FORMULARIO TEMA 8 INSTALACIONES ELÉCTRICAS Circuito Receptor Fases P (W) F u F s F a P. Cálculo cosφ I B (A) Aparamenta I Z I N l (m) V u% S (mm 2 ) R L (R T ) I CC,MAX 0.9 nº de circuitos >10 F S 0.1+ nº tomas F S P P Monofásica: I Trifásica: I V cosϕ 3 V cosϕ 1 Monofásica: I Total ΣI I1 + I 2 + I Trifásica: ITotal ΣITrifásicas + ΣI Monofásicas 3 ΣP P + P + P... P total Monofásica: PTotal PTotal cos ϕtotal Trifásica: cosϕ total V ITotal 3 V ITotal Monofásica: 2 ρ l I cosϕ 2 ρ l P V S S V Trifásica: V 3 ρ l I cosϕ ρ l P V 100 u% S S V V Interruptor magnetotérmico: I N 2A, 4A, 6A, 10A, 16A, 20A, 25A, 32A, 40A, 50A, 63A y 80A (160A, 250A y 400A) I B I N I Z PdC6, 10, 15, 20, 25 y 50 ka Interruptor diferencial: Fusibles: I N 25A, 40A, 63A y 80A 100A, 125A, 160A, 200A, 250A, 315A, 400A I N 30 y 300 ma 1,45 I B I N I Z n Cortocircuitos: K PVC XLPE-EPR K S 0,8 VFASE S I S lmax Cobre t 2 ρ I F,5seg Aluminio R CC 2 V u S N CC R L l ρ VFASE I CC, MAX S RCC + R L I CC, MIN R CC V + 2 FASE R L RESISTIVIDAD (Ω mm 2 /m) 20ºC 70ºC ( 1,2) 90ºC ( 1,28) Cobre 0,0178 0,021 0,023 Aluminio 0,0282 0,034 0,036 30