Capítulo I: Instalación Eléctrica

1.0 CÁLCULO DE POTENCIA ELÉCTRICA DEL LABORATORIO

Para el cálculo de la potencia total eléctrica de la nave, vamos a dividirlo en dos estudios. Por un lado vamos a realizar el diseño del Alumbrado interior según normas vigentes, y por el otro lado vamos a considerar la Fuerza motriz, es decir las máquinas-herramientas con la que va a estar equipado el laboratorio.

1.1 DISEÑO DE ILUMINACIÓN

1.1.1 Consideraciones generales sobre iluminación en el ambiente laboral

De todos los tipos de energía que pueden utilizar los humanos, la luz es la más importante. La luz es un elemento esencial de nuestra capacidad de ver y necesaria para apreciar la forma, el color y la perspectiva de los objetos que nos rodean. La mayor parte de la información que obtenemos a través de nuestros sentidos la obtenemos por la vista (cerca del 80%). Y al estar tan acostumbrados a disponer de ella, damos por supuesta su labor. Ahora bien, no debemos olvidar que ciertos aspectos del bienestar humano, como nuestro estado mental o nuestro nivel de fatiga, se ven afectados por la iluminación y por el color de las cosas que nos rodean. Desde el punto de vista de la seguridad en el trabajo, la capacidad y el confort visuales son extraordinariamente importantes, ya que muchos accidentes se deben, entre otras razones, a deficiencias en la iluminación o a errores cometidos por el trabajador, a quien le resulta difícil identificar objetos o los riesgos asociados con la maquinaria, los transportes, los recipientes peligrosos, etcétera. Factores que determinan el confort visual Los requisitos que un sistema de iluminación debe cumplir para proporcionar las condiciones necesarias para el confort visual son,

Iluminación uniforme. Iluminancia óptima. Ausencia de brillos deslumbrantes. Condiciones de contraste adecuadas. Colores correctos. Ausencia de efectos estroboscópicos.

Es importante examinar la luz en el lugar de trabajo no sólo con criterios cuantitativos, sino cualitativos. El primer paso es estudiar el puesto de trabajo, la movilidad del trabajador etcétera. La luz debe incluir componentes de radiación difusa y directa. El resultado de la combinación de ambos producirá sombras de mayor o menor intensidad, que permitirán al trabajador percibir la forma y la posición de los objetos situados en el puesto de trabajo. Deben eliminarse los reflejos molestos, que dificultan la percepción de los detalles, así como los brillos excesivos o las sombras oscuras. El mantenimiento periódico de la instalación de alumbrado es muy importante. El objetivo es prevenir el envejecimiento de las lámparas y la acumulación de polvo en las luminarias, cuya consecuencia será una constante pérdida de luz. Por esta razón, es importante elegir lámparas y sistemas fáciles de mantener.

Tipos de iluminación. En cuanto a la iluminación dependiendo del origen de esta, existen tres tipos básicos:

Iluminación artificial: Es la fuente de luz que se suministra por fuentes luminosas artificiales.

Iluminación natural: Es aquella que se obtiene por la luz diurna. Iluminación mixta: Es aquella en la que se combina la luz natural con la artificial.

Además también se puede diferenciar entre:

General: Luz repartida de manera uniforme por toda la superficie de trabajo. Localizada: Luz enfocada a iluminar una zona en particular por requerir una mayor

precisión.

Magnitudes y unidades Si partimos de la base de que para poder hablar de iluminación es preciso contar con la existencia de una fuente productora de luz y de un objeto a iluminar, las magnitudes que deberán conocerse serán las siguientes:

El Flujo luminoso. La Intensidad luminosa. La Iluminancia o nivel de iluminación. La Luminancia.

El flujo luminoso Son magnitudes características de las fuentes; el primero indica la potencia luminosa propia de una fuente, es la cantidad de luz radiada o emitida durante un segundo.

Intensidad luminosa Es la cantidad de luz emitida o radiada por una fuente luminosa durante un segundo, en una dirección dada y para un ángulo sólido de valor un estereorradián (Sr). Si r vale 1m y la superficie S de la base del cono es de 1 m2, el ángulo sólido vale un estereorradián.

Figura N°1: Representación de una candela de intensidad luminosa.

Iluminancia La iluminancia también conocida como nivel de iluminación, es la cantidad de luz, en lúmenes, por el área de la superficie a la que llega dicha luz. La cantidad de luz sobre una tarea específica o plano de trabajo, determina la visibilidad de la tarea pues afecta a:

La agudeza visual La sensibilidad de contraste o capacidad de discriminar diferencias de luminancia y color La eficiencia de acomodación o eficiencia de enfoque sobre las tareas a diferentes

distancias Cuanto mayor sea la cantidad de luz y hasta un cierto valor máximo (límite de deslumbramiento), mejor será el rendimiento visual. La iluminancia es una consecuencia directa del alumbrado y la reflectancia constituye una propiedad intrínseca de la tarea. En una oficina determinada, pueden estar presentes muchas tareas diferentes con diversas reflectancias, lo que hace muy complicado tanto su estudio previo a la instalación, como sus medidas posteriores. Pero la iluminancia permanece dependiendo sólo del sistema de alumbrado y afecta a la visibilidad. En consecuencia, para el alumbrado de oficinas, la cantidad de luz se especifica en términos de iluminancias y normalmente de la iluminancia media (E med) a la altura del plano de trabajo. Para medir la iluminancia se utiliza un equipo denominado luxómetro.

Luminancia Es una característica propia del aspecto luminoso de una fuente de luz o de una superficie iluminada en una dirección dada. Es lo que produce en el órgano visual la sensación de claridad; la mayor o menor claridad con que vemos los objetos igualmente iluminados depende de su luminancia. Podemos decir pues, que lo que el ojo percibe son diferencias de luminancia y no de niveles de iluminación.

Grado de reflexión La luminancia de una superficie no sólo depende de la cantidad de lux que incidan sobre ella, sino también del grado de reflexión de esta superficie. Una superficie negro mate absorbe el 100% de la luz incidente, una superficie blanco brillante refleja prácticamente en 100% de la luz. Todos los objetos existentes poseen grados de reflexión que van desde 0% y 100%. El grado de reflexión relaciona iluminancia con luminancia. Luminancia (Absorbida) = grado de reflexión x iluminancia (lux) La definición de cada una de estas magnitudes, así como sus principales características y las correspondientes unidades se dan en la Tabla N°1.

Tabla N°1: Magnitudes y Unidades luminotécnicas.

Temperatura de color El color no es una cualidad de los cuerpos, ya que no se generan en ellos como tal, sino que es una interpretación que el cerebro realiza de las radiaciones electromagnéticas que el ojo es capaz de percibir. Una forma de describir una fuente luminosa es indicar cuál es su temperatura de color. Así por ejemplo una lámpara que tiene una temperatura de color de 5000°K, quiere decir que emite el mismo tono de luz que emitirá un cuerpo negro calentándolo a esa temperatura. Da información sobre la tonalidad de la luz. Índice de reproducción cromática (Ra) Es la capacidad que presenta una fuente luminosa de permitir una buena apreciación de los colores sobre los objetos iluminados. Cuanto más uniforme y completa sea la composición espectral de la radiación de un iluminante, mejor quedarán reproducidos los colores. Su valor se expresa en porcentaje en comparación con el cuerpo negro cuyo valor es de 100.

Tabla N°2: Índice de producción cromática.

Distribución de la luz, deslumbramiento Los factores esenciales en las condiciones que afectan a la visión son la distribución de la luz y el contraste de luminancias. Por lo que se refiere a la distribución de la luz, es preferible tener una buena iluminación general en lugar de una iluminación localizada, con el fin de evitar deslumbramientos.

Figura N°2: Deslumbramiento en iluminación general vs localizada.

La distribución de la luz de las luminarias también puede provocar un deslumbramiento directo y, en un intento por resolver este problema, es conveniente instalar unidades de iluminación local fuera del ángulo prohibido de 45 grados, como puede verse en la figura

Figura N°3: Ángulo prohibido.

Por esta razón los accesorios eléctricos deben distribuirse lo más uniformemente posible con el fin de evitar diferencias de intensidad luminosa. El deslumbramiento puede ser directo (cuando su origen está en fuentes de luz brillante situadas directamente en la línea de la visión) o reflejado (cuando la luz se refleja en superficies de alta reflectancia).

Existen diferentes indicadores para calcular los valores de deslumbramiento y compararlos con valores ya tabulados para saber si cumple o no las condiciones necesarias de acuerdo a la distribución y características de luminarias, como por ejemplo el índice de deslumbramiento unificado (UGR) que recomienda la Comisión Nacional de Iluminación o CIE (del Francés Commissions Internationale de l’éclairage). No obstante según el reglamento Nacional basado en el Decreto Nº 351/79 - ANEXO IV - CAPÍTULO 12 - ILUMINACIÓN Y COLOR establece lo siguiente “Con el objeto de evitar diferencias de iluminancias causantes de incomodidad visual o deslumbramiento, se deberán mantener las relaciones máximas indicadas en la siguiente tabla”

Tabla N°3: Relación Máximas de Luminancias

1.1.2 Procedimiento del cálculo de Alumbrado.

Un factor importante a la hora de realizar el diseño de la iluminación del Laboratorio es considerar la infraestructura con la cual se va proceder en el cálculo. Esto se debe, no solo a las dimensiones del mismo sino también a la concepción arquitectónica intentando aprovechar al máximo las ventajas que ofrece la iluminación natural. Como se verá más adelante la ampliación del Laboratorio tiene en cuenta este aspecto. La priorización de la iluminación natural frente a la artificial, no sólo tiene repercusión económica. El que la zona de trabajo esté iluminada con luz natural propicia un mejor ambiente de trabajo, así como beneficios fisiológicos y psicológicos para los operarios y además de los beneficios para el medio ambiente que supone no consumir energía eléctrica y consumir la luz solar, fuente inagotable de energía. No obstante para la simplificación de los cálculos, vamos a suponer el caso más desfavorable, condiciones nocturnas y realizar el diseño de iluminación para satisfacer estas condiciones.

Comenzamos sectorizando el Laboratorio según sus diferentes áreas de trabajo, a continuación se detalla el plano general del mismo.

Figura N°4: Plano del laboratorio – Distribución de área.

Vamos a proceder a calcular por sector lo siguiente: 1º. CALCULAR EL FLUJO LUMINOSO TOTAL NECESARIO (ΦT).

1.1. Fijar los datos de entrada: a. Dimensiones del local. (a, b y H) b. Altura del plano de trabajo. (h’) c. Nivel de iluminancia media. (Em) d. Elección del tipo de lámpara. e. Elección del tipo de luminaria (catálogos comerciales) y su altura de suspensión.

1.2. Determinar el coeficiente de utilización (Cu). a. Cálculo de coeficientes de reflexión b. índice k del local.

1.3. Determinar el factor de mantenimiento (fm). Según el tipo de local. 2º. ESTABLECER EL NÚMERO DE LUMINARIAS. 3º. PRECISAR EL EMPLAZAMIENTO DE LAS LUMINARIAS. 4º. COMPROBACIÓN DE LOS RESULTADOS. (Nivel de iluminación medio superior al de tablas)

SECTOR 1: Laboratorio Actual

Figura N°5: Layout – Sector 1.

1º. FLUJO LUMINOSO TOTAL NECESARIO (ΦT) a. Dimensiones del local

Largo (a): 11 mts Ancho (b): 5 mts Altura (H): 2.5 mts

b. Altura del plano de trabajo. (h’) Supondremos que la altura de las mesas de trabajo donde se lleven a cabo las tareas principales se encuentran a una altura de h’= 0.8m.

Figura N°6: Altura del plano de trabajo.

c. Nivel de iluminancia media. (Em) Este valor depende del tipo de actividad que se va realizar en el local y está regulado según normativas vigentes por Decreto Nº 351/79 - ANEXO IV - CAPÍTULO 12 - ILUMINACIÓN Y COLOR.

Tipo de Actividades a desarrollar: En este sector se van a llevar a cabo diferentes actividades sectorizadas como: metrología, metalografía, Tratamientos térmicos, análisis de lubricantes y ensayos destructivos. Al tener distintas tareas con exigencias lumínicas diferentes en un mismo sector vamos a utilizar iluminación general y localizada. Por lo tanto según tabla 4 del Decreto N°351/79, debemos cumplir una relación de iluminación según:

Tabla N°4: Iluminación general Mínima en función de la iluminación localizada

La actividad que más exigencia de iluminancia necesita, según tabla 2 del Decreto N°351/79, es “Iluminación localizada para trabajos delicados en banco o máquina, verificación de medidas, rectificación de piezas de precisión” con 1000 Lux. La cual la vamos a considerar iguales en todas las mesas de trabajo de este sector. Por lo tanto la iluminancia media general Em debe ser de 300 Lux.

d. Elección del tipo de lámpara. Seleccionamos como fabricante la marca Philips, tanto para la lámpara como para la luminaria a efecto de simplificar las elecciones. Usamos una base de datos digital para la selección de las mismas. Se decidió usar lámpara de tecnología LED para el ahorro en energía, ya que esta tecnología tiene muy alta eficacia es decir Lm/W y bajo Factor de Potencia.

Lámpara seleccionada: “LED Module, system flux 3400 lm” e. Elección del tipo de luminaria y su altura de suspensión. Generalmente, la altura de suspensión de las luminarias para locales de altura normal será aquella que resulte de colocar las luminarias lo más alto posible: Considerando que en el SECTOR 1, tenemos una altura de 2.5 mts y el mismo es hasta la plancha de durlock, el tipo de luminaria más adecuado es del tipo empotrable. Por lo tanto la altura de suspensión h = 1.7 mts.

Figura N°7: Altura de plano de trabajo y plano de las luminarias. Siendo

d = altura entre el plano de las luminarias y el techo.

h = altura entre el plano de trabajo y el plano de trabajo de las luminarias

h’ = altura del plano de trabajo al suelo

H = altura del local

Sin embargo, para locales de altura elevada, en ese caso, para determinar esa altura de suspensión puedes utilizar la siguiente tabla:

Tabla N°5: Determinación de la altura de las luminarias.

Filtrando en la base de dato de Philips seleccionamos el siguiente artefacto “RC461B G2 LED34S/840 PSD W60L60 VPC PIP”

Figura N°8: Artefacto “RC461B G2 LED34S/840 PSD W60L60 VPC PIP”

La elección del artefacto se filtró del fabricante de acuerdo a las condiciones establecidas y también por las características de los datos fotométricos. [Ver Anexo ] 1.2. Determinar el coeficiente de utilización (Cu). El coeficiente de utilización, nos indica la relación entre el número de lúmenes emitidos por la lámpara y los que llegan efectivamente al plano ideal de trabajo. Los fabricantes de luminarias proporcionan para cada modelo unas tablas, que son las denominadas tablas del factor de utilización. Este coeficiente será tanto más grande cuanto mayores sean los coeficientes de reflexión, mayores la altura y longitud del espacio físico y menor la altura del plano de trabajo. También, lógicamente, influirá si el alumbrado es directo o no, pues una distribución concentrada dirigirá la luz unitariamente hacia abajo, originando que una menor proporción de luz incida en las paredes y techos, obteniendo así una considerable mejora en el rendimiento de las instalaciones. El fabricante nos proporciona para la luminaria seleccionada la siguiente tabla de factor de utilización:

Tabla N°6: Factor de utilización según catálogo Philips

a. Cálculo el índice del local (k): El índice del local (k) se averigua a partir de la geometría de este según la característica de la iluminación:

Iluminación directa: el flujo luminoso es directo hacia abajo.

Iluminación semi-directa: el flujo luminoso es directo en gran parte hacia abajo (60-90%) y hacia arriba (10-40%).

Mixta (directa-indirecta): el flujo luminoso está distribuido uniformemente hacia abajo (40-60%) y hacia arriba (40-60%).

General difusa: el flujo luminoso está distribuido hacia abajo (40-60%) y hacia arriba (40-60%).

Semi-indirecta: el flujo luminoso es prevalente hacia la parte superior (60-90%).

Indirecta: El rendimiento es bajo y la visión poco nítida por la falta del efecto de sombra. Hacia arriba (90-100%).

Figura N°9: Diferente tipos de iluminación.

Claramente en nuestro caso que tenemos el artefacto empotrado es el caso de un sistema de iluminación directa. [Ver también ficha técnica de la lámpara]

Tabla N°7: Índice del local.

𝑘 =𝑎 𝑥 𝑏

ℎ 𝑥 (𝑎 + 𝑏)=

11 𝑥 5

1.7 𝑥 (11 + 5)= 2

b. Cálculo de los coeficientes de reflexión. Recordemos que la luminancia de una superficie no sólo depende de la cantidad de lux que incidan sobre ella, sino también del grado de reflexión de esta superficie. Los valores para los coeficientes de reflexión vienen tabulados según el color del techo, pared y piso (representa el plano de trabajo).

Tabla N°8: Factor de reflexión

Para nuestro caso tomaremos:

Techo: Blanco 0.7 Paredes: claras 0.5 Suelo: claro 0.3

Con estos datos y el índice del local (k), entramos a la tabla del fabricante para encontrar el coeficiente de utilización y podemos observar que el mismo vale Cu=1.

1.3. Definir el factor de mantenimiento (fm) Este coeficiente dependerá del grado de suciedad ambiental y de la frecuencia de la limpieza del local. Para una limpieza periódica anual podemos tomar los siguientes valores:

Tabla N°9: Factor de mantenimiento.

Por las características de los ensayos a realizar en el SECTOR 1 podemos suponer un ambiente Limpio, por lo tanto fm=0.8. Con todos estos datos ya calculados podemos averiguar el flujo luminoso necesario a través de la siguiente ecuación:

Φt =Em x S

Cu x fm

Donde ΦT : Flujo luminoso necesario [Lumenes] Em: Iluminancia media general [Lux] S: Superficie a iluminar [m2] Cu: Coeficiente de utilización. fm: Factor de mantenimiento.

ΦT =300 x 551

0.8 = 20625 Lumenes

2º. ESTABLECER EL NÚMERO DE LUMINARIAS. El número de luminarias para alcanzar el nivel de iluminación adecuado viene dado por la siguiente ecuación:

NL =Φ𝑡

𝑛 𝑥 Φ𝐿

Donde: ΦL: Flujo luminoso de una lámpara. n = número de lámparas que tiene la luminaria.

𝑁𝐿 =𝛷𝑇

𝑛 ∗ 𝛷𝐿=

20625

1 𝑥 3400 = 6.06 𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑎𝑟𝑖𝑎𝑠

Seleccionamos un total de 6 luminarias.

3º. PRECISAR EL EMPLAZAMIENTO DE LAS LUMINARIAS. Una vez calculado el número mínimo de luminarias que necesitamos, tenemos que proceder a distribuirlas sobre la planta del sector, es decir, tendremos que averiguar la distancia a la que debemos instalarlas para lograr una iluminación uniforme. En los locales de planta rectangular, como es nuestro caso, las luminarias se reparten de forma uniforme en filas paralelas a los ejes de simetría del local según las fórmulas:

Nancho = √Ntotal x b

a Nlargo =

Ntotal

Nancho

Redondeando Siempre hacia arriba tenemos:

Nancho = 1.65 ≈ 2

Nlargo =6

2= 3

Por lo tanto cantidad de luminaria a instalar Nancho 𝑥 Nlargo = 6 luminarias.

La distancia máxima de separación entre las luminarias dependerá del ángulo de apertura del haz de luz y de la altura de las luminarias sobre el plano de trabajo.

Figura N°10: Distancias entre luminarias.

Como puede verse fácilmente, mientras más abierto sea el haz y mayor la altura de la luminaria más superficie iluminará aunque será menor el nivel de iluminancia que llegará al plano de trabajo tal y como dice la ley inversa de los cuadrados. Por otro lado, la mayoría de las biografías resuelven el tema de la distribución, de manera uniforme. Es decir sacando el cociente entre el ancho del local y el número de luminaria a lo ancho y lo mismo para la separación a lo largo. De esta manera garantiza una distribución pareja en toda el área y vemos que las luminarias próximas a la pared están más cerca para una mejor iluminación (normalmente la mitad de la distancia).

Distancia entre luminarias a lo ancho: Ancho (b) /Nancho → 5 mts / 2 = 2.5 mts

Distancia entre luminarias a lo largo: Largo (a) / Nlargo→ 11mts / 3 = 3.66 mts

Figura N°11: Distribución de las luminarias en el sector.

COMPROBACIÓN DE LOS RESULTADOS Para verificar el resultado obtenido, podemos reemplazar los datos en la siguiente fórmula:

𝐸𝑚 =6 𝑥 3200 𝑥 1 𝑥 0.8

55= 297 𝐿𝑢𝑥 ∴ 𝑃𝑜𝑟 𝑙𝑜 𝑡𝑎𝑛𝑡𝑜 𝑒𝑠 𝑎𝑐𝑒𝑝𝑡𝑎𝑏𝑙𝑒

Iluminación localizada: De esta manera sabemos que en el plano de trabajo en toda la superficie del sector vamos a tener aproximadamente 300 Lux. Ahora debemos diseñar la luminaria localizada para obtener en los lugares específicos los 1000 lux que necesitamos para realizar la actividad. Según el diseño de nuestro sector, estas actividades específicas se van a llevar a cabo de forma individual en diferentes mesas de trabajo. Como la cantidad de Lux en un punto, es la suma de los Luxes individuales, debemos equipar cada mesa con una luminancia media (Em) de 700 Lux. Por lo tanto vamos a repetir el paso anterior pero solo para la superficie de la mesa.

Tenemos:

a. Altura entre plano de iluminación y plano de trabajo: Vamos a establecer una distancia reducida para no generar deslumbramientos excesivos h = 1 mts.

b. Índice del local (para el área de la mesa de 2m de largo y 0.8m de ancho) → k 0.6

c. Selección de luminaria: WT470C L1600 1 xLED 35S/840 O [ver anexo]

Figura N°12: Luminaria seleccionada

d. Cálculos de los coeficientes de reflexión: Vamos a suponer que no hay influencia por reflexión ya que ya que la distancia h es chica.

e. Calculamos el Coeficiente de utilización, según tabla proporcionada por el fabricante para

dicha luminaria. Con k 0.6 y Reflexión en las mejores condiciones para los casos de techo, pared y plano de trabajo ya que h es reducida.

Tabla N°11: factor de utilización Iluminación localizada.

Nos queda aproximadamente un Cu = 0.46

f. Cálculo de Flujo luminoso necesario

Φt =Em x S

Cu x fm

Donde

ΦT: Flujo luminoso necesario [Lúmenes] Em: Iluminancia media general [Lux] = 700 S: Superficie a iluminar [m2] = 1.6 Cu: Coeficiente de utilización = 0.46 fm: Factor de mantenimiento = 0.8

Flujo luminoso total necesario ΦT: 3043 Lúmenes. Como tenemos una lámpara de 3500 Lúmenes quiere decir que sobra potencia de flujo luminoso. De esta manera quedan definidas las iluminaciones del sector 1 con la cantidad requerida de Luxes en los planos de trabajo según norma. De manera similar se procede con los demás sectores. El detalle se encuentra en la siguiente tabla: El cálculo también es verificado por el software DIALux. [ver anexo]

Tabla N°12: Detalle de iluminarias por sector.

Tech

o

Pare

d

Plan

o

45

6

SECT

ORES

2 1 2 2,25 -

Ofic

inas

RC46

1B G

2 LE

D34S

/840

PSD

W60

L60

VPC

PIP

7000 20,85 0,8

1,7

mts

1,2

0,7

0,5

0,3-

LED

Mod

ule,

sys

tem

flux

340

0 lm

3400 24

Empo

trabl

e/ d

irect

a

4,5

x 3,

5 x

2,5

0,8

Gen

eral

300

Lx

2 2 4

2,25

2,25

ofic

inas

RC46

1B G

2 LE

D34S

/840

PSD

W60

L60

VPC

PIP

8500 30,9

0,8

1,7

mts

1,3

0,7

0,5

0,3-

LED

Mod

ule,

sys

tem

flux

340

0 lm

3400 24

Empo

trabl

e/ d

irect

a

4,5

x 4,

5 x

2,5

0,8

Gen

eral

300

Lx

8 2 2,25

SP40

0P P

OE

W30

L120

DIR

1

xLED

42S/

830

Labo

rato

rio d

e en

sayo

y c

ontro

l

2670

0

0,6 4 2

1,7

mts

71,7

0,7

0,5

0,3

0,9

400

Lx -

LED

Mod

ule,

sys

tem

flux

420

0 lm

4200 24

Susp

endi

da/ d

irect

as

4 4 3,5-

4,5

x 8

x 2,

5

0,8

Gen

eral

0,8

3146

1

3 2 2

2,5

mts

1,5

0,7

0,5

0,3

0,8985

1050

0

400

Lx

Gen

eral

0,8

7 x

8 x

4

4 4 3,5

0,890,3

3

Labo

rato

rio d

e en

sayo

y c

ontro

l

LED

mod

ule,

sys

tem

flux

105

00 lm

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0P G

3 1x

LED1

05S/

840

WB

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pana

s in

dust

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irect

as

2

Met

alúr

gica

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s,

herr

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jos:

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n en

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RC46

1B G

2 LE

D34S

/840

PSD

W60

L60

VPC

PIP

3

3146

1

0,8 2

1,7

mts

1,3

0,7

0,5

LED

Mod

ule,

sys

tem

flux

340

0 lm

3400 24

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trabl

e/ d

irect

a

3 6 2,5

3,661

2

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5 x

2,5

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eral

0,3 1 0,8

2062

5

6 2

Empo

trabl

e/ d

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a

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1B G

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L60

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2 0,7

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300

Lx

1000

Lx

3400 24

300

Lx -

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ero

de lu

min

aria

tota

l

Dist

anci

a en

tre lu

min

aria

anc

ho

Dist

anci

a en

tre lu

min

aria

larg

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***

Núm

ero

de lu

min

aria

anc

ho

Núm

ero

de lu

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or d

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m)

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min

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]

1,7

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*

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Mod

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0 lm

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m)

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cia

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para

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Dim

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ones

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l [

mts

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Altu

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1.2 POTENCIA ELÉCTRICA

1.2.1 Conceptos preliminares

La ejecución de una instalación eléctrica requiere necesariamente la confección de un proyecto, que debe constar de planos y memoria técnica. Para la confección de este proyecto eléctrico se tienen en cuenta los siguientes factores básicos: De orden general

Economía. Comodidad para uso y mantenimiento. Estética. Optimización, para un uso eficiente de la energía eléctrica.

Cargas eléctricas

Crecimiento y desarrollo de los sistemas de iluminación y fuerza motriz. Nuevas aplicaciones de la electricidad.

De orden técnico

Adecuadas condiciones de seguridad para las instalaciones y personas. Protección conveniente de los diferentes Circuitos, a fin de separar y localizar rápidamente, cualquier inconveniente o desperfecto que se presenten.

Facilidad del reconocimiento de las distintas derivaciones.

Normativas aplicadas En toda etapa del proyecto se trabajó acorde a la Reglamentación de la Asociación Electrotécnica Argentina que aplica las normas IRAM correspondientes. Compañía suministradora La energía eléctrica se tomará de la red de distribución eléctrica que posee la compañía EDÉN en la zona urbana objeto del estudio.

1.2.2 Desarrollo del proyecto eléctrico. Diseño de la distribución de circuitos

El primer punto con el que nos encontramos es la recepción de energía de la empresa proveedora y ese punto se denomina acometida. Es el punto de conexión entre el usuario y la compañía de energía eléctrica, la que puede ser aérea o subterránea. A su vez la protección de la línea de alimentación y el medidor de energía, debe cumplir con los requisitos que ésta establezca. El Reglamento de la Asociación Electrotécnica Argentina (AEA) establece un esquema general básico, al que debe ajustarse como mínimo toda instalación eléctrica en inmuebles como se muestra a continuación (Figura N°13)

Figura N°13: Esquema típicos de distribución de energía.

Si observamos el plano general del laboratorio (figura N°4), podemos identificar tres grandes áreas. Estas áreas corresponden a distintas exigencias energéticas, por lo que es conveniente separarlas. Por un lado tenemos los sectores 1 y 2 con trabajos de laboratorios, máquinas-herramientas sensibles y con baja carga energética. Luego los sectores 3 y 4, son de trabajos tipo taller, con mayores exigencias energéticas y por último, los sectores 5 y 6 corresponden a oficina y aula, por lo que es conveniente independizar las líneas eléctricas de las computadoras y artefactos livianos por la generación de ruidos. Por tal motivo, se selecciona una distribución semejante a la línea 6 de la figura N°13, donde tenemos un tablero principal y tres tableros seccionales. La Asociación de Electrotécnica Argentina establece que el tablero principal debe instalarse a una distancia lo más corta posible del medidor, como recomendación no mayor a 2 metros. En él debe instalarse un interruptor automático termomagnético que actúe como dispositivo de corte y protección por sobrecarga y cortocircuito de todas las fases de instalación eléctrica y sea bipolar para instalaciones monofásicas o tetrapolar para instalaciones trifásicas. Aguas abajo nos encontramos con los tableros seccionales donde debemos incorporar todas las protecciones de los circuitos terminales que en él se desprenden. Se debe contar con un dispositivo de corte general de todas las fases, debiendo instalarse:

Un interruptor automático termomagnético que actúe como dispositivo de corte y protección por sobrecarga y cortocircuito.

Un interruptor automático con apertura por corriente diferencial de fuga (IRAM 2301), que puede estar integrado a cada uno de los circuitos terminales derivados.

Cabe aclarar que todos los tableros eléctricos deben cumplir con todas las prescripciones establecidas en la reglamentación de la AEA, con respecto a la ubicación, instalación, materiales y grado de protección

IP.

Para cada una de los circuitos terminales derivados, debe instalarse un interruptor automático termomagnético con protección por sobrecarga y cortocircuito. De estos tableros se desprenden un número de circuitos terminales mínimos correspondiente a los siguientes:

Circuito de iluminación uso general.

Circuito de tomacorriente uso general.

Circuito de tomacorriente uso especial.

Circuito de tomacorriente trifásico.

Circuito de carga única. Según la AEA se deben cumplir con algunas características de los circuitos según lo establecido en la tabla N°13

Tabla N°13: Característica y tipos de circuitos

Conforme a esto, se procede al diseño de la distribución de carga por línea del laboratorio, teniendo en cuenta a su vez el layout de la planta y la distribución de máquinas-herramientas. [Ver plano en anexo]

1.2.1 Cálculo de la demanda en potencia luminosa Una vez seleccionadas las luminarias y la cantidad de acuerdo al método de los lúmenes, podemos establecer la potencia de iluminación como se muestra la siguiente tabla:

Sector Potencia lámpara

[W]

Cantidad de

luminaria

Potencia Total [KW]

1 24 6 0,14

2 24 4 0,10

3 85 4 0,34

4 24 8 0,19

5 24 4 0,10

6 24 2 0,05

Entrada 500 1 0,5

Exterior 100 2 0,2

Total 1,62

Tabla N°14: Potencia instalada de iluminación

La demanda de potencia debido a la iluminación del laboratorio será de 1.62 KW.

1.2.2 Cálculo de la potencia eléctrica motriz Para determinar la potencia motriz debemos considerar el consumo de cada carga (es decir la potencia nominal) y los tomacorrientes instalados, según las características de los circuitos. A modo de resumen se presentan en la tabla N°15, una lista con el detalle antes mencionado.

Equipos Potencia Eléctrica

[W] Cantidad

Potencia Total [KW]

Coefic. de simultaneidad

Potencia motriz

total [KW]

Consumo monofásico 220V

Perforadora de banco 375 1 0,4 0,7 0,3

Amoladora de banco 370 1 0,4 0,7 0,3

Parral de cañería 1500 1 1,5 0,7 1,1

Soldadora por arco eléctrico 5000 1 5,0 0,7 3,5

Agujereadora de mano 600 1 0,6 0,7 0,4

Amoladora de mano 900 2 1,8 0,7 1,3

Horno Eléctrico 1900 1 1,9 0,7 1,3

Horno Eléctrico 2600 1 2,6 0,7 1,8

Aires A/C FC 3500* 5000 1 5,0 0,7 3,5

Aires A/C FC 3500* 5000 1 5,0 0,7 3,5

Computadoras 350 7 2,5 0,7 1,7

Tomacorrientes general* 2200 3 6,6 1 6,6

Total 33,2 25,2

Consumo trifásico 380V

Banco de prueba hidráulico 4500 1 4,5 0,7 3,2

Torno 10000 1 10,0 0,7 7,0

Soldadora por arco eléctrico 6500 2 13,0 0,7 9,1

Fresa 10000 1 10,0 0,7 7,0

Compresor 7450 1 7,5 0,7 5,2

Máquina Universal 3720 1 3,7 0,7 2,6

Túnel de viento 3720 1 3,7 0,7 2,6

Tomacorrientes 32A* 15000 2 30,0 1 30,0

Total 82,4 66,7

TOTAL 115,6 91,9

Tabla N°15: Demanda de potencia en fuerza motriz

* Para la estimación de potencia simultánea demandada en los tomacorrientes se hizo hincapié en lo establecido en la AEA (Asociación Electrotécnica Argentina), donde establece un mínimo de potencia debido a la situación de “incertidumbre de las cargas a conectar”. En él establece que cada circuito monofásico tienen un valor mínimo de potencia máxima simultanea de 2200 W por cada circuito de tomacorriente uso general. Cada circuito puede tener hasta 15 bocas de tomacorrientes y la máxima corriente por boca es de 10 A. A modo de ejemplo se supone que simultáneamente (en el caso más desfavorable) se conecta dos amoladora de mano y un taladro en cada circuito. *En el caso de los tomacorrientes trifásicos fue una estimación teniendo en cuenta como máxima corriente de carga en el tomacorriente de 28 A. Esto da una potencia de 15KW por circuito. Como ejemplo es suponer dos soldadoras por arco eléctrico conectadas simultáneamente por circuito. *Los aires acondicionados fueron supuesto como estimativo, pensándose que por lo menos debería haber un aire en el aula y otro en la oficina. Cabe aclarar que no se realizaron los cálculos correspondientes, pero se aproximaron los consumos a un equipo estándar. Cada aire va conectado a través de un circuito específico.

El consumo total debido a la potencia eléctrica motriz considerando circuitos monofásicos y trifásicos resulta de 115,6 KW, pero considerando que nunca sucedería que el 100% de los equipos estuvieran conectados al mismo tiempo, debemos afectar dicho valor por un coeficiente de simultaneidad, este factor se muestra en la tabla. Por lo tanto el consumo final es de 92 KW.

1.2.3 Cálculo de potencia demandada simultánea. La mayor parte de los dispositivos y aparatos eléctricos se marcan para indicar su potencia nominal. La potencia instalada es la suma de las potencias nominales de todos los dispositivos eléctricos de la instalación. Por lo tanto la potencia instalada del laboratorio, es la suma de la potencia demanda en iluminación y la potencia demandada motriz, la cual tiene un valor de Pn = 92 + 1.6 = 93.6 KW. Pero esta no es en la práctica la potencia absorbida realmente. Para una alimentación de una red de alimentación pública de baja tensión o a través de un transformador de alta/baja tensión, la cantidad significativa es la potencia aparente en KVA. Normalmente se asume que la potencia aparente instalada es la suma aritmética de los KVA de las cargas individuales. Los KVA máximos estimados que se van a proporcionar sin embargo no son iguales a los KVA totales instalados. La demanda de potencia aparente de una carga se obtiene a partir de su potencia nominal (corregida si es necesario) y de la aplicación de los siguientes coeficientes: 𝑆𝑛 = 𝑃𝑛 /(𝜂 ×

𝑐𝑜𝑠 𝜙) ; donde η es el rendimiento eléctrico del dispositivo y 𝑐𝑜𝑠 𝜙 es el factor de potencia.

Sin embargo, es normal suponer, en instalaciones chicas que todos los artefactos tienen un mismo valor de factor de potencia, en cuyo resultado dará un valor de KVA que supera el valor real por un “margen de diseño” aceptable. Habiendo dicho esto, vamos a suponer para nuestro cálculo un factor de potencia, cos ϕ = 0.85 y una eficiencia eléctrica promedio de los artefactos del 93% considerando que los motores eléctricos generales ronda en 87% pero la iluminación LED en 100%. De esta manera la potencia aparente es de:

𝑆𝑛 = 𝑃𝑛 /(𝜂 × 𝑐𝑜𝑠 𝜙)

𝑆𝑛 = 93.6/(0.93 × 0.85) ≈ 120 𝐾𝑉𝐴

Finalmente adoptamos para los cálculos una potencia aparente demandada simultánea de 120 KVA.

1.2.4 Cálculo de sección nominal de los conductores Determinación de la corriente nominal de los circuitos terminales. Para determinar las secciones de los conductores, debemos primero calcular la corriente que circula en cada línea. La corriente que circula por los conductores puede calcularse para cada línea mediante las siguientes ecuaciones:

𝐼𝑛 =𝑃𝑛

𝐸𝑓 𝑥 cos 𝜑

𝐼𝑛 =𝑃𝑛

√3 𝑥 𝐸𝑙 𝑥 cos 𝜑

Donde

𝑃𝑛: Potencia nominal [W] 𝐸𝑓: Tensión de fase [voltios] Argentina 220v

𝐸𝑙: Tensión de línea [voltios] Argentina 380v cos 𝜑: Factor de potencia – estimado 0.85 Respecto al equilibrio de fases, según la AEA, se recomienda que el máximo desequilibrio de las corrientes entre fase no supere el 30%. (Tabla N°16)

Línea/Circuito terminal

Sector / Equipo Potencia

[KW] Fase R

[A] Fase S

[A] Fase T

[A] Tablero secuencial N°1: sector 3 , 4 , Entrada , Exterior

1.1 Iluminación general 1,23 6

1.2 Tomacorriente Gral. 2,2 11,8

1.3 Tomacorriente trifásico 15 26,81 26,81 26,81

1.4 Túnel de viento 3,7 6,61 6,61 6,61

1.5 Bco. de prueba hidráulico 4,5 8 8 8

1.6 Fresa 10 17,87 17,87 17,87

1.7 Torno 10 17,87 17,87 17,87

1 Total 46,63 88,96 83,16 77,16

Tablero secuencial N°2: sector 1 y 2

2.1 Iluminación general 0,24 1,1

2.2 Tomacorriente Gral. 2,2 11,8

2.3 Tomacorriente trifásico 15 26,81 26,81 26,81

2.4 Horno Eléctrico 1,9 8,6

2.5 Horno Eléctrico 2,6 11,8

2.6 Máquina Universal 3,7 6,61 6,61 6,61

2.7 Compresor 7,5 13,4 13,4 13,4

2 Total 33,14 58,62 55,42 59,72

Tablero secuencial N°3: sector 5 y 6

3.1 Iluminación general 0,15 0,7

3.2 Tomacorriente Gral. 2,2 11,8

3.3 Aires A/C FC 3500 5 21

3.4 Aires A/C FC 3500 5 21

3 Total 12,35 12,5 21 21

Acometida TOTAL ACUMULADO 92,12 160,08 159,58 157,88

Tabla N°16: Distribución de corriente por fase

Selección del conductor Vamos a seleccionar como proveedor a “INPACO conductores eléctricos1”. Son dos los criterios básicos para determinar la sección de un conductor: a) Capacidad máxima de conducción de corriente. b) Máxima caída de tensión admisible.

a) La capacidad máxima de conducción de corriente:

Esta va a depender entre otra cosa de la temperatura del ambiente, el agrupamiento de

circuitos, el tipo de instalación y la cantidad de conductores cargados.

Tipo de instalación: Para los circuitos de iluminación y tomacorrientes generales la

instalación se va a realizar por medio de electroductos aparente sobre pared o embutido en

mampostería con conductores multipolares x3 (fase, neutro y tierra). Este tipo de instalación

es del tipo B2, según catálogo de INPACO. La AEA dispone de tablas para la selección de

los electroductos en función de la cantidad y dimensión de los cables a transportar, debiendo

cumplirse por norma que el área de los conductores, incluyéndose la aislación, no debe

superar el 35% de la sección interna del caño.

1 Catálogo INPACO: http://www.inpaco.com.py/catalogo2016.pdf

Para las cargas directas monofásicas vamos a utilizar cables multipolares x3, transportados

sobre bandejas portacables perforadas, siendo la misma clasificadas como instalación del

tipo E. Para los circuitos trifásicos también se van a utilizar bandejas perforadas para su

distribución, pero en este caso el conductor va hacer un multipolar x4 (tres fases más

neutro) siendo del tipo E según catálogo.

Las bandejas portacables son conjuntos de unidades que conformar un sistema estructural

utilizada para sujetar y soportar en forma segura los cables eléctricos. Son del tipo “chapa

perforada”. En las bandejas sólo se pueden instalar como conductores activos, cables

unipolares o multipolares con vaina o envoltura de protección, salvo el conductor de

protección a tierra que puede colocarse sin vaina o desnudo. Alrededor de las bandejas de

cables, debe dejarse un espacio considerable para el acceso adecuado a la instalación y

mantenimiento. Como mínimo 20cm entre el borde superior de la bandeja y el cielorraso.

Figura N°14: Instalación tipo E “Bandeja portacables”

Temperatura de funcionamiento: Consideraremos que la temperatura promedio de

funcionamiento se encuentra alrededor de la temperatura ambiente de 24°C.

Cantidad de conductores cargados: Supondremos para cada caso que la cantidad de

conductores cargados es del 100%.

Agrupamiento de circuito: Las capacidades de conducción de corriente para circuitos

simples y para agrupamiento de circuitos deberán ser determinados multiplicando los valores

dados según tipo de instalación, por factores de corrección indicados por el fabricante.

En caso de los circuitos terminales, vamos a considerar, para el dimensionamiento del conductor que la potencia a soportar es el 100% de la potencia nominal, pero en caso de los circuitos principales a los tableros se considerará la potencia simultánea, es decir modificada por un coeficiente de simultaneidad suponiendo que no todas las líneas van a estar en uso. Para el tablero N°1 supondremos un coeficiente de 0.5, para el N°2 un coeficiente de 0.7, el tablero N°3 un coeficiente de 1 y finalmente para el tablero principal (acometida) vamos a suponer un coeficiente de 0.7.

A continuación se detallan las corrientes máximas soportadas por tipo de instalación y se

determina las secciones de cada circuito. (Tabla N°17)

Línea/Circuito terminal

Sector / Equipo Tipo de

instalación Conductor

Corriente de trabajo

[A]

Factor de

correc.

Corriente final [A]

Sección

[mm2]

1.1 Iluminación general B2 multipolar x3 6,0 0,7 8,6 1

1.2 Tomacorriente Gral. B2 multipolar x3 11,8 0,7 16,9 2,5

1.3 Tomacorriente trifásico E multipolar x4 26,8 0,77 34,8 6

1.4 Túnel de viento E multipolar x4 6,6 0,77 8,6 1

1.5 Bco. de prueba hidráulico E multipolar x4 8,0 0,77 10,4 1

1.6 Fresa E multipolar x4 17,9 0,77 23,2 4

1.7 Torno E multipolar x4 17,9 0,77 23,2 4

1 Tablero N°1 E multipolar x4 45,0 0,77 58,4 16

2.1 Iluminación general B2 multipolar x3 1,1 0,7 1,6 1

2.2 Tomacorriente Gral. B2 multipolar x3 11,8 0,7 16,9 2,5

2.3 Tomacorriente trifásico E multipolar x4 26,8 0,77 34,8 6

2.4 Horno Eléctrico E multipolar x3 8,6 0,82 10,5 1

2.5 Horno Eléctrico E multipolar x3 11,8 0,82 14,4 1,5

2.6 Máquina Universal E multipolar x4 6,6 0,77 8,6 1

2.7 Compresor E multipolar x4 13,4 0,77 17,4 2

2 Tablero N°2 E multipolar x4 42,0 0,77 54,5 16

3.1 Iluminación general B2 multipolar x3 0,7 0,7 1,0 1

3.2 Tomacorriente Gral. B2 multipolar x3 11,8 0,7 16,9 2,5

3.3 Aires A/C FC 3500 E multipolar x3 21,0 0,82 25,6 4

3.4 Aires A/C FC 3500 E multipolar x3 21,0 0,82 25,6 4

3 Tablero N°3 E multipolar x4 21 0,77 27,3 4

Acometida Tablero principal B2 multipolar x4 112 0,65 172,3 120

Tabla N°17: Determinación de la secciones de los conductores.

En todos los casos se utilizaron conductores de cobre con aislación de PVC.

b) Máxima caída de tensión admisible2:

La verificación de la caída de tensión considera la diferencia de tensión entre los extremos del

conductor, calculada en base a la corriente absorbida por todos los elementos conectados al

mismo y susceptibles de funcionar simultáneamente. Se deberá cumplir que no supere la carga

máxima admisible por la carga, de acuerdo con:

ΔU = ΔUadm

Como valores tentativos de caída de tensión admisible se puede tomar:

Circuitos de iluminación: ΔUadm = 3%

Circuitos de fuerza motriz: ΔUadm = 5% (en régimen); ΔUadm = 15 % (en arranque)

Para su cálculo debe aplicarse la siguiente expresión:

𝛥𝑈 = 𝐾. 𝐼𝑛. 𝐿 . ( 𝑟. 𝑐𝑜𝑠𝜙 + 𝑥. 𝑠𝑒𝑛𝜙 )

Donde:

ΔU= caída de tensión expresada [Volt]

K= constante referida al tipo de alimentación (de valor igual a 2 para sistemas

monofásicos y √3 para trifásicos

In= corriente nominal de la instalación [A]

2 Según la Asociación Electrotécnica Argentina (AEA)

L=longitud del conductor [Km]

R = resistencia del conductor [Ω/Km]

X = reactancia del conductor [Ω/Km]

ϕ = ángulo de fase de la impedancia de carga [Cosϕ: 0.85 y Senϕ:0.53 en régimen y

Cosϕ: 0.30 y Senϕ: 0,95] 3

En la siguiente tabla podrán encontrar los valores de las caídas de tensión de los diferentes

circuitos:

Línea/Circuito terminal

Sección [mm2]

Longitud [Km]

Resistencia eléctrica

r [Ω/Km]

Reactancia x [Ω/Km]

Tensión [V]

Fa

cto

r

K

In [A] ∆U

[V]

Gradiente de Caída

de tensión adm.

∆U

adm

1.1 3 x 1 0,025 21,66 0,115 220 2 6,0 5,5 3% 6,6

1.2 3 x 2,5 0,025 8,87 0,101 220 2 11,8 4,5 5% 11

1.3 4 x 6 0,025 3,69 0,102 380 1,73 26,8 1,4 15% 57

1.4 4 x 1 0,025 21,66 0,122 380 1,73 6,6 1,9 15% 57

1.5 4 x 1 0,025 21,66 0,122 380 1,73 8,0 2,3 15% 57

1.6 4 x 4 0,025 5,52 0,107 380 1,73 17,9 1,4 15% 57

1.7 4 x 4 0,025 5,52 0,107 380 1,73 17,9 1,4 15% 57

1 4 x 16 0,025 1,38 0,092 380 1,73 45,0 1,0 15% 57

2.1 3 x 1 0,025 21,66 0,115 220 2 1,1 1,0 3% 6,6

2.2 3 x 2,5 0,025 8,87 0,101 220 2 11,8 4,5 5% 11

2.3 4 x 6 0,025 3,69 0,102 380 1,73 26,8 1,4 15% 57

2.4 3 x 1 0,025 21,66 0,115 220 2 8,6 7,9 5% 11

2.5 3 x 1,5 0,025 14,48 0,108 220 2 11,8 7,3 5% 11

2.6 4 x 1 0,025 21,66 0,122 380 1,73 6,6 1,9 15% 57

2.7 4 x 2 0,025 10,92 0,111 380 1,73 13,4 2,0 15% 57

2 4 x 16 0,025 1,38 0,092 380 1,73 42,0 0,9 15% 57

3.1 3 x 1 0,025 21,66 0,115 220 2 0,7 0,6 3% 6,6

3.2 3 x 2,5 0,025 8,87 0,101 220 2 11,8 4,5 5% 11

3.3 3 x 4 0,025 5,52 0,1 220 2 21,0 5,0 5% 11

3.4 3 x 4 0,025 5,52 0,1 220 3 21,0 7,5 5% 11

3 4 x 4 0,025 5,52 0,107 380 1,73 21,0 4,3 5% 19

Acometida 4 x 120 0,01 0,18 0,08 380 1,73 112 0,3 15% 57

Tabla N°18: Verificación por caída de tensión en los circuitos.

Para las longitudes de los circuitos se consideró el caso más desfavorable estimándose por

plano y los valores de las resistencias y reactancias se obtuvieron del catálogo del fabricante.

3 Según la Asociación Electrotécnica Argentina (AEA)

1.2.5 Cálculo de las Protecciones de la Instalación

Una vez establecidas las secciones de los conductores para los diferentes circuitos, precedemos

a determinar las protecciones termomagnéticas y disyuntores diferenciales automáticos. La

Reglamentación para la Ejecución de Instalaciones Eléctricas de Inmuebles elaborada por la

Asociación Electrotécnica Argentina, establece las condiciones mínimas que deben cumplir las

instalaciones eléctricas para preservar la seguridad de las personas y los bienes.

Sistema de protección de las instalaciones eléctricas:

Las posibles fallas que pueden producirse son las siguientes:

Sobrecargas: una circulación de corriente que supera permanentemente la prevista para

el cable instalado.

Cortocircuito: contacto directo entre dos conductores de polaridad opuesta.

Contacto a masa: la aislación se destruye y el cable toca el artefacto metálico,

produciendo una sobreintensidad intencional por la vinculación a masa.

Circuito abierto: el cable se corta y se pierde la continuidad. Por vinculación a masa genera

sobreintensidad.

Los dispositivos básicos de protección de las instalaciones eléctricas para prevenir fallas contra

cortocircuitos y sobrecargas, consiste simplemente en provocar una apertura en el circuito

eléctrico, cortando de esa forma la circulación de la corriente en un tiempo determinado por la

magnitud de la corriente de falla. Estos dispositivos son los Interruptores Termomagnéticos.

Al diseñar las características de las protecciones por sobrecarga, se considera que le dispositivo

de corte debe actuar antes que se produzca una intensidad Ic, que supere el valor tolerable de

calentamiento del cable en un tiempo de 60min. Por lo tanto debe satisfacer las dos condiciones

siguientes:

a) Condición de protección contra las corrientes de sobrecarga:

𝐼𝑝 ≤ 𝐼𝑛 ≤ 𝐼𝑐

Donde:

𝐼𝑝: Corriente de trabajo.

𝐼𝑛: Corriente nominal de la protección.

𝐼𝑐: Corriente admitida por el conductor.

Vamos a utilizar en todos los casos Interruptores Termomagnéticos del tipo retardo. Estos son de

corte más lentos y se emplean en circuito de fuerza motriz donde las sobreintensidades de los

arranques de los motores pueden ser varias veces la nominal de régimen en un tiempo muy

pequeño.

Para la selección de las protecciones

b) Verificación por cortocircuito de la protección y del conductor:

Por otra parte el dispositivo de protección en caso de un cortocircuito debe cumplir con:

𝑃𝑑𝐶𝑐𝑐 ≥ 𝐼𝑐𝑐

Por último se verifica el conductor por corriente de cortocircuito. Se realiza para determinar la

máxima solicitación térmica a que se ve expuesto el conductor durante la evolución de corrientes

de breve duración o cortocircuitos. Existirá entonces, una sección mínima S que será función del

valor de la potencia de cortocircuito en el punto de alimentación, el tipo de conductor evaluado y

su protección automática asociada. En esta verificación se deberá cumplir con:

𝑆 ≥ 𝐼𝑐𝑐 . √𝑇 / 𝐾

Siendo:

𝑃𝑑𝐶𝑐𝑐: Capacidad de ruptura del dispositivo de protección.

S: Sección mínima del conductor en mm2 que soporta el cortocircuito.

Icc: Valor eficaz de la corriente de cortocircuito en Amper

T: Tiempo de actuación de la protección en segundos.

K: Constante que contempla el tipo de conductor sus temperaturas máximas de servicio y la

alcanzada al finalizar el cortocircuito previstas por la norma:

K: 114 para conductores de cobre aislados en PVC.

K: 74 para conductores de aluminio aislados en PVC.

K: 142 para conductores de cobre tipo XLP y EPR.

K: ídem para el aluminio.

Para el diseño de una instalación y elegir adecuadamente los dispositivos de protección debemos

conocer las corrientes de cortocircuito máximas y mínimas en los distintos niveles.

Corrientes de cortocircuito máximas

Estas corrientes corresponden a un cortocircuito en los bornes de salida del dispositivo de

protección, considerando la configuración de la red y al tipo de cortocircuito de mayor aporte. En

general, en las instalaciones de baja tensión el tipo de cortocircuito de mayor aporte es el trifásico.

Estas corrientes se utilizan para determinar:

El Poder de Corte y de Cierre de los interruptores.

Los esfuerzos térmicos y electrodinámicos en los componentes.

Corrientes de cortocircuito mínimas

Estas corrientes corresponden a un cortocircuito en el extremo del circuito protegido,

considerando la configuración de la red y al tipo de cortocircuito de menor aporte. En las

instalaciones de baja tensión los tipos de cortocircuito de menor aporte son el fase-neutro

(circuitos con neutro) o entre dos fases (circuitos sin neutro).

Estas corrientes se utilizan para determinar:

- El ajuste de los dispositivos de protección para la protección de los conductores frente a

cortocircuito.

Para calcular la corriente máxima de cortocircuito usaremos la siguiente expresión:

𝐼"𝑐𝑐3 =𝑈𝑛

√3 𝑥 |𝑍𝑘|

Donde

𝐼"𝑐𝑐3: Corriente inicial simétrica de cortocircuito trifásico.

𝑈𝑛: Tensión nominal del circuito.

𝑍𝑘: Impedancia equivalente del circuito de falla.

Para calcular la corriente mínima de cortocircuito usaremos la siguiente expresión:

𝐼"𝑐𝑐2 =𝑈𝑛

√3 𝑥 (|𝑍𝑘 + 𝑍𝑛

|)

El circuito de falla dependerá del punto en donde queramos calcular la corriente de cortocircuito.

Consideraciones generales4: Para realizar los cálculos vamos a suponer que la potencia de

cortocircuito en la red de media tensión es de 300MVA; el circuito se encuentra equilibrado; la

tensión no varía durante el tiempo de cortocircuito; la resistencia del arco no se considera y la

falla es franca (R=0).

En los cálculos se supondrá que la potencia suministrada de la red de media tensión (13,2KV) a

baja tensión (0.4KV), será a través de un transformador de 250 KVA (según consumo de 120KVA

del laboratorio). Teniendo que modificarse en caso de ser distinto el tipo de transformador a

utilizar.

Datos del Transformador5:

Potencia Nominal: Sn: 250 KVA.

Potencia de Cortocircuito: 3500 W.

Tensión de Cortocircuito: 4%.

A continuación se presenta un diagrama unifilar para el sistema en cuestión.

4 Suposiciones consideradas en la AEA. 5 Catalogo: Transformadores MIRON: http://www.transformadormiron.com.ar/pdfs/folletos_transformador_de_distribucion.pdf

Figura N°15: Diagrama unifilar del sistema.

Cálculo de la impedancia equivalente

Para calcular la Impedancia equivalente del circuito de falla, es necesario considerar las

impedancias de la red de distribución, impedancia del transformador y las impedancias de los

cables de bajada hasta la acometida. De esta manera podremos dimensionar el interruptor

térmico del tablero principal.

Calculamos la impedancia equivalente.

𝑍𝑘 = 𝑍𝑅

+ 𝑍𝑇 + 𝑍𝐿

Donde:

𝑍𝑅 : Impedancia de la Red.

𝑍𝑇 : Impedancia del transformador.

𝑍𝐿 : Impedancia de la línea.

I) Red:

𝑍𝑅 =

(𝑈𝑛)2

𝑆”𝑅→

(400)2

300𝑥𝐸6= 0,000533 Ω

𝑆”𝑅: Potencia de cortocircuito de la Red.

Para los cálculos de la corriente de cortocircuito en instalaciones de baja tensión, se pueden

despreciar la componente resistiva de la impedancia de cortocircuito de la Red.

𝑍𝑅 = 𝑗 0,000533 Ω

II) Transformador:

𝑍𝑇 =

𝑢𝑇(%)

100𝑥

(𝑈𝑛)2

𝑆𝑛→

4

100𝑥

0.42

250= 0,0256 Ω

𝑢𝑇(%): Tensión de cortocircuito.

𝑆𝑛: Potencia nominal aparente del transformador.

𝐼𝑛 =𝑆𝑛

√3 𝑥 𝑈𝑛

→ 250

√3 𝑥 0.4= 361 𝐴

𝑅𝑇 =𝑃𝑐𝑐

3 𝑥 𝐼𝑛2 →

3500

3 𝑥 3612= 0,00895 Ω

𝑋𝑇 = √𝑍𝑇2 − 𝑅𝑇

2 → √0,02562 − 0.008952 = 0,02398 Ω

𝑍𝑇 = 0,00895 + 𝑗 0,02398 Ω

III) Línea:

𝑍𝐿 = 𝑅𝐿 𝑥 𝐿 + 𝑗 𝑋𝐿 𝑥 𝐿

Los datos de la resistencia y la reactancia fueron sacados del catálogo del conductor. La longitud

del cable fue establecida anteriormente.

𝑍𝐿 = 0,18

Ω

𝐾𝑚 𝑥 0,03𝐾𝑚 + 𝑗 0,08

Ω

𝐾𝑚 𝑥 0.03𝐾𝑚 = 0,0054 + 𝑗 0,0024 Ω

∴ |𝑍𝑘 | = |𝑍𝑅

+ 𝑍𝑇 + 𝑍𝐿

| = √(0,014352 + 0,026912) 0,0305 Ω

Cálculo de la Máxima Corriente de cortocircuito a la entrada de la acometida.

Si recordamos este cortocircuito se debe a una línea trifásica con carga balanceadas.

𝐼”𝑐𝑐3 =𝑈𝑛

√3 𝑥 |𝑍𝑘| →

400

√3 𝑥 0,0305= 7571.8 𝐴

Cálculo de Mínima Corriente de cortocircuito al final del circuito protegido.

Esto se daba para línea monofásica entre una fase y el neutro.

𝐼”𝑐𝑐2 =𝑈𝑛

√3 𝑥 (|𝑍𝑘 + 2𝑥𝑍𝑛| )

𝑍𝑛 : es la impedancia de la línea del neutro. Pero es multiplicada por 2 ya que también tenemos

que considerar la fase del circuito protegido, y estos conductos son del mismo tamaño y

características. Vamos a considerar para el cálculo, el circuito más desfavorable, y de esta forma

las demás protecciones para los circuitos terminales también quedaran verificadas.

𝑍𝑛 = 1,38

Ω

𝐾𝑚 𝑥 0,025𝐾𝑚 + 𝑗 0,092

Ω

𝐾𝑚 𝑥 0.025𝐾𝑚 = 0,0345 + 𝑗 0,0023 Ω

2 𝑥 𝑍𝑛 = 0,069 + 𝑗 0,0046 Ω

𝑍𝑘 + 2𝑥𝑍𝑛

= 0,08335 + 𝑗 0,029213 Ω

(|𝑍𝑘 + 2𝑥𝑍𝑛| ) = 0,089107 Ω

𝐼”𝑐𝑐2 =400

√3 𝑥 0,089107= 2591.7 𝐴

Línea Sección [mm2]

Capacidad de

Corriente Ic [A]

Corriente de

trabajo Ip [A]

Corriente de

cortocir. Icc [A]

Interruptores Auto. Termomagnéticos Disyuntores

Auto. Diferenciales

Ip ≤ In ≤ Ic PdCcc ≥ Icc Curva Polos In Sensibilidad

1.1 1 12 6,0 210,4 10 Amp 3000 A C bipolar

63 Amp

300 mA

1.2 2,5 20 11,8 503,2 20 Amp 3000 A C bipolar

1.3 6 37 26,8 1146,6 32 Amp 3000 A C tetrapolar

1.4 1 11,8 6,6 210,4 10 Amp 3000 A C tetrapolar

1.5 1 11,8 8,0 210,4 10 Amp 3000 A C tetrapolar

1.6 4 28,6 17,9 790,5 25 Amp 3000 A C tetrapolar

1.7 4 28,6 17,9 790,5 25 Amp 3000 A C tetrapolar

1 16 67,2 45,0 2591,7 63 Amp 3000 A C tetrapolar

2.1 1 12 1,1 210,4 5 Amp 3000 A C bipolar

63 Amp

300 mA

2.2 2,5 20 11,8 503,2 20 Amp 3000 A C bipolar

2.3 6 37 26,8 1146,6 32 Amp 3000 A C tetrapolar

2.4 1 14 8,6 210,4 10 Amp 3000 A C bipolar

2.5 1,5 18,5 11,8 312,5 16 Amp 3000 A C bipolar

2.6 1 11,8 6,6 210,4 10 Amp 3000 A C tetrapolar

2.7 2 18 13,4 411,4 16 Amp 3000 A C tetrapolar

2 16 67,2 42,0 2591,7 63 Amp 3000 A C tetrapolar

3.1 1 12 0,7 210,4 5 Amp 3000 A C bipolar

40 Amp

300 mA

3.2 2,5 20 11,8 503,2 20 Amp 3000 A C bipolar

3.3 4 32 21,0 790,6 25 Amp 3000 A C bipolar

3.4 4 32 21,0 790,6 25 Amp 3000 A C bipolar

3 4 29 21,0 790,5 25 Amp 3000 A C tetrapolar

En la siguiente tabla se detallan las protecciones de los circuitos cumpliendo con los criterios

establecidos para su elección. Tabla N°19: Selección de las protecciones.

Todas las protecciones seleccionadas son de marca SICA6. Según la curva C de las

protecciones otorgada por el fabricante, para corrientes mayores a tres veces la corriente

nominal de trabajo (caso que todas cumplen con esa condición) el tiempo de apertura de la

protección es de 0.02s. Con este dato podemos verificar los conductores por cortocircuito.

Línea Sección

[mm2]

Corriente de cortocir.

Icc [A]

Tiempo [s]

K Verificación de Sección

[mm2]

1.1 1 210,4 0,02 114 0,26

1.2 2,5 503,2 0,02 114 0,62

1.3 6 1146,6 0,02 114 1,42

1.4 1 210,4 0,02 114 0,26

1.5 1 210,4 0,02 114 0,26

1.6 4 790,5 0,02 114 0,98

1.7 4 790,5 0,02 114 0,98

1 16 2591,7 0,02 114 3,22

2.1 1 210,4 0,02 114 0,26

2.2 2,5 503,2 0,02 114 0,62

2.3 6 1146,6 0,02 114 1,42

2.4 1 210,4 0,02 114 0,26

2.5 1,5 312,5 0,02 114 0,39

2.6 1 210,4 0,02 114 0,26

2.7 2 411,4 0,02 114 0,51

2 16 2591,7 0,02 114 3,22

3.1 1 210,4 0,02 114 0,26

3.2 2,5 503,2 0,02 114 0,62

3.3 4 790,6 0,02 114 0,98

3.4 4 790,6 0,02 114 0,98

3 4 790,5 0,02 114 0,98

Acometida 120 7571,8 0,02 114 9,39

Tabla N°20: Verificación de los conductores a cortocircuito.

6 Catálogo SICA: http://sicaelec.com/upload/1/37/a_1397735961_1742179835.pdf

Acometida 120 177,16 112,0 7571,8 125 Amp 35000 A C tetrapolar 125 Amp

300 mA

1.2.6 Protección por puesta a tierra

Consiste en la ejecución de un sistema de monitoreo permanente, destinado a proteger las

instalaciones de los peligros de incendio y las personas contra los riesgo que puedan resultar del

contacto accidental con las partes metálicas o masas puesta accidentalmente bajo tensión. Como

medida básica de seguridad, independientemente de contar con un disyuntor diferencial debe

realizarse una instalación de puesta a tierra, que se basa en conectar eléctricamente las masas

de la instalación con la tierra conductora o suelo por medio de un sistema permanente de

resistencia reducida. La protección diferencial complementada con la puesta a tierra, permiten

efectuar una supervisión y monitoreo permanente vigilando en forma constante cualquier

pequeño defecto que pudiera producirse.

Instalación de puesta a tierra

Se denomina puesta a tierra a una toma, electrodo o dispersor, que es la parte conductora, en

contacto íntimo con la tierra cuyo potencial eléctrico se toma por convención igual a cero y se

vincula equipotencialmente mediante un conductor de protección con las masas de la instalación.

En nuestro caso vamos a utilizar jabalinas, que consisten en caños de acero o perfiles acero-

cobre o acero galvanizado en caliente, instalándose por hinchado directo, sin perforación, de

modo de obtener un contacto eficaz con el suelo.

La unión de la jabalina con el conductor de puesta a tierra que lo vincula con el tablero principal,

se debe efectuar dentro de una cámara de inspección de manera de poder ejecutar cómodamente

la vinculación. Además debe efectuarse por medio adecuados, como grampas de bronce o

soldaduras cupro-aluminio debiéndose permitir la desconexión a fin de poder medir la resistencia

de puesta a tierra.

Figura N°16: Puesta a tierra de la jabalina.

Resistencia de la puesta a tierra

Se establece como valor máximo de la resistencia de puesta a tierra en 40Ω, garantizando que

la tensión de contacto no sea mayor de 24V y dicho valor debe ser verificado por medición al

final de la ejecución de los trabajos.

Calculo de la resistencia de puesta a tierra

Puede estimarse en forma aproximada la resistencia a tierra de una jabalina enterrada

verticalmente mediante la siguiente expresión:

𝑅 =𝜌

2𝜋 𝐿 𝑥 (ln

8𝐿

𝑑− 1)

Siendo:

R: resistencia en Ohm de la puesta a tierra [Ω]

L: Longitud de la jabalina enterrada [m]

d: diámetro de la jabalina [m]

𝜌: resistividad del terreno [Ωm]

La resistencia de una Jabalina de acero-cobre, de 16mm de diámetro por 1,5m de largo, que

conforman la longitud mínima estipulada por reglamentación de la AEA, estimado para Buenos

Aires una resistividad del terreno de 15Ωm, vale:

𝑅 =15

2𝜋 1.5 𝑥 (ln

8 𝑥 1.5

0.016− 1) = 10.5Ω

De esta manera, se verifica que es menor que el valor máximo establecido de 40 Ω

Conductor de protección (PE)

La conexión con la puesta a tierra, de las partes conductores accesibles o masas de la instalación,

se deben realizar por medio de un conductor denominado conductor de protección (PE) de cobre

electrolítico aislado conforme a normas IRAM-NM247-3, IRAM 2178, IRAM 62266 o IRAM 62267,

de color verde y amarillo que recorre la instalación integralmente, incluyendo aquellas cajas y

bocas que no posean tomacorrientes, desde la barra o juego de bornes que conforman la barra

principal de tierra.

En ningún caso la sección del conductor de protección debe ser menor que 2,5 mm². Se

recomienda no interrumpir al conductor de protección en ningún punto de su recorrido, con

excepción de los eventuales cambios de sección a realizar en los tableros seccionales y de los

empalmes.

Dimensionamiento de los conductores de protección (PE):

Según el Reglamento de la AEA, el cálculo del conductor de puesta a tierra como el de protección

PE puede estimarse en función de los conductores de fase de la instalación:

Sección conductores de fases S [mm2]

Sección del conductor de protección PE y del de puesta a tierra [mm2]

S < 16 S

16 ≤ S ≤ 35 16

S > 35 S/2

Tabla N°21: Sección de la puesta a tierra y de los PE

A continuación se detalla una tabla con las secciones de los conductores de PE para las distintas

ramificaciones de los circuitos terminales y la sección de la puesta a tierra.

Línea/Circuito terminal

Sección de fase

[mm2]

Sección del PE y puesta a tierra

1.1 1 2,5

1.2 2,5 2,5

1.3 6 6

1.4 1 2,5

1.5 1 2,5

1.6 4 4

1.7 4 4

1 16 16

2.1 1 2,5

2.2 2,5 2,5

2.3 6 6

2.4 1 2,5

2.5 1,5 2,5

2.6 1 2,5

2.7 2 2,5

2 16 16

3.1 1 2,5

3.2 2,5 2,5

3.3 4 4

3.4 4 4

3 4 4

Acometida 120 60

Tabla N°22: secciones de los conductores de PE por circuito terminales y Puesta a tierra