Saludos.
Espero se encuentren muy bien estimados lectores, A
continuación les comparto el más reciente escrito en Tecnología Eléctrica, un
post que trata sobre: Cálculos del Sistema eléctrico.
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Cálculos
del Sistema eléctrico (Caso: Laboratorio de Alta Tensión)
INTRODUCCIÓN
Hay quienes piensan o tienen la idea de que no son importantes
para un proyecto que este se realice por cualquier persona, o que las
instalaciones eléctricas se realicen sin el desarrollo previo de los planos
(memoria de cálculos e ingeniería) y que después de terminada la instalación, elaborar
los planos y memoria de cálculo una vez, ya que los dueños de negocios lo
consideran un gasto, y que con un “buen electricista” la instalación puede
quedar supuestamente bien…
Fig. 1.- Cálculos eléctricos.
Es por ello que la ingeniería y diseño de
instalaciones eléctricas no se trata de cualquier cosa, en los planos y memorias
de cálculo previo a la construcción recae la seguridad de las personas,
animales y de los bienes de la propiedad. Este es el objetivo de cualquier Norma
oficial para las instalaciones eléctricas, establecer las especificaciones y
lineamientos de carácter técnico que deben satisfacer las instalaciones
destinadas a la utilización de la energía eléctrica.
Por esto antes mencionado se presenta a continuación
un ejemplo de cálculos para una instalación eléctrica dada como ejemplo.
1.-
Diseño del circuito de iluminación del área de ensayo.
Para
determinar el circuito de iluminación de un ambiente primero se deben
determinar las luminarias necesarias y a utilizar considerando lo existente en
el mercado que se pueda contar con esas luminarias a la hora de ejecutar la
instalación, para el caso del área de ensayo del laboratorio de alta tensión se
utilizará el método de los lúmenes tal como se muestra a continuación.
Calculo de
iluminación del laboratorio de alta tensión.
Para
calcular el valor medio en servicio de la iluminancia de un local iluminado con
alumbrado general.
Para
este cálculo el flujo luminoso que se necesita en el laboratorio y se puedan visualizar
los ensayos sin problemas es necesario calcular el flujo luminoso necesario, el
que está dado por:
Donde:
Em
= nivel de iluminación medio (en LUX)
Øt
= flujo luminoso que un determinado local o zona necesita (en
LÚMENES)
S = superfície a iluminar (en m2).
Cu=
Coeficiente de utilización.
Cm=
Coeficiente de mantenimiento.
Para
determinar el coeficiente de hay que calcular el índice del local (k) que se
determina a partir de la geometría del mismo a partir de la ecuación:
Donde:
k
= índice del local.
a
= 4m (ancho del local).
b
= 5,86 m (largo del local).
h= 3,15 m (distancia entre el plano de trabajo y la
ubicación de las luminarias.
En
el caso del laboratorio la altura del plano de trabajo no está definida pues la
misma depende del tipo de ensayo que se realice por lo que se decidió tomar
como plano de trabajo el piso ya que entre otros aspectos del trabajo en los
laboratorios de alta tensión uno de vital importancia es la correcta puesta a
tierra de todos los equipos lo que se hace con cables puestos sobre el piso.
El otro parámetro
necesario para determinar el factor de utilización (CU) son los coeficientes de
reflexión de las paredes techo y piso. Los valores de los coeficientes de
reflexión del techo, las paredes y suelo normados se muestran en la Tabla 1.
Tabla 1.- Coeficientes de reflexión
El
área de ensayos estará pintada de crema claro y el techo tiene láminas de cielo
raso color blanco por lo tanto se toma:
Para
las paredes: 70 %
Para el techo: 80 %
En
la selección de las luminarias se determinó que las lámparas fluorescentes
tubulares tipo TL-5 (127 V, 54 W) marca: Philips, modelo: Master TL5 High Efficiency
Eco con una emisión lumínica de 2875 lm [1], con porta lámparas marca:
Gediplast, modelo: LUCS2427, fabricadas bajo las normas UL-94 en el país. Sus
características generales se muestran en la Fig. 1 en tanto que en la Tabla 2
se expones sus características.
Fig. 2.- Modelo de luminaria.
Seleccionada
el tipo de luminaria a usar, el índice del local (que se aproximó a 1 para
poder entra a la Tabla 2) y el coeficiente de reflexión se determina que es Cu
= 7.
Tabla
2.- Coeficientes de reflexión.
El
coeficiente de mantenimiento dependerá de la conservación de la instalación.
Este coeficiente dependerá del grado de suciedad ambiental y de la frecuencia
de la limpieza del local. Para una limpieza con periodo quincenal, como se
espera en el laboratorio, se puede tomar Cm = 0.6 según la Tabla 3.
Tabla
3.- Coeficientes de mantenimiento.
|
Ambiente |
Factor de
Mantenimiento |
|
Limpio |
0.8 |
|
Sucio |
0.6 |
Entonces
la cantidad de luxes (2000) que se necesitan será se calcula a continuación.
El cálculo de Øt da:
Donde:
Nl
= número de luminarias
Øt
= flujo luminoso total necesario en la zona o local
Øl
= flujo luminoso de una lámpara (se toma del catálogo)
n = número de lámparas que tiene la luminaria.
Como
resultado el número total de luminarias será de 2 para cumplir con las
normativas nacionales de iluminación de laboratorios.
La
potencia nominal de las luminarias es de: 216 W
Por
último, es conveniente determinar la potencia de las luminarias a utilizar en
la zona de control y medición del laboratorio de alta tensión, la cual se
determinara considerando el área de construcción donde estará ubicada.
Considerando
30 W/m2 entonces, como la zona de control tiene unas longitudes de 3
m x 2 m, el resultado será de 180 W.
Teniendo en definitiva una
potencia de diseño del circuito de iluminación de: 396 W
Como el factor de potencia
de las lámparas es sumamente alto no es necesario considerarlo en el cálculo de
la corriente pues el error es muy pequeño., así se tiene que:
Con
este nivel de corriente se selecciona un conductor 14 THW AWG calibre mínimo
que se puede usar en un circuito ramal de iluminación según la tabla 210-24 de
la norma 200 de COVENIN (CEN), este conductor soporta como máximo una corriente
de 15 A [2] y su protección será un interruptor termo-magnético monopolar de 15
A de capacidad y 10 KA de capacidad interruptora.
En definitiva
se determinó que se necesitan 2 luminaria de 2 tubos fluorescentes de 54 W, C/U
con estas lámparas se cumple entonces con la cantidad de luxes (2000) [3].
Requeridas por las normas COVENIN para áreas de trabajo.
2.-
Cálculo del circuito de tomacorrientes de uso general.
Según las normas vigentes en el país para los cálculos
de los circuitos ramales se recomienda un máximo de 10 tomacorrientes por circuito
y para cada salida de fuerza se considerara 120 V X 1.5 A [4], pero en este
caso, por el espacio disponible en el laboratorio, solo se podrán colocar 7
tomacorrientes de uso general, 4 en el área de ensayos y 3 en el área de
control y medición. Esto da como resultado una potencia de 1260 W.
Con
este nivel de corriente se selecciona un conductor 12 THW AWG calibre mínimo
que se puede usar en un circuito ramal de uso general ya que este conductor
soporta como máximo una corriente de 20 A [4] y su protección será un
interruptor termo-magnético monopolar de 15 A de capacidad y 10 KA de capacidad
interruptora [4].
3.-
Cálculo del circuito de tomacorrientes especiales.
El laboratorio debe disponer, además de los
tomacorrientes de uso general de tomacorrientes de tomacorrientes de 220 V
tanto en el área de ensayos como en el área de control previendo la necesidad
de conectar cargas de este voltaje por lo que se decidió construir un circuito
cableado con 4 conductores 12 THW AWG (Fases, neutro y tierra), con una
protección de 20 A [4], y
10 KA de capacidad interruptora; con
esto se tiene una potencia de 4400 W
4.-
Cálculo del conductor de la acometida.
El transformador de prueba se alimenta de un autotransformador de 10 KVA pero como
esta capacidad prácticamente no se emplea nunca es que se toma como potencia
instalada una cantidad de 10 KW
El
sistema eléctrico del laboratorio de alta tensión demandará:
1. Iluminación área de ensayo y control:
396 W
2. Tomacorrientes área de ensayo y
control: 5660 W.
3. Sistema de control y regulación de
los transformadores de prueba: 10 KVA.
Teniendo una
potencia total de: 16056 W.
El método para el cálculo normado en el país se muestra en la Tabla 4
Tabla
4 - Estudio de Cargas del Laboratorio. [5]
|
Carga en Vatios |
|
|
|
Fase |
Neutro |
|
|
Cargas de iluminación. |
396 |
396 |
|
Cargas de tomas de uso general. |
1260 |
1260 |
|
Cargas de tomas de uso especial |
4400 |
|
|
Transformador de ensayo. |
10000 |
|
|
Sub-Total |
16056 |
|
|
Primeros 3000 W (100%) |
3000 |
|
|
Del resto de la P (35%) |
4569,6 |
|
|
Demanda total |
7569,6 |
Conocida la demanda total la corriente por las fases será de:
Para el neutro:
Con estas corrientes se busca en la tabla de
conductores y se determina que para las fases debe emplearse un conductor calibre
# 8 THW y para el neutro uno calibre # 12 THW.
El conductor calibre # 8
THW seleccionado tiene una resistencia de 0,00206 Ω/m con lo que se
tiene una caída de tensión por unidad de longitud para la máxima corriente de
carga (35 A) de 0.0721 V/m, que multiplicada por la 100 m del conductor de la
acometida da una caída de tensión de 7.21 V, la cual representa 3.41%, mayor
que lo estipulado por el código eléctrico nacional, por ello se debe
seleccionar el conductor calibre # 6 THW para disminuir la caída de tensión en
el conductor de la acometida.
5.- Cálculo de la
protección de la acometida
Como el calibre del alimentador es el # 6 entonces:
Ip: (I calculada + I Conductor) / 2 =(35 A + 55 A) / 2 = 45 A
La solución comercial para la protección de la
instalación será de un interruptor termo magnético de dos polos 50 A y de 30 KA,
tipo THQL de corriente interruptora que es superior a la corriente de
cortocircuito del tablero a donde se conecta la acometida. La capacidad del
interruptor termo-magnético cumple con el 20% por encima para garantizar su
correcto funcionamiento según se plantea en las normas nacionales.
El conductor de la tierra de
seguridad que dispone la instalación es de un calibre # 8. Es necesario aclarar
que este conductor no se puede conectar al sistema de puesta a tierra del
laboratorio pues al mismo se derivaran continuamente altas corrientes durante
las descargas de los capacitares de la fuente de corriente directa y del
generador de impulso lo que provocará subidas transitorias de su potencia
respecto a la tierra lejana.
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Referencias:
1. - Student laboratory practice and the history and
philosophy of science, en The student laboratory and the science curriculurn.
LAYTON, D. editado por Elizabeth Hegarty- Hazel. Londres: Routledge 1990. [1].
2.- Código Eléctrico Nacional. CODELECTRA,
FONDONORMA 200:2004, 7ma revisión. Caracas-Venezuela. [2]
3.- Iluminancias en tares y áreas de trabajo, Norma
Venezolana COVENIN 2249-93. 1era Revisión. Caracas 14-04-1993. [3]
4.- Canalizaciones Eléctricas, 7ma Edición, Oswaldo
Penissi, Editorial Melvin. Caracas-Venezuela, 2001. [4]
5.- Procesos de la investigación realizados por el
autor y revisado por el tutor, Venezuela-Cabimas 2013. [5]
Bibliografía consultada.
Manual
de Luminotecnia para interiores, Carlos Laszlo. Disponible en: http://www.laszlo.com.ar/Items/ManLumi/issue/Manual_de_Luminotecnia.PDF.
Luminarias
Gediplast, división de materiales eléctricos. Disponible en: www.gedisa.com.ve.
Método
de cavidades zonales, UMSS-FCyT. Instalaciones Eléctricas I.
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