IEyA Cap.2 Rev.2014 Final

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11/03/2015 IEyA: Capítulo II – “Tecnología de los Materiales Eléctricos” Página 1 de 115

INSTALACIONES

ELÉCTRICAS Y ACÚSTICAS

CAPÍTULO II TECNOLOGÍA DE LOS MATERIALES ELÉCTRICOS – REVISIÓN 2013

Apuntes brindados por la cátedra para los alumnos de la materia

“Instalaciones Eléctricas y Acústicas” de la carrera de Ingeniería Civil

de la Facultad Regional Bahía Blanca de la Universidad Tecnológica

Nacional. Corresponde al capítulo II: “Tecnología de los materiales

eléctricos”


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1.1. INTRODUCCIÓN

Por las razones mencionadas, los cables eléctricos deben de reunir una serie de características

claramente definidas de fiabilidad y continuidad de servicio, que permitan que el transporte de

energía se efectúe en condiciones bien controladas sin introducir alteraciones en la calidad de la

energía que conducen.

En un cable eléctrico aislado se distinguen tres partes claramente diferenciadas por la naturaleza

de la función que desarrollan (Ilustración 1):

Conductores.

Aislamientos.

Protecciones.

CONDUCTORES

AISLANTERELLENO

PANTALLA

CUBIERTA

EXTERIOR

SEMICONDUCTORA

INTERNA

SEMICONDUCTORA

EXTERNA

Ilustración 1: Cable eléctrico aislado

1.2.

CONDUCTORES ELÉCTRICOS

Se trata de la parte del cable que específicamente conduce la energía eléctrica. Por lo tanto no

debe de introducir ningún elemento perturbador en su calidad ni pérdidas de potencia excesivas que

impidan un correcto empleo de esta materia prima.

Hablando de pérdidas, desde hace mucho tiempo se sabe que, cuando un cable es recorrido

por una corriente eléctrica, se calienta. Este calentamiento se debe a la interacción de los electrones

que se desplazan en el seno del conductor con los átomos que constituyen el material y es

directamente proporcional al cuadrado de la intensidad de la corriente eléctrica que recorre el cable.

La relación de proporcionalidad entre el calor generado en el cable, expresado en Watts, y elcuadrado de la intensidad de la corriente que lo atraviesa, expresada en amperios, recibe el nombre

de resistencia eléctrica, se mide en ohmios (Ω) y es una constante para cada material, que varía con la

temperatura.

Evidentemente, para la fabricación de cables eléctricos, interesa el empleo de materiales que,

al tiempo que sean abundantes en la naturaleza y por lo tanto no excesivamente caros, presenten

una resistencia eléctrica lo más reducida posible, pues así las pérdidas serán más bajas.

Se ha observado que los metales, generalmente buenos conductores, presentan unos valores

mucho más reducidos de resistencia eléctrica que otros materiales no metálicos.


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Denominando resistividad (ρ) a la resistencia eléctrica de un hilo de 1 mm2 de sección y de 1

Km. de longitud, en corriente continua y a la temperatura de 20ºC, la de los metales está

comprendida entre 15 Ω.mm2/km para la plata (el mejor conductor) y 200 para el plomo.

Por razones económicas, salvo en muy limitadas circunstancias, no se emplea la plata como

elemento constituyente de los cables eléctricos. Se suele utilizar el cobre y el aluminio, de relativa

abundancia en la naturaleza.También debe de recordarse que la resistividad de todas las sustancias conductoras varía con

la temperatura. Si se denomina ρ0

a la resistividad a 0ºC , la resistividad ρ a θ ºC , sería:

en donde α es el coeficiente de temperatura que, en casi todos los metales, vale

aproximadamente 0,004.

En el cuadro de la Tabla 1 se muestran las características más importantes del cobre y del

aluminio. Así, cuando la temperatura de un conductor de cobre pasa de la del ambiente, de 20ºC por

ejemplo, a la máxima temperatura de servicio de un cable a plena carga, de 90ºC si el aislamiento es

de XLPE (polietileno reticulado), la resistencia aumentará:

() O sea, un 27,5 . Es necesario tenerlo en cuenta cuando se calculan las caídas de tensión de

una instalación.

Resumiendo, la resistencia que presenta un conductor al paso de la corriente eléctrica, que

será una de las causas más importantes de las pérdidas que se produzcan al paso de dicha corriente,

valdrá:

Tabla 1: Cable eléctrico aislado

1.3. AISLAMIENTOS

1 .3 .1 . I n t roducc ión

Los aislamientos de los cables tienen por objeto impedir que la corriente que circula por los

conductores se escape de éstos a lo largo de su recorrido.

Deben mantener una adecuada flexibilidad que permita su disposición en rollos, carretes o

bobinas para su transporte hasta el lugar de la instalación y su colocación posterior en tubos,

bandejas o zanjas sin excesivo esfuerzo. Por esta razón no se utilizan en la industria del cable

aislamientos rígidos tales como la porcelana, bakelita y otros, que sí se emplean en otras situaciones.

En la industria del cable se distinguen dos grandes familias de aislamientos: termoplásticos y

termoestables. Los primeros tienen la propiedad de que se reblandecen con el calor y se vuelvenrígidos y quebradizos con el frío, lo que impide su tendido a bajas temperaturas. Ejemplos de estos

materiales son el PVC (policloruro de vinilo) y el PE (polietileno termoplástico). Por el contrario, los


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segundos mantienen una adecuada flexibilidad en el rango de las temperaturas de utilización. Por

ejemplo, son termoestables, el XLPE (polietileno reticulado) o el EPR (goma etileno-propileno).

Esta dependencia con la temperatura máxima que son capaces de soportar en servicio

permanente impone que, por exigencias de las normas, se limite la temperatura máxima de servicio a

los 70ºC en los cables con aislamiento termoplástico y a los 90ºC en los de aislamiento termoestable

y la de cortocircuito a los 160ºC y 250ºC, respectivamente. En adelante se denominarán estosmateriales con las siglas TP y TE.

1 .3 .2 . T i p o s

Existen muchos tipos de aislaciones usadas en los conductores eléctricos de potencia. Las

aislación por extrusión usados para alambres y cables son clasificados como termoplásticos o un

material termoregulados. Los materiales termoplásticos tienden a perder su forma en la calefacción

subsecuente, mientras los materiales termoregulados tienden a mantener su forma. Estos

aislamientos van del cloruro de polivinilo a los más recientes adelantos en los sistemas de retardo

controlado en los cambios moleculares del polietileno y los compuestos de caucho sintéticos.

1.3.2.1.

Polietileno

El Polietileno (PE) es una extensa cadena de hidrocarburo de material termoplástico, producida

por la polimerización de gas de etileno bajo alta o baja presión. El “PE” tiene como ventajas: su precio

relativamente bajo, procesabilidad, resistencia a los químicos y humedad, propiedades eléctricas, y la

flexibilidad a bajas temperaturas. El “PE” se produce en baja, media, y alta densidad. Con los

aumentos de densidad, se producen aumentos en su dureza, en su resistencia, en su rigidez y en su

resistencia al calor y a los agentes químicos.

Si se exponen cables de PE a la luz del sol, debe agregarse un inhibidor conveniente que haga

de filtro de los rayos ultravioletas. La radiación UV puede degradar las propiedades físicas y eléctricas

del cable. Las propiedades eléctricas de PE son excelentes. Valores típicos para un polietileno natural,

incluye un resistividad que cm .1610 , una constante dieléctrica de 2.3, un factor de disipación de

calor de 0.0002, y una absorción de agua de menos de 0.1%. Una desventaja de PE es que, como la

mayoría de los plásticos, es susceptible a degradación por descargas eléctricas de arco tipo corona.

El “PE”, también puede experimentar degradación cuando se lo somete a tensión eléctrica alta. La

descarga corona y las altas tensiones, pueden producir un deterioro prematuro del cable.

1.3.2.2.

Polietileno reticuladoEl Polietileno reticulado (XLPE) normalmente es un material termorregulado producido por la

combinación de polietileno, o un copolimero de etileno, y acetato de vinilo (EVA) con un agente

reticulante, normalmente un peróxido orgánico. Las moléculas individuales de polietileno se unen

juntos durante un proceso de vulcanizado para formar una red interconectada.

Mientras el uso de peróxido como agente reticulante sólo solo puede utilizarse con polietileno

de determinada densidad, la introducción de tecnología de agentes basados en silane permite el la

utilización de todas las densidades del polietileno. Los cables producidos con polietileno reticulado

pueden operar a temperaturas más altas que los cables con aislación termoplástica o polietileno no –

reticulado.El reticulado mejora las propiedades físicas del polietileno significativamente, pero los aditivos

tienden a reducir las propiedades eléctricas del aislamiento. Ésta es la razón por la que el copolímero


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sólo se usa para las aplicaciones de bajos voltajes. Para voltaje medios el costo de mercado del

polietileno reticulado es competitivo, ya que las bondades dieléctricas del mismo son

aproximadamente igual a las del polietileno termoplástico. Las tensiones de impulso son del ordende los

mm V .7002

.

Para las aplicaciones de bajo voltaje, la suma de rellenos, en particular, el carbono,

proporciona aumentos en la resistencia a la tracción y dureza. También proporciona la proteccióndelos rayos UV que es necesaria para las aplicaciones al intemperie sin el uso de cobertores. El

copolímero (EVA) se combina con un 30% de carbono termal. Esto significa alrededor de un 2 a 3% en

volumen de carbón en el polietileno, si se requiere resistencia de la luz del sol sin reducir las

propiedades eléctricas significativamente.

Los materiales aislantes basados en XLPE, pueden operar continuamente a una temperatura

del conductor de 90° C y intermitentemente a 130° C durante las condiciones de la emergencia. Estos

tienen buenas propiedades a bajas temperaturas, y se produce un aumento a la resistencia de las

descargas por efecto corona comparado con el polietileno termoplástico, y tiene un buen

comportamiento respecto a los impactos, la abrasión, y al medio ambiente.

Para voltajes medios, los aislantes basados en XLPE no reducen la propagación de llama. Para

las aplicaciones de bajo voltaje, el agregado de compuestos halógenos retardantes de llama,

producen un nivel de propagación de llama aceptable.

1.3.2.3. Goma etilén - propilénica

La goma etilén – propilénica (EPR) es un material termorregulado sintetizado del etileno,

propileno y en algunos caso un tercer monómero. Si se usan sólo etileno y propileno, el polímero es

llamado EPM. Si se usan tres monómeros, el polímero resultante se llama EPDM. Sin embargo, en

general el uso, del término EPR cubre cualquiera de estos tipos. EPR es el aislamiento predominante

para los conductores de alta tensión industrial de 5 a 35 kV.

Mientras el XLPE es considerado como altamente cristalino, el EPR va de amorfo al

semicristalino. Este “cristalinidad” hace a la flexibilidad aumentada para el EPR comparada con el

XLPE.

El peróxido es el agente reticulante predominante para el compuesto EPR. Sin embargo, el

trabajo se ha hecho en el uso de sistemas de reticulantes de silane. Los reticulantes de azufre sólo

pueden usarse en sistemas del tipo EPDM. Mientras el XLPE es principalmente usado como un

aislamiento en forma directa sin relleno, el EPR tiene un volumen del relleno que puede ser 50% o

más. El relleno es típicamente una arcilla tratada o silicate.

El EPR puede ser utilizado continuamente para temperaturas del conductor del orden de los

90° C e intermitentemente a 130° C durante las condiciones de la emergencia. Posee propiedades del

elastométricas buenas, no ataca la capa de ozono, y la resistencia a bajas temperaturas, es

característica de las aislaciones del tipo EPR.

Para las aplicaciones de voltaje medio, las propiedades eléctricas son una resistividad de

cm .16

10 , un factor de disipación de 0.008, una constante dieléctrica de 3.2, y una tensión de

impulso demm

V .5001 . Igual que el caso anterior la adición de compuestos halogenados le confiere

algo de resistencia a la propagación de llama en bajo voltaje, mientras que en voltajes medios noevita la propagación de llama.


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1.3.2.4. Policloruro de vinilo

El policloruro de vinilo (PVC), es un material termoplástico introducido en 1932. Desde

entonces, el PVC se ha vuelto el aislamiento normal usado en alambres y cables hasta 1.000 Volt. Los

compuestos de vinilo son mezclas mecánicas de resina de PVC, plastificante, relleno, estabilizadores

y modificadores. La cantidad y tipo de cada uno determinan las propiedades finales del compuesto.

Pueden formularse compuestos de PVC para proporcionar un rango ancho de propiedades del

punto de vista de características eléctricas, físicas y químicas. Sin embargo, logrando superioridad en

una propiedad, las otras propiedades se comportan normalmente. La meta es perfeccionar la

propiedad crítica o propiedades sin permitir que el resto caiga por debajo de los niveles aceptables.

PVC tiene un comportamiento aislante muy buena. Es inherentemente duro y resistente a la

llama, humedad, y abrasión. Resistencia a ozono, ácidos, álcalis, alcoholes, y para la mayoría de los

solventes también es adecuada. Con compuestos especiales pueden impartir resistencia a los aceites

e hidrocarburos. Basado en la formulación específica, las temperaturas van desde los 60° a los 105°C.

Las desventajas de PVC incluyen una constante dieléctrica alta y factor de disipación alto. La

pérdida de humedad a través de evaporación produce un envejecimiento prematuro del cable. El PVCse comporta muy rígidamente a temperaturas bajas y generalmente no se recomienda para usos que

requieren flexibilidad por debajo de los 10°C bajo cero. De todas maneras, se han desarrollado

preparados especiales qué permitirá cierta flexibilidad a - 40° C.

1.3.2.5. Polietileno clorurosulfonado

El Polietileno clorurosulfonado (CSP) es un termoestable. Las abreviaturas para designarlos

son varias como por ejemplo: CSP, ASTM, CSM, etc. El CSP es fabricado agregando cloruro y

sulfhídricos al polietileno. Esta modificación cambia el plástico rígido en un polímero elástico que

puede ser reticulante en una variedad de maneras. Los peróxidos orgánicos y sistemas de azufre son

los métodos más comunes de obtener el sistema reticulante.

Tanto como el PVC y XLPE, el CSP es una mezcla mecánica de ingredientes que pueden

contener polímeros, rellenos, modificadores y agentes reticulantes. La cantidad y tipo de cada

ingrediente afectan las propiedades finales físicas y eléctricas del aislamiento. Puesto que el CSP

contiene un halógeno, es inherentemente no propagante de llama. El compuesto de CSP típico se usa

a 90° C y tiene propiedades mecánicas excelentes como fuerza a la tracción y resistencia a la

abrasión. Además, tiene un buen comportamiento ante la intemperie a las grasas, a los agentes

químicos

1.4.

P

ROTECCIONES

Además de las solicitaciones eléctricas, los cables deben soportar durante su servicio otras

agresiones: mecánicas, químicas, medioambientales, etc. Es lo que más adelante se denominarán

“influencias externas”. Esta es la misión de lo que se denomina, en general, como protecciones. S e

distinguen tres tipos distintos de protecciones: (figura 4.3)

Pantallas.

Armaduras.

Cubiertas.


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Figura 4.3 Protecciones de los cables

1 .4 .1 .

Panta l l a s

Pantallas son los elementos que deben proteger a un cable contra los esfuerzos o solicitaciones

eléctricas. A su vez se diferencian en: pantallas electrostáticas, electromagnéticas y

antiaccidentísticas.

Pantallas electrostáticas. Tienen por objeto confinar el campo eléctrico en su interior

evitando la presencia de componentes de tensión no deseados, facilitando su derivación a

tierra. Ejemplo de estas pantallas son las que cubren los pares o cuadretes de los cables

de comunicaciones, o las capas semiconductoras que en los cables de media tensión están

en contacto con el conductor en la parte interior del aislamiento o con la pantalla de hilos

de cobre en la parte exterior. Su función es evitar la presencia de huecos en el seno delaislamiento que pudieran dar origen a fenómenos de ionización que a medio plazo

destruyeran el cable.

Pantallas electromagnéticas. Su misión fundamental consiste en evitar que la presencia de

campos magnéticos ajenos afecten el buen funcionamiento de los equipos eliminando

posibles acoplamientos o interferencias. Tanto pueden utilizarse para evitar que

perturbaciones electromagnéticas exteriores penetren en el cable que rodean, como para

evitar que aquéllas generadas en el propio cable en los momentos de conmutación afecten

a circuitos sensibles situados en sus proximidades.

Pantallas antiaccidentísticas. Como su nombre indica, son las destinadas a evitar

accidentes a las personas, derivando a tierra cualquier corriente de defecto provocada porel deterioro del cable, sin que ésta llegue a la superficie, que podría estar en contacto con

elementos conductores ajenos a la instalación, con riesgo de contactos indirectos. Las

máquinas portátiles o desplazables empleadas en las obras públicas deberían estar

dotadas de este tipo de pantallas, convenientemente puestas a tierra.

1 .4 .2 . La s a rm a d u ra s

Las armaduras protegen el cable contra daños mecánicos. En algún caso, convenientemente

puestas a tierra, también pueden cumplir la función de pantallas antiaccidentísticas. También en este

caso se pueden diferenciar dos tipos de armaduras. Las que protegen el cable contra esfuerzos de

tracción y las que lo protegen contra esfuerzos cortantes.


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Las armaduras destinadas a proteger los cables contra esfuerzos de tracción están constituidas

por una corona de hilos de hierro dispuestos en hélice de paso largo, que al ser estirada se aprieta

contra el núcleo del cable. De esta manera si por ejemplo un cable de gran longitud está colgando de

un extremo, al verse sometido al esfuerzo de tracción de su propio peso, al sufrir el estiramiento, la

mencionada corona se estrechará alrededor del cable repartiendo el soporte del peso a lo largo de

toda su longitud, evitando así que la totalidad del peso actúe sobre el extremo superior de lascuerdas conductoras, de una carga de rotura baja, o del aislamiento, provocando su deterioro.

Por otro lado, las armaduras destinadas a proteger los cables contra esfuerzos cortantes están

constituidas por dos cintas o flejes de hierro, colocadas en hélice de paso corto, situadas de tal

manera que la más externa cubre el hueco que queda entre dos espiras consecutivas de la

subyacente, permitiendo un pequeño deslizamiento que facilita hasta cierto punto el curvado del

cable.

De esta manera, la mayor superficie de aplicación del eventual esfuerzo cortante, protege el cable

de golpes o aplastamientos. Este tipo de armaduras debe utilizarse cuando el cable deba soportar

pesos excesivos, tales como el paso de vehículos, o estar enterrado en terrenos en los que sean deesperar deslizamientos, que pudieran producir aplastamientos del cable contra una superficie dura.

1.5.

TIPOS DE CANALIZACIONES

El tipo de canalización de la instalación es el que impondrá las protecciones y la naturaleza del

cable necesario en cada caso. En general, las canalizaciones se pueden agrupar en cuatro grandes

apartados:

Canalizaciones fijas. Son aquéllas en las que es preciso desconectar la instalación para su

modificación, lo que requiere trabajos de desmontaje. Estas canalizaciones alimentan

aparatos fijos. Un ejemplo sería la instalación de un edificio.

Canalizaciones semifijas. El desplazamiento de los equipos se efectuará después dedejarlos sin tensión, aunque permanezcan acoplados a la red. Es el caso de algunos

equipos de extracción de minería o de obras públicas.

Canalizaciones semimóviles. Permiten el desplazamiento ocasional de los equipos bajo

tensión durante su funcionamiento. Alimentan aparatos semimóviles, tales como lámparas

de pie o máquinas de oficina.

Canalizaciones móviles. Permiten el desplazamiento de los equipos en tensión durante su

funcionamiento. Alimentan aparatos móviles. Por ejemplo, grúas, ascensores,

montacargas, equipos de máquinas de extracción en minería, cabezales de trabajo de

equipos industriales, herramientas portátiles, etc.

Evidentemente, la naturaleza de la canalización determina el tipo de cable adecuado al

servicio de que se trate. En la Ilustración 2 se han dibujado a la misma escala dos cables flexibles de

la misma formación y sección (3 x 25 mm2). El de menor tensión nominal (750 V), al ser para

instalaciones móviles, presenta mayores espesores de aislamiento y cubierta que el de 1000 V, ya

que se supone que deberá soportar mayores esfuerzos mecánicos.


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Ilustración 2: Cable para instalaciones fijas y móviles

Nunca se debe utilizar un cable flexible para instalaciones fijas en la alimentación de un

equipo móvil.

Las guías de utilización de las normas UNE correspondientes a cada tipo de cable indican cuál

es la utilización adecuada al mismo. Así, por ejemplo, en la Guía de utilización de la norma UNE

21031 - Cables aislados con PVC de tensiones nominales U0/U inferiores o iguales a 450/750 V, al

referirse al cable habitualmente conocido como cable “manguera” indica lo siguiente: “Cablesflexibles con cubierta normal de PVC, H05VV-F (redondos). Utilización recomendada: En locales

domésticos, cocinas, oficinas; para aparatos domésticos, inclusive los que estén en locales húmedos;

para esfuerzos mecánicos medios (por ejemplo, máquinas de lavar, centrifugadoras y refrigeradores).

Inadecuados para su utilización a la intemperie, en talleres industriales o agrícolas o para la

alimentación de herramientas portátiles no domésticas”.

Por otro lado, en la norma UNE 21027: Cables aislados con goma de tensiones nominales

U0/U inferiores o iguales a 450/750 V se indica: “Cables flexibles con cubierta reforzada de

policloropreno u otro elastómero sintético equivalente, H07RN-F. Utilización recomendada: En

locales secos, húmedos o mojados, a la intemperie, en talleres de atmósfera explosiva; paraesfuerzos mecánicos medios, por ejemplo, para aparatos de talleres industriales y agrícolas, grandes

calderas, placas de calentamiento, remolques portátiles, utillajes eléctricos como taladros, sierras

circulares, útiles domésticos como también para motores y máquinas transportables en

construcciones y explotaciones agrícolas, etc.; utilizables también para instalaciones fijas, por

ejemplo, sobre enlucido en los edificios provisionales y barracas de obras; apropiados para cableado

de aparatos de elevación, de maquinaria, etc.. Evidentemente en la alimentación de la hormigonera se

deberá utilizar un cable H07RN-F y nunca un H05VV-F.

1.6. DIMENSIONAMIENTO DE CONDUCTORES ELÉCTRICOS

1 .6 .1 . I n t roducc ión

Para este capítulo tenemos reservado el cálculo de los alimentadores, es decir el

dimensionamiento de conductores eléctricos a través de sus cinco parámetros selectivos. Estos

parámetros son:

Resistencia mecánica: Para el caso de la resistencia mecánica, tendremos en cuenta solo

algunas consideraciones referidas al montaje y la instalación de los cables. El factor

preponderante en este caso se refiere específicamente a líneas aéreas el cual será

desarrollado por la cátedra de Transmisión de la energía ó la de Generación, distribución yTransmisión de la energía.


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Intensidad Admisible: En este caso, haremos un desarrollo importante teniendo en cuenta las

solicitaciones térmicas producidas por la corriente eléctrica y las posibilidades de evacuación

de calor para los diferentes casos de montaje en la que los cables estén expuestos.

Tendremos que:

F N

N

N AD K conS I I

º30

Dónde: AD

I Intensidad admisible a las condiciones especificadas.

N I Intensidad que puede transportar el cable en condiciones normales

N Sobretemperatura bajo condiciones normales.

F Nueva temperatura ambiente.

Nuevo valor de sobretemperatura permitido.

Caída de tensión: se expresará fórmulas y procesos de cálculo para su obtención, sin perder

de vista que la máxima caída de tensión tolerada, para el último usuario es del 5%. Para un

caso simplificado tenemos:

Kmr

a X

S

l Rcont t R R

Sen X Cos Rl I U

LF

C

C t t C F

LF F

0157,026,1

log144,0

1

3

º20º20

2

º20

Cortocircuitos: Es de gran importancia en el cálculo de los cables ya que en muchos casos

condiciona la sección de los mismos. Para este caso se tiene:

MT

TH D

K

I t S

1000min

Dónde:min

S sección mínima del conductor para por soportar los efectos térmicos de la

corriente de cortocircuito.

Dt Tiempo de desconexión de la protección que libera el cortocircuito.

TH I Valor r.m.s. de la corriente de cortocircuito, en KA.

MT K Valor que tiene en cuenta la sobretemperatura (se toma 80 ó 90ºC) y el tipo de

material del conductor.

Factores económicos: Por último el factor económico fue desarrollado en el capítulo 1 como

análisis económico de conductores eléctricos y por ello no lo reiteraremos en este punto.

Para el dimensionamiento de los conductores eléctricos tendremos que verificar los primeros

cuatro puntos en forma simultánea, sin descuidar el lado económico, tan importante en la tecnología

de hoy.

Analizando las ecuaciones generalizadas vistas precedentemente, se puede llegar a ciertas

conclusiones importantes.

Para potencias de cortocircuito altas se dimensiona por cortocircuito y se verifica el resto.

Para líneas largas

se dimensiona por caída de tensión y se verifican las otras.

Para líneas con potencia de corto media y baja y longitudes medias o cortas se dimensiona

por corriente admisible, verificándose las restantes.


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1 .6 .2 . D e te rm i na c i ó n d e l a i n t ens i d a d m á x i m a a d m i s i b l e en un

cab le

1.6.2.1. Introducción

En la Ilustración 3 podemos ver la estructura simple de un cable de potencia cualquiera. La

potencia eléctrica desarrollada por el conducto de cobre estará dada por la ecuación de Joule:

R I P cu 2

Ilustración 3: Estructura de un cable

Esta conversión de energía irreversible, de eléctrica en calor, hace aumentar la energía interna

del cable con el consiguiente aumento de su temperatura. La temperatura máxima que este conducto

puede desarrollar estará dada por su envejecimiento prematuro, fundamentalmente de su aislación.

En la Tabla 2 podemos ver la temperatura límite y en sobrecarga y en cortocircuito soportada por los

diferentes tipos de aislación.

Tipo de Aislante

Temperatura máxima de

operación en régimen

continuo

(en ºC)

Temperatura máxima

soportada en sobrecarga

(ºC)

Temperatura máxima

soportada en cortocircuito

(ºC)

PVC 80 100 160

PE 75 90 150XLPE 90 130 250EPR 90 130 250

Tabla 2: Temperaturas máximas de los aislantes

La obtención de la capacidad de carga de un conductor o intensidad máxima de corriente se

basa en la metodología indicada enla norma IEC 287

, en la cual se establece la aplicación de la

analogía entre un sistema de conducción de calor y un esquema circuital, en el cual podamos aplicar

la ley de Ohm y las leyes de Kirchhoff. Esto es precisamente lo que hemos visto en los apartados

anteriores.

En la Ilustración 4 podemos ver este caso. En ella se han dibujado que las diferencia depotencia existente es la de temperaturas entre el conductor y la del ambiente. La resistencia, que se

suponen en serie, corresponde a la resistividad térmica del aislante, la de la cobertura exterior y la

existente en el medio ambiente (R externa).


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Ilustración 4: Esquema circuital

La resistencia de aislación depende del tipo del aislante y de su grosor, idénticamente a la de

la vaina exterior del cable. Para el caso de la resistencia térmica externa es tema es mucho más

complicado ya que intervienen muchos factores. Por ejemplo en el caso de cables instalados en el

aire, el calor se transmite al ambiente por convección y radiación, mientras que para los cables

enterrados, el calor se evacua por conducción.

A su vez la resistencia externa depende de la situación en que se encuentre el conductor. Parael caso general la agrupación de cables hacen que esta resistencia aumente, impidiendo una mayor

evacuación del calor. También la presencia de objetos circundantes, produce este mismo efecto.

Específicamente en cables enterrados la resistividad del terreno es de vital importancia en esta

última resistencia, inclusive si el terreno cambia sus propiedades por efecto de la acción misma del

calor.

Para los cables instalados en aire, es importante conocer si los cables están expuestos a la

radiación solar o no o si tienen cobertores exteriores como caños, tapas, etc.

Por otro lado existe otra razón de calentamiento en los conductores que es el caso de

corrientes de Foucault que circulan por las vainas metálicas de los conductores.

En la tabla de la Tabla 3 se da una idea de la contribución de cada situación en la capacidad

de carga de un conductor.Variable Valor Efecto en la capacidad de carga

Profundidad de instalación Menor Menor capacidadSeparación de cables Pequeña Menor capacidad

Temperatura del terreno o ambiente Alta Menor capacidadResistividad térmica del terreno Alta Menor capacidad

Método de instalación Ducto, caño, etc. Menor capacidadVaina conectada a tierra En muchos puntos Menor capacidad

Separación con otros elementos Pequeña Menor capacidad

Tabla 3: Variación de la corriente admisible

Cuando el calor se aplica a cualquier cuerpo en forma uniforme, se produce un aumento en

la temperatura del mismo. Inicialmente este aumento es muy importante (Ilustración 5).

Inmediatamente la temperatura del cuerpo excede la ambiente y empieza a disipar al

medio según la ley de Newton, según la diferencia de temperatura entre el cuerpo y el ambiente.

Por consiguiente como la temperatura del cuerpo aumenta, la proporción de pérdida de calor

también aumenta, con una disminución de la velocidad de aumento de la temperatura.

Finalmente un equilibrio se alcanza que cuando la proporción de calor generado y eldisipado sean igualan . Esta temperatura es conocida como la de operación continua de


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temperatura y magnitud de esta dependerá en la naturaleza del camino a través del cual el calor

debe pasar, es decir, la resistencia térmica.

Ilustración 5: Formas de crecimiento de la temperatura en la emisión y la disipación

Cuatro factores principales definen cual será la corriente continua que podrá soportar el cable,

esto son:

La máxima temperatura admisible de los componentes del cable, con un razonable factor deseguridad

Las propiedades de disipación de calor del cable.

Las condiciones de instalación y las condiciones ambientales.

La caída de tensión (para cables de baja tensión)

1.6.2.2. El mecanismo de Flujo de Calor en un Cable

El aumento de la corriente transportada por un conductor produce un aumento de

temperatura hasta que se establece un equilibrio en un nuevo valor de temperatura. En este punto el

calor generado es igual al calor disipado a través del aislamiento, vaina de metal, protección del

cable, y finalmente en la tierra circundante o aire, como se muestra en la Ilustración 6. Esta ilustra el

mecanismo de flujo de calor para el caso de un cable armado trifásico.

Ilustración 6: Caminos del flujo de calor en un cable típico armado trifásico


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Para poder evaluar la máxima corriente que un conductor puede transportar, será necesario

realizar una analogía entre los sistemas térmicos. Para ello debemos considerar que la diferencia de

temperatura entre el conductor y el ambiente, es similar a los efectos de una fuerza electromotriz,

mientras que las resistencias térmicas (o al paso del calor), se verán reflejadas por resistencias

eléctricas.

En la Ilustración 7 podemos ver esta situación, para el caso de un conductor trifásico, como elmostrado en la Ilustración 1. Los tres conductores de cobre, a la misma temperatura1, están en efecto

conectados a un polo, y la superficie de la tierra o el ambiente suficientemente alejado del conductor,

representa el otro polo, para que la diferencia de temperatura total (análogo a la FEM. en el circuito

eléctrico) se da por el conductor-ambiente. (Ilustración 7)

Del centro de cada uno de los conductores de cobre fluye el calor hacia el exterior. Se

encuentran en “serie” el conductor de cobre desde su centro hasta su superficie, la vaina individual

semiconductora, el aislante de las venas y la semiconductora externa. Estas resistencias térmicas,

pueden sumarse y obtenerse una única equivalente, para cada uno de los conductores del cable.

Cada una de estas se encuentra en “paralelo” entre sí y tienen valores idénticos por la

construcción de los cables. Por tal motivo es que designaremos a cada una de estas como su

resistencia térmica “g1”.

Desde allí el flujo de calor continúa por el relleno del conductor que tiene una resistencia

térmica “gA”, para continuar por la cubertura exterior “gB” y, finalmente, por el entorno exterior que

dependerá de las condiciones de instalación y las condiciones ambientales. Esta conductancia será

tanto mayor (menor resistencia), cuando mejor pueda el cable disipar, será función de la mejor

posibilidad de disipar.

Ilustración 7: Mecanismos del flujo de calor en un cable trifásico armado

En la Ilustración 8 puede verse los caminos del calor para tres cables unipolares, directamente

enterrados.

1 Se considera que el conductor ha alcanzado la temperatura de equilibrio.


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Ilustración 8: Flujo de calor para tres cables unipolares directamente enterrados

Para clarificar la analogía entre los sistemas eléctricos y los térmicos, observemos la

Ilustración 7. En ella se han representado la diferencia de temperatura entre el punto más caliente del

conductor (TC) y la ambiente (TAMB), como una fuente de calor, cuyo “borne positivo” está conectado al

punto de mayor temperatura. La corriente está representada por el flujo de calor. Es evidente quecuanto más grande sea la resistencia equivalente, menor será el calor disipado.

Para cualquier conductor por unidad de longitud y sección transversal, la ley de Ohm dice:

longitud

l transversaSeccióntensióndeCaída

l

S V I

Y para el circuito térmico correspondiente y reemplazando la corriente por el calor y el

potencial por la temperatura y la resistividad eléctrica por la resistividad térmica, se tiene:

longitud

l transversaSecciónatemperatur de Elevación

l

S T QCalor de Flujo

''

Donde ’ es la resistividad térmica enWatt

cmC º Esta es la relación fundamental, conocida

como la Ley de Ohm para el flujo de calor.

La resistividad térmica se define como la diferencia, en grados centígrados, entre las caras

opuestas de un cubo de1 centímetro causadas por la transferencia de un watt de calor y se expresa

enWatt

cmC º . En la Tabla 4 puede se muestran las distintas resistividades térmicas.

Materiales Aislantes Materiales para ductos/tierra

Tipos Resistividad Térmica Tipos Resistividad TérmicaPapel, papel en aceite 5 - 6 Concreto 1

PE - XLPE 3,5 Fibra 4,8PVC 5 - 6 Asbesto 2EPR 3,6 - 5 PVC 7Goma, Goma butílica 5 PE 3,5

Materiales para cubiertas protectoras Tierra muy húmeda 0,7Tipos Resistividad Térmica Tierra húmeda 1

Yute, fibras, goma 6 Tierra seca 2Polipropileno 5,5 Tierra muy seca 3PVC 5 - 6PE 3,5

Tabla 4: Resistividades térmicas en (ºC.metro/Watt)

De este principio, pueden deducirse problemas de flujo de calor, en general, en los problemasde corrientes eléctricas, y viceversa, sustituyendo los términos análogos.


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Por consiguiente, el problema planteado en la figura 4.13, el salto de temperatura es y elcalor total generado en los conductores es Q, luego se tiene:

totaltérmicaaResistenci

uradetemperatElevación

T G

T Q

En esta ecuación la máxima temperatura admisible TC está fijada por reglamentaciones

internacionales y corresponden a los valores mencionados en el punto 1.3. El calor generado en uncable con “n” conductores es:

0

2.. R I nQ CABLES n

Donde Ro

es la resistencia óhmica con una longitud de 1 centímetro de conductor operando a

la máxima temperatura. Teniendo en cuenta el valor de Q y la ecuación anterior podemos despejar le

valor de la corriente, esta es:

T G Rn

T I

0

Donde I es la corriente máxima de transporte del cable en forma permanente. Para nuestro

caso la conductancia total “térmica”, se obtiene logrando el equivalente total, teniendo en cuenta

la equivalencia de resistencias de la teoría de circuitos. Veamos este caso en particular:

∑

En esta última ecuación se han tenido en cuenta los “n” factores que puedan influir en la

disipación del cable y los consideramos como si estuvieran en serie, pero pueden estar en una

combinación serie-paralelo. Estos factores, como se ha dicho, dependen de las condiciones de

montaje (enterrado, bandeja, cantidad de cables juntos, proximidad de elementos que modifiquen

la irradiación de calor, etc.) y de las condiciones ambientales (temperatura del terreno,

temperatura ambiente, si está expuesto directamente a los rayos solares o no, etc.)

En la práctica otros factores intervienen en la obtención del valor de esta corriente máxima.

Estos son:

Pérdidas en la vaina: Existen corrientes de conducción en las vainas de los cables. Estas

corrientes producen calor y además no llegan a los receptores de la carga. De todas maneras

este calor generado debe ser disipado de la misma manera que el del conductor.

Efecto Skin

: Se produce un aumento de la resistencia del cable por el hecho que la densidadde corriente se agrupa en la superficie del cable, reduciendo la sección efectiva del conductor.

Este efecto es más pronunciado a medida que la frecuencia aumenta. (Ilustración 9)


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Ilustración 9: factor de corrección por efecto Skin para frecuencias de 50 (a) y 60 (b) Hz, en función de la sección transversal

Efecto de proximidad: La interacción de los campos magnéticos producidos por otros

conductores próximos que transportan corriente, hacen que la distribución del mismo no sea

uniforme en todo el conductor, con lo cual se produce un aumento de R0

. (Ilustración 10). Una

corrección para efecto “piel” (Skin) no será apreciable para una sección del conductor menor

que 120 mm2. El efecto de proximidad se incrementa con el diámetro del conductor y es un

máximo cuando los cables están prácticamente en contacto. Por consiguiente esta corrección

es principalmente necesaria para los cables de baja tensión y particularmente de gran sección

( 195 mm2).

Ambos efectos tienden a simular un aumento de la resistencia, esto es:

10 y y1 R R

Dónde:

R = es la resistencia que presenta el conductor a la corriente continua

y = Factor de corrección por efecto Skin.

y1 = Factor de corrección por efecto de proximidad.

R0 = Resistencia total corregida a una frecuencia industrial

Pérdidas dieléctricas: Las pérdidas ocurren en el aislamiento como resultado del campo

eléctrico. Esta en general pueden despreciarse, pero en cables subterráneos de muy alta

tensión pueden ser importantes.

Ahora bien para obtener una fórmula que considere todos los efectos debemos considerar

estas resistencias y generadores de calor (corrientes en las vainas, pérdidas dieléctricas).

Considerando todos los efectos juntos se tiene:

E S GGG y y Rn I

1111


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Dónde:

= Salto térmico del dieléctrico.

G1 = Resistencia térmica del dieléctrico.

GS = Resistencia térmicas de la protección del cable.

GE = Resistencia térmica de la tierra.

La corriente admisible calculada por la ecuación anterior, se basa solo en el efecto caloríficoParticularmente con conductores de cobre de sección muy pequeña, la limitación pude estar dada en

la caída de voltaje.

Ilustración 10: factor de corrección por efecto de proximidad en formato trébol, para una frecuencia de 50 Hz

1 .6 .3 . Obtenc ión p rác t i ca de l a co r r i en te admis ib l e en conduc to res

1.6.3.1. Consideraciones en la obtención de las capacidades de carga

La utilización de las ecuaciones obtenidas precedentemente hace muy dificultoso su uso ya que

en general será difícil conocer las características reales de los aislantes, conductores, pantallas, etc.

Por tal motivo es que en la práctica, se utilizan métodos aproximados para el cálculo de la

capacidad máxima que un cable puede transportar, teniendo en cuenta el tipo de cables y la forma en

que este se encuentra montado.

El método más frecuente y de una gran aproximación, tiene en cuanta la capacidad de carga

máxima que tiene un determinado tipo de cable, considerando una determinada forma de instalación.

Este valor, que se obtiene directamente de tablas establecidas por el fabricante en sus catálogos y

que responde a los valores establecidos por la norma IEC 0271, se modifica mediante factores que

deben tener en cuenta las diferencias de montaje entre nuestro sistema considerado por el catálogo y

las reales condiciones de instalación del conductor.Para ello deberemos tener en cuenta los siguientes casos:


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La relación de la resistencia térmica específica entre el suelo (para cada tipo de suelos) y su

contenido de humedad.

El aumento posible de la resistencia térmica específica por desecamiento del suelo (p.e.:

durante servicio permanente del cable a plena carga; por una aglomeración excesiva de

cables, etcétera).

Las acumulaciones de calor en colchones de aire debajo de tapas de protección, en canaletas,

tubos, bloques de hormigón, etc. La temperatura ambiente (tierra o aire).

El calentamiento adicional por cables instalados cerca (acumulación), proximidad de

instalaciones de calefacción, etc., como asimismo por radiación solar.

El impedimento posible de la eliminación de calor en cables instalados en el aire.

La cantidad de conductores considerados en un circuito es aquella que resulta de la suma de los

conductores que realmente transportan corriente

. Donde se pueda asumir que los conductores están

transportando un sistema de corrientes polifásicas y balanceadas, el conductor neutro asociado no

necesita ser tenido en cuenta, salvo el caso que el sistema anterior transporte corrientes con altocontenido de armónicos. De esto se desprende que la capacidad de conducción para un sistema

tripolar será la misma que para uno tetrapolar.

Cuando se conecten en una misma fase dos o más conductores debe tenerse mucho cuidado en

que el reparto de corrientes sea equitativo en cada uno de ellos.

En aquellos casos donde las condiciones de disipación térmica difieran a lo largo de la ruta del

cable, la capacidad de corriente será la adecuada para la parte de la trayectoria que posea las

condiciones más adversas.

1.6.3.2.

Ejecución de las instalaciones: instalación de cables aisladosLos cables aislados podrán instalarse de cualquiera de las maneras indicadas a continuación:

Directamente enterrados

En canalizaciones entubadas.

En galerías, que pueden ser:

o Visitables, en cuyo caso serán de dimensiones interiores adecuadas para la

circulación de personas.

o Registrables o zanjas prefabricadas, donde no está prevista la circulación de

personas.

1.6.3.3.

Intensidades máximas admisibles en servicio permanente

Intensidades máximas permanentes en los conductores de los cables : En las tablas que

siguen se dan los valores indicados en la norma UNE 20435 - “Guía para la elección de

cables de transporte de energía aislados con dieléctricos secos extruidos para tensiones

nominales de 1 a 30 kV”, para los cables con conductores de cobre o de aluminio, aislados

con polietileno reticulado (XLPE) o goma etileno-propileno (EPR).

Temperaturas máximas admisibles: Como ya se ha indicado anteriormente, las

intensidades máximas admisibles en servicio permanente dependen, en cada caso, de la

temperatura máxima que el aislamiento pueda soportar sin alteraciones de sus

propiedades eléctricas, mecánicas y químicas. Esta temperatura es función del tipo deaislamiento y del régimen de carga. En el punto 1.3 se especificaron, con carácter


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21/115


Para la determinación de las intensidades correspondientes a los cables bipolares o a dos

cables unipolares, con el fin de tener en cuenta las líneas que suministran corriente monofásica a los

receptores, retomando la expresión ya citada:

T G Rn

T I

0

Se observa que la única diferencia entre una línea trifásica y una monofásica, cuando el tipode cable y el modo de instalación es el mismo, es que el número de conductores cargados es n = 3,

en el primer caso, y n = 2, en el segundo; luego:

T G R

T I

0

2

2 ;

T G R

T I

0

3

3 ; 225,1

2

3

3

2

0

0

3

2

T

T

G R

T

G R

T

I

I

Por tanto, con carácter general, considerando los inevitables redondeos, se puede considerar

que I2

≈1 225.I

3

. Por esta razón, por la singular presentación de sus tablas de carga, se facilitan

únicamente las correspondientes a las corrientes trifásicas.Si las condiciones reales de la instalación difieren de las consideradas como “instalación tipo”,

los valores de las intensidades indicados en la tabla anterior deberán modificarse para que, en

ningún caso, las temperaturas alcanzadas por los conductores excedan los límites indicados para

servicio permanente, utilizando los pertinentes “factores de corrección”. A continuación se exponen

algunos casos (Tabla 6 a Tabla 10), cuyas características afectan al valor máximo de la intensidad

admisible, indicando los “factores de corrección” a aplicar.

Tabla 6: Cables enterrados en terrenos cuya temperatura sea distinta a 25ºC.

El factor de corrección para otras temperaturas del terreno, distintas de las de la tabla, será:

Tabla 7: Cables enterrados en terrenos cuya temperatura sea distinta a 25ºC.

Como referencia, a continuación se dan algunos ejemplos de resistividades térmicas de

terrenos en distintas situaciones medioambientales a considerar para el tendido de los cables:


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Tabla 8: Cables enterrados, directamente o en conducciones, en terreno de resistividad térmica distinta de 1 K.m/W.

En la tabla que sigue se indican los factores de corrección que se deben aplicar, según el

número de cables tripolares o ternos de cables unipolares agrupados en una misma zanja y la

distancia entre ellos.

Tabla 9: Cables tripolares o tetrapolares o ternos de cables unipolares agrupados bajo tierra.

Tabla 10: Cables enterrados en zanja a profundidades distintas a 70 cm.

1.6.3.5. Cables enterrados en zanjas o similares

En este tipo de instalaciones es de aplicación todo lo establecido en el apartado anterior,

además de lo que se indica a continuación.

Se instalará un circuito por tubo. La relación entre el diámetro interior del tubo y el diámetro

aparente del circuito será superior a 2 , pudiéndose aceptar excepcionalmente 1,5.

Como este modo de instalación supone un incremento de la resistencia térmica respecto al

enterrado directamente, se aplicarán los factores de corrección que se indican a continuación.

Canalizaciones bajo tubos de corta longitud . Se entiende por corta longitud las

instalaciones que no superen los 15 metros. En este caso, si el tubo se rellena conaglomerados de baja resistencia térmica (bentonita o similar), no será necesario aplicar

ningún factor de corrección de intensidad por este motivo.


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Otras canalizaciones entubadas. En el caso de una línea con cable tripolar o un terno

de cables unipolares en el interior de un mismo tubo, se aplicará un factor de

corrección de 0,8.

Si cada cable unipolar va por un tubo distinto, se aplicará un factor de corrección de 0,9. En

este caso, los tubos no deberán ser de hierro, para evitar pérdidas por efectos magnéticos. Si se trata

de una agrupación de tubos, el factor de corrección por agrupamiento dependerá del tipo de

agrupación y variará para cada cable, según esté colocado en un tubo central o periférico. Cada caso

deberá estudiarse individualmente.

1.6.3.6. Condiciones de instalación al aire (en galerías, zanjas registrables,atarjeas o canales revisables

A continuación se reproducen las tablas indicadas en la norma UNE 20435 – “Guía para la

elección de cables de transporte de energía aislados con d ieléctricos secos ex truidos para tensiones

nominales de 1 a 30 kV

”.

Como en el caso de las instalaciones directamente enterradas, a efectos de determinar la

intensidad máxima admisible en instalaciones al aire se considera la siguiente instalación tipo: Un

solo cable tripolar o tetrapolar o un terno de cables unipolares en contacto mutuo, con una

colocación tal que permita una eficaz renovación del aire, siendo la temperatura ambiente de 40ºC.

(Tabla 11)

Para el cálculo de las intensidades en corrientes monofásicas vale lo indicado anteriormente,

esto es, se multiplicarán las intensidades recomendadas para cables tripolares o ternas de cables

unipolares por 1,225.

Tabla 11: Intensidades máximas admisibles en servicio permanente en instalaciones al aire en galerías subterráneas.

Estas tablas de carga pueden aplicarse a cables instalados al aire, en recintos cerrados (por

ejemplo, en el interior de edificios) siempre que la temperatura ambiente sea de 40ºC. En el caso de

cables tendidos al sol se aplicará el factor de corrección que se indica oportunamente.

Como en el caso de las instalaciones enterradas, si las condiciones reales de la instalación

difieren de las consideradas como “Instalación tipo”, los valores de las intensidades indicados en la

tabla anterior deberán modificarse para que, en ningún caso, las temperaturas alcanzadas por los


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conductores excedan de los limites indicados para servicio permanente, a cuyo efecto se utilizarán

los pertinentes “factores de corrección”.

Por tanto, la intensidad admisible en un cable, determinada por las condiciones de instalación

al aire en galerías ventiladas, cuyas características se han especificado en el apartado anterior,

deberán corregirse teniendo en cuenta cada una de las magnitudes de la instalación real que difieran

de aquéllas, de forma que el aumento de temperatura provocado por la circulación de la intensidadcalculada no dé lugar a una temperatura en el conductor superior a la especificada de 90ºC.

A continuación, se exponen algunos casos particulares (4) de instalación, cuyas características

afectan al valor máximo de la intensidad admisible, indicando los coeficientes de corrección a aplicar:

Caso 1: Cables instalados en ambientes con temperatura distinta a 40ºC. En la tabla de la

Tabla 12 se indican los factores de corrección,F

, de la intensidad admisible para

temperaturas del aire ambiente, Ta, distintas de 40ºC, en función de la temperatura

máxima de servicio, TS

,:

El factor de corrección para otras temperaturas ambientes, distintas de las de la

tabla, será:

Tabla 12: Cables instalados en ambientes con temperatura distinta a 40ºC.

Caso 2: Cables instalados al aire en canales o galerías pequeñas. En ciertas condiciones de

instalación (en canalillos, galerías pequeñas, etc.), en los que no hay una eficaz renovacióndel aire, el calor disipado por los cables no puede difundirse libremente y provoca un

aumento de la temperatura del aire encerrado en el recinto. El incremento de temperatura

por este motivo puede ser del orden de 15ºC. La intensidad admisible en las condiciones

de régimen deberá, por tanto, reducirse con los coeficientes de la tabla anterior.

Caso 3: Grupos de cables instalados al aire. En las tablas de las Tabla 13 y Tabla 14 (y las

notas que les siguen) se dan los factores de corrección a aplicar en los agrupamientos de

varios circuitos constituidos por cables unipolares o multipolares, en función del tipo de

instalación y número de circuitos.


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Tabla 13: Factores de corrección a aplicar en los agrupamientos de varios circuitos constituidos por cables unipolares o multipolares, enfunción del tipo de instalación y número de circuitos.

Tabla 14: Factores de corrección a aplicar en los agrupamientos de varios circuitos constituidos por cables unipolares o multipolares, enfunción del tipo de instalación y nº circuitos.

Como se ha podido observar, se presentan varios modos de tendido:


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o cables tendidos sobre bandejas continuas (no perforadas por lo que la circulación

del aire está restringida), con una separación entre cables o ternas de 1 diámetro.

o cables tendidos sobre bandejas perforadas, con una separación entre cables de 1

diámetro. En estos casos se puede utilizar la tabla de la Tabla 15.

o cables trifásicos o ternas tendidos sobre bandejas continuas o perforadas en

contacto entre sí y con la pared, por lo que la circulación del aire está restringida

(Tabla 16).o cables trifásicos o ternas de cables unipolares tendidos sobre la pared o sobre

estructuras verticales, con una separación entre cables de un diámetro y

distanciados de la pared o estructura un mínimo de 2 cm. de tal manera que se

produzca una relativa circulación del aire alrededor del cable (Tabla 17).

o cables trifásicos o ternas de cables unipolares tendidos sobre la pared o sobre

estructuras verticales

, en contacto entre sí y adosados a la pared o estructura

(Tabla 18).

Tabla 15: Cables tendidos sobre bandejas (continuas o perforadas) con una separación entre cables o ternas de 1 diámetro.

Tabla 16: Cables trifásicos o ternas tendidos sobre bandejas continuas o perforadas en contacto entre sí y con la pared, por lo que lacirculación del aire está restringida.

Tabla 17: Cables trifásicos o ternas de cables unipolares tendidos sobre la pared o sobre estructuras verticales, con una separación entrecables de 1 diámetro y distanciados de la pared o estructura un mínimo de 2 cm. de tal manera que se produzca una relativa circulación del

aire alrededor del cable.

Tabla 18: Cables trifásicos o ternas de cable unipolares tendidos sobre la pared o sobre estructuras verticales, en contacto entre sí yadosados a la pared o estructura.


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Caso 4: Cables expuestos directamente al sol: En este caso se recomienda un factor de

corrección FC = 0,90.

Un caso interesante para nuestro curso es la tener cual es el valor de la corriente admisible para

conductores simple vaina (IRAM 247-3), considerando 2 ó 3 cables dentro de una cañería. Esta

disposición puede ser utilizada para las instalaciones eléctricas domiciliarias que será de provecho en

el capítulo 5. En la Tabla 19 podemos ver lo mencionado.

Sección Diámetro Exterior

Intensidad admisible en

cañerías

Intensidad admisible en

cañeríasResistencia eléctrica

máxima a 20 ºC en CCDos cables Tres cables

mm2 mm Amper Amper Ω /km

1,5 3,0 15 14 13,302,5 3,8 21 18 7,984 4,2 28 25 4,956 5,0 36 32 3,3010 6,1 50 43 1,9116 7,9 66 59 1,2125 9,8 88 77 0,7835 11,1 109 96 0,5550 13,6 131 117 0,3970 16,1 167 149 0,2795 18,3 202 189 0,21

120 19,7 234 208 0,16

Tabla 19: Corriente admisible y resistencia de un conductor simple vaina en cañerías

1.6.3.7. Otros cables o sistemas de instalación.

Para cualquier otro cable u otro sistema de instalación no contemplados en esta Instrucción,

así como para cables que no figuren en las tablas anteriores, deberá consultarse la norma UNE 20435

o calcularse según la norma UNE 21.144.

1 .6 .4 .

R a d i o d e c u r va tu r a m í n i m o d e l o s c a b le s

Para la instalación de los cables, deberán tenerse en cuenta los radios de curvatura

mínimos aconsejados para cada tipo de cables, según se indica a continuación, siendo D el diámetro

exterior del cable:

cables unipolares D R 15 .

Cables multipolares D R 12 .

Estos valores generales y dependen de la fábrica de cables utilizada. De todas maneras los

valores mencionados pueden reducirse hasta un mínimo del 70 %, siempre y cuando los cables sean

doblados con cuidado sobre moldes apropiados. (Ilustración 11)

D

RC

D R 15

D R 12

Ilustración 11: Radio de curvatura mínimo de los cables

1 .6 .5 . Ca ída de tens ión

1.6.5.1. Valores admisibles

La caída de tensión entre el origen de la instalación y cualquier punto de utilización,

debería ser igual o inferior a los valores abajo indicados. Se distinguen: Para instalaciones alimentadas directamente por una línea de baja tensión a partir de una red

de distribución pública de baja tensión:


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o Iluminación %3

o Otras utilizaciones %5

o Caída de tensión máxima en el arranque de un motor: %13

Para instalaciones alimentadas directamente por una subestación transformadora a partir de

una línea de media o alta tensión o de una fuente de energía propia:o Iluminación %6

o Otras utilizaciones %8

o Caída de tensión máxima en el arranque de un motor: %13

1.6.5.2. Obtención de la caída de tensión

La caída de tensión se debe a la circulación de corrientes por los diferentes elementos

no finales de la instalación. De todas maneras la aplicaremos ahora solamente para el caso de

conductores eléctricos. Para esto debemos recordar la ecuación de caída de tensión. Esta es2:

Sen X Cos Rl I U LF F

3

De la misma podemos observar que intervienen la resistencia y la reactancia inductiva

del mismo, despreciando la reactancia capacitiva que el cable pueda tener. (En general la

despreciaremos, pero para cables envainados, conectados a tierra estos valores pueden crecer hasta

ser de valor importante).

1.6.5.3. Obtención de la reactancia inductiva

La inductancia L de una línea polifásica es igual a la relación existente entre el flujo que

envuelve a un conductor y la corriente I que circula en ese conductor, en régimen polifásico y

equilibrado. La relación que los une está dada por:

I L

La inductancia es uno de los factores que determina la fuerza electromotriz inducida,

en un conductor, al producirse una variación del flujo en el tiempo. Estos es:

t

I Le

En los cables eléctricos la inducción depende de los siguientes parámetros: Diámetro

del conductor ( D ), distancia media geométrica entre conductores ( MG D ) (figura 4.31) y de un factor

( LK

) que tiene en cuenta el número de alambres que conforman un conductor y que se encuentratabulado (Figura 4.32). De lo anterior la inductancia vale:

Km

mH

D

D Log K L MG L

246,0

En la Tabla 20 vemos los valores de MG D para cada caso en particular. Como se dijo

en la Tabla 21 puede verse los valores deL

K en función del número de alambres que forman el

conductor.

Disposición de los cables Valor de MG D Disposición de los cables Valor de MG D

2 Para mayores detalles ver apuntes del Capítulo I.


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Disposición de los cables Valor deMG

D Disposición de los cables Valor deMG

D

D a D MG

1

DV a D MG 8

D a D MG 2 3

11

2

10 a a D MG

3651 a a a D MG g MG

a D

34

2

3 a a D MG D Diámetro del conductor en mm.

DV Diámetro de la fase aislada, en mm.

Tabla 20: Reactancia de los conductores

Número de hilos elementales que

forman el conductorValor de

LK

Conductor sólido o compacto 0,05007 0,064011 0,058812 0,058114 0,057116 0,056319 0 055420 0,055124 0,054327 0,053928 0,053730 0 053532 0,053237 0 052842 0,052349 0,051950 0,051856 0,0516

61 ó más 0,0515

Tabla 21: Coeficiente de corrección K L

Para obtener la reactancia inductiva debemos aplicar:

Km Lf X

LF

3102

1.6.5.4.

Obtención de la resistencia de los conductores

Como dijimos, la resistencia de un elemento depende de varios factores que son: tipo de

material (resistividad), la sección transversal del mismo, la longitud, la temperatura de trabajo y de la


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frecuencia de oscilación de la corriente que por ella circula. La fórmula que establece el valor de la

resistencia está dada por:

Km f R

S R C

C F

º20

º201

El valor de f R lo daremos en la siguiente curva, para una frecuencia de 50 Hz, en

función de la sección del cable. En la Ilustración 12, puede verse lo mencionado.

Ilustración 12: Variación de la resistencia con la frecuencia

1 .6 .6 . Obtenc ión de l a co r r i en te Admis ib l e de Co r toc i r cu i to

Las condiciones más desfavorables de trabajo de un cable se presentan tanto desde el punto

de vista mecánico como térmico en los casos de cortocircuito.

Al dimensionar instalaciones de cables deben comprobarse que las protecciones elegidas son

capaces de soportar las cargas dinámicas y térmicas debidas a los cortocircuitos.

En cables multipolares, los esfuerzos dinámicos son absorbidos por el retorcido de los

conductores, la envoltura y la eventual armadura. Su efecto no es perjudicial, pero se deben montar

los accesorios de los cables para que sean resistentes a dicho esfuerzo. En cables unipolares que no

estén tendidos en tierra deben estar fijos en su lecho.

El calentamiento del conductor en caso de cortocircuito se puede mantener dentro de los

límites admisibles eligiendo una sección adecuada. Dicha sección mínima se calcula partiendo de la

duración del cortocircuito o sea del tiempo de desconexión del dispositivo protector y de la

intensidad de la corriente de cortocircuito. Si como resultado del cálculo se obtienen diversos valores

debe aproximarse a la sección inmediata superior.

Las aproximaciones por defecto al valor inmediato inferior de la sección conducen a altas

temperaturas finales inadmisibles en el conductor.Más que la corriente de cortocircuito admisible, puede obtenerse aquella sección mínima que

soporte una determinada corriente de cortocircuito, para un tiempo de establecimiento determinado

del mismo. Esta es:

C

I T mmS CCMAX CC

2

Dónde:

CC S Sección mínima para soportar una corriente de cortocircuito determinada establecida un

determinado tiempo.

CCMAX I Máxima corriente de cortocircuito. (En Amper)


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T Tiempo de establecimiento del cortocircuito. A fines prácticos puede tomarse el tiempo de

desconexión de la protección aguas arriba del conductor para la corriente de cortocircuito

máxima. (En segundos)

C Constante que depende de la temperatura que tenía el cable inmediatamente antes del

cortocircuito y de la máxima temperatura que puede soportar el cable en condiciones de

emergencia. Este valor se tabula a continuación en la Tabla 22. Temperatura Inicial Temperatura final de Cortocircuito en ºCen ºC 140 160 180 200 220 250

90 86 100 112 122 131 14385 90 104 115 125 134 14680 94 108 119 129 137 14975 99 111 122 132 140 15170 103 115 125 135 143 15465 107 119 129 138 146 15760 111 122 132 141 149 16050 118 129 139 147 155 16540 126 136 145 153 161 170

30 133 143 152 159 166 176Tabla 22: Coeficiente para obtener la corriente admisible de cortocircuito

Respecto a la máxima corriente de cortocircuito, este debe tomarse en el extremo “aguas

abajo” del cable. Es de notar que esta es la mínima corriente de cortocircuito máxima que puede

admitirse, ya que la máxima de las máximas se daría a comienzos del cable “aguas arriba”. En la

Ilustración 13.

Ilustración 13: Corriente de cortocircuito en extremos del cable

La corriente a tomar será la calculada en la Barra aguas abajo, es decir en la del IA-7. Se

puede suponer que esta puede ser una corriente inferior a la que podría pasar por el cable, pero hay

que considerar:

Que difícilmente se dé el cortocircuito máximo (ángulo de la tensión, máxima

generación, etc.)

Que lo más probable es que se de en bornes del interruptor aguas arriba, es decir en

la Ilustración 13, en bornes de IA-5, pero el cable no se verá afectado

Que lo más probable es que el corto se de en el otro extremo del cable, lo cual hace a

nuestra suposición correcta (ya que tomamos la corriente de corto en es punto) Puede pensarse que podría darse el cortocircuito en algún punto del tramo del cable,

pero estas circunstancias conllevarían a tomar una resistencia de falla muy alta.


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1 .6 .7 . C á l c u l o s p o r o rd ena d o r

Existen muchos software de cálculo para la obtención de la sección de conductores.

Presentaremos uno de ellos por ejemplo el Di Cab 2.0 de la Empresa Pirelli.

En este puede calcularse las secciones mínimas que cumplan los requisitos necesarios para

una determinada carga. Sin duda la rapidez con la cual se logran los resultados es un arma

importante para el proyectista, pero debe tenerse en cuenta que no siempre se obtienen por estemedio los valores óptimos de sección y por ello el calculista deberá siempre tener en cuenta la

posibilidad de estudiar los valores obtenidos con los conocimiento de la experiencia y los conceptos

teóricos vertidos en este capítulo.


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2.1. ESPECIFICACIONES DE MONTAJE

Las bandejas portacables son conductos con o sin tapa removible, en las cuales se permite

colocar conductores correspondientes a una o varias líneas.

Pueden utilizarse en instalaciones a la vista, en el interior de edificios o a la intemperie. En

canalizaciones a la intemperie o recintos de ambientes húmedos o mojados, los sistemas de bandejas

deberán tener una pendiente mínima del 1% hacia los puntos del drenaje.

Las bandejas podrán ser plásticas, metálicas o de otros materiales que reúnan las siguientes

condiciones: ser no higroscópicas, poseer rigidez mecánica adecuada al uso y ser autoextinguibles.

El sistema de bandejas debe instalarse de modo tal que sea accesible en todo su recorrido, siendo

su altura mínima de montaje horizontal de 2,50 m en interior; 3,50 m en zonas exteriores y 4,00 m

en caso de circulación vehicular.

Las bandejas no podrán quedar sin vinculación mecánica en sus extremos; deberán unirse a cajas

de pase, tableros, canalizaciones, mediante dispositivos adecuados.

Deberá mantenerse una distancia útil mínima de 0,20 m entre el borde superior de la bandeja y el

cielo del recinto o cualquier otro obstáculo de la construcción.

La disposición de los conductores dentro de las bandejas se deberá hacer de tal forma que

conserven su posición y adecuamiento a lo largo de su recorrido y los conductores de cada línea

deberán agruparse en haces o paquetes separados, excepto si se usan cables multiconductores.

La identificación debe ser clara en todo su recorrido y se realizará mediante números o letras, o

combinación de ambos.

Las uniones y derivaciones de los conductores dentro de las bandejas se deberán realizar

utilizando métodos que aseguren la continuidad de las condiciones de aislación eléctrica,correspondiente a la aislación del conductor de mayor tensión presente, cuidando que siempre

queden accesibles y fuera del haz de conductores o cables.

La conductividad de la unión no será menor que la de los conductores. Todas las partes metálicas

deberán ser conectadas a un conductor de protección, asegurando la continuidad eléctrica en toda su

extensión. El conductor de protección se deberá ubicar dentro de la bandeja o, en su parte lateral. En

general esto se realiza mediante un conductor desnudo de sección comprendida entre 35 y 70 mm 2,

unido mediante grampas a la bandeja.

2.2.

T

IPO DE BANDEJAS

2 .2 .1 . Bande jas t i po esca l e ra

Descripción: Bandeja tipo escalera, con largueros ó laterales de chapa perfilada y

travesaños estampados y soldados por arco. Los anchos pueden ser: Anchos: 150 - 300

- 450 y 600 mm. Los anchos normalizados y el tipo de perfil son compatibles e

intercambiables con los más comúnmente utilizados en plaza. (Ilustración 14)


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Ilustración 14: Bandejas Portacables de metal tipo escalera

Materiales: Chapa, acero inoxidable ó aluminio. Chapa de acero SAE 1010,en espesor 1,6

mm (calibre BWG Nº 16) para las series Liviana y Semipesada y 2,1mm (calibre BWG Nº

14) para la serie Pesada. Pueden existir acero inoxidable AISI 304 ó 316 ó aluminio.

Tratamiento y protección superficial: El sistema se presenta en chapa de acero SAE 1010

se provee con terminación superficial Zincado electrolítico (apto para interior), Zincado

por inmersión en caliente (apto a la intemperie y ambientes agresivos) ó Pintado al horno

(tipo y color de esmalte a definir con el cliente). En el caso de aluminio, sin tratamiento ó

Anodizado color ó natural.

Bulonería cuplas: Acero inoxidable. La bulonería de cuplas para las bandejas con

terminación Zincado por inmersión en caliente se provee de acero inoxidable calidad AISI

304.

Tapas y accesorios. Piezas normalizadas. El sistema de bandejas escalera incluye en sus

elementos normalizados tapas, curvas horizontales, verticales, tees, cruces, reducciones

y elementos de soporte y ensamble para lograr los recorridos necesarios a un mínimo

costo de instalación. (figura 4.50).2 .2 .2 . Bande jas t i po per fo rada

Descripción: Bandeja tipo perforada, con largueros ó laterales de chapa perfilada. Los

anchos pueden ser: Anchos: 50, 100, 150 - 300 - 450 y 600 mm. (Ilustración 15) (Ala 20

y 50 mm)


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Ilustración 15: Bandejas Portacables perforadas

Materiales: Chapa, acero inoxidable. Chapa de acero SAE 1010,en espesor 1,6 mm(calibre

BWG Nº 16) para las series Liviana y Semipesada y 2,1mm (calibre BWG Nº 14) para la

serie Pesada. Pueden existir acero inoxidable AISI 304 ó 316..

Tratamiento y protección superficial: El sistema se presenta en chapa de acero SAE 1010

se provee con terminación superficial Zincado electrolítico (apto para interior).

Bulonería cuplas: Acero inoxidable. La bulonería de cuplas para las bandejas con


304.

Tapas y accesorios. Piezas normalizadas. El sistema de bandejas escalera incluye en suselementos normalizados tapas, curvas horizontales, verticales, tees, cruces, reducciones


costo de instalación. (figura 4.50)

2 .2 .3 . B a nd e j a s d e a l a m b re

Descripción: Bandeja tipo perforada, con largueros ó laterales de chapa perfilada. Los

anchos pueden ser: Anchos: 50 – 100 - 150 – 200 - 300 - 450 y 600 mm. (Ilustración

16) (Ala 20 y 50 mm)

Ilustración 16: Bandejas Portacables de alambre


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Materiales: Las bandejas fabricadas en acero inoxidable 304, son tratadas posteriormente

con un pasivado especial, el cual asegura que la bandeja permanezca inalterable. Son

especiales para ambientes agresivos, Industrias lácteas, Química y Petroquímicas.

Burlonería, cuplas: Acero inoxidable. La bulonería de cuplas para las bandejas con


304.

Accesorios. Piezas normalizadas. El sistema de bandejas escalera incluye en suselementos normalizados tapas, curvas horizontales, verticales, tees, cruces, reducciones


costo de instalación. (figura 4.50).

2.3.

COMPONENTES NORMALIZADOS

Los componentes normalizados pueden verse en la Tabla 23TRAMO RECTO 3 METROS

ANCHOS: 150 – 300 – 450 – 600 mm

CURVA PLANA 90º - DIAMETRO INTERNO 300 mm

ANCHOS: 150 – 300 – 450 – 600 mm

TEE PLANA - RADIO INTERNO 300 mm

ANCHOS: 150 – 300 – 450 – 600 mm

CURVA PLANA 45º - RADIO INTERNO 300 mm

ANCHOS: 150 – 300 – 450 – 600 mmCRUZ PLANA – RADIO INTERNO 300 mm

ANCHOS: 150 – 300 – 450 – 600 mm

CURVA VERTICAL-Radio interno 300 mm

ANCHOS: 150 – 300 – 450 – 600 mm

REDUCCION LATERAL IZQUIERDA

Ancho: 300/150 - 450/300 - 450/150 - 600/450 - 600/300


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CURVA ARTICULADA 5 ESLABONES

ANCHOS: 150 – 300 – 450 – 600 mm

REDUCCION LATERAL IZQUIERDA

Ancho: 300/150 - 450/300 - 450/150 - 600/450 - 600/300


ANCHOS: 150 – 300 – 450 – 600 mm

REDUCCION CENTRAL

Ancho: 300/150 - 450/300 - 450/150 - 600/450 - 600/300


ANCHOS: 150 – 300 – 450 – 600 mm

BARRERA DIVISORA 3 m

Ala 50 (Liviana)

Ala 80 (Semipesada y Pesada)

SOPORTE DE SUSPENSION

Ala 62 (Liviana)

Ala 92 (Semipesada y Pesada)

Se utilizan de a pares aprisionando los largueros

SOPORTE MENSULA A BANDEJA

SOPORTE CABLE DE TIERRA

Retiene el cable desnudo de puesta a tierra de 16 a 50 mm 2

al travesaño de la bandeja

TAPA TRAMO RECTO 3 m

TAPA CURVA PLANA 90º

ANCHOS: 150 – 300 – 450 – 600 mm

TAPA CRUZ PLANA

ANCHOS: 150 – 300 – 450 – 600 mmTAPA TE PLANA TAPA CURVA PLANA 45º


38/115


ANCHOS: 150 – 300 – 450 – 600 mm ANCHOS: 150 – 300 – 450 – 600 mmTAPA REDUCCION IZQUIERDA

Ancho: 300/150 - 450/300 - 450/150 - 600/450 - 600/300

TAPA REDUCCION DERECHA

Ancho: 300/150 - 450/300 - 450/150 - 600/450 - 600/300

TAPA REDUCCION CENTRAL

Ancho: 300/150 - 450/300 - 450/150 - 600/450 - 600/300

Tabla 23: Sistema normalizado de bandejas portacables

2.4.

F

ORMAS DE

I

NSTALACIÓN

La separación entre apoyos de bandejas no podrá superar en ningún caso los 2 metros.

Un tramo deberá tener como mínimo un apoyo.

Cada curva o derivación deberá tener en sus extremos un apoyo.

La distancia mínima entre fondo y fondo de bandeja será de 300mm, siendo de 250 mm en

caso en la cual haya falta de espacio y lo permita la inspección de la obra.

2.5.

ORDENAMIENTO Y CODIFICACIÓN

En los planos de bandejas portacables se indicará la codificación correspondiente en todo

el recorrido de las mismas. En la Ilustración 17, puede verse una planta de un plano de bandejasportacables.

6A +1,75 (300)

8B +1,45 (300)

40C +1,50 (300)

8B +1,45 (300)

40C +1,50 (300)

6A +1,75 (300)

8B +1,45 (300)

40C +1,50 (300)

8B +1,45 (300)

Ilustración 17: Planta de bandejas portacables

Los recorridos de bandejas se dividen en zonas numeradas, de modo que todas las bandejas

que pertenecen a una zona de recorrido tienen el mismo número. Existe además un código de letras

que indica el servicio que estas prestan. En la Tabla 24 se muestra esquemáticamente uno de ellos:Código Servicio Ubicación física

A Potencia – Tensión 6,6 Kv. 1º nivel superior

B Potencia – Tensión < 6,6 Kv. 2º nivel superior


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Código Servicio Ubicación física

C Comando y medición 3º nivel superiorD Instrumentación 4º nivel superior

Tabla 24: Sistema de codificación de bandejas portacables

En general los cables de cada uno de estos servicios se canalizan por bandejas

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