UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA / FACULTAD DE INGENIERIA - DEPARTAMENTO DE ELECTROTECNIA - CATEDRA DE INSTALACIONES ELECTRICAS GENERALES

La ley de Joule (producción de calor) es la que regula uno de los efectos mas importantes de la corriente eléctrica, al circular corriente por un conductor, sea este un cable o de una maquina, se produce cierta cantidad de calor.

Parte se acumula en el cuerpo donde el calor se produce, y parte se disipa al ambiente, dependiendo del salto de temperatura que entre el punto mas caliente y el ambiente se presenta, y de la resistencia a la propagación del calor que el entorno del cuerpo caliente presenta.

Las dificultades a la transmisión del calor son causa de altas temperaturas, y origen de problemas, la suciedad, el polvo dificultan la eficiencia del enfriamiento, mereciendo atención.

Para una maquina o equipo, el fabricante establece en su proyecto las condiciones de instalación que se deben respetar, so pena de exceder los limites de temperatura admisibles para la vida del equipo.

Para los cables se dan tablas que indican capacidad de transporte para una condición de instalación dada, si la condición de instalación es otra, se aplican coeficientes de corrección a dicha capacidad de transporte, y se define finalmente que corriente el cable puede llevar.

Para las instalaciones es quien las realiza que debe cuidar los detalles de proyecto que permitan un enfriamiento eficiente.

La ley de Ohm es la que regula otro de los efectos importantes de la corriente eléctrica, en el conductor que lleva corriente se produce una caída de tensión, y entonces la tensión que se encuentra en el punto de utilización es en general inferior a la que se tenia al origen.

Este es el otro efecto importante de la corriente eléctrica circulante en particular por los cables.

Se tienen tablas con los valores de resistencia y reactancia del cable, que permiten calcular la caída de tensión que en el se produce, a veces se dispone de tablas que dan un coeficiente que permite el calculo de la caída de tensión en forma mas fácil.

También en los transformadores se produce una caída de tensión que puede ser calculada en forma análoga a los cables, utilizando datos conocidos del transformador.

La ley de Ampere, regula los esfuerzos que se presentan entre conductores por los que circula corriente, en presencia de campos magnéticos, gracias a ella funcionan las maquinas, pero debido a ella a veces se presentan fuerzas muy grandes que conducen a deformaciones de los conductores y hasta su rotura.

Los aparatos deben estar diseñados para soportar estos efectos al menos un cierto numero de veces que las normas establecen.

El campo eléctrico intenso en determinados puntos, puede conducir a la ionización del aire, y la generación de arcos eléctricos.

Los materiales sometidos a temperaturas elevadas (por los efectos térmicos), a campos eléctricos intensos, etc. varían sus características físicas pudiendo producirse envejecimientos prematuros que afectan la vida útil de los equipos e instalaciones.

En los diseños de aparatos se tienen en cuenta estos factores, lo mismo ocurre cuando se proyectan instalaciones en las que se montaran aparatos y materiales, los cables por ejemplo proyectados para una tensión no deben ser usados a tensión mas alta, aunque parezcan iguales no lo son, y la instalación se convierte en fuente de peligro.

La función de los cables es conducir la energía eléctrica de un punto a otro para poder aprovecharla, realizar la unión metálica de conexión eléctrica entre los puntos de alimentación y las cargas, y para esto deben cumplir condiciones de optima conducción, y optima aislacion.

En rigor se pueden hacer conducciones con líneas desnudas utilizando el aire como aislante, pero las modernas exigencias de seguridad de las personas y las cosas han conducido al abandono de esta técnica en las instalaciones de baja tensión y de media tensión de aplicación y uso civil.

Solo las líneas aéreas de media y alta tensión, y sus instalaciones asociadas se hacen hoy con conductores desnudos, respetando estrictas reglas de arte.

Así es que los cables que encontramos en las instalaciones eléctricas de baja y media tensión pueden ser de distintos tipos.

Cables con simple aislacion, conductor recubierto de una capa aislante de calidad adecuada para resistir la temperatura limite que se presenta en condiciones normales (hoy este material es generalmente un plástico, PVC).

Los cables realizados en esta forma deben ser protegidos de la agresión que el ambiente puede desarrollar sobre la aislacion, golpes, roces, etc. pueden dañar la integridad de la aislacion y generar situaciones de peligro.

En consecuencia estos cables solo pueden instalarse cuando una canalización los protege. Los cables recorren la instalación en alojamientos (caños, bandejas) cuya función es precisamente protegerlos.

Cuando no es admisible el uso de los conductores simplemente aislados, se utilizan cables asociados y protegidos con una segunda envoltura cuya característica saliente debe ser la resistencia mecánica.

El cable puede ser de solo un conductor (unipolar) o de muchos (bipolar 2, tripolar 3, tetrapolar 4, multipolar).

A veces la sección de un conductor (destinado a neutro) es menor (la mitad) de los conductores restantes (destinados a fases).

Se debe controlar que efectivamente las cargas monofasicas absorban corrientes comparables, en ese caso las corrientes de neutro se anularan entre si, pero si por ejemplo una sola carga (de una fase) se encuentra en funcionamiento corriente de fase y neutro serán iguales, y la sección del neutro deber ser igual a la de las fases.

En los cables de media y alta tensión se cuidan detalles constructivos a fin de poder exigir a los materiales sus máximas prestaciones, el conductor esta recubierto de una capa semiconductora para hacerlo redondo, un cilindro perfecto, sobre el una capa de aislante de optima calidad (generalmente hoy polietileno reticulado) de espesor cuidadamente uniforme.

Otra capa semiconductora y una fina chapa metálica conductora envuelta en forma de espiral obligan a que el campo eléctrico en el aislante sea perfectamente controlado, esto puede verse observando el corte de un cable.

Si el cable es multipolar se necesita rellenar los espacios entre polos, y finalmente la capa de protección, cuando el cable es armado una espiral metálica recubre y protege ulteriormente al conjunto, generalmente esta espiral es de acero, pero en los cables unipolares no puede ser de material magnético por los efectos térmicos y de perdidas que se presentarían y debe ser de material amagnetico.

El material conductor de los cables debe ser de primera calidad, y se utilizan el cobre o el aluminio indistintamente, el cable puede estar formado con un solo alambre, o varios, adoptando forma redonda o sectorial (para reducir el tamaño en los multiconductores).

La capacidad que un determinado cable, en una determinada condición de instalación, tiene de conducir cierta corriente esta declarada en tablas que contienen los catálogos de los fabricantes, depende del material conductor, de la sección, del material aislante (que fija la temperatura máxima admisible en régimen).

Cuando un cable transporta corriente se calienta por efecto Joule, la cantidad de calor que se produce R*I^2 debe disiparse al ambiente.

La temperatura que el conductor alcanza no debe ser causa del envejecimiento prematuro del aislante.

La formación del cable (unipolar, bipolar, etc.) dificulta la transmisión del calor y también influye en la corriente admisible.

Las tablas están concebidas para una condición normal de instalación del cable, que no siempre puede ser respetada, entonces aparecen coeficientes de reducción de la capacidad de transporte del cable que se aplican en función de su situación.

Dependen de la temperatura ambiente, si distinta a la de la tabla, de la canalización en la que el cable se encuentra, dentro de un caño por ejemplo, de la proximidad de otros cables que pueden producir calentamientos mutuos, etc.

El conjunto de estos factores de reducción es llamado factor de tendido y fácilmente alcanza valores del orden del 50%, de su buena evaluación depende sin duda la vida del cable.

Hagamos un ejemplo: tomemos un catalogo de cables y busquemos que dice de las condiciones normales de instalación.

Encontramos un texto que mas o menos dice lo siguiente: los datos sobre intensidad de corriente admisible de los cables se refieren a cierta temperatura máxima del conductor en funcionamiento continuo, al tipo de aislante correspondiente, a ciertas condiciones ambientes, protegidos de la radiación solar directa, dispuestos en forma que la circulación del aire entre los cables no encuentre obstáculos que la dificulten, o enterrados en cierto tipo de tierra, a cierta profundidad y con cierta suficiente separación entre cables.

Si estas condiciones no se cumplen, entonces se recurre a distintas tablas que fijan factores de corrección por distinta temperatura ambiente, por agrupamiento de los cables, por proximidad, o por otras condiciones de tendido.

En general no hay razón inmediata para utilizar cables multipolares en las instalaciones en edificios. Los cables unipolares son de manejo fácil, permiten recuperación y reutilizacion en otros lugares.

Si los cables están en una canalización, pueden ser con simple aislacion y sin vaina de protección, la canalización los protege suficientemente.

La densidad de corriente (en A/mm2) que puede transportar un cable es valida solo entre secciones comparables, debe notarse que a medida que la sección crece disminuye la densidad de corriente admisible porque disminuye la capacidad de disipación.

Un cable de baja tensión de 3x25 mm2 de aislacion PEX tendido en aire puede transportar 105 A, o sea 4.2 A/mm2, mientras que uno de 3x50 mm2 solo puede transportar 160 A, 3.2 A/mm2, y uno de 150 mm2 340 A, 2.26 A/mm2.

En efecto, la producción de calor es proporcional a la sección (volumen de conductor), mientras que el calor disipado esta ligado a la circunferencia (superficie de disipación del conductor).

Por ultimo es necesario indicar que normas y reglamentos obligan a respetar secciones mínimas que están fijadas por criterios de resistencia mecánica.

Por ejemplo secciones mínimas de los conductores de fase: 0.5 mm2 para instalaciones de no mas de 65 V, 0.8 mm2 para los conductores de artefactos luminosos que se utilizan en ambientes normales, 1 mm2 para los cables con conductores de cobre recocido bajo vaina o en tubos, 1 mm2 para los conductores volantes que no corresponden a lamparas simples, 2.5 mm2 para todos los otros casos.

Los conductores de aluminio no deben ser de sección inferior a 4 mm2.

La seccion mínima de lo conductor neutro: no debe ser inferior a la de fase, a excepción de los circuitos polifasicos o de corriente continua de mas de dos hilos con conductores de fase de sección superior a 16 mm2, en este caso la sección de los conductores neutros puede ser reducida a la mitad de los conductores de fase, respetando un mínimo de 16 mm2.

Las secciones mínimas de los conductores de tierra: no debe ser inferior a la de fase si estos no tienen sección superior a 16 mm2, con un mínimo de 2.5 mm2 cuando el conductor de tierra no forme parte de cables multipolares. para secciones mayores de 16 mm2 la sección de los conductores de tierra puede ser reducida como para el neutro, debe estar aislada y de color verde / amarillo.

Ademas desde hace tiempo existe la prohibición de usar conductores desnudos: a excepción de las derivaciones al exterior y para los conductores de tierra de sección superior a 6.3 mm2. No se consideran conductores desnudos los sistemas de barras encerrados entre estructuras continuas que comprenden también las distancias de aislacion.

La caída de tensión en los cables tiene importancia cuando estos son relativamente largos (en baja tensión del orden de los 50/100 metros y mas) y están cargados con corriente próxima a la admisible.

La caída que interesa es realmente la variación de tensión que se presenta entre los extremos del cable que no esta dada exactamente por la aplicación directa de la ley de Ohm, sino derivada de ella.

Si se trata de una conducción bifilar se tiene:

donde: - deltaU es la variación de tensión (en Volt) que se presenta por efecto del cable y que se mide por diferencia entre las tensiones en sus extremos.

- r es la resistencia del cable (en ohm por unidad de longitud), debe notarse que la resistencia varia con la temperatura, pudiendo ser 10 a 20% mayor que la indicada por la tabla para tener en cuenta este efecto.

- x es la reactancia (también en ohm por unidad de longitud), es un valor que depende muy poco se la sección del cable, solo esta ligado al tipo de cable, a la disposición de conductores, varia entre 0.1 y 0.2 ohm/km (a 50 Hz), y se observa su peso solo cuando la sección de los conductores es grande.

- L es la longitud de la conducción, el factor 2 aparece para tener en cuenta el conductor de ida y el de vuelta.

- I es la corriente que el cable conduce (en A), y que depende de la carga alimentada.

- cosenofi y senofi son las características de la carga, dependen del factor de potencia ya visto, defasaje entre tensión y corriente, si la carga es un resistor, 1 y 0, si se trata de un motor a media carga 0.7 y 0.7.

Generalmente la caída de tensión se expresa en valor relativo, entonces deltaU se divide por U y la formula resulta:

Si se trata de una conducción trifilar se tiene como caída de tensión en una fase:

La diferencia importante es que depende solo de la longitud de la conducción, siempre se la refiere a tensión de fase, y recordando que la tensión compuesta es:

se tiene entonces:

deltaUrelativa = (r * cosenofi + x * senofi) * l * I * 1.73 / U

Para la buena aplicación de estas formulas es necesario recordar la relación entre corriente y potencia aparente (en VA).

En consecuencia dada una potencia la corriente es menor si la potencia es trifasica, efectivamente se puede decir que cada fase lleva un tercio de la potencia.

Por ejemplo un motor de 3 kW trifasico alimentado a 380 V absorbe 6.4 A, mientras que un motor monofasico de 220 V absorber 20 A o mas.

Pero porque es importante la caída de tensión? Una lampara alimentada a menor tensión que la nominal es menos eficiente, da menos luz, en rigor mucha menos luz, si la tensión baja un 3% la iluminación se reduce en un 6-8%.

Análogamente un calefactor eléctrico (una plancha por ejemplo) la potencia disminuye con el cuadrado de la tensión.

Para un motor en cambio, la potencia que este absorbe es la requerida por la maquina que el motor acciona, en consecuencia al disminuir la tensión el motor absorbe mas corriente, se producen mayores perdidas en el motor, y en la red de alimentación, las temperaturas de los componentes son mayores, y se pueden producir daños al motor o a los componentes de la red.

Un 5% de reducción de tensión de un motor, produce un aumento de corriente del 5% que se considera aceptable.

Las caídas de tensión en los cables se deben limitar para respetar estas condiciones de calidad de la tensión.

La caída de tensión en la instalación que alimenta un sistema de iluminación debe estar comprendida en el 2-3%, mientras que para un sistema de fuerza motriz se puede aceptar 5-6% como limite.

Cuando los recorridos superan los 100/200 m los cables multipolares (y de sección elevada) tienen sensiblemente menor reactancia y presentan menores caídas de tensión. En recorridos cortos esta ventaja no es aprovechable, conviene preferir cables unipolares , teniendo cuidado de llevarlos todos en una misma canalización (un mismo caño).

Conviene insistir con un el concepto de no poner conductores unipolares (separando las fases) dentro de caños metálicos (de hierro) ni siquiera para tramos cortos ya que el campo magnético que se forma fuera del conductor se concentra en el hierro y es causa de perdidas que se traducen en calor que elevan la temperatura y dañan los cables, se deben meter todos los cables en el mismo caño.

También cuando se atraviesa una chapa (para entrar a un tablero) con conductores unipolares no se deben hacer tres agujeros independientes, ya que el calentamiento de la chapa también podría causar problemas, se deben pasar todos los conductores por un único agujero.

Ya hemos enunciado la importancia de las canalizaciones, y no solo para conducir cables de energía eléctrica, en nuestro ambiente también aparecen cables de comunicaciones, teléfono, computadoras, etc. que comparten sus recorridos, y se molestan mutuamente.

Los cables se llevan en distintas formas, en el terreno abierto se los lleva enterrados, para ello deben ser aptos, se los tiende en una cama de arena, se los protege con losas, losetas, tejuelas o ladrillos de manera de evitar el peligro de lastimarlos, tanto por en daño que el cable podría sufrir, como el que podría causar a quien inadvertidamente lo dañara al realizar futuras excavaciones.

Los cables se entierran a cierta profundidad, al menos 80 cm si se trata de baja tensión, 1.20 m si media, para evitar que futuras obras superficiales los afecten. El cable puede ser armado lo que garantiza una mayor resistencia a las agresiones que pueden ocurrir.

En la superficie del terreno conviene poner hitos que señalen el recorrido del cable si fuera necesario ubicarlo, ya para encontrarlo como para evitarlo. Es conveniente además conservar planos y anotaciones de relevamientos de obra a fin de poder ubicarlos en el futuro.

En los cruces de calle se prevén caños por los que se tienden los cables que es necesario, se debe tener cuidado de que los caños no se llenen de tierra (generalmente arrastrada por el agua), lo que los inutilizaría, sus extremos se cierran con tapones de trapos y alquitrán.

El hacer largos recorridos de caños entre cámaras de ladrillos permite tener una instalación duradera en el tiempo, si bien el costo inicial es superior, los sucesivos tendidos de nuevos cables según la necesidad son mucho menos costosos, los caños se tienden formando haz y se unen en un bloque de hormigón, por razones de costo se utilizan caños de plástico o fibrocemento.

Dentro de los edificios la forma habitual de hacer instalaciones eléctricas es con caños embutidos en las paredes y las losas, estos caños pueden ser metálicos o de plástico, se buscan recorridos en zonas seguras (donde no sea lógico que se clave un clavo), generalmente se consideran fajas de 20 30 cm de los rincones y aberturas.

Lamentablemente esta forma constructiva entra fácilmente en crisis en cuanto se necesita ampliar o renovar la instalación por razones de distinta aplicación del ambiente o de todo el edificio.

También se presenta una gran dificultad para llevar cables de grandes secciones necesarios en caso de maquinas que se instalan según necesidades aparecidas en la vida de los edificios.

Una idea buena que permite realizar y evolucionar adecuadamente estas instalaciones que tienen características semiindustriales es realizar una canalización en bandejas abiertas o cerradas que recorren el edificio en forma ramificada.

Con este tipo de instalación se esta preparados para llegar desde y hasta cualquier punto con cualquier tipo de cable tanto de energía como de comunicaciones actual y futuro.

Actualmente se tienen también canalizaciones plásticas con tapa con las que se pueden realizar los largos recorridos de cables, también zócalos aunque poco prácticos (desaconsejables) por su proximidad al suelo, siendo preferible que la instalación este a altura cómoda (1m del suelo) si es necesario accesible, o cuando necesario inaccesible se encuentre realmente en esa condición (2.5 m).

Otra ventaja de la instalación visible es que es mas comprensible que aquella embutida, y es posible modificarla sin realizar trabajos de albañilería.

Los tubos de protección deben ser de acero o de material termoplástico. El diámetro interno debe ser de al menos 11 mm, pudiendo reducirse a 8 mm si los cables que se instalan son de sistemas de menos de 65V. Los costos de estas canalizaciones no justifican la economia que se obtiene al adoptar diametros pequenios, es conveniente adoptar diametros mucho mayores que el minimo aconsejado, el mayor costo sera seguramente compensado por la facilidad del trabajo (la mano de obra) de instalacion

Otro tema es la coexistencia de conducciones metálicas con otras canalizaciones: las conducciones de electricidad deben disponerse de manera de no quedar sujetas a influencias dañinas en relación a sobrecalentamientos, goteos, formaciones de condensado, etc. Además esta prohibido colocar en las mismas conducciones montantes o columnas telefónicas o de televisión. En los vanos de ascensores y de montacargas no esta permitida la instalación de conductores o de tuberías de cualquier genero que no pertenezcan a la instalación del ascensor o montacargas mismo.

Los tubos de protección: se eligen con las siguientes prescripciones, en ambientes húmedos, mojados, con presencia de polvos no es permitido utilizar tubos de acero con bordes simplemente acercados. En los ambientes mojados en particular los tubos a la vista deben tener juntas roscadas y ajustadas, previa interposición de mastic.

En los ambientes con peligro de incendio o de explosión se deben usar solo tubos protectores de acero, se prohibe el uso de tubos del tipo de bordes acercados.

En el tendido de cables enterrados esta prohibido el uso de materiales que puedan ser corroídos, o que no tengan resistencia mecánica adecuada.

El diámetro interno de los tubos de protección debe ser por lo menos 1.3 veces el diámetro del circulo que circunscribe el haz de cables en el contenido. este coeficiente debe aumentarse a 1.5 cuando los cables sean del tipo con vaina metálica.