Instalaciones Electricas - Bratu 2edi

  • View
    99

  • Download
    32

Embed Size (px)

Text of Instalaciones Electricas - Bratu 2edi

  • http://gratislibrospdf.com/

  • http://gratislibrospdf.com/

  • INSTALACIONES ELECTRICAS

    CONCEPTOS BASICOS y DISEO

    http://gratislibrospdf.com/

  • http://gratislibrospdf.com/

  • INSTALACIONES ELECTRICAS

    CONCEPTOS BASICOS ,...,

    y DISENO

    2a. Edicin

    Neagu Brau Serbn Eduardo Campeto Littlewood

    Profesores Titulares del Area Elctrica del Departamento de Energa, Divisin de Ciencias Bsicas e Ingeniera, Unidad Azcapotzalco, Universidad Autnoma Metropolitana, Mxico.

    A. Alfaomega http://gratislibrospdf.com/

  • 1990, 1992 Neagu Bratu Serbn, Eduardo Campero Littlewood

    Segunda edicin, Mxico, 1995 Dcima reimpresin: Colombia, marzo 2006

    1995 ALFAOMEGA GRUPO EDITOR, S.A. de c.v. Pitgoras 1139, Col. Del Valle, 03100, Mxico, D.F.

    Miembro de la Cmara Nacional de la Industria Editorial Mexicana Registro No. 2317

    Reservados todos los derechos. Prohibida su reproduccin parcial o total por Cualquier medio, mecnico, elctrico, de fotocopiado, trmico u otros sin Permiso expreso del editor.

    ISBN 970-15-0127-6 ISBN 958-68-2610-4

    Impreso en Colombia - Printed in Colombia

    http://gratislibrospdf.com/

  • PROLOGO A LA SEGUNDA EDICION

    En esta segunda edicin de INSTALACIONES ELECTRICAS, Con-ceptos Bsicos y Diseo se tuvo especial ~uidado de eliminar los errores cometidos en la primera edicin. Adems ahora se incluye un captulo 12 titulado Costo y Posibilidades de Ahorro de Energa Elctrica, donde se proporcionan elementos para orientar a los lectores sobre la manera en que pueden encontrar la opcin de menor costo en el uso que le dan a la energa elctrica. Esto resulta importante no slo por el ahorro que representa para los usuarios sino por el beneficio que tiene para la sociedad que est intentando hacer un uso ms racional de los recursos de la naturaleza y disminuir el ritmo con que se est contaminando el ambiente.

    Las dems aportaciones estn en el Apndice, donde se incluy un ejemplo de proyecto de instalacin elctrica y ms informacin para permitir a los ingenieros avanzar en la realizacin de proyectos en los que no tienen la informacin completa.

    Los autores quieren agradecer nuevamente la ayuda de Carolina Campero y Julia Vargas en la captura, procesamiento del texto y diseo grfico de esta segunda edicin.

    http://gratislibrospdf.com/

  • http://gratislibrospdf.com/

  • PROLOGO

    Con este libro los autores tratan de facilitar la tarea del proyectista y propiciar el entendimiento de los elementos que deben ser consi-derados al disear una instalacin elctrica. Al mismo tiempo, intentan -que los conceptos expuestos cubran el tema de manera tal que el libro pueda utilizarse como texto para alumnos de carreras de ingeniera. Sin embargo, no se incluyen expresiones o demostra-ciones complicadas, con el fin de volverlo accesible a personas de nivel tcnico que se dediquen a las instalaciones elctricas y cuyos conocimientos matemticos sean limitados.

    Esta obra cubre conceptos bsicos que no aparecen en los manuales de instalaciones escritos en espaol, y al mismo tiempo ofrece la informacin suficiente para que el lector no requiera ms que las caractersticas de los equipos y las normas para el diseo de insta-laciones.

    En la introduccin se plantean los objetivos que debe cumplir una instalacin elctrica y se propone una clasificacin para los diferen-tes tipos de instalaciones. Se mencionan tanto las normas que proporcionan el marco legal para la especificacin y construccin de instalaciones, como aqullas que pueden ser de gran ayuda para el ingeniero proyectista, aunque no' son obligatorias en Mxico. Se incluyen tambin aspectos sobre la vida de una instalacin, primor-dialmente del proceso de envejecimiento de los materiales aislantes. Por ltimo se habla de los elementos que influyen en la calidad del serVICIO.

    Con el fin de que el lector se familiarice con la terminologa emplea-da relativa a los elementos que constituyen una instalacin elctrica, en el segundo captulo se definen y describen tales elementos.

    En el tercer captul se incluye la metodologa para la especificacin del alumbrado de interiores calculado por el mtodo de lmenes. Se mencionan todos los factores que pueden disminuir el nivel de iluminacin y que deben ser considerados desde el desarrollo del proyecto. Se prQporciona el formato de una hoja de clculo que facilita el clculo del alumbrado. La especificacin del alumbrado de

    http://gratislibrospdf.com/

  • viii

    exteriores se desarrolla segn el mtodo punto por punto que utiliza la curva fotomtrica de las luminarias y se ilustra con un ejemplo.

    La determinacin de la carga de una instalacin elctrica se explica en el cuarto captulo y se inicia con el plantemiento para obtener una estimacin en la etapa del anteproyecto. Despus se propone la metodologa para una determinacin ms precisa segn se disponga de la informacin exacta de los equipos que sern alimentados. Se explican ampliamente los trminos utilizados, tales como el factor de demanda, y se incluye la determinacin de la influencia que sobre la carga tienen los equipos empleados con mayor frecuencia, como son los transformadores. Se mencionan tambin los elementos que deben considerarse para el clculo de la capacidad de una planta de emergencia.

    El captulo quinto contiene toda la informacin necesaria para que el lector pueda obtener la especificacin de los conductores y ductos de una instalacin elctrica. Se describen las metodologas para el clculo de la seccin de los conductores de acuerdo con los siguientes criterios: capacidad de conduccin de corriente, cada de voltaje permitida, tolerancia a corrientes de cortocircuito y calibres mni-mos para aplicaciones especficas. Se presenta tambin un anlisis detallado del clculo de la seccin para alimentadores- con cargas distribuidas, se incluye un diagrama de flujo para un programa de computadora y se resuelve un ejemplo. Para construir la instalacin se exponen las recomendaciones necesarias en cuanto a la especifi-cacin de ductos y tuberas. Una aportacin importante de este captulo es la inclusin del clculo de la fuerza de tiro en el proceso de cableado.

    El captulo sexto ofrece una presentacin didctica que facilita la comprensin del llamado factor de potencia. Los autores aportan una explicacin descriptiva del fenmeno fsico con la inclusin de una analoga mecnica. Se habla de la presencia del factor de potencia en las instalaciones elctricas, de sus efectos en los elemen-tos y equipos que la constituyen y de la necesidad de compensarlo. Se presenta un ejemplo de clculo para un banco de capacitores. En el captulo sptimo sobre tableros y centros de carga, se proponen criterios para su especificacin, indicando los requerimientos que deben ser cubiertos de acuerdo con las secciones correspondientes

    http://gratislibrospdf.com/

  • Prlogo ix

    de las Normas Tcnicas de Instalaciones Elctricas (NTIE, 1981). Entre otros aspectos se sealan las ventajas de lograr un buen equilibrio en la distribucin de cargas en los circuitos y la importan-cia de una adecuada localizacin de los tableros y centros de carga.

    El octavo captulo contiene la metodologa necesaria para el clculo de la corriente que circula cuando ocurre un cortocircuito en cual-quier elemento de la instalacin. Con esta metodologa se resuelve un ejemplo, en el que se calcula la corriente de falla en las barras de los tableros cuando se presenta un cortocircuito trifsico en tres diferentes puntos de la instalacin.

    En el captulo noveno se describen las posibles fallas que pueden presentarse, as como los criterios para la seleccin de las proteccio-nes adecuadas. Se pone nfasis en la necesidad de tener un sistema de protecciones coordinado, seguro y econmico.

    En el dcimo captulo se proporciona la informacin necesaria para el diseo de una red de tierra, trabajo considerado difcil, pues se requiere del conocimiento cuantitativo y cualitativo de las fallas que pueden ocurrir en la instalacin.

    Por ltimo, en el captulo undcimo se consider importante abordar el tema de pruebas a instalaciones elctricas. En l se intenta proporcionar una visin global del tipo de pruebas a las que es recomendable someter las instalaciones elctricas. Tambin se pro-porciona informacin especfica sobre pruebas que son de tipo tcnico y se hace referencia a las secciones de las Normas Tcnicas para Instalaciones Elctricas, donde se establecen los valores que deben obtenerse.

    http://gratislibrospdf.com/

  • http://gratislibrospdf.com/

  • AGRADECIMIENTO

    Los autores quieren expresar su agradecimiento a todas las personas que de alguna forma participaron en la concepcin del libro. Muy especialmente a Carolina Campero quien asesor y ayud en la captura de la informacin ya Julia Vargas quien ayud a resolver los problemas de diseo grfico, incluyendo la portada. Ambas personas colaboraron tambin leyendo y corrigiendo el texto.

    Mxico, D. F.

    http://gratislibrospdf.com/

  • Captulo 1. Intrr

    1. Descripcii2. Objetivos d

    2.l. Seg2.2. Efil2.3. Ec(2.4. Fle2.5. ACI

    3. Clasificaci3.1. Niv3.2. Lu,

    4. Cdigosyr

    "

    5. Especificar6. Vida de un

    6.1. Prc6.2. Ma6.3. Ma6.4. Me

    7. Factores di7.l. COi

    "

    7.2. Re:

    !I7.3. Co

    iI 7.4. Co" 7.5. De

    Captulo 2. Elel

    1. Acometida2. Equipo de

    11

    3. Interrupto

    11

    3.1. Int3.2. Int3.3. Int

    4. Arrancadc5. Transform6. Tableros.

    11

    6.1. Ta6.2. o6.3. Ta

    7. Motores y8. Estacione

    http://gratislibrospdf.com/

  • CONTENIDO

    Captulo 1. Introduccin a las Instalaciones Elctricas.

    1. Descripcin. ..... . 2. Objetivos de una instalacin.

    2.1. Seguridad. 2.2. Eficiencia. 2.3. Economa. 2.4. Flexibilidad. 2.5. Accesibilidad.

    .1

    .1

    3. Clasificacin de instalaciones elctricas. . ........... 2 3.1. Nivel de voltaje. 3.2. Lugar de instalacin.

    4. Cdigos y normas. 5. Especificaciones. .... 6. Vida de una instalacin elctrica.

    6.1. Proyecto y construccin. 6.2. Materiales aislantes. 6.3. Mantenimiento. 6.4. Medio ambiente.

    .3

    .4

    .4

    7. Factores de calidad de servicio. ................ 6 7.1. Continuidad del servicio. 7.2. Regulacin de voltaje. 7.3. Control de la frecuencia. 7.4. Contenido de armnicas. 7.5. Desbalance del voltaje.

    Captulo 2. Elementos que Constituyen una Instalacin Elctrica.

    1. Acometida. .11 2. Equipo de medicin. .11 3. Interruptores. .11

    3.1. Interruptor general. 3.2. Interruptor derivado. 3.3. Interruptor termomagntico.

    4. Arrancador. .13 5. Transformador. .14 6. Tableros. .14

    6.1. Tablero general. 6.2. Centros de control de motores. 6.3. Tableros de distribucin o derivados.

    7. Motores y equipos accionados por motores. .15 8. Estaciones o puntos de control. .15

    http://gratislibrospdf.com/

  • xiv Contenido

    9. Salidas para alumbrado y contactos. 10. Plantas de emergencia. ..... 11. Tierra o neutro en una instalacin elctrica. 12. Interconexin. ...... . 13. Simbologa. ............ .

    13.1. Elementos de circuitos. 13.2. Subestaciones, tierras y pararrayos. 13.3. Operacin, proteccin y control. 13.4. Alumbrado y contactos. 13.5. Ductera y alimentadores. 13.6. Instrumentos.

    Captulo 3. Especificacin y Clculo de Alumbrado.

    15 16 16 18 19

    1. Alumbrado de interiores. .............. 27 2. Mtodo de clculo de los lmenes. .. ........ 27

    2.1. Determinacin del nivel de iluminacin requerido. 2.2. Determinacin del coeficiente de utilizacin (CU). 2.3. Determinacin del factor de prdidas totales (FPT). 2.4. Clculo del nmero de luminarias. 2.5. Determinacin del acomodo de las luminarias. 2.6. Ejemplo de clculo.

    3. Mtodo punto por punto para alumbrado de exteriores. . .... 38 3.1. Curvas isolux. 3.2. Subdivisin de la superficie en reas elementales. 3.3. Ejemplo de clculo.

    4. Alimentacin y control. ................... 45 4.1. Apagador de dos vas (tipo escalera). 4.2. Control de encendido temporal. 4.3. Control de la intensidad luminosa. 4.4. Control automtico por fotocelda. 4.5. Apagador de tres Vas.

    Anexo A. Tablas.

    Captulo 4. Determinacin de la Carga de una Instalacin Elctrica.

    48 53

    1. Estimacin de carga por similitud. ......... . .... 75 1.1. Carga de los equipos relacionados con el tipo de usuario. 1.2. Carga de alumbrado para diferentes tipos de usuarios.

    2. Clculo analtico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 2.1. Carga o potencia instalada. 2.2. Demanda mxima. 2.3. Factor de demanda.

    3. Determinacin de carga para equipos especficos. . ...... 77

    http://gratislibrospdf.com/

  • Contenido xv

    3.1. Carga de transformadores. 3.2. Carga de alimentadores. 3.3. Carga en plantas de emergencia. 3.4. Carga en bancos de capacitores.

    Tablas. . ............ 81

    Captulo 5. Clculo y Especificacin de Conductores Elctricos.

    1. Criterios para el clculo de conductores. . .... 85 1.1. Capacidad de conduccin de corriente. 1.2. Cada de voltaje. 1.3. Prdidas por efecto Joule. 1.4. Capacidad para soportar la corriente de cortocircuito. 1.5. Calibre mnimo permitido. 1.6. Fuerza de tiro en el proceso de cableado. 1.7. Diferencia de secciones.

    2. Clculo de alimentadores con cargas distribuidas. ........92 2.1. Densidad de corriente constante. 2.2. Seccin constante en todo el alimentador. 2.3. Ejemplo de clculo.

    3. Clculo de alimentadores por computadora. . . . . . . 4. Ductos y tuberas. ........... ..... .

    4.1. Clculo y especificacin de tuberas y ducto cuadrado. 4.2. Arreglos en charolas.

    .98

    .98

    Tablas. . ..... . .................. 100

    Captulo 6. El Factor de Potencia.

    1. El capacitor. 2. La inductancia. 3. Potencia act\va. 4. Potencia reactiva. 5. Potencia aparente. 6. Analoga mecnica. 7. Definicin del factor de potencia. . \~ . 8. Consecuencias de un factor de potencia bajo.

    8.1. Incremento de prdidas en las lneas de transmisin o distribucin.

    8.2. Deficiente regulacin de voltaje. 8.3. Inversin inicial alta. 8.4. Penalizaciones por bajo factor de potencia.

    9. Compensacin del factor de potencia. 10. Ubicacin de los capacitores. ........ .

    107 108 108 109 109 109 110 111

    113 114

    http://gratislibrospdf.com/

  • xvi Contenido

    Captulo 7. Criterios para la Especificacin de Centros de Carga.

    1. Tablero de circuitos derivados. . . . . . . . . . . .117 2. Centro de carga con derivaciones individuales en caja. .117 3. Centro de carga a prueba de explosin. .117 4. Centro de control de motores. .118 5. Tableros generales. . . . . . . . . .118 6. Distribucin de la carga por tableros. .119 7. Distribucin de la carga por circuitos. .120 8. Localizacin de los centros de carga. .121 9. Ejemplo de especificacin de un tablero de alumbrado y contactos. 122 10. Ejemplo de especificacin de un centro de control de motores. .124 Anexos. . . . ...... .. ....... .. . . . . .. 126

    Captulo 8. Clculo de la Corriente de Cortocircuito.

    1. Proteccin contra cortocircuito. ........ . ..... .130 2. Fuentes alimentadoras de corrientes de falla. ........ .130 3. Ideas fundamentales en el clculo de la corriente de cortocircuito. .131

    3.1. Fallas trifsicas equilibradas. 3.2. Relacin entre reactancia y resistencia. 3.3. Componente de coriente directa. 3.4. Restricciones implcitas y correcciones necesarias.

    4. Metodologa para el clculo de la corriente de corto circuito. . . . 134 4.1. Diagrama unifilar y de impedancias. 4.2. Reactancias en por unidad. 4.3. Clculo de la impedancia o reactancia equivalente. 4.4. Clculo de la corriente de cortocircuito.

    5. Impedancias o reactancias tpicas de elementos de una instalacin. 138 5.1. Mquinas elctricas rotatorias. 5.2. Elementos de impedancia o reactancia constante. 5.3. Reactancia inductiva de los conductores. 5.4. Reactancia equivalente de la red de alimentacin. 5.5. Resistencias de magnitud considerable.

    6. Ejemplos de clculo. . ... . . . . . .. ... . .144 6.1. Clculo de la corriente de falla en tensin media.

    7. Conclusiones. Tablas. . ...... . ..... . .. . .. . .

    .156

    .158

    http://gratislibrospdf.com/

  • Contenido xvii

    Captulo 9. Fallas y Protecciones Elctricas.

    1. Voltajes peligrosos. .................... 161 1.1. Sobrevoltajes de origen atmosfrico. 1.2. Sobrevoltajes por maniobras de conexin y desconexin. 1.3. Voltajes peligrosos por falla de aislamiento. 1.4. Voltajes provocados por friccin. 1.5. Ondas de voltaje en sistemas de tierra. 1.6. Voltaje de paso.

    2. Cortocircuito. . . . . . . . . . 165 3. Sobrecargas. ......... 165

    3.1. Sobredemanda de potencia. 3.2. Sobrecargas por deficiencias del alimentador o del equipo.

    4. Altas temperaturas. ........ 166 5. Operacin en reas peligrosas. 167 6. Uso inadecuado de la energa elctrica. 167

    6.1. Inyeccin de armnicas a la red. 6.2. Eliminacin de protecciones. 6.3. Uso inadecuado de extensiones. 6.4. Operacin y mantenimiento deficientes.

    7. Inversin de la secuencia de fases. 168 8. Prdida de excitacin. 169 9. Cargas desequilibradas. 169 10. Medidas de seguridad. 169

    10.1. Conexin a tierra. 10.2. Apartarrayos. 10.3. Sistema de pararrayos. 10.4. Neutro aislado. 10.5. Distancias mnimas de seguridad. 10.6. Bloqueos cruzados o interlocks. 10.7. Desenergizacin automtica. 10.8. Conexin automtica a tierra.

    11. Dispositivos de proteccin. . . . . . . . . . . . . . 173 11.1. Caractersticas de un sistema de proteq:in. 11.2. Calibracin. 11.3. Fusibles. 11.4. Interruptores termomagnticos. 11.5. Relevadores trmicos o bimetales. 11.6. Relevadores electromagilticos. 11.7. Relevador de presin sbita.

    12. Interruptores de potencia. ................. 183 12.~. Interruptor en aceite. 12.2. Interruptor en pequeo volumen de aceite. 12.3. Interruptor en aire para bajo voltaje. 12.4. Interruptor con fusibles. 12.5. Interruptor de seguridad. 12.6. Interruptor de tres vas o doble tiro. 12.7. Restauradores.

    http://gratislibrospdf.com/

  • xviii Contenido

    Captulo 10. Sistema de Tierras.

    1. El concepto de resistencia a tierra ........... 187. 1.1. Valores aceptables 1.2. Clculo de la resistencia a tierra.

    2. Tratamiento del suelo. Tablas. . .....

    Captulo 11. Pruebas para las Instalaciones Elctricas.

    1. Inspeccin visual. . . . 2. Pruebas de operacin. . 3. Pruebas de aislamiento.

    3.1. Prueba de aislamiento con megger. 3.2. Elcmplo de anlisis de prueba con megger. 3.3. Prueba de voltaje aplicado.

    4. Otras pruebas. Tablas .......... .

    Captulo 12. Costo y Posibilidades de Ahorro de Energa Elctrica

    1. Introduccin . . . 2. Costo y tarifas 3. Factor de demanda 4. Factor de prdidas 5. Beneficio del control de la demanda horaria

    5.1. Pago por servicio elctrico. 5.2. Prdidas

    .190

    .191

    .193

    .193

    .194

    .197

    .198

    .199

    .199

    .200

    .202

    .202

    6. Beneficios del uso eficiente de la energa elctrica ........ 204 6.1. Transformador y conductor econmico. 6.2. Iluminacin, aire acondicionado y motores.

    7. Diagnstico de una instalacin elctrica Tabla ................. .

    Apndice: Frmulas Bsicas y Valores Tpicos

    1. Ley general de Ohm. ....... . 2. Clculo de corriente en alimentadores. 3. Potencia en circuitos trifsicos desequilibrados. 4. Corriente en transformador de dos voltajes de salida.

    .207

    .208

    .209

    .209

    .210

    .210

    http://gratislibrospdf.com/

  • 5. Corriente en motores trifsicos

    6. Corriente en motores monofsicos. . . . . . . . . . 7. Corriente en conexiones especiales. ....... . 8. Fuerza entre dos conductores rectos de seccin circular. 9. Informacin para la instalacin de motores trifsicos tipo

    jaula de ardilla ............. . 10. Ejemplo de proyecto de una instalacin elctrica . . . .

    Contenido xix

    212

    213 214 215

    216 217

    Bibliografa ......................... 227

    http://gratislibrospdf.com/

  • 1,'

    1:1111 CAP, 11

    1,111111

    ,LAS n

    1. Descripcin.

    1,1

    "

    ,Se le llama instala'

    1111

    distribuir la energ

    1111

    utilizan. Entre estbancos de capacircables, conexiones

    Las instalaciones tductos o tubos), o'techos o pisos).

    ,,1111

    2. Objetivos de II

    U na instalacin dde una manera seg

    2.1. Seguridad.

    " .

    Una instalacin se11'

    ,IIII!I

    los equipos que ali

    "llti,1,Existen muchos e

    111

    dill'

    trabajan cerca de lpartes metlicas qpuerta de un tableide tarimas de madelementos que im

    rll,iI En relacin con la i

    1111,1

    para determinar le

    Ijllll

    equipo que represdeber limitarse la

    2.2. Eficiencia.

    El diseo de unainnecesarios, ya selidad para deseanutilizando.

    http://gratislibrospdf.com/

  • CAPITULO 1. INTRODUCCION A LAS INSTALACIONES ELECTRICAS

    1. Descripcin.

    Se le llama instalacin elctrica al conjunto de elementos que permiten transportar y distribuir la energa elctrica desde el punto de suministro hasta los equipos que la utilizan. Entre estos elementos se incluyen: tableros, interruptores, transformadores, bancos de capacitores, dispositivos sensores, dispositivos de control local o remoto, cables, conexiones, contactos, canalizaciones y soportes.

    Las instalaciones elctricas pueden ser abiertas (conductores visibles), aparentes (en ductos o tubos), ocultas (dentro de pneles o falsos plafones), o ahogadas (en muros, techos o pisos).

    2. Objetivos de una instalacin.

    Una instalacin elctrica debe distribuir la energa elctrica a los equipos conectados de una manera segura y eficiente. Adems debe ser econmica, flexible y de fcil acceso.

    2.1. Seguridad.

    Una instalacin segura es aqulla que no representa riesgos para los usuarios ni para los equipos que alimenta o que estn cerca.

    Existen muchos elementos que pueden utilizarse para proteger a las personas que trabajan cerca de una instalacin elctrica, entre otros: la conexin a tierra de todas las partes metlicas que estn accesibles, la inclusin de mecanismos que impidan que la puerta de un tablero pueda abrirse mientras ste se encuentre energizado, la colocacin de tarimas de madera y hule en los lugares donde se operen interruptores y, en general, elementos que impidan el paso (letreros, candados, alambradas, etc.).

    En relacin con la seguridad de los equipos, debe hacerse un anlisis tcnico-econmico para determinar la inversin en protecciones para cada equipo. Por ejemplo, para un equipo que represente una parte importante de la instalacin y que sea muy costoso no deber limitarse la inversin en protecciones.

    2.2. Eficiencia.

    El diseo de una instalacin debe hacerse cuidadosamente para evitar consumos innecesarios, ya sea por prdidas en los elementos que la constituyen o por la imposibi-lidad para desconectar equipos o secciones de alumbrado mientras stos no se estn utilizando.

    http://gratislibrospdf.com/

  • 2 Introduccin a las Instalaciones Elctricas

    2.3. Economa.

    Los proyectos de ingeniera tienen que considerar las implicaciones econmicas. Esto quiere decir que el ingeniero, frente a cualquier proyecto, debe pensar en su realizacin con la menor inversin posible. Hipotticamente hablando, la mejor solucin a un problema de instalaciones elctricas debera ser nica: la ideal. En la realidad el ingeniero proyectista requiere de habilidad y tiempo para acercarse a esa solucin ideal. Pero las horas/hombre dedicadas al proyecto son parte importante del costo, por lo que tampoco es recomendable dedicar demasiado tiempo a resolver problemas sencillos.

    2.4. Flexibilidad.

    Se entiende por instalacin flexible aqulla que puede adaptarse a pequeos cambios. Por ejemplo, una instalacin aparente en tubos metlicos o charolas es mucho ms flexible que una instalacin ahogada en el piso.

    2.5. Accesibilidad.

    Una instalacin bien diseada debe tener las previsiones necesarias para permitir el acceso a todas aquellas partes que pueden requerir mantenimiento. Por ejemplo, espacios para montar y desmontar equipos grandes y pasillos en la parte posterior de los tableros, entre otros.

    Tambin se entiende por accesibilidad el que se cuente con todos los elementos que permitan entender el diseo de la instalacin, es decir, la especificacin completa y todos los planos y diagramas necesarios.

    3. Clasificacin de instalaciones elctricas.

    Las instalaciones elctricas se clasifican de diferentes formas. A continuacin se detallan las relativas al nivel de voltaje y al ambiente del lugar de instalacin, aunque podran sealarse otras: por su duracin (temporales y definitivas), por su modo de operacin (normal y de emergencia) o por su construccin (abierta, aparente y oculta).

    3.1. Nivel de voltaje.

    De acuerdo con el nivel de voltaje se pueden tener los siguientes tipos de instalacin:

    a) Instalaciones no peligrosas. Cuando su voltaje es igualo menor que 12 volts.

    b) Instalaciones de baja tensin. Cuando el voltaje con respecto a tierra no excede 750 volts.

    c) Instalacin de media tensin. Aunque no existen lmites precisos, podra considerarse un rango entre 1000 y 15000 volts; sin embargo, algunos autores incluyen todos los equipos hasta de 34 kV. En media tensin es muy comn encontrar instalaciones con motores de ms de 200 hp que operan con un voltaje de 4160 V entre fases y 2400 V entre fase y neutro.

    http://gratislibrospdf.com/

  • Introduccin a las Instalaciones Elctricas 3

    d) Instalaciones de alta tensin. Cuando los voltajes son superiores a los mencionados anteriormente.

    3.2. Lugar de instalacin.

    Las instalaciones elctricas tambin pueden clasificarse en normales y especiales, segn el lugar donde se ubiquen:

    a) Las instalaciones normales pueden ser interiores o exteriores. Las que estn a la intemperie deben tener los accesorios necesarios (cubiertas, empaques y sellos) para evitar la penetracin del agua de lluvia an en condiciones de tormenta.

    b) Se consideran instalaciones especiales aqullas que se encuentran en reas con ambiente peligroso, excesivamente hmedo o con grandes cantidades de polvo no combustible.

    En lugares muy hmedos debe asegurarse una buena proteccin contra la corrosin y los aislantes deben ser del tipo adecuado para esas condiciones. En los casos donde existen polvos no combustibles, deben utilizarse medios para evitar la acumulacin de dicho polvo (extractores y/o cubiertas), dado que puede impedir la operacin normal de la instalacin, ya sea dificultando la disipacin del calor y/o produciendo trayectorias indeseables de corriente.

    Para el diseo de instalaciones en ambientes peligrosos se recomienda consultar el captulo 5 de las NTIE (1981).

    4. Cdigos y normas.

    El diseo de instalaciones elctricas debe hacerse dentro de un marco legal. Un buen proyecto de ingeniera es una respuesta tcnica y econmicamente adecuada, que respeta los requerimientos de las normas y cdigos aplicables.

    En Mxico las NTIE (Normas Tcnicas para Instalaciones Elctricas, 1981), editadas por la Direccin General de Normas, constituyen el marco legal para el proyecto y construccin de instalciones. Estas normas son generales y no pueden cubrir todo. En ciertos tipos de instalaciones pueden establecerse especificaciones que aumenten la seguridad o la vida de los equipos y que estn por arriba de las normas.

    Existen otras normas, que no son obligatorias pero que son el resultado de experiencia acumulada y que por lo tanto pueden .servir de apoyo a los proyectistas en aspectos especficos no cubiertos por las NTIE (1981):

    a) El NEC (National Electrical Code Cdigo Nacional Elctrico de Estados Unidos de Norteamrica) que por ser una norma ms detallada puede ser muy til en algunas aplicaciones especficas.

    b) El LPC (Lightning Protection Code o Cdigo de Protecciones Contra Descargas Atmosfricas de los Estados Unidos de Norteamrica), que es un captulo de las normas de la NFPA (National Fire Protection Association). Los proyectistas mexi-

    http://gratislibrospdf.com/

  • 4 Introduccin a las Instalaciones Elctricas

    canos se apoyan mucho en este cdigo debido a que las NTIE tratan el tema con muy poca profundidad.

    Existen normas para la fabricacin de equipo elctrico que tambin deben ser conside-radas por el proyectista ya que proporcionan informacin relativa a las caractersticas del equipo, as como los requisitos para su instalacin.

    c) En Mxico todo el equipo elctrico debe cumplir las normas CCONNIE (Comit Consultivo Nacional de Normalizacin de la Industria Elctrica).

    d) Los equipos importados deben cumplir con las normas nacionales, pero conviene conocer las normas del pas de origen. El equipo elctrico importado de EUA est fabricado de acuerdo con las normas NEMA (National Electrical Manufacturers Association Asociacin Nacional de Fabricantes de Equipo Elctrico de Estados Unidos de Amrica).

    5. Especificaciones.

    Se conoce como especificaciones al conjunto de dimensiones y caractersticas tcnicas que defmen completamente a una instalacin y a todos los elementos que la componen. Las especificaciones deben cumplir con las normas respectivas y no deben dar lugar a confusiones o a interpretaciones mltiples.

    En una instalacin elctrica, las especificaciones deben contemplar los objetivos para los que fue propuesta. Debido a que las normas son de carcter general, las especifica-ciones pueden ser ms exigentes, ya que se trata de un objetivo determinado. Por ejemplo, las NTIE (1981) indican como calibre mnimo para instalaciones de alumbrado el No. 14, mientras que Petrleos Mexicanos exige que el calibre mnimo para el alumbrado de sus instalaciones sea el No. 12. De esta forma es que se pueden crear normas especficas para ciertos equipos, objetivos o aplicaciones.

    Hay usuarios que quieren que su instalacin sea diseada con factores de seguridad muy altos: que nunca falle. Sin embargo, debe procurarse convencerlos de que es suficiente con aplicar correctamente las normas y tomar las previsiones adecuadas.

    6. Vida de una instalacin elctrica.

    Es fcil entender que la vida de una instalacin es el tiempo que transcurre desde su construccin hasta que se vuelve inservible; conocer esta informacin resulta muy til porque permite saber cunto durar la inversin. Sin embargo, es complejo precisar la vida de una instalacin ya que influyen muchos factores. Entre otros estn: el proyecto, la ejecucin, las condiciones de uso, el mantenimiento y el medio ambiente.

    6.1. Proyecto y construccin.

    Es indudable que la vida de una instalacin se alarga cuando el proyecto contempla previsiones adecuadas para posibles ampliaciones e incluye un sistema confiable de protecciones.

    http://gratislibrospdf.com/

  • Introduccin a las Instalaciones Elctricas 5

    Por otra parte, despus de un buen proyecto se requiere de una construccin correcta (de acuerdo con las especificaciones del proyecto), que impida que la instalacin se vuelva inservible prematuramente. Una instalacin oculta protege mejor los materiales y por tanto tiene mayor duracin que una visible, pero esta ltima es ms accesible cuando se presenta la necesidad de hacer modificaciones.

    Toda instalacin se ejecuta conforme a un proyecto y cualquier modificacin debe estar asentada en los planos para mantenerlos vigentes; de lo contrario resultar cada vez ms difcil localizar el origen de los problemas que se presenten. De hecho puede presentarse el caso que resulte necesario desechar por completo una instalacin que ha sufrido modificaciones que no han sido registradas por escrito.

    6.2. Materiales aislantes.

    Aunque los elementos arriba citados tienen impacto sobre la vida de la instalacin, normalmente se entiende que la duracin depende del envejecimiento de los materiales utilizados, principalmente de los materiales aislantes. Estos ltimos se utilizan como forros de conductores, cintas de aislar, soportes de varias clases y tipos, cubiertas protectoras y barnices.

    Los materiales aislantes se clasifican en funcin del grado de estabilidad trmica. Para ello se define el trmino clase de aislamiento que se refiere a la temperatura mxima que puede soportar el material antes de que se presenten cambios irreversibles en su estructura molecular. La mayora de los aislantes son de naturaleza orgnica y su vida depende del nmero de recombinaciones moleculares irreversibles, de naturaleza qu-mica, que se producen en funcin del tiempo y de la temperatura.

    De forma aproximada se puede decir que la vida del aislamiento se reduce a la mitad por cada 7 u 8 oC de temperatura por encima de su nivel de estabilidad trmica. En la figura No. 1.1. se presenta en una grfica logartmica la vida del aislamiento en funcin de la temperatura (tomada de P. Allen, 1972).

    Las sobrecargas elctricas producen alzas de temperatura que de acuerdo con lo mencionado anteriormente tienen un efecto directo en la vida de los materiales aislantes. Las sobrecargas pueden entenderse como demandas de energa mayores a las de diseo, o como cortocircuitos acumulados.

    temperatura

    \ L-______________

    horas

    Figura 1.1. Vida de un aislamiento http://gratislibrospdf.com/

  • 6 Introduccin a las Instalaciones Elctricas

    6.3. Mantenimiento.

    Respecto al mantenimiento se puede decir que las instalaciones sencillas prcticamente no lo requieren mientras no haya modificaciones o mal trato. En aquellas instalaciones donde s se requiere consiste, bsicamente, en limpieza, renovacin de pintura, apriete de uniones, ajuste de contactos y revisin de los elementos de proteccin. En los transformadores es muy importante revisar peridicamente las caractersticas dielctri-cas del aceite; en motores y generadores, mantener engrasados los rodamientos y cambiar carbones cuando sea necesario. Por otra parte debe protegerse a los equipos contra los malos tratos que, por ignorancia o descuido, puedan darle los operarios. Es claro que un mantenimiento adecuado y el buen trato alargan la vida de una instalacin.

    Los motores, as como otros equipos elctricos caracterizados por movimientos mec-nicos y/o elementos de contacto electromecnico, tienen una vida bastante ms corta que las instalaciones entubadas fijas.

    6.4. Medio ambiente.

    El medio ambiente donde se encuentra una instalacin tiene una influencia importante en la vida de sta. Las condiciones de humedad, salinidad y contaminacin deben ser consideradas en el proyecto.

    A manera de conclusin se puede decir que una instalacin elctrica producto de un buen proyecto, de una buena construccin y con el mantenimiento adecuado, puede durar tanto como el inmueble donde presta el servicio. Segn W.B. Baasel (1976) la vida til es de: 45 aos para viviendas, 60 aos para almacenes, 45 aos para fbricas, 30 aos para lneas de transmisin y distribucin, y 12 aos para equipos elctricos. Sin embargo debe realizarse una revisin peridica y renovarse aquellos elementos que se consideren inseguros. Por otra parte, se recomienda que cuando una industria o comercio cambie de giro se revise y modifique la instalacin, o se sustituya totalmente de acuerdo con las necesidades especficas.

    7. Factores de Calidad de Servicio.

    La compaa suministradora de energa elctrica debe garantizar un servicio que cumpla Con ciertos requerimientos mnimos, de tal forma que los usuarios puedan tener la certeza de que sus equipos no sufrirn daos y funcionarn correctamente.

    7.1. Continuidad del Servicio.

    El consumo de la energa elctrica ha adquirido tal importancia en la sociedad moderna, que una interrupcin del servicio puede causar trastornos importantes y prdidas econmicas cuantiosas. Por esta razn la preocupacin primordial del responsable del suministro es evitar interrupciones; an as algunos usuarios requieren de la instalacin de plantas elctricas para cubrir emergencias.

    http://gratislibrospdf.com/

  • Introduccin a las Instalaciones Elctricas 7

    7.2. Regulacin de Voltaje.

    Los artefactos que utilizan la energa elctrica estn diseados para operar a un volt aje especfico y su funcionamiento ser satisfactorio siempre que el voltaje aplicado no vare ms all de ciertos lmites. Existen equipos sensibles a las variaciones de voltaje, entre otros estn: lmparas incandescentes, lmparas fluorescentes, equipos electrnicos y calefactores de resistencia. Los motores de induccin son menos sensibles, y pueden operar (con algunas consecuencias) con voltajes de 10% arriba o abajo del valor nominal.

    En algunos casos la compaa suministradora tiene sistemas de regulacin automtica de voltaje, ya sea con transformadores provistos con cambiadores automticos de derivaciones (que modifican la relacin de transformacin) o mediante la conexin y desconexin de bancos de capacitadores.

    En la regulacin de voltaje deben cuidarse dos aspectos: a) Tener las previsiones necesarias para las cadas de voltaje del suministro. En ocasio-

    nes resulta indispensable la instalacin de reguladores automticos de voltaje, aunque normalmente es factible compensarlas cambiando (manualmente) las derivaciones de los transformadores que, por lo general, permiten variar el voltaje de salida en escalones de 2.5%.

    b) Disear los conductores de la instalacin para que la ltima salida de un circuito derivado no sobrepase la cada de voltaje de 5% permitida en las normas. Una variacin de 5% del voltaje nominal en los puntos de utilizacin se considera satisfactoria; una variacin de 10% se considera tolerable (J. Viqueira, 1970).

    El problema de la regulacin de voltaje no es trivial, ya que requiere de gran habilidad del tcnico para obtener un diseo que contemple dos situaciones diferentes: la primera cuando todas las cargas demanden su potencia nominal (hora pico de carga) y la segunda cuando la carga conectada es mnima. Debido a su importancia, este tema ser nueva-mente tratado ms adelante.

    7.3. Control de la Frecuencia.

    Los sistemas de energa elctrica operan con ondas de una frecuencia (ciclos/segundo) determinada, dentro de cierta tolerancia. No existe un estndar internacional respecto a la frecuencia; los pases de Europa, la mayor parte de Asia y Africa y algunos de Sudamrica han adoptado una frecuencia de 50 Hertz (o ciclos/seg). En Amrica del Norte y otros pases del continente americano los sistemas elctricos operan a 60 Hz. Mxico, al igual que algunos otros pases, tena zonas con diferente frecuencia, pero desde 1969 se unific a 60 Hz.

    En algunos sistemas elctricos de transporte terrestre se emplean frecuencias de 16 2/3 Hz y 25 Hz. En cambio, en aeronaves los generadores .son de 400 Hz. El problema consiste en que, para la misma unidd de fierro magntico, la potencia crece proporcio-nalmente con la frecuencia, pero al mismo tiempo aparecen los siguientes efectos:

    http://gratislibrospdf.com/

  • 8 Introduccin a las Instalaciones Elctricas

    a) Las prdidas en el material magntico aumentan: una parte en proporcin directa con la frecuencia (prdidas por histresis), y otra parte de acuerdo con el cuadrado de la frecuencia (corrientes parsitas).

    b) La reactancia de dispersin en las mquinas y lneas de transmisin aumenta en proporcin con la frecuencia.

    c) La reactancia capacitiva entre lneas de transmisin se reduce en proporcin al incremento de la frecuencia.

    d) En lneas de transmisin largas puede presentarse el fenmeno de resonancia (debido a los dos incisos anteriores).

    e) La interferencia en lneas telefnicas cercanas aumenta con la frecuencia.

    Todos los elementos diseados para operar a cierta frecuencia pueden verse afectados por la variacin de ste parmetro. De hecho, una red elctrica no puede tener variaciones de ms de 1% en su frecuencia porque sus plantas generadoras pueden salirse de sincronismo. Este rango de variacin es perfectamente aceptable para los consumidores. Un caso especial se presenta cuando se sustituye la alimentacin normal por la planta de emergencia, ya que en sta la frecuencia tiene un rango de oscilacin ms amplio.

    7.4. Contenido de Armnicas.

    Las ondas de voltaje que produce una planta generadora en una red elctrica son muy cercanas a una senoide. Para lograr que un generador sncrono produzca ondas senoi-dales se requiere de un diseo muy cuidadoso y complicado. Dependiendo del tipo de rotor, estas ondas se obtienen con cierto acomodo del devanado de campo o mediante un diseo especial de la forma de los polos.

    A pesar de la dificultad para generarlas, las ondas senoidales se utilizan porque tienen la propiedad de conservar su forma a todo lo largo de la red. Esto sucede aunque la red tenga componentes cuyas propiedades fsicas sean equivalentes a la derivacin o inte-gracin de la funcin que representa la onda de entrada. En otras palabras, la ventaja ms importante de las ondas senoidales es que son funciones cuya integral o derivada es otra senoide defasada en el tiempo.

    De acuerdo con Fourier cualquier funcin peridica puede representarse mediante una serie inftnita de funciones senoidales. Esta serie contiene un trmino que es de la misma frecuencia que la funcin original, que se le llama componente fundamental. El resto de los trminos se conocen como armnicas porque su frecuencia es mltiplo de la frecuencia fundamental. De esta manera se puede considerar que una onda est descompuesta en componente fundamental y armnicas. Las funciones peridicas que poseen simetra de media onda, que es el caso de las ondas en sistemas elctricos de potencia, slo contienen armnicas impares.

    Las ondas de voltaje que se reciben de la empresa suministradora son imperfectas. Es to se debe a que desde su generacin tienen pequeos defectos o a que algunos compo-

    http://gratislibrospdf.com/

  • Introduccin a las Instalaciones Elctricas 9

    nentes de la red responden de una manera no lineal. Por ejemplo, si el valor de la induccin magntica en el ncleo de un tran.sformador est cerca de la saturacin, la corriente de magnetizacin puede propiciar la aparicin de armnicas. Entre mayor se a el contenido de armnicas de una onda, mayor ser su desviacin de la forma senoidal.

    A pesar de lo anterior, el contenido de armnicas producido por los elementos de un sistema de potencia tradicional todava no es muy grande, y el problema no es tan importante. Sin embargo, a medida que crezca el nmero de equipos con dispositivos de electrnica de potencia, aumentar el contenido de armnicas en la red y ser necesario instalar filtros que las eliminen.

    Un motor de corriente directa alimentado por corriente alterna trifsica a travs de un rectificador de onda completa, cuyo control de voltaje se logra variando el ngulo de encendido de tiristores, consume una corriente que dista mucho de una senoide. Esta corriente puede causar problemas al sistema, a los osos usuarios y a las transmisiones telefnicas y radiofnicas. Este es el caso de la maquinaria utilizada en las fbricas de papel o en las plantas de purificacin de aluminio. Se puede decir que estos consumi-

    . dores contaminan el sistema con sus armnicas.

    El contenido de una armnica de cierto orden se puede expresar en funcin del por ciento que su amplitud representa comparada con la amplitud de la componente fundamental. Para cuantificar el contenido de varias armnicas se calcula la raz cuadrada de la suma de los cuadrados de sus amplitudes y se expresa como porciento de la amplitud de la onda de frecuencia fundamental.

    Las armnicas de orden inferior (3,5, 7, 11 Y 13) tienen mayor impacto en el aumento de prdidas en las mquinas elctricas, y por lo tanto provocan sobrecalentamiento. Las armnicas de orden superior (arriba de 20 y hasta 50) causan interferencias en las lneas de telfono y en las ondas de radio.

    7.5. Desbalance del voltaje. En la actualidad la generacin y transmisin de la energa elctrica se hace en tres fases. Esto se debe a las ventajas econmicas que un sistema trifsico tiene frente a uno monofsico (una sola fase). De esta manera se generan tres voltajes de la misma magnitud defasados 120 en el tiempo, lo que constituye un sistema equilibrado.

    Las cargas trifsicas producen corrientes de la misma magnitud en las tres fases. Este no es el caso de las cargas monofsicas que pueden producir desequilibrios entre las corrientes que circulan por las lneas. Estas cargas que desequilibran el sistema pueden provocar que los voltajes ya no sean iguales en magnitud, y que los ngulos entre ellos cambien. A este fenmeno se le conoce como desbalanceo de voltaje.

    Un sistema desbalanceado puede ser causa de sobrecalentamiento en los generadores y crear problemas en los equipos de los consumidores (especialmente motores sncro-nos) . Por esta razn las compaas responsables del suministro limitan a los consumi-dores para que eviten que el desbalanceo de sus cargas vaya ms all de un 5%.

    http://gratislibrospdf.com/

  • 10 Introduccin a las Instalaciones Elctricas

    1I1 uuu ,:,

    1111!1lil

    1111!:lllil

    Para el estudio de un sistema trifsico desequilibrado se utiliza la teora de las e ompo-nentes simtricas, que proporciona las herramientas necesarias para descomponerlo entres sistemas equilibrados denominados: secuencia directa, secuencia inversa y secuen-cia cero u homopolar.

    CAPCON S

    \1111 En este captulo se" encontrados en un

    IIIII;I!terminologa y los,

    11, 1111

    'IIU'Dicha descripcin

    1111 de los elementos e1111 definiciones cante],

    1981), sobre todoembargo, no se prenaciones o arregloplanos de instalacn

    1. Acometida.

    Por acometida se ede la compaa surtambin puede enticon la red elctrica

    11111,1111

    :1111!lliiEn las terminales d

    "1 !I:II, proteger la instale1 "1.: atmosfrico o por IIIIII'II

    1111,::"2. Equipo de me

    Por equipo de me,

    11111111111que se coloca en Lconsumo de energi,.venta. Este equipo

    11,1,1"'11 colocado en un lug1111111

    111tlll. El equipo de medi,11:1,11 que la compaa SI

    Itll

    ." la calibracin corr.

    3. Interruptores.

    1111,1"", Un interruptor eselctrico por el Cldesconexin o concubrir la funcin d

    http://gratislibrospdf.com/

  • CAPITULO 2. ELEMENTOS QUE CONSTITUYEN UNA INSTALACION

    ELECTRICA

    En este captulo se presenta una descripcin general de los elementos ms comnmente encontrados en una instalacin elctrica. La intencin es familiarizar al lector con la terminologa y los conceptos que sern utilizados en los captulos siguientes.

    Dicha descripcin incluye tanto las funciones como las caractersticas ms importantes de los elementos de las instalaciones elctricas. Los autores comentan y amplan las definiciones contenidas en las Normas Tcnicas para Instalaciones Elctricas (NTlE 1981), sobre todo en lo que se refiere a criterios de seleccin y especificacin. Sin embargo, no se pretende detallar casos particulares ni cubrir todas las posibles combi-naciones o arreglos. Al final del captulo se presentan los smbolos ms utilizados en planos de instalaciones elctricas.

    1. Acometida.

    Por acometida se entiende el punto donde se hace la conexin entre la red, propiedad de la compaa suministradora, y el alimentador que abastece al usuario. La acometida tambin puede entenderse como la lnea (area o subterrnea) que por un lado entronca con la red elctrica de alimentacin y por el otro tiene conectado el sistema de medicin.

    En las terminales de entrada de la acometida normalmente se colocan apartarrayos para proteger la instalacin y el equipo contra ondas de alto voltaje, ya sea de origen atmosfrico o por maniobras de conexin o desconexin en la red de suministro.

    2. Equipo de medicin.

    Por equipo de medicin se entiende aqul, propiedad de la compaa suministradora, que se coloca en la acometida de cualquier usuario con el propsito de cuantificar el consumo de energa elctrica de acuerdo con las condiciones del contrato de compra-venta. Este equipo est sellado y debe estar protegido contra agentes externos, y colocado en un lugar accesible para su lectura y revisin.

    El equipo de medicin puede conectarse a travs de un juego de cuchillas que permitan que la compaa suministradora verifique su funcionamiento y, en caso necesario, haga la calibracin correspondiente sin interrumpir el servi~io al usuario.

    3. Interruptores.

    Un interruptor es un dispositivo que est diseado para abrir o cerrar un circuito elctrico por el cual est circulando una corriente. Puede utilizarse como medio de oesconexin o conexin y, si est provisto de los dispositivos necesarios, tambin puede cubrir la funcin de proteccin contra sobrecargas y/o cortocircuitos. http://gratislibrospdf.com/

  • 12 Elementos de una Instalacin

    3.1. Interruptor general.

    Se le denomina interruptor general o principal al que va colocado entre la acometida (despus del equipo de medicin) y el resto de la instalacin (Figura 2.1), y que se utiliza como medio de desconexin y proteccin del sistema o red suministradora.

    acometida transformador medi cin tablero

    V 0-- ~ ~ -oo-ISJ ~ interruptor interruptor termomagntico """"" apartarrayos

    Figura 2.1. Diagrama unifilar desde la acometida hasta el tablero general.

    Este interruptor debe ser de fcil acceso y operacin, de tal forma que en caso de emergencia permita desenergizar la instalacin rpidamente; debe proteger a toda la instalacin y a su equipo, por lo que debe ser capaz de interrumpir las corrientes de cortocircuito que pudieran ocurrir en la instalacin del consumidor.

    Dependiendo del tipo de instalacin, el interruptor general o principal puede ser alg uno de los siguientes dispositivos: caja con cuchillas y fusibles, interruptor termomagntico, cortacircuitos o interruptor de potencia (en aire, al vaco, en algn gas o en aceite).

    Tambin se acostumbra llamarles interruptores generales a los que controlan toda la alimentacin de un tablero, de un centro de control de motores (definido ms adelante), o de una zona de una instalacin.

    3.2. Interruptor derivado.

    Los interruptores elctricos llamados derivados son aqullos que estn colocados par a proteger y desconectar alimentadores de circuitos que distribuyen la energa elctrica a otras secciones de la instalacin o que energizan a otros tableros.

    Por ejemplo, una instalacin residencial normalmente tiene el medidor conectado a un interruptor general de navajas (medio de desconexin) y fusibles (medio de proteccin). Del interruptor se alimenta a un tablero de donde se derivan, por lo general, dos circu itos a travs de interruptores termomagnticos, mejor conocidos en Mxico con el nombre de briquers (del ingls breakers). .

    3.3. Interruptor termomagntico.

    Uno de los interruptores ms utilizados y que sirve para desconectar y proteger contra sobrecargas y cortocircuitos es el termomagntico. Se fabrica en gran variedad de tamaos, por lo que su aplicacin puede ser como interruptor general o derivado. Su

    http://gratislibrospdf.com/

  • Elementos de una Instalacin 13

    diseo le permite soportar un gran nmero de operaciones de conexin y desconexin, lo que lo hace muy til en el control manual de una instalacin. Tiene un elemento electrodinmico con el que puede responder rpidamente ante la presencia de un cortocircuito. Para la proteccin contra sobrecarga se vale de un elemento bimetlico.

    Resulta conveniente mencionar aqu que este elemento bimetlico -no puede proteger los motores asncronos de tipo jaula de ardilla, debido a que su constante de tiempo no es suticientemente grande para permitir la corriente de arranque, ya que su calibrac in es poco precisa. Por esta razn la conexin y proteccin de estos motores se lleva a cabo mediante arrancadores (descritos a continuacin).

    4. Arrancador.

    Se conoce como arrancador al arreglo compuesto por un interruptor, ya sea termomag-ntico o de navajas (cuchillas) con fusibles, un contactor e1ectromagntico y un relevador bimetlico (Figura 2.2.). El contactor consiste bsicamente de una bobina con un ncleo de fierro que cierra o abre un juego de contactos al energizar o desenergizar la bobina.

    Las ventajas de esta combinacin son varias:

    a) Se dispone del interruptor (de navajas o termomagntico) para la desconexin y conexin (total) del arrancador.

    b) Debido a que el funcionamiento de la bobina requiere de una corriente relativamente baja, el arranque y paro del motor puede hacerse a control remoto.

    c) La proteccin contra cortocircuito puede lograrse con el interruptor termomagntic o o con los fusibles del interruptor de navajas.

    d) Para la proteccin contra sobrecarga se utilizan relevadores con elementos bimet-licos que actan sobre el circuito de la bobina y abren el contactar. Estos bimetales tienen constantes trmicas grandes que permiten sobrecargas instantneas (arranque de motores), y se fabrican en capacidades o calibraciones especficas para motores de tamaos comerciales.

    e) Un arrancador puede tener: botones para restablecer los disparos por sobrecarga; botones para arranque, paro y prueba; luces indicadoras de varios tipos; tablillas de terminales para conectar el motor y la(s) unidad(es) de control remoto y otros elementos de control.

    f) El arreglo del arrancador se puede lograr en unidades compactas que facilitan el trabajo del proyectista, del instalador, del operador y del encargado de mantenimien-to (sobre todo si los arrancadores son del tipo enchufable o "drawout").

    http://gratislibrospdf.com/

  • 14 Elementos de una Instalacin

    interruptor termomagntico

    elemento bimetlico mot.or

    - -contactor- - - - - 1

    L--.-: 1---r--1 J'-\L---:-----0 . . f-----1'---_e --=..e--lf-I ~ e e L ____ _

    _ J fusible cajas de botones

    Figura 2.2. Representacin unifilar de un arrancador.

    5. Transformador.

    El transformador elctrico es un equipo que se utiliza para cambiar el voltaje de suministro al voltaje requerido. En instalaciones grandes (o complejas) pueden necesi-tarse varios niveles de voltajes, lo que se logra instalando varios transformadores (normalmente agrupados en subestaciones). Por otra parte pueden existir instalaciones cuyo voltaje sea el mismo que tiene la acometida y por lo tanto no requieran de transformador.

    6. Tableros.

    Se entiende por tablero un gabinete metlico donde se colocan instrumentos, interrup-tores, arrancadores y/o dispositivos de control. El tablero es un elemento auxiliar (en algunos casos obligatorio) para lograr una instalacin segura, confiable y ordenada.

    6.1. Tablero general.

    El tablero general es aqul que se coloca inmediatamente despus del transformador (Figura 2.1.) y que contiene un interruptor general. El transformador se conecta a la entrada del interruptor y a la salida de ste se conectan barras que distribuyen la energa elctrica a diferentes circuitos a travs de interruptores derivados.

    6.2. Centros de control de motores.

    En instalaciones industriales, yen general en aqullas donde se utilizan varios motores, los arrancadores se agrupan en tableros compactos conocidos como centros de control de motores. Dependiendo del nmero de arrancadores o circuitos derivados y de la distancia entre ellos y el tablero general, puede ser necesario incluir un interruptor general. Los arrancadores normalmente se conectan al interruptor utilizando barras de cobre, lo que permite lograr un arreglo limpio en el interior del tablero.

    6.3. Tableros de distribuci6n o derivados.

    Cada rea de una instalacin est normalmente alimentada por uno o varios tableros derivados. Estos tableros pueden tener un interruptor general, dependiendo de la

    http://gratislibrospdf.com/

  • Elementos de una Instalacin 15

    distancia al tablero de donde se alimenta y del nmero de circuitos que alimente. Contienen una barra de cobre para el neutro y 1, 2 3 barras conectadas a las fases respectivas (directamente o a travs del interruptor general).

    Normalmente, a las barras de las fases se conectan interruptores termomagnticos de 1, 2 3 polos, dependiendo del nmero de fases que se requieran para alimentar los circuitos derivados. Estos ltimos a su vez alimentan: unidades de alumbrado, salidas para contactos o equipos especiales (que a su vez pueden estar provistos con dispositivos de arranque y proteccin).

    7. Motores y equipos accionados por motores.

    Los motores se encuentran al final de las ramas de una instalacin y su funcin es transformar la energa elctrica en energa mecnica. Cada motor debe tener su arran-cador propio.

    Los motores tipo jaula de ardilla o de induccin (que son los que se encuentran ms comnmente en las instalaciones) son motores elctricos asncronos, es decir, su velo-cidad vara con la aplicacin de carga y es siempre menor a la de sincronismo. La caracterstica que les da este nombre es el tipo de devanado del rotor formado por barras conductoras interconectadas con anillos (en cortocircuito) cuyo diseo es muy parecido a una jaula de ardilla. Estos motores son econmicos pero tienen la desventaja de requerir una corriente muy alta en el momento del arranque (6 a 7 veces la de plena carga o nominal).

    8. Estaciones o puntos de control.

    En esta categora se clasifican las estaciones de botones para control, o elementos del proceso como: limitadores de carrera o de par, indicadores de nivel, de temperatura, de presin, entre otros. Todos estos equipos manejan corrientes que por lo general son bajas comparadas con las de los elementos activos de una instalacin. Es importante hacer notar la necesidad de calcular los alimentadores de control, ya que de 10 contrario pueden presentarse graves problemas. Por ejemplo, un contactor grande que se alimenta con baja tensin a travs de varios puntos de control de una nave de produccin puede resultar con una cada de voltaje tan grande que el electroimn respectivo no tenga la fuerza suficiente para actuar.

    9. Salidas para alumbrado y contactos.

    Las unidades de alumbrado, al igual que los motores, estn al final de la instalacin y son consumidores que transforman la energa elctrica en energa luminosa y general-mente tambin en calor.

    Los contactos sirven para alimentar diferentes equipos porttiles y van alojados en una caja donde termina la instalacin fija. En ambos casos el proyectista debe asegurarse que la instalacin elctrica tenga la especificacin necesaria para que la cada de voltaje est por abajo de la permitida, que

    http://gratislibrospdf.com/

  • 16 Elementos de una Instalacin

    el alimentador quede protegido contra fallas y sobrecargas y que el usuario est protegido contra electrocutacin.

    10. Plantas de emergencia.

    Existen gran cantidad de instalaciones elctricas que cuentan con una planta de emer-gencia para protegerse contra posibles fallas ' en el suministro de energa elctrica. Normalmente en todos aquellos lugares de uso pblico (especialmente en hospitales), se requiere de una fuente de energa elctrica que funcione mientras la red suministra-dora tenga cadas de voltaje importantes, fallas en alguna fase o interrupciones del serViCIO.

    Las plantas de emergencia constan de un motor de combustin interna acoplado a un generador de corriente alterna. El clculo de la capacidad de un" planta elctrica se hace en funcin de las cargas que deben operar permanentemente (Captulo 4). Estas cargas debern quedar en un circuito alimentador y canalizaciones independientes (inciso 513.15 NTIE, 1981).

    La conexin y desconexin del sistema de emergencia se hace por medio de interrupto-res de doble tiro (manuales o automticos) que transfieren la carga del suministro normal a la planta de emergencia. Las plantas automticas tienen sensores de voltaje que detectan la ausencia de voltaje (o cadas ms abajo de cierto lmite) y enVan una seal para que arranque el motor de combustin interna, cuyo sistema de enfriamiento tiene intercalada una resistencia elctrica que lo mantiene caliente mientras no est funcionando.

    11. Tierra o neutro en una. instalacin elctrica.

    En virtud de que no existe acuerdo al respecto de las definiciones que incluyen los trminos tierra y neutro, a continuacin se presentan las utilizadas por los autores:

    a) Tierra. Desde el punto de vista elctrico, se considera que el globo terrqueo tiene un potencial de cero (o neutro); se utiliza como referencia y como sumidero de corrientes indeseables. Sin embargo, puede suceder que por causas naturales (pre-sencia cercana de nubes o descargas atmosfricas) o artificiales (falla elctrica en una instalacin) una zona terrestre tenga en forma temporal una carga elctrica negativa o positiva con respecto a otra zona (no necesariamente lejana). Por esta razn pueden aparecer corrientes en conductores cuyos extremos estn en contacto con zonas de potenciales distintos.

    b) Resistencia a tierra. Este trmino se utiliza para referirse a la resistencia elctrica que presenta el suelo (tierra) de cierto lugar. El valor de la resistencia a tierra debe estar dentro de ciertos lmites dependiendo del tipo de instalacin. En el Captulo 10 se describe el mtodo para determinar su valor. '

    c) Toma de tierra. Se entiende que un electrodo enterrado en el suelo con una terminal que permita unirlo a un conductor es una toma de tierra. Este electrodo puede ser una barra o tubo de cobre, una varilla o tubo de fierro y en general cualquier

    http://gratislibrospdf.com/

  • Elementos de una Instalacin 17

    estructura que est en contacto con la tierra y que tenga una resistencia a tierra dentro de ciertos lmites (mencionados en el Captulo 10).

    d) Tierra remota. Se le llama as a una toma de tierra lejana al punto que se est considerando en ese momento. Su definicin es til ya que puede utilizarse como referencia en caso de que fluyan corrientes entre la instalacin yesa toma de tierra.

    e) Sistema de tierra. Se llama sistema de tierra a la red de conductores elctricos unidos a una o ms tomas de tierra y provistos de una o varias terminales a las que pueden conectarse puntos de la instalacin. El sistema de tierra de una instalacin se disea en funcin de: el nivel de voltaje, la corriente de cortocircuito, la superficie que ocupa la instalacin, la probabilidad de explosin y/o incendio, la resistencia a tierra, la humedad y la temperatura del suelo (ver captulo 10).

    En una industria pueden existir varios sistemas de tierra independientes: para la subestacin y equipo de fuerza (motores), para el sistema de pararrayos (que puede o no estar interconectado con el primero) y para instrumentos, computadoras y equipos de transmisin O recepcin de seal. Deben respetarse ciertas separaciones entre las tomas de tierra de cada sistema para evitar interferencias. Los conductores que se conecten a los diferentes sistemas debern estar aislados y protegidos desde la conexin.

    En la prctica ningn sistema de tierra es perfecto, ya que se requerira quc los conductores que lo forman y el suelo tuvieran una resistencia cero.

    f) Conexin a tierra. La unin entre un conductor y el sistema de tierra es una conexin a tierra.

    g) Tierra fsica. Se dice que un conductor se conecta a una tierra fsica cuando se une slidamente a un sistema de tierra, que a su vez est directamente conectado a la toma de tierra (sin que exista entre ellos ms impedancia que la de los conductores). Se puede considerar que el potencial de una tierra fsica se mantiene prcticamente constante, aunque exista un flujo de corriente entre este punto y la toma de tierra.

    h) Neutro aislado. Se denomina as al conductor de una instalacin que est conectado a tierra a travs de una impedancia (resistiva o inductiva). La funcin de esta impedancia es limitar la corriente de cortocircuito que circulara por el conductor, o las partes del equipo que estn conectadas a tierra, y disminuir as los posibles daos.

    Por ejemplo, en un motor de 1500 hp con neutro slidamente conectado a tierra, la corriente de falla entre fase y tierra podra ser de hasta 10000 amperes, ira acompa-ada de una pequea explosin y lo ms probable es que las laminaciones del rotor y estator se daen junto con los conductores. En cambio, se puede calcular el valor de una impedancia que, colocada entre el neutro del transformador (aislado) y la toma de tierra (o el sistema de tierra), impida que la corriente pase de cierta magnitud. El IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) recomienda que esta corriente sea de 600 amperes.

    r http://gratislibrospdf.com/

  • 18 Elementos de una Instalacin

    Esta proteccin se logra colocando en la lnea del neutro un relevador de corriente que detecta la falla y manda una seal para desconectar el interruptor correspondien-te. La instalacin de esta proteccin es compleja y requiere de un clCulo muy preciso de los valores de la corriente de cortocircuito y de la seleccin y especificacin de los elementos.

    i) Neutro del generador. Se le llama as al punto que sirve de referencia para los voltajes generados en cada fase. En sistemas equilibrados y bajo circunstancias de operacin normales, la diferencia de potencial entre el neutro del generador y la tierra fsica del lugar donde est instalado es cero.

    j) Neutro de trabajo. Es aqul que se requiere para la conexin de un consumidor alimentado por una sola fase. La seccin transversal del conductor de este nelJtro y de la fase deben ser iguales, ya que conducen la misma corriente.

    k) Neutro conectado slidamente a tierra. Este tipo de conexin se utiliza generalmente en instalaciones de baja tensin para proteger a las personas contra el peligro de electrocutacin. En el caso de que se presente una falla de aislamiento entre un conductor energizado y una parte metlica desnuda se produce un cortocircuito y acta la proteccin que desenergiza al circuito respectivo.

    1) Neutro de un sistema. Es un potencial de referencia de un sistema que puede diferir del potencial de tierra y que puede no existir fsicamente. Por ejemplo en una interconexin de transformadores tipo delta no existe un neutro fsico, aunque s un neutro de referencia.

    m)Neutro flotante. Se le llama as al neutro de una instalacin que no se conecta a tierra. Dependiendo de las conciciones de operacin puede existir una diferencia de potencial entre este nell:tro y tierra.

    12. Interconexin.

    Para la interconexin de una instalacin pueden utilizarse alambres (conductor de var ios hilos) o cables (de un solo hilo) de cobre o aluminio. Estos pueden estar colocados a la vista, en ductos, tubos o charolas. Excepto en el caso de lineas areas, los conductores siempre debern estar cubiertos con una capa de material aislante, el cual determina 1 a temperatura mxima de operacin.

    El empalme de conductores o la conexin de stos a las terminales de los equipos debe hacerse de manera que se garantice un contacto uniforme y no existan defectos que representen una disminucin de la seccin. Lo ms recomendable es que todas las conexiones queden accesibles. En caso que estn dentro de tuberas o ductos deben proveerse las cajas o registros necesarios, sobre todo en las conexiones de salida hacia los equipos de la instalacin.

    Las tuberas que se utilizan para proteger a los conductores pueden ser metlicas (de pared gruesa o delgada) o de materiales plsticos no combustibles (rgidas o flexibles). Tambin se utilizan ductos (metlicos) cuadrados o charolas, que son estructuras metlicas de tipo escalera colocadas vertical u horizontalmente donde se fijan los

    http://gratislibrospdf.com/

  • r de corrienterrespondien -o muyprecisocacin de los

    ra losvoltajesde operacinerra fsica del

    consumidoreste neutro y

    eneralmenteel peligro dento entre unrtocircuito y

    uede diferirplo en unaaunque s un

    ecta a tierra..ferencia de

    tor de var ioslocados a laconductoreseterminala

    uipos debeefectos quee todas lasctos debensalida hacia

    etlicas (deo flexibles).estructurasse fijan los

    Elementosde una Instalacin 19

    conductores. El soporte de todos estos elementos debe ser rgido y su colocacin debehacerse de acuerdo con criterios de funcionalidad, esttica, facilidad de mantenimientoy economa. En caso de que la interconexin se haga entre elementos sometidos avibraciones deber utilizarse tubera flexible o un material equivalente. En las NTIE(1981) en las secciones 303 a 313 se describen las caractersticas, usos y restricciones delas canalizaciones.

    13. Simbologfa.

    A continuacin se presentan algunos de los smbolos ms comunmente usados en losdiagramas unifilares de instalaciones elctricas que facilitan la comunicacin entre losinstaladores y proyectistas.

    13.1. Eleme.ntos de circuitos.

    Resistencia fija ----1 ~

    Reactancia inductiva -rvY\fYV)(\(\

    Reactancia capacitiva ---1 f-fija (condensador)Impedancia 'VWM

    Pila -=-1 I +Motores y generadores 8- Motor de corriente alterna, M

    alterna, jaula de ardilla- Generador de corriente G

    alt.er-na- Motor sncrono M.S.

    http://gratislibrospdf.com/

  • 20 Elementos de una Instalacin

    IIIII!: II11

    1

    '111' I1 :1111,1/lill ,I 11 '''11'11

    ta.z.subesteclones, tierras y pararrayos. 13.3. Operacin, pl11I111111,1"l'

    '11111 1111

    111i11'l1

    1111111111111111 I

    Acometida e-Cuchilla de separacin ~o

    Interruptor con ~ofusibles o cortacircuito

    Interruptor en aceite, Dgas o vacoTransformador de ulupotencial nrn

    Transformadorde corriente nn-

    ---.LConexin a tierra ---

    Vari lla para conexin~a tierra

    ApartarrayosI

    Punta de pararrayos 8

    1'1 " ,1,111111111

    Tablerocentro (de motor

    111'11111 dll1II1I1 Elementc

    bimetl i11111'1'11111111'111",,,

    Elementc

    Elementcelectror

    Int.er-rujt er-moma:

    Cont.act.:

    l' P'I 111 111I Nor-malmr(N. A. )

    Nor-malnu(N. C. )

    Doble(con un

    Con enl

    Bobinade oper

    http://gratislibrospdf.com/

  • Elementos de una Instalacin 21

    13.3. Operacin, proteccin y control.

    ~Tablero o

    ~or---. ~ocentro de control --o ~

    de motores o~ o

    Elemento trmico 00bimetlicoElemento fusible -0=:=:0-Elemento ~electromagntico

    Interruptor ~termomagntico o o--

    Contacto manual instantneo, tipo botn

    Normalmente Abierto --L(N.A. ) O O--

    Normalmente Cerradoili-(N.C. )

    ti.Q--Doble(con uno N:A. y uno N.C. ) O 0--

    --LCon enlace mecnico O O--

    O O--

    Bobina para elemento -O-de operacin o de control

    http://gratislibrospdf.com/

  • 22 Elementosde una Instalaci6n

    13.3. Operaci6n, protecci6n y control. (cont.)

    ,11 \1111,11111

    1lll111

    1111111111111111(Iplllt 11

    1111111 11111

    1111111111

    11111111111IIIUl

    ;I'I\I'il'i,:'I,,!;1 "111111'! ! ,tU

    Idli 1:"1"1'1:I,i,:::!I1

    1111::,11'1111

    --:Vi-Normalm

    Interru----/0Normalrn

    o Oe:::::::::J

    Nor-ma.ln

    ~O- Contact( r-e tr-as

    O 0--

    Normaln

    Contactos de elementos de operacinde control y de proteccin

    Normalmente abierto --I~

    Normalmente cerrado

    Interruptor limitador

    Normalmente abierto

    Normalmente cerrado

    Interruptor de nivel

    Normalmente abierto

    Normalmente cerrado

    Interruptor de presin

    Normalmente abierto

    Normalmente cerrado ---~O 0---T

    13.3. Operaci6n, ~

    Interru

    Normalm

    Normal!

    Contac1(retr~

    Nor-ma lt

    Nor-ma.li

    http://gratislibrospdf.com/

  • Elementos de una Instalacin 23

    13.3. Operacin, proteccin y control. (cont.)

    Interruptor de flujo

    Normalmente abierto

    ---jO Or----Normalmente cerrado ~ Interruptor de temperatura (termostato)

    Norma1mente abierto

    Normalmente cerrado

    Contacto relevador de tiempo (retraso al energizar)

    Normalmente abierto

    Normalmente cerrado

    Contacto relevador de tiempo (retraso al desenergizar)

    Normalmente abierto

    Normalmente cerrado

    ~O --O Or----

    T

    --~O 0---

    T

    http://gratislibrospdf.com/

  • 24 Elementos de una Instalacin

    [11ilt: III!!111' :\lII!lliI l", ':I!1

    11'11111"I 111II1 :1111

    13.3. Operacin, proteccin y control. (cont.) 13.4. Alumbrado Y I

    Elemento enchufable --Interruptor o "'(/ ode transferencia

    Estacin de botones

    Una unidad de control I 1

    Dos unidades de control I I

    Arrancador manual ~~

    Arrancador automtico ----1 ~

    111111 111111

    11111111111

    11111111111111111111 I

    Unidad dtipo inc

    Unidad dtipo fh

    A - Al

    D - AE-TeF - Pe

    Apagado!

    Apagadotres vi:

    Contact

    13.5. Ductera y al

    1111" d 111: I1 I11 1I

    11111 !ljlllllll 111,111,

    1111,1,,,,111111Ii d dlllllll 1

    1'"1 hu, ,1111111111

    Tubera(1/2" )conduet

    Dueto (emb sar

    Charol,

    Cajas

    http://gratislibrospdf.com/

  • Elementos de una Instalacin 25

    13.4. Alumbrado y contactos.

    Unidad d alumbrado A Fbtipo incandescente D EUnidad de alumbrado A Ftipo fluorescente I ID E

    A - Altura de montaje (sobre piso terminado)D - Apagador (si lleva)E - Tablero circuito (identificacin)F - Potencia en watts

    Apagador sencillo -/0-Apagador de -/-tres vas 0---Contacto 0

    13.5. Ductera y alimentadores.

    Tubera conduit de 13mm(1/2") de dimetro con dosconductores cal. 12 AWG. 2-12

    13mm

    Ducto cuadradoembisagrado ~

    Charolas para cables IllIIIII

    Cajas de registro [ZJhttp://gratislibrospdf.com/

  • 26 Elementos de una Instalacin

    13.6. Instrumentos.

    Ampermetro

    Medidor de demanda mxima

    Frecuencmetro

    Indicador de prdidas a tierra Mi 1 iamprmetro

    Ohmetro

    Fasmetro

    Medidor de factor de potencia

    Sincronoscopio

    Varhormetro

    Vltmetro

    Voltamprmetro

    Voltamprmetro reactivo

    Wattmetro

    Watthormetro

    Dispositivo de medicin de la compaa suministradora

    A

    O

    F

    DI

    MA

    OHM

    NF FP

    S

    VARH V

    VA VAR

    W

    WH M

    http://gratislibrospdf.com/

  • CAPITULO 3. ESPECIFICACION y CALCULO DE ALUMBRADO

    En este captulo se dan las bases para el clculo de alumbrado interior y exterior. La informacin relativa a lmparas o luminarias que se proporciona es nicamente para ayudar en el desarrollo de clculos sencillos, ya que se supone que estos datos estn contenidos en los catlogos de los fabricantes. Para el clculo, se entiende que las unidades de alumbrado ya fueron seleccionadas por el proyectista o por el usuario.

    Especficamente se explica el mtodo de clculo de los lmenes para alumbrado de interiores (incluyendo las tablas necesarias), as como una metodologa para calcular el alumbrado de exteriores, derivada directamente del mtodo general punto por punto.

    Un sistema de alumbrado requiere de un equipo que proporcione la comodidad visual y rendimiento mximos compatibles con las limitaciones impuestas al proyecto, que pueden ser econmicas o de otro tipo (por ejemplo la atmsfera del local). Los factores de conservacin o prdida de luminosidad se consideran detalladamente en el proceso de clculo, ya que tienen una influencia importante al elegir el equipo.

    1. Alumbrado de interiores.

    Se pueden definir dos niveles en la iluminacin de interiores: local y general. El primero se refiere a las necesidades de luz para tareas especficas que se desarrollan en diferentes puntos del espacio a iluminar. El nivel general corresponde a la iluminacin en todas las dems reas. Tambin puede llamarse alumbrado general por zonas, cuando se deciden niveles de iluminacin diferentes para cada zona, lo cual resulta ms econmico.

    Adems de definir el nivel de iluminacin general se requiere cuidar la colocacin de las luminarias de tal forma que se reduzca el deslumbramiento directo o reflejado, o las sombras indeseables. Tambin es necesario un completo anlisis de los objetos implica-dos en la tarea visual relativas a: tamao, reflectancia, velocidad de exposicin y contraste con el fondo.

    Una vez escogidas las luminarias que se van a utilizar y determinado el nivel de iluminacin requerido (Anexo A), podra calcularse el nmero de luminarias necesarias para producir tal iluminacin. No obstante, para reas amplias es preferible utilizar el mtodo de los lmenes porque proporciona una iluminacin media uniforme adems que su aplicacin no es complicada.

    2. Mtodo de clculo de los lmenes.

    Este mtodo se utiliza nicamente para el clculo de alumbrado en interiores y est basado en la definicin de lux, que es igual a un lumen por metro cuadrado. Con la informacin del fabricante sobre la emisin luminosa inicial de cada lmpara, la cantidad

    http://gratislibrospdf.com/

  • 28 Especificacin y Clculo de Alumbrado

    instalada y el rea de la zona considerada (en metros cuadrados) puede obtenerse el nmero de lmenes por metro cuadrado o luxes:

    E = ~

    e

    s =

    Lmenes emitidos --------- = Luxes

    2 Area en m (3. 1 )

    Este valor difiere de los luxes medidos, debido a que algunos lmenes son absorbidos por la misma luminaria o por la influencia de otros factores tales como la suciedad de la luminaria y la disminucin gradual de la emisin de luz de las lmparas, entre otras.

    A continuacin aparece el procedimiento utilizado en el mtodo de los lmenes que se puede dividir en cinco puntos fundamentales:

    2.1. Determinacin del nivel de iluminacin requerido.

    El Anexo A de este captulo presenta los niveles de iluminacin para diversas tareas, recomendados en el informe # 29 de la "International Commission on Illumination" (Comisin Internacional de Iluminacin) constituida por los comits nacionales de iluminacin de treinta pases (Manual de Alumbrado de Phillips, 1983). Estas recomen-daciones representan valores mnimos en el lugar mismo de la tarea visual de acuerdo con la prctica actual; una total comodidad visual puede requerir niveles superiores.

    Es importante sealar que existen publicaciones (Westinghouse, 1985 y Sociedad Me-xicana de Ingeniera de Iluminacin, 1965) que recomiendan valores distintos a los propuestos en el Anexo A.

    2.2. Determinacin del coeficiente de utilizacin (CU).

    El coeficiente de utilizacin es el cociente de los lmenes que llegan al plano de trabajo (plano horizontal a 75 cms. del suelo) y los totales generados por la lmpara. Este factor toma en cuenta la eficacia y la distribucin de la luminaria, su altura de montaje, las dimensiones del local y las reflectancias de las paredes, techo y suelo. A causa de las mltiples reflexiones que tienen lugar dentro de un local, una parte de luz pasa hacia abajo a travs del plano imaginario de trabajo ms de una vez, por lo que en algunas circunstancias el coeficiente de utilizacin puede sobrepasar la unidad. En general cuanto ms alto y estrecho sa el local, mayor ser la proporcin de luz absorbida por las paredes y menor el coeficiente de utilizacin. Este efecto se considera mediante la relacin de la cavidad del local (RCL) que se define como sigue:

    5H (largo + ancho) RCL = (3.2)

    largo x ancho

    donde: H = altura de la cavidad.

    http://gratislibrospdf.com/

  • Especificacin y Clculo de Alumbrado 29

    Los datos tcnicos para distintas luminarias estan reunidos en la Tabla 3.1. Cuando se trabaja con luminarias no incluidas en dichas pginas, el coeficiente de utilizacin deber tomarse de la tabla de otra luminaria de eficacia y curva de distribucin similares. El coeficiente de utilizacin buscado puede determinarse entonces para la propia relacin de la cavidad del local y las reflectancias apropiadas de la pared y de la cavidad del te cho. Para luminarias montadas o empotradas en el techo, la reflectancia de la cavidad del techo es la misma que la del techo real. Para lmparas suspendidas, en cambio, es necesario obtener la reflectancia efectiva de la cavidad del techo como sigue:

    a) Determinar la relacin de la cavidad del techo con la misma expresin utilizada para determinar la cavidad del local considerando H como la distancia desde el plano de colocacin de las luminarias al techo (Figura 3.1). Entonces la relacin de cavidad del techo es igual a la del local multiplicada por el cociente de la distancia del techo a las luminarias entre la altura de la cavidad del local.

    Cavidad del techo

    ------~----------HT

    _______ J.. __

    Plano de la luminaria / Cavidad del local H

    Plano de trabajo 1 ---------------------~-------~------- ---Cavidad del suelo HS

    Figura 3.1 . Dimensiones de cavidad de un local.

    En la Figura. 3.1. se muestran:

    H = Altura de la cavidad del local. HT = Altura de la cavidad del techo. Hs = Altura de la cavidad del suelo.

    b) Determinar la reflectancia efectiva de la cavidad del techo utilizando la Tabla 3.2 c on las reflectancias base del techo y de la pared (correspondiente a la parte que est sobre el nivel de las luminarias).

    El coeficiente de utilizacin determinado en la forma indicada ser aplicable a zonas que tengan una reflectancia de la cavidad del suelo efectiva del 20%. Si la reflectancia real del suelo difiere sensiblemente del 20% (ms de 25% o menos de 15%), dependiendo de la precisin deseada, se recomienda hacer una correccin. Los factores de correcci n para reflectancias del suelo cercanas al 10% Y al 30% se dan, en la Tabla 3.3. La reflectancia efectiva de la cavidad del suelo se determina del mismo modo' y usando la

    http://gratislibrospdf.com/

  • 30 Especificacin y Clculo de Alumbrado

    misma Tabla 3.2 que se us para la determinacin de la reflectancia efectiva del techo.

    2.3. Determinacin del factor de prdidas totales (FPT). Desde el primer da en que se pone a funcionar el alumbrado la iluminacin va cambiando conforme las lmparas envejecen. Adems la suciedad acumulada en las luminarias y otros factores contribuyen a la prdida de luz. El efecto neto es casi sie mpre una disminucin del nivel de iluminacin, aunque ciertos factores pueden producir un incremento.

    El factor de prdidas totales es el resultado fmal por la presencia de todos los factores parciales. Se define como el cociente de la iluminacin cuando alcanza su nivel ms bajo en el plano de trabajo (antes de efectuar alguna accin correctora) entre el nivel nom in al de iluminacin de las lmparas (sin considerar factores parciales de prdidas). Los fabricantes clasifican las lmparas defllamento de acuerdo con la luminosidad que emiten cuando estn nuevas, mientras que las lmparas de descarga de vapor (fluores-centes, de mercurio y dems tipos comunes) las catalogan segn la emisin luminosa que tienen despus de 100 horas de funcionamiento.

    Los niveles de iluminacin dados en el Anexo A representan los valores mnimos requeridos en todo momento. De acuerdo con esto, el factor de prdidas totales debe incluir las prdidas atribuibles a todo tipo de causas, algunas de las cuales se van acumulando hasta que se efecte una accin correctora. Por esta razn el programa de mantenimiento debe incluir una evaluacin de los factores de prdida de luz y las acciones peridicas que deben llevarse a cabo para corregir su efecto. La precisin del proceso de clculo puede perderse si no se pone cuidado en la estimacin de los factores de prdida y se ignora el programa de mantenimiento.

    Los factores parciales de prdida que debe~onsiderarse se detallan a continuacin. Algunos de ellos slo pueden estimarse de manera aproximada; otros pueden evaluarse a travs de pruebas o ensayos. Estos ocho factores son:

    a) Caractersticas de funcionamiento de la balastra o reactor. La Asociacin de Fabri-cantes de Balastras de E.U.A. (Certified Ballast Manufacturers Association) especi-fica que las lmparas fluorescentes requieren una balastra con una reactancia tal que la lmpara emita el 95% de la luminosidad que Rroporciona cuando funciona con una reactancia patrn (o de laboratorio) utilizada para establecer el valor nominal. En las balastras en que no se especifica el cumplimiento de esta condicin debe cons-derarse una prdida mayor. No se dispone de especificaciones para los reactores de las lmparas de vapor de merc~rio por lo que se sugiere consultar al fabricante. En las lmparas de fllamento (incandescentes) no hay prdida por este factor.

    b) Tensin de alimentacin de las luminarias. La tensin de servicio en la luminaria es difcil de predecir. Para lmparas de fllamento, as como para lmparas de mercurio (con reactancias de valor alto), una desviacion del 1 % de la tensin nominal causa aproximadamente una variacin del 3% en los lmenes emitidos. En las reactancias de salida regulada (potencia constante) la emisin luminosa de la lmpara es inde-

    http://gratislibrospdf.com/

  • Especificaci6n y Clculo de Alumbrado 31

    pendiente de la tensin primaria. Los lmenes emitidos por una lmpara fluorescente varan aproximadamente un 1% por cada 2.5% de variacin en la tensin.

    c) Variaciones de la reflectancia de la luminaria. Este efecto es normalmente pequeo, pero despus de un perodo de tiempo largo puede ser significativo en las luminarias con acabados (o plsticos) de baja calidad. No se dispone de datos precisos.

    d) Lmparas fundidas. La prdida de iluminacin es proporcional al porcentaje de lmparas fuera de servicio.

    e) Temperatura ambiente. Las variaciones de temperatura no tienen una influencia determinante en las lmparas de filamento ni de mercurio. Las lmparas fluorescen-tes se calibran fotomtricamente a 25C por lo que desviaciones significativas de esta temperatura - hacia arriba o abajo- pueden significar prdidas sustanciales de la emisin luminosa -no se dispone de datos de ensayos extensivos.

    f) Luminarias con intercambio de calor. Existen luminarias cuyo diseo permite que se utilicen como parte del sistema de ventilacin o aire acondicionado. Estas luminarias se calibran fotomtricamente sin paso de aire. Por tanto, cuando son instaladas y se extrae o inyecta aire a travs de ellas, su eficiencia aumenta, a veces hasta un 20%. Este incremento es funcin de la cantidad y la temperatura del aire que pasa a travs de la luminaria.

    g) Degradacin luminosa de la lmpara. La reduccin gradual de la luminosidad producida por el paso del tiempo es diferente para cada tipo y calidad de lmpara. Para el 70% de vida estimada, la disminucin aproximada de los lmenes emitidos es de 8% para lmparas fluorescentes, de 8.5% para las de filamento y de 6.5% para las de vapor de mercurio.

    h) Disminucin de emisin luminosa por suciedad. Este factor vara con el tipo de luminaria y el ambiente en que trabaja. En la Tabla 3.1 se presentan ciertos tipos de luminarias clasificadas en seis categoras y en la Figura 3.2 aparecen las grficas de los factores de degradacin por suciedad correspondientes a estas categoras. El factor se suministra en funcin del tiempo transcurrido (meses) desde la ltima vez que se limpi la lmpara y del grado de suciedad del ambiente que la rodea.

    2.4. Clculo del nmero de luminarias.

    El nmero de luminarias (unidades de alumbrado) puede calcularse de la siguiente manera:

    N = (3.3)

    http://gratislibrospdf.com/

  • 32 Especificacin y Clculo de Alumbrado

    donde:Grados de suciedad:--Muy limpio: Laboratorios y hospi tales.----Limpio: Escuelas, oficinas y viviendas.- --Medio: Oficinas dentro de fbricas.- - -Sucio: Industrias.-----Muy sucio: Procesos altamente contaminantes.

    N = Nmero de luE = Iluminacin rS = Superficie.

  • Especificacin y Clculo de Alumbrado 33

    donde:

    N Nmero de luminarias o unidades de alumbrado. E Iluminacin requerida. S Superficie. Flujo luminoso por lmpara. 1 Nmero de lmparas por luminaria.

    2.5. Determinacin del acomodo de las luminarias.

    La colocacin de las luminarias depende de la arquitectura general, de las dimensiones del edificio, del tipo de luminaria y de la ubicacin de las tomas de energa existentes ..

    Para conseguir una distribucin uniforme de iluminacin sobre una zona, se recomienda respetar la separacin resultante al usar los factores que aparecen en la nota: "Separa-cin no superior a" de la Tabla 3.1 y que estn en funcin de la altura de montaje (al plano de trabajo). En la mayora de los casos, resulta necesario colocarlas ms prximas a fm de