cap_7 conductores eléctricos

7/17/2019 Cap_7 Conductores Eléctricos

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Resum en Proyecto Sum inis tro Eléctr ico Enap Refinerías A concagua Noviem bre 2005

Agosto 2010

CURSO EIE 475-01

DISEÑO DE SISTEMAS ELÉCTRICOS

INDUSTRIALES

Profesor : Carlos Rojas Agüero

CAPÍTULO VIICONDUCTORES ELÉCTRICOS

PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSOFACULTAD DE INGENIERÍAESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA



Noviemb re 2005 Marzo 2006


EIE 475-01 Diseño de Sistemas Eléctricos Industriales - Capítulo VII Carlos Rojas Agüero Agosto 2010

Clasificación de los ConductoresEléctricos

Conductores Eléctricos






Clasificación de los 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 corrientenormal de funcionamiento y la que se presenta en situaciones deemergencia.

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

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

• Si el cable es relativamente largo, la caída de tensión asumeimportancia 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 conservela aislación. Este está sometido a temperaturas que aceleran elproceso de envejecimiento y que se reflejan en pérdida de lascualidades mecánicas.

• El estudio de los aislantes ha conducido a definir que respetandocierta temperatura máxima en operación se espera alcanzar ciertavida útil, cada sobretemperatura que se presente quita al cable

algo de su vida útil.

• Se considera aceptable que sobrecargas y cortocircuitos haganperder al cable el 10% de su vida útil, este criterio define latemperatura 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.



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Componentes de un ConductorEléctrico




Conductor

Cubierta Aislación

CapaSemiconductoraInterior

CapaSemiconductoraExterior

Pantalla

Componentes de un Conductor Eléctrico



Conductor

Es el encargado de transportar la energía desde loscentros 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 elelemento conductor, los conductores eléctricos seclasifican de la siguiente manera:

• Alambre• Cable




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Conductor eléctrico cuyaalma conductora estáformada por un soloelemento o hilo conductor.

Alambre

Conductor eléctrico cuyaalma conductora estáformada por una serie de

hilos conductores oalambres de baja sección,lo que otorga una granflexibilidad.

Cable





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

• Monoconductor • Multiconductor

Clasificación de acuerdo al número de conductores





Conductor eléctrico conuna sola alma conductora,con aislación y con o sincubierta protectora.

Monoconductor

Conductor eléctrico condos o más almasconductoras aisladas

entre sí, envueltas cadauna por su respectivacapa de aislación y conuna o más cubiertasprotectoras comunes.

Multiconductor





Capa Semiconductora Interior

Es una capa de compuesto semiconductor XLPEextruído sobre el conductor con el fin de evitar ungradiente eléctrico excesivo en la zona de geometríairregular del conductor o de eventuales vacíos entre elconductor y el aislamiento.





Aislación

La aislación es la capa de polímero que rodea alconductor 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 sonlas siguientes:

• Aislantes estratificados• Aislantes sólidos





Los aislantes estratificados son básicamente el papel, el cualrequiere en los cables de potencia, la impregnación con un aceitefluido o masa aislante. Prácticamente está en desuso excepto paratransmisión 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 cableseléctricos, se encuentran los siguientes:

Aislantes Sólidos





Entre los aislantes sólidos más utilizados en la construcción de cableseléctricos, 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 loscables de uso domiciliario e industrial en baja tensión.

Con el agregado de aditivos especiales en su formulación, se logranvariedades con resistencia a la propagación del incendio; reducidaemisión de gases tóxicos y corrosivos. La temperatura defuncionamiento 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 permanentecon temperaturas de 90 ºC en los conductores y 250 ºC durante 5segundos 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 comoelastómero, previa reticulación por peróxidos. El carácter delcopolímero EVA viene dado, en general, por la relación entre elacetileno y el acetato de vinilo. Las mezclas con EVA se distinguenpor su gran resistencia al calor y permiten temperaturas en el

conductor de hasta 130 ºC. Las características generales queidentifican a este tipo de aislación es la retardancia a la llama, bajaemisión de gases tóxicos y corrosivos y baja emisión de humosvisibles.

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 capasemiconductora son las siguientes:

• Confinar el campo eléctrico en el aislamiento.

• Obtener una distribución del gradiente eléctrico enforma radial y uniforme.• Reducir el riesgo de descargas accidentales.





Pantalla Metálica

Esta constituida por una cinta de cobre y/o alambres decobre aplicados helicoidalmente sobre la capasemiconductora exterior. Su función es confinar totalmente el campo eléctrico en el interior delaislamiento 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 ledenomina “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 dedos maneras: calibres o números y el Circular Mil (CM) o el MilCircular Mil (MCM).

• El sistema es el métrico, en el cual las secciones se miden enmm2.





Equivalencia entre Sistemas




Criterio de Dimensionamiento de unConductor Eléctrico






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

En general para el dimensionamiento de conductores eléctricos sedeben 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 latensión línea a línea del sistema eléctrico en el cual será instalado elcable, la forma de aterrizamiento del sistema (sólidamenteaterrizado, aterrizado por medio de resistencias o levantado detierra) y el tiempo de operación de las protecciones ante fallas atierra.

De acuerdo a lo explicado anteriormente, se define el concepto denivel 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 seencuentran instalados en sistemas aterrizados y en el que lasprotecciones sean capaces de despejar las fallas a tierra en tiemposmenores a 1 minuto.

Nivel de aislación de 100%

En sistemas levantados de tierra, donde las condiciones deoperación de las protecciones no permiten despejar fallas en menos

de 1 minuto y que en el caso mas desfavorable se despeja en 1hora, entonces en este caso se utilizarán conductores con un nivelde aislación de 133%.






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






Es la corriente máxima permanente considerando las potenciasnominales de las cargas aplicadas.

Estas cargas pueden ser motores, centros de carga, enchufes,

alumbrado, etc.

Corriente Requerida por la Carga

cos3

V

P I N

P

V

cos

: 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 lostipos de conductores a utilizar en una instalación en función de lascondiciones de empleo del conductor.

Tipo de Aislación del Conductor y Forma de Instalación





Los tipos de canalizaciones mas utilizados para disponer losconductores, 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 ladeterminación de la potencia que un cable, o un grupo de cables,puede transportar en servicio permanente bajo ciertas condicionesde instalación.

Determinación de la Sección por Capacidad de Corriente

Esto puede realizarse por medio de fórmulas matemáticas, engeneral bastante complejas, o por métodos aproximados en base atablas técnicas de dimensionamiento suministradas por losfabricantes de conductores o las tablas incluidas en las respectivasnormas eléctricas. Este método aproximado es el que generalmentese utiliza en los diseños eléctricos para determinar el tipo deconductor 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 tensiónnominal y a los casos de instalación de cables monopolares omulticonductores mas comúnmente utilizados:

• Conductores canalizados en ductos subterráneos, para unatemperatura 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 porNormas

Nch. Elec. 4/2003





Tablas de Capacidad de

Corriente entregadas porNormas

NEC 2008

C d Elé i





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, estánreferidas a las condiciones de instalación allí indicadas.

En el caso de otras disposiciones o que se deba instalar a lo largodel recorrido previsto más de un cable tripolar o más de una ternade cables monopolares, es preciso considerar el calentamientomutuo entre los conductores y reducir la capacidad de transporte decorriente de los cables mediante la aplicación de factores dereducción.

C d t Elé t i





Factor de Reducción por Temperatura Ambiente

C d t Elé t i





Factor de Reducción por Cantidad de Conductores en el Ducto

C d t Elé t i





Factor de Reducción por Resistividad Térmica del Terreno Distinta a

100 (°C cm /W)

C d t Elé t i





Factor de Reducción por Forma de Instalación - Cables

Instalados al Aire

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

Cond ctores Eléctricos






Instalados al Aire

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







Instalados al Aire

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







Instalados al Aire

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







Instalados al Aire En bandejas perforadas, en contacto entre sí.







Instalados al Aire Tendidos en escalerillas, separados un diámetro.







Instalados al Aire Tendidos en escalerillas, separados dos diámetros.







Instalados al Aire Verticales, dispuestos sobre pared y separados entre sí un

diámetro.







Enterrados Cables Dispuestos en Banco de Ductos.







Enterrados Cables Directamente Enterrados.






Procedimiento para

Determinar la Capacidadde Corriente de unConductor

Cálculo de la Corriente de Proyecto

(IN)

Cálculo de los Factores de

Corrección

fn : Por agrupaciónft : Por Temperaturafh : Por Altitud

fd : Por Disposición

Distribución Física de los ConductoresTemperatura Media del Entorno

D H N T

N

N f f f f

I

I '

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 noexceda de aquel que lleva al conductor a su temperatura límiteadmisible.

Para los cortocircuitos de duración de hasta 5 seg., el tiempo t en elcual una corriente de cortocircuito llevará la temperatura delconductor desde su temperatura máxima admisible en servicionormal, hasta su temperatura máxima admisible en condiciones decortocircuito, 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 S t

I

t

= Sección nominal del conductor (mm).S

= Intensidad de Corriente de Cortocircuito (A).CC I

k







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

M

M CC

T T

T T K t S

I

1

2

2

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. M

T

Temperatura inicial del conductor

(antes de la falla)

1T

Temperatura máxima que soportala aislación (250 °C para XLPE óEPR)

2T






Verificación de la Sección por el Criterio de Caída de Tensión

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

• Para circuitos monofásicos: 100)cos(2

FN V

sen x R I LV

• Para circuitos trifásicos: 100)cos(3

LLV

sen x R I LV







V FN

V

LLV

L

I R

km/

X km/

cos

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 FN V

sen x R I LV

• Para circuitos trifásicos: 100)cos(3

LLV

sen x R I LV





Co ducto es éct cos


La norma chilena Nch 4/2003, en su punto 7.1.1.3 señala losiguiente:

“La sección de los conductores de los alimentadores o

subalimentadores será tal que la caída de tensión provocada por lacorriente 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 redeseléctricas ante la partida de grandes motores, es común aceptar hasta un 15% de caída de tensión, aunque lo recomendable seríano sobrepasar el 10%.

Para efectos prácticos, en los cálculos de caída de tensión sedebe considerar el valor de la reactancia sólo para conductoresde sección mayor a 25 mm², el cos se puede tomar igual a 0,85

en 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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