Conductores_Electricos

Resumen Proyecto Suministro Eléctrico Enap Refinerías Aconcagua Noviembre 2005Agosto 2008

CURSO EIE 475-01DISEÑO DE SISTEMAS ELÉCTRICOSINDUSTRIALES

Profesor : Carlos Rojas Agüero

CAPÍTULO 7CONDUCTORES ELÉCTRICOS

PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSOFACULTAD DE INGENIERÍAESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

Noviembre 2005Marzo 2006Resumen Proyecto Suministro Eléctrico Enap Refinerías Aconcagua Noviembre 2005EIE 475-01 Diseño de Sistemas Eléctricos Industriales Carlos Rojas Agüero Agosto 2008

Clasificación de los Conductores Eléctricos

Conductores Eléctricos



Clasificación según su función

Cables para el transporte de energía.Cables de control y señales codificadas.

Clasificación de acuerdo a la tensión de servicio

Tensiones reducidas (menor o igual a 100 V).Baja Tensión (superior a 100 V y hasta 1 kV).Media Tensión (más de 1 kV y hasta 60 kV).Alta Tensión (más de 60 kV y hasta 220 kV).Extra Alta Tensión (por sobre 220 kV).



Características Funcionales de los Conductores Eléctricos

• Las líneas o cables deben ser capaces de transportar la corriente normal de funcionamiento y la que se presenta en situaciones de emergencia.

• En emergencias se admite sobrecargar los cables; el limite estarádado por la temperatura que alcance el material conductor sin degradar el aislante.

• La temperatura del cable depende del ambiente, por lo que su capacidad de sobrecarga esta ligada a estas condiciones (temperatura ambiente, velocidad del aire, etc.).

• Si el cable es relativamente largo, la caída de tensión asume importancia y debe ser necesario verificar estas condiciones.



Vida Útil de los Conductores Eléctricos

• En general es elevada (superior a 20 años).

• En la práctica la duración del cable depende de cómo se conserve la aislación. Este está sometido a temperaturas que aceleran el proceso de envejecimiento y que se reflejan en pérdida de las cualidades mecánicas.

• El estudio de los aislantes ha conducido a definir que respetando cierta temperatura máxima en operación se espera alcanzar cierta vida útil, cada sobretemperatura que se presente quita al cable algo de su vida útil.

• Se considera aceptable que sobrecargas y cortocircuitos hagan perder al cable el 10% de su vida útil, este criterio define la temperatura máxima que puede presentarse en estas condiciones.


Clasificación por la naturaleza de sus componentes

Conductores de Cobre o Aluminio.Aislados con Plástico, goma o papel impregnado.Armados apantallados, etc.

Clasificación por sus aplicaciones específicas

Para instalaciones interiores en edificios.Para redes de distribución de energía, urbanas o rurales.De señalización, telefonía, radiofrecuencia, etc.Para minas, construcción naval, ferrocarriles, etc.



Componentes de un Conductor Eléctrico



Conductor

CubiertaAislación

Capa Semiconductora Interior

Capa Semiconductora Exterior

Pantalla



Conductor

Es el encargado de transportar la energía desde los centros de generación hasta los centros de consumo. Los metales utilizados son el cobre y el aluminio de uso eléctrico.

Dependiendo de la forma en que esté constituido el elemento conductor, los conductores eléctricos se clasifican de la siguiente manera:

• Alambre• Cable



Conductor eléctrico cuya alma conductora estáformada por un solo elemento o hilo conductor.

Alambre

Conductor eléctrico cuya alma conductora estáformada por una serie de hilos conductores o alambres de baja sección, lo que otorga una gran flexibilidad.

Cable



Dependiendo del número de almas conductoras, los conductores eléctricos se clasificación de la siguiente manera:

• Monoconductor• Multiconductor

Clasificación de acuerdo al número de conductores



Conductor eléctrico con una sola alma conductora, con aislación y con o sin cubierta protectora.

Monoconductor

Conductor eléctrico con dos o más almas conductoras aisladas entre sí, envueltas cada una por su respectiva capa de aislación y con una o más cubiertas protectoras comunes.

Multiconductor



Capa Semiconductora Interior

Es una capa de compuesto semiconductor XLPE extruído sobre el conductor con el fin de evitar un gradiente eléctrico excesivo en la zona de geometría irregular del conductor o de eventuales vacíos entre el conductor y el aislamiento.



Aislación

La aislación es la capa de polímero que rodea al conductor y que tiene como finalidad eliminar o disminuir llevando a valores seguros la diferencia de potencial de los conductores con respecto al valor de referencia, normalmente tierra.

Las características de los aislantes más utilizados son las siguientes:

• Aislantes estratificados• Aislantes sólidos



Los aislantes estratificados son básicamente el papel, el cual requiere en los cables de potencia, la impregnación con un aceite fluido o masa aislante. Prácticamente está en desuso excepto para transmisión en alta tensión (123 kV, 220 kV, 500 kV ó 750 kV) por su gran confiabilidad.

Aislantes Estratificados

Los aislantes sólidos son normalmente compuestos del tipo termoplástico o termoestable (reticulados) con distintas características, que han ido evolucionando a través del tiempo hasta nuestros días. Entre los aislantes sólidos más utilizados en la construcción de cables eléctricos, se encuentran los siguientes:

Aislantes Sólidos



Entre los aislantes sólidos más utilizados en la construcción de cables eléctricos, se encuentran los siguientes:

Tipos de Aislantes Sólidos

• Policloruro de Vinilo (PVC)• Polietileno Reticulado (XLPE)• Goma Etilenpropilénica (EPR)• Etil Vinil Acetato (EVA)



Material termoplástico utilizado masivamente para la mayoría de los cables de uso domiciliario e industrial en baja tensión.

Con el agregado de aditivos especiales en su formulación, se logran variedades con resistencia a la propagación del incendio; reducida emisión de gases tóxicos y corrosivos. La temperatura de funcionamiento normal de este aislante es de 70 ºC.

Policloruro de Vinilo (PVC)



Material termoestable (una vez reticulado no se ablanda con el calor) presenta mejores características eléctricas y térmicas que el PVC, por lo que se utiliza en la construcción de cables de baja, media y alta tensión.

La ausencia de halógenos en su composición hace que los gases, producto de su eventual combustión no sean tóxicos o corrosivos.

Su termoestabilidad hace que pueda funcionar en forma permanente con temperaturas de 90 ºC en los conductores y 250 ºC durante 5 segundos en caso de cortocircuito.

Polietileno Reticulado (XLPE)



Material termoestable de características similares al XLPE.

Goma Etilpropilénica (EPR)

Es un copolímero etilénico, que se usa como termoplástico o como elastómero, previa reticulación por peróxidos. El carácter del copolímero EVA viene dado, en general, por la relación entre el acetileno y el acetato de vinilo. Las mezclas con EVA se distinguen por su gran resistencia al calor y permiten temperaturas en el conductor de hasta 130 ºC. Las características generales que identifican a este tipo de aislación es la retardancia a la llama, baja emisión de gases tóxicos y corrosivos y baja emisión de humos visibles.

Etil Vinil Acetato (EVA)



Comportamiento Térmico de las Aislaciones



Capa Semiconductora Exterior

Es una capa de compuesto semiconductor extruídosobre la aislación y en contacto con este.

Las funciones más importantes de esta capa semiconductora son las siguientes:

• Confinar el campo eléctrico en el aislamiento.• Obtener una distribución del gradiente eléctrico en

forma radial y uniforme.• Reducir el riesgo de descargas accidentales.



Pantalla Metálica

Esta constituida por una cinta de cobre y/o alambres de cobre aplicados helicoidalmente sobre la capa semiconductora exterior. Su función es confinar totalmente el campo eléctrico en el interior del aislamiento evitando la formación de superficies de descargas peligrosas en la periferia del cable.



Cubierta Protectora

El objetivo fundamental de la cubierta protectora es proteger la integridad de la aislación y del conductor contra daños mecánicos, tales como raspaduras, golpes, etc.

Si la cubierta protectora es metálica, a esta se le denomina “armadura”.



Tipo y Uso de losConductores Eléctricos




Sistema de Medida para Sección de Conductores

Existen dos sistemas para medir la sección de un conductor:

• El sistema norteamericano, en el cual los conductores se miden de dos maneras: calibres o números y el Circular Mil (CM) o el Mil Circular Mil (MCM).

• El sistema es el métrico, en el cual las secciones se miden en mm2.



Equivalencia entre Sistemas


Criterio de Dimensionamiento de un Conductor Eléctrico




El dimensionamiento de un conductor básicamente significa determinar la sección que cumpla con los requerimientos técnicos y que sea la más económica en el momento de su compra.

En general para el dimensionamiento de conductores eléctricos se deben considerar las siguientes etapas:

• Definir la tensión nominal del cable.• Determinar la corriente requerida por la carga.• Elegir el tipo de aislación del conductor y la forma de instalación.• Determinar la sección por el criterio de “Capacidad de

Conducción de Corriente”.• Verificar la sección por el criterio de “Corriente de Cortocircuito”.• Verificar la sección por el criterio de “Caída de Tensión”.

Criterios de Dimensionamiento de un Conductor Eléctrico



La selección de la aislación de un cable, se realiza en base a la tensión línea a línea del sistema eléctrico en el cual será instalado el cable, la forma de aterrizamiento del sistema (sólidamente aterrizado, aterrizado por medio de resistencias o levantado de tierra) y el tiempo de operación de las protecciones ante fallas a tierra.

De acuerdo a lo explicado anteriormente, se define el concepto de nivel de aislación en un conductor, el cual puede ser de 100%, 133% ó 173%.

Tensión Nominal del Cable



Un nivel de aislación de 100% es aplicable a los conductores que se encuentran instalados en sistemas aterrizados y en el que las protecciones sean capaces de despejar las fallas a tierra en tiempos menores a 1 minuto.

Nivel de aislación de 100%

En sistemas levantados de tierra, donde las condiciones de operación de las protecciones no permiten despejar fallas en menos de 1 minuto y que en el caso mas desfavorable se despeja en 1 hora, entonces en este caso se utilizarán conductores con un nivel de aislación de 133%.




En el caso de que la falla pueda permanecer por mas de 1 hora sin ser despejada, entonces se deberán seleccionar conductores con un nivel de aislación de 173%.




Es la corriente máxima permanente considerando las potencias nominales de las cargas aplicadas.

Estas cargas pueden ser motores, centros de carga, enchufes, alumbrado, etc.

Corriente Requerida por la Carga

ϕcos3 ⋅⋅=

VPIN

P

V

ϕcos

: Potencia a transmitir en Watt.

: Tensión de servicio en Volts.

: Factor de Potencia de la carga.



En las tablas 8.6 y 8.6a mostradas en la norma chilena NCH 4/2003 “Instalaciones en Baja Tensión”, se indica en forma referencial los tipos de conductores a utilizar en una instalación en función de las condiciones de empleo del conductor.

Tipo de Aislación del Conductor y Forma de Instalación



Los tipos de canalizaciones mas utilizados para disponer los conductores, son los siguientes:

Forma de Instalación del Conductor (Canalización)

• Conductores instalados en cañerías embutidas o a la vista.

• Conductores enterrados directamente o por medio del uso de ductos.

• Conductores instalados al aire libre.• Conductores instalados en bandejas portaconductores.• Conductores instalados en escalerillas portaconductorers.



El problema fundamental del estudio de los cables de energía es la determinación de la potencia que un cable, o un grupo de cables, puede transportar en servicio permanente bajo ciertas condiciones de instalación.

Determinación de la Sección por Capacidad de Corriente

Esto puede realizarse por medio de fórmulas matemáticas, en general bastante complejas, o por métodos aproximados en base a tablas técnicas de dimensionamiento suministradas por los fabricantes de conductores o las tablas incluidas en las respectivas normas eléctricas. Este método aproximado es el que generalmente se utiliza en los diseños eléctricos para determinar el tipo de conductor por conducción de corriente.



Tablas de Capacidad de Corriente de Fabricantes



Tablas de Capacidad de Corriente de Fabricantes (cont.)

Las tablas anteriormente señaladas, está referidas a la tensión nominal y a los casos de instalación de cables monopolares o multiconductores mas comúnmente utilizados:

• Conductores canalizados en ductos subterráneos, para una temperatura ambiente de la tierra de 20 ºC.

• Conductores enterrados directamente en la tierra para una temperatura ambiente de la tierra de 20 ºC.

• Conductores canalizados en conduit metálicos (o no metálicos), para una temperatura ambiente del aire de 40 ºC.

• Conductores canalizados en bandejas portaconductores sin tapa, para una temperatura ambiente de 40 ºC.



Tablas de Capacidad de Corriente entregadas por Normas

Nch. Elec. 4/2003



Tablas de Capacidad de Corriente entregadas por Normas

NEC 2008



Tablas de Capacidad para Diferentes Tipos de Instalaciones

Los valores de capacidad de corriente indicados en las tablas delos fabricantes o en las tablas entregadas en las normas, están referidas a las condiciones de instalación allí indicadas.

En el caso de otras disposiciones o que se deba instalar a lo largo del recorrido previsto más de un cable tripolar o más de una terna de cables monopolares, es preciso considerar el calentamiento mutuo entre los conductores y reducir la capacidad de transporte de corriente de los cables mediante la aplicación de factores de reducción.



Factor de Reducción por Temperatura Ambiente



Factor de Reducción por Cantidad de Conductores en el Ducto



Factor de Reducción por Resistividad Térmica del Terreno Distinta a 100 (°C cm /W)



Factor de Reducción por Forma de Instalación - Cables Instalados al Aire

En bandejas continuas en contacto con la pared y entre sí y con las bandejas separadas a más de 20 cm.




En bandejas continuas distanciadas de la pared más de 20 mm. y separados entre sí un diámetro.




En bandejas continuas, distanciados de la pared mas de 20 mm. y separados entre sí dos diámetros.




En bandejas continuas, distanciados de la pared mas de 20 mm. y separados entre si un diámetro.




En bandejas perforadas, en contacto entre sí.




Tendidos en escalerillas, separados un diámetro.




Tendidos en escalerillas, separados dos diámetros.




Verticales, dispuestos sobre pared y separados entre sí un diámetro.



Factor de Reducción por Forma de Instalación - Cables Enterrados

Cables Dispuestos en Banco de Ductos.



Factor de Reducción por Forma de Instalación - Cables Enterrados

Cables Directamente Enterrados.



Procedimiento para Determinar la Capacidad de Corriente de un Conductor

Cálculo de la Corriente de Proyecto (IN)

Cálculo de los Factores de Corrección

fn : Por agrupación ft : Por Temperatura fh : Por Altitud fd : Por Disposición

Distribución Física de los Conductores Temperatura Media del Entorno

DHNT

NN ffff

II⋅⋅⋅

='

Comparar con la Tabla garantizada por el fabricante para la sección

elegida al aire libre

OK?

Conductor Seleccionado

Elegir otra Sección o Aislación de otro material

Preselección: - Tipo de aislación - Selección tentativa del cable

NO

SI



Verificación de la Sección por el Criterio de Cortocircuito

Toda corriente causada por un cortocircuito que ocurre en cualquier punto del circuito debe ser interrumpida en un tiempo que no exceda de aquel que lleva al conductor a su temperatura límite admisible.

Para los cortocircuitos de duración de hasta 5 seg., el tiempo t en el cual una corriente de cortocircuito llevará la temperatura del conductor desde su temperatura máxima admisible en servicio normal, hasta su temperatura máxima admisible en condiciones de cortocircuito, se calcula por la siguiente expresión:




115 para conductor de cobre con aislación PVC.135 para conductor de cobre con aislación XLPE.74 para conductor de aluminio con aislación PVC.87 para conductor de aluminio con aislación XLPE.

= Duración del cortocircuito en segundos.

2

CC

k StI

⎛ ⎞⋅= ⎜ ⎟⎝ ⎠

t

= Sección nominal del conductor (mm).S

= Intensidad de Corriente de Cortocircuito (A).CCI

k =




El valor de k es un coeficiente que depende de la naturaleza delconductor y de sus temperaturas al principio y al final del cortocircuito. Una expresión mas completa de este coeficiente, es la siguiente:

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡++

⋅=⋅⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

M

MCC

TTTT

KtS

I

1

22

log

0,0970 para conductor de cobre.0,0125 para conductor de aluminio.k =

234 °C para conductor de cobre.228 °C para conductor de aluminio.MT =

Temperatura inicial del conductor (antes de la falla)1T =

Temperatura máxima que soporta la aislación (250 °C para XLPE ó EPR)

2T =



Verificación de la Sección por el Criterio de Caída de Tensión

La caída de tensión se origina porque el conductor presenta una resistencia al circular una corriente por éste. Esta resistencia es función del material, la longitud y la sección del conductor, es por ello que la sección calculada en las etapas anteriores debe verificarse por caída de tensión en la línea, en base a las siguientes fórmulas aproximadas:

• Para circuitos monofásicos: 100)cos(2⋅

+⋅⋅⋅=∆

FNVsenxRILV ϕϕ

• Para circuitos trifásicos: 100)cos(3⋅

+⋅⋅⋅=∆

LLVsenxRILV ϕϕ




V∆

FNV

LLVL

I

R ( )km/Ω

X ( )km/Ω

ϕcos

caída de tensión en %.

tensión fase - tierra en (Volts).

tensión línea - línea en (Volts).

longitud del circuito en (km).

intensidad de corriente de fase del tramo del circuito en (A).

resistencia en corriente alterna a la temperatura de servicio del conductor en

reactancia del conductor en

factor de potencia de la instalación.

• Para circuitos monofásicos: 100)cos(2⋅

+⋅⋅⋅=∆

FNVsenxRILV ϕϕ

• Para circuitos trifásicos: 100)cos(3⋅

+⋅⋅⋅=∆

LLVsenxRILV ϕϕ




La norma chilena Nch. 4/2003, en su punto 7.1.1.3 señala lo siguiente:

“La sección de los conductores de los alimentadores o subalimentadoresserá tal que la caída de tensión provocada por la corriente máxima que circula por ellos, determinada de acuerdo a 7.2.1.1, no exceda del 3% de la tensión nominal de la alimentación, siempre que la caída de tensión total en el punto más desfavorable de la instalación no exceda del 5% de dicha tensión.

Estos valores son válidos para alimentadores de alumbrado, fuerza, calefacción o combinación de estos consumos.”




En cuanto a la caída de tensión que se tendrá en las redes eléctricas ante la partida de grandes motores, es común aceptar hasta un 15% de caída de tensión, aunque lo recomendable sería no sobrepasar el 10%.

Para efectos prácticos, en los cálculos de caída de tensión se debe considerar el valor de la reactancia sólo para conductores de sección mayor a 25 mm², el ϕcos se puede tomar igual a 0,85en primera aproximación.



Impedancias Típicas de Cables Monoconductores de Media Tensión



Impedancias Típicas de Cables Multiconductores de Media Tensión



Impedancias Típicas de Conductores Tripolares de Baja Tensión



Impedancias Típicas de Conductores Tetrapolares de Baja Tensión

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