instalaciones domiciliarias
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Instalaciones Domiciliarias
ELECTROMECÁNICA
1.- Conceptos Fundamentales de Electricidad
2.- Contactores
3.- Corriente Alterna
4.- El Peligro del PCB en los Transformadores
5.- Instrumentos y Medición de Energía Térmica
6.- Principios básicos de una puesta a tierra
7.- Conexiones de puesta a tierra y masa
8.- Instalación de puesta a tierra
9.- Protección con toma de tierra - relé diferencial
10.- Puesta a tierra en instalaciones eléctricas de inmuebles
11.- Código de práctica para puesta a tierra de sistemas eléctricos - Norma IRAM 2281- Parte I
12.- Medición de las resistencias de tomas a tierra - Norma IRAM 2281 - Parte II
13.- Medida de la resistencia de toma de tierra y resistividad del terreno
14.- Porqué es necesario medir la resistencia de puesta de toma de tierra?
15.- Prevención de riesgos eléctricos
16.- Medición de las resistencias de aislación de pisos
17.- Los Sistemas Trifásicos
18.- Máquinas Eléctricas
19.- Mantenimiento Eléctrico
20.- Mantenimiento Mecánico
21.- Motores Síncronos
22.- Protección de Líneas Eléctricas
23.- Protección en los Circuitos Eléctricos
24.- Seguridad y Prevención de Riesgos Eléctricos
25.- Sistemas de Arranque de Motores Asíncronos
26.- Tabla de Medidas de Cables
27.- Temporizadores
1.- Conceptos Fundamentales de Electricidad
El circuito eléctrico
Las variables eléctricas de un sistema que alimenta una lámpara, un motor o un edificio pueden ser analizadas mediante un modelo denominado "CIRCUTO ELECTRICO" el cual se puede ver en la siguiente figura.
En donde se puede identificar:
La fuente de energía eléctrica cuyo voltaje es 220 V
El consumidor de energía, en este caso un horno de 11 kW
Los conductores que forman un circuito cerrado, los cuales conducen una corriente de 50 A
Las variables eléctricas que se deben conocer para analizar el consumo de energía son las siguientes:
La corriente eléctrica (I)
Es definida como el flujo ordenado de cargas eléctricas que transporta la energía desde la fuente al "consumidor", denominada también como "intensidad de corriente" es definida por la expresión:
La unidad de la intensidad de corriente en el sistema internacional es el Ampere (A). De acuerdo a su magnitud se utilizan los siguientes múltiplos:
1 microampere (uA) = 0,000 001 A (Ejemplo: corriente en las memorias de PC)
1 miliampere (mA) = 0,001 A (Ejemplo: 250 mA muerte de una persona)
1 kiloampere (kA) = 1.000 A (Ejemplo: Maquinas de soldar, hornos de fusión, etc)
En el ejemplo, el horno "consume" una corriente de 50 Amperes.
La Tensión eléctrica (U)
La capacidad de transporte de carga eléctrica (energía) que tiene toda fuente eléctrica. El voltaje entre dos puntos "a" y "b" del circuito se define como la diferencia en el nivel de energía de una unidad de carga localizada en dichos puntos. Se define por la expresión:
La unidad del sistema internacional es el Voltio (V), como en el caso anterior se puede trabajar con multiplicadores.
1 microvoltio (uV) = 0,000 001 V (Ejemplo: voltajes inducidos)
1 milivoltio (mV) = 0,001 V (Ejemplo: voltajes en circuitos electrónicos)
1 kilovoltio (kV) = 1.000 V (Ejemplo: voltajes de transmisión y distribución)
Los voltajes industriales más usados en nuestro país son 220 V, 380 V, 440 V y 660 V. En la transmisión y distribución 10 kV, 13,2 kV, 60 kV y 220 kV. En el caso del ejemplo, tenemos una fuente de 220 V
La potencia eléctrica (P)
La potencia eléctrica es la capacidad que tiene la electricidad de producir un trabajo o de transformar la energía en un tiempo dado. Se define por la siguiente expresión:
P = U * I
En el sistema internacional, la unidad de potencia es el Watt (W) y se cumple la siguiente relación:
1 Watt = 1 Ampere x 1 Voltio
1 kilowatt (kW) = 1.000 Watts (Ejemplo: Fuerza motriz en general, planchas, etc)
1 Megawatt (MW) = 1.000.000 Watts (Ejemplo: Plantas industriales, ciudades)
Los niveles de potencia con los cuales se trabaja normalmente son del orden de 150 kW para pequeñas plantas industriales y por encima de 1 MW las grandes instalaciones. En el acaso del ejemplo, se tiene una potencia que se transforma en un flujo de calor de 11 kW.
La Energía Eléctrica (E).
La energía eléctrica (E) es la forma más versátil de las energías manejadas por el hombre. Se define como el trabajo que puede realizar una potencia eléctrica dada en un tiempo dado. Por lo tanto la energía se puede calcular mediante la expresión siguiente:
La energía eléctrica se mide en Joules (J), sin embargo en el campo de la electricidad se suele utilizar el kW-h (kilowatt hora). Y esta unidad es la que aparece en las facturas de la empresa eléctrica.
1 kW-h = 3,6 Megajoule
En el ejemplo, si el horno estuviera funcionando 10 horas, la energía consumida sería:
Energía = P.t = 11 kW * 10 horas = 110 kW-h.
La resistencia eléctrica (R)
Es la oposición que ofrece todo cuerpo al paso de la corriente, depende en mayor o menor grado de su constitución atómica y/o molecular de cada material. La resistencia eléctrica se mide en Ohms (W ) y los multiplicadores usados son.
1 microohm (u ) = 0,000 001 Ohm
1 miliohm (m ) = 0,001 Ohm
1 kiloohm (k ) = 1.000 Ohm
1 megaohm (M ) = 1.000.000 Ohm
La manifestación de la presencia de una resistencia en el circuito, es la generación de calor, la que ocurre al pasar la corriente a través de ella, de allí su importancia para un auditor energético.
La ley de Ohm.
La relación más importante en un circuito eléctrico es la ley de Ohm, la cual relaciona la tensión, la corriente y la resistencia, la cual se expresa así:
U = I x R
Lo que implica que 1 Voltio = 1 Ampere x 1 y que debe entenderse como que al circular una corriente de 1 amper por un cuerpo cuya resistencia es 1 , se produce una caída de tensión en los terminales de 1 voltio.
En el ejemplo, el horno consume 50 Amperes y en sus terminales existe una tensión eléctrica de 220 V, por lo tanto la resistencia del horno se puede calcular usando la expresión de Ohm.
Usando la relación de Ohm, se puede determinar la potencia eléctrica en función de la resistencia y cualquiera de las variables eléctricas.
Es decir conociendo el valor de la resistencia y la corriente, podemos determinar la energía calorífica que se disipa en un conductor eléctrico.
La corriente directa y la corriente alterna
La corriente directa o continua es aquella cuyo valor y sentido son constantes (no cambian en el tiempo). En el siguiente gráfico, se puede ver la representación gráfica de la corriente directa, por ejemplo es una corriente de 10 A.
Por lo tanto, una corriente continua se produce en un circuito cuando se aplica una fuente de tensión continua a este circuito, por ejemplo una batería de auto o un panel fotovoltaico que alimenta unas lámparas incandescentes.
Por ejemplo, la batería de un automóvil cuyo voltaje es 12 VDC, alimenta a una lámpara cuya resistencia es 3 , entonces la corriente producida será 4A DC y la potencia disipada será 48 Watts.
La corriente alterna es aquella cuyo valor y sentido cambian en el tiempo de forma periódica. En el caso de la corriente usada industrialmente, al graficar la corriente alterna, la gráfica obtenida tiene la forma de una onda sinusoidal.
Donde:
u, i = Valores instantáneos de tensión y corriente, en A y V respectivamente
Umax , Imax = Valores máximos de tensión y corriente, en V y A respectivamente.
w = Frecuencia angular o velocidad angular del generador, en rad/s.
t = Tiempo, en segundos.
j u, j i = Ángulos de desfase inicial de la tensión y la corriente, en radianes.
En el siguiente gráfico se muestra la onda de la tensión alterna (u) cuyo j u = 0° y la onda de corriente alterna (i) que se produciría al circular por un componente inductivo (en parte resistivo y en parte inductivo, tal como seria el caso de un motor eléctrico típico) cuyo j i = -60°. En este caso se dice que la corriente esta atrasada o desplazada en el tiempo 60 grados eléctricos con respecto a la tensión.
Este comportamiento es el resultado de la forma como responde un componente inductivo (bobina, motor, etc.) cargando un campo magnético dentro de sí. En el caso, de un condensador o capacitor, la corriente en lugar de atrasarse, se adelanta a la tensión. En el condensador, se carga un campo eléctrico dentro de él.
La corriente alterna presenta características únicas, las cuales deben ser evaluadas por el auditor energético para determinar la eficiencia de un sistema eléctrico alimentado por ella. Estas magnitudes son:
El ángulo de fase
El valor eficaz
La frecuencia.
La potencia eléctrica y la corriente alterna.
El ángulo de fase.
La diferencia en el tiempo que existe entre la onda de tensión y la onda de corriente es el ángulo de desfase f que existe entre la tensión y la corriente. Este ángulo es una característica del tipo de componente conectado a un circuito eléctrico alimentado con corriente alterna.
f > -90° componentes inductivos — resistivos, f = -90° inductancia
f = 0° Componentes resistivos puros.
f £ 90° Componente capacitivo — resistivo, f = +90° condensador
Nos interesan los componentes más comunes, en este caso resistencias puras, como es el caso de un horno o una calefactor, donde el ángulo f = 0. El caso de los motores, que son una combinación de resistencia e inductancia (bobina), el ángulo f > -90°, como —65° Y finalmente, los condensadores usados en los sistemas de compensación de energía reactiva cuyo f = 90°.
Que efecto tiene este comportamiento de la corriente y el voltaje en un sistema industrial? La consecuencia del desfase será estudiada en el inciso (d) La corriente alterna y la potencia eléctrica.
El valor eficaz.
Si analizamos la onda de corriente, el valor de la corriente cambia constantemente siguiendo el comportamiento sinusoidal. Por lo tanto, ¿como podemos comparar una corriente directa de 5 A DC, con una corriente alterna que cambia constantemente de valor? La respuesta es por sus efectos caloríficos y por ello se creo el concepto de valor eficaz, el cual se define de la siguiente forma:
Se dice que 1 Ampere eficaz de corriente alterna produce los mismos efectos caloríficos que un 1 Ampere de corriente directa al circular por el mismo componente resistivo.
El valor eficaz se calcula a partir de la siguiente expresión:
Donde:
Ieficaz = Valor eficaz de corriente, en Ampere.
T = Período de la onda sinusoidal, en segundos.
i = Corriente instantánea para un tiempo t, en segundos.
En el caso de la onda sinusoidal, el valor eficaz se puede calcular mediante la siguiente expresión:
La cual puede ser aplicada a la tensión eléctrica. En el caso del voltaje doméstico, el valor 220 VCA es el valor eficaz de la tensión recibida de la concesionaria y corresponde a una onda de corriente alterna cuyo valor máximo es 220Ö 2 » 311 Voltios.
Los valores eficaces se identifican mediante letras mayúsculas, I para la corriente o U para el voltaje. Y en general se utilizan indistintamente para el caso de corriente alterna o directa.
El valor eficaz de una corriente cambia si la onda se distorsiona y pierde la forma sinusoidal pura, de allí que la elección de instrumentos de medición debe tomar en cuenta esta situación. Los instrumentos más baratos realizan la operación matemática directa de la expresión mostrada en la página anterior, en cambio los más modernos y precisos, mediante el uso de microprocesadores realizan operaciones instantáneas y calculan el verdadero valor eficaz (denominados instrumentos de medición TRUE RMS).
La frecuencia.
Es el número de ciclos por unidad de tiempo, se identifica con la letra "f" y la unidad usada en el sistema internacional es el ciclo por segundo, bautizado como Hertz. Las frecuencias industriales más usadas son:
60 Hz Perú, EEUU, México
50 Hz Argentina, Europa, Ecuador, Paraguay.
Se trabaja con valores más altos en la transmisión de datos o en telecomunicaciones, pero no serán mencionadas aquí.
La potencia y la corriente alterna
La corriente alterna lleva energía hacia los componentes del circuito y de acuerdo a la naturaleza del circuito esta será utilizada de diferente forma:
Los componentes resistivos traducirán esta energía en calor que se irradia a hacia el exterior del circuito, para ser usado en el calentamiento de un proceso por ejemplo. Estos componentes usan la energía de la fuente en forma activa, como un consumo, y por ello la potencia consumida por ellos se denomina Potencia Activa ó Potencia útil.
La unidad de la potencia activa es el watt (W). Y se le representa mediante la letra P
Los componentes inductivos usan la energía en crear campos magnéticos que reciben la misma y la devuelven al circuito, de manera no se toma energía efectiva de la fuente. Este consumo se denomina Potencia reactiva.
La unidad de la potencia reactiva es el Voltio Ampere Reactivo (VAR). Y se le representa mediante la letra Q
Los condensadores cuando son alimentados con corriente alterna, se encuentran en un proceso cíclico de carga y descarga dentro de ellos, es decir toman energía para cargar un campo eléctrico y la devuelven a la fuente al descargarse, ocurriendo un fenómeno similar al que ocurre con una inductancia, por lo que también consumen Potencia reactiva.
Este consumo de potencia se puede visualizar mediante una analogía mecánica en la siguiente figura, imaginemos un carrito de tren que es tirado por una cuerda que no esta alineada con la dirección del tren, sino que forma un ángulo f con ella, debido a esto ocurre lo siguiente:
La potencia activa (P) contribuye efectivamente al movimiento del carro.
La potencia reactiva (Q) solamente tiende a pegarlo contra el riel y utiliza parte de la capacidad del que esta jalando la cuerda, en forma inútil.
La potencia aparente (S) representa la capacidad total que se usa jalando la cuerda.
El ángulo f es el ángulo de desfase que existe entre la tensión que se aplica a un consumidor y la corriente que este consume. Observe que cuanto mayor es el ángulo f menos eficientemente se utiliza la capacidad de la fuente
Las potencias se calculan mediante las siguientes expresiones:
Donde:
S = Potencia aparente, en VoltioAmpere (VA)
P = Potencia útil o potencia activa, en watts (W)
Q = Potencia reactiva, en VoltioAmpereReactivo (VAR)
U = Tensión o voltaje aplicado a la carga, en Voltios (V)
I = Corriente consumida por la carga, en Amperes (A)
f = Angulo de desfase entre la tensión y la corriente con signo cambiado.
Las potencias se expresan en kVA, kW o kVAR, solamente cargas cuyo consumo es muy pequeño se trabajan en watts.
En estas expresiones se puede observar, que la tensión o voltaje es una constante, por ejemplo 220 V o 440 V , en cambio la magnitud de la corriente representa la energía que se transporta de la fuente al consumidor y que de acuerdo a la magnitud del ángulo f se reparte en forma de potencia activa y potencia reactiva.
Por ejemplo: el voltaje en las plantas industriales "A" y "B" es 380 V y en ambas la corriente es 200 A. El ángulo de desfase entre la corriente y la tensión en la planta "A" es 53° y en la planta "B" el ángulo de desfase es 30°.
Planta A Planta B S = 380V*200 A /1000 = 83,6 kVA
P = 380*200*cos53°/1000= 50,3 kW
Q = 380*200*sen53°/1000= 60,7 kVAR
S = 380*200/1000 = 83,6 kVA
P = 380*200*cos30°/1000 = 65,8 kW
Q = 380*200*sen30°/1000 = 38,0 kVAR
La planta "A" consume 50.3 kW, en cambio la planta "B" consume 65,8 kW. La segunda utiliza mejor la capacidad de su fuente de energía (suministro, subestación eléctrica o grupo
electrógeno), para una misma corriente consume 15,3 kW más. El análisis que se realice debe considerar la capacidad instalada de la fuente.
Analice la siguiente situación, la planta "C" y la planta "D" utilizan 65 kW cada una, sin embargo tienen ángulos de desfase diferentes, ángulos f C = 53° y . f D = 30° respectivamente. ¿Cuál usa mejor la capacidad de su fuente de energía? La respuesta es la planta "D"
Observe que un motor eléctrico se puede representar como una combinación de una resistencia y una inductancia (bobina), tal como se puede ver en la siguiente figura.
La resistencia representa con su consumo la potencia activa que se obtiene del motor y la inductancia (bobina), los campos magnéticos que se establecen en el motor para producir el movimiento y con ello la potencia reactiva que consumen. El ángulo de desfase tiene signo negativo y al ser introducido en la expresión de potencia se vuelve positivo.
Los condensadores tienen un ángulo de desfase de +90° y por lo tanto al calcular las potencias se usa un ángulo de —90°, con lo que se obtiene una potencia reactiva con signo negativo, opuesta a la que consume un motor.
El Factor de potencia (F.P.)
El factor de potencia se define como la razón de la potencia activa a la potencia aparente, tal como se expresa a continuación:
Para el caso de corriente alterna pura (sinusoidal sin distorsión) se cumple:
Por lo tanto, cuanto menor sea el ángulo de desfase, mayor será la potencia activa obtenida a partir de una potencia aparente dada.
El factor de potencia de un motor eléctrico esta entre 0,86 y 0,94 para su carga nominal. En el caso de las lámparas fluorescentes, el factor de potencia está entre 0,55 y 0,65.
Los Sistemas Trifásicos
Los sistemas de transmisión y distribución de mayor utilización son los sistemas trifásicos, los cuales están constituidos por tres tensiones de igual magnitud, desfasadas 120° entre sí. Las ventajas de usar este tipo de distribución son las siguientes:
Para alimentar una carga de igual potencia eléctrica, las corrientes en los conductores son menores que las que se presentan en un sistema monofásico.
Para una misma potencia, las maquinas eléctricas son de menor tamaño que las maquinas eléctricas monofásicas.
La diferencia entre un sistema monofásico y uno trifásico se presenta en las siguientes figuras.
Se puede ver que en un sistema trifásico es posible conectar cargas monofásicas y trifásicas simultáneamente. Por ejemplo, en la figura anterior el esquema muestra un generador trifásico que alimenta a través de tres conductores alimentadores una única carga trifásica de 45 kW y las demás son cargas monofásicas.
Configuraciones de los circuitos trifásicos.
Los circuitos trifásicos presentan dos configuraciones básicas en función de la conexión del generador, las que se pueden ver en la siguiente figura.
En ambos sistemas se requiere de las 3 líneas activas, denominadas R,S y T, para la alimentación de las cargas trifásicas, la conexión interna de las cargas puede ser en estrella o triángulo indistintamente, tal como se muestra en la siguiente figura.
En la siguiente figura (Carga trifásica alimentada por un sistema trifásico), la línea neutra N nos indica que la fuente trifásica del sistema de distribución es un generador conectado en estrella, sin embargo no se requiere para alimentar las cargas trifásicas. Si la línea neutra "N", no existiera como es el caso de un sistema de distribución alimentado por un generador conectado en triángulo, las cargas trifásicas seguirían funcionando.
Las variables eléctricas de un sistema trifásico.
El estudio del consumo de energía eléctrica en un sistema trifásico requiere estudiar las variables eléctricas que se presentan en este tipo de circuito, las variables trifásicas más importantes son:
La corriente en las líneas. Si las tres corrientes de línea son iguales, se dice que el sistema esta balanceado, como ocurre con un motor eléctrico, en caso contrario se dice que esta desbalanceado.
IR, IS, IT (denominadas actualmente IL1, IL2, IL3 según la IEC)
Las tensiones entre las líneas.
URS, UST, UTR (denominadas actualmente U12 ,U23 , U31 según IEC)
Las corrientes de línea y tensiones entre líneas son mostradas en la siguiente figura.
Observe que las corrientes de línea pueden ser medidas para cada carga; así como para todo el sistema.
En el análisis del consumo de energía eléctrica de una carga balanceada, se requiere conocer el voltaje entre líneas, las corrientes de línea y el factor de potencia de la carga trifásica.
Las potencias eléctricas trifásicas que para una carga balanceada se puede calcular mediante las expresiones siguientes:
Donde:
P3f _ = Potencia trifásica, en kW
Q3f = Potencia reactiva trifásica, en kVAR
S3f = Potencia aparente trifásica, en kVA
Ulinea = Tensión entre líneas, en Voltios (V)
Ilinea = Corriente de línea, en Amperes (A)
cosf = Coseno del ángulo de desfase o factor de potencia de la carga trifásica.
Si la carga es desbalanceada, se requiere el factor de potencia por fase. Aunque en estos casos, se trata de manejar un factor de potencia promedio, especialmente cuando se diseña sistemas de compensación de energía reactiva.
Las tensiones y corrientes presentan una distribución en el tiempo como la mostrada en la siguiente figura.
Si las plantas A y B del ejemplo anterior hubieran tenido una alimentación trifásica, suponiendo que las corrientes de línea eran iguales (carga balanceada) y manteniendo los mismos datos, las potencias serían:
Planta A Planta B S = Ö 3*380V*200 A /1000 = 131,6 kVA
P = Ö 3*380*200*cos53°/1000= 78,9 kW
Q= Ö 3*380*200*sen53°/1000= 105,3 kVAR
S = Ö 3*380*200/1000 = 131,6 kVA
P = Ö 3*380*200*cos30°/1000 = 113,9 kW
Q = Ö 3*380*200*sen30°/1000 = 65,8 kVAR
Los Instrumentos de medición necesarios para evaluar la eficiencia energética eléctrica
La se siguiente figura muestra un circuito monofásico con los instrumentos de medición necesarios para determinar todos sus parámetros eléctricos, como son:
La intensidad de corriente (I), Amperes
La tensión o voltaje (U), Voltios
La potencia activa (P), kW
El Factor de potencia del sistema (cos f ó F.P)
La energía eléctrica consumida (E), kW-h
En donde se debe destacar la forma como deben ser conectados los instrumentos para conseguir una medida correcta y precisa.
Medición de tensión eléctrica - El voltímetro
Este instrumento permite medir tensiones eléctricas y caídas de tensión, se conecta en paralelo a los puntos en donde se desea conocer la diferencia de potencial. Tal como se muestra en la siguiente figura.
Medición de intensidad de corriente - El amperímetro
El amperímetro mide las intensidades de corriente en una rama del circuito, se conecta seriado en dicha rama. En nuestro caso debemos realizar medidas rápidas sin efectuar desconexiones, por lo que se utilizan pinzas amperimétricas. La siguiente figura muestra un amperímetro de pinzas midiendo la corriente en una de las líneas de un interruptor trifásico.
La pinzas amperimétricas aprovechan la presencia del campo magnético que se establece alrededor del conductor donde circula la corriente y la relación directamente proporcional que existe entre la intensidad del campo magnético y la intensidad de la corriente.
Son de dos tipos:
Pinzas amperimétricas de tipo inductivo o tipo transformador, que aprovechan la tensión inducida por el campo magnético en un núcleo de hierro, las cuales miden solamente corriente alterna.
Pinzas de efecto Hall, que utilizan un semiconductor y un circuito de amplificación independiente que pueden medir corriente alterna o continua. En la actualidad, la tendencia es utilizar este principio de medición en los instrumentos portátiles.
Las pinzas amperimétricas pueden trabajar asociadas a un multímetro o incorporadas a uno tal como se muestra en la siguiente figura.
En general se debe buscar que tengan las siguientes características:
Retención de lectura.
Medición de lecturas de verdadero valor eficaz (true R.M.S.)
Registro de Max, Min y promedios en diferentes periodos de tiempo.
Velocidad de registro que permita sensar corrientes de arranque en motores.
Medición de potencia - El Vatímetro.
La medición de potencia eléctrica activa se realiza con el vatímetro. Este instrumento de medición tiene una parte amperimétrica, la cual se conecta como los amperímetros comunes (intercalado en la línea) y una parte voltimétrica que se conecta como los voltímetros, en paralelo a las líneas que conducen la corriente eléctrica, de manera que se obtenga la potencia por efecto de ambas medidas.
El vatímetro de pinzas, es un dispositivo similar a una pinza amperimétrica que sensa la corriente y la tensión en la carga, realizando el cálculo de la potencia por medio de un dispositivo electrónico. La medida de potencia puede ser mostrada directamente por el equipo o indirectamente a través de un multímetro, tal como se muestra en la siguiente figura.
Podemos observar la conexión voltimétrica en los puntos "R" y "B"; así como el sensado de la corriente mediante una pinza de efecto Hall. Este tipo de instrumento es muy sencillo de utilizar, pero requiere de cuidado con la polaridad al efectuar las conexiones.
Medición de potencia trifásica.
La medición de potencia trifásica depende del sistema trifásico que sé este evaluado, es decir si tenemos 3 hilos (triángulo o estrella sin neutro) o 4 hilos (estrella con neutro) tal como se muestra a continuación.
Medición de potencia en sistemas trifásicos de tres hilos (Método de Aron)
En este caso se realizan dos mediciones con la pinza vatímetrica y la potencia se obtiene mediante la siguiente expresión:
Donde :
P3_ = Potencia trifásica, en kW
P1 = Potencia de medida en la posición 1 (kW1 en la figura siguiente)
P2 = Potencia de medida en la posición 2, (kW2 en la figura siguiente)
Medición de potencia en sistemas trifásicos de cuatro hilos (estrella con neutro)
En este caso se realizan tres mediciones con la pinza vatímetrica y la potencia se obtiene mediante la siguiente expresión:
Donde :
P3f = Potencia trifásica, en kW
P1 = Potencia de medida en la posición 1 (kW1 en la figura siguiente)
P2 = Potencia de medida en la posición 2, (kW2 en la figura siguiente)
P3 = Potencia de medida en la posición 3, (kW3 en la figura siguiente)
Este sistema permite medir potencia en cargas trifásicas desbalanceadas, tal como se muestra en la siguiente figura siguiente.
En algunos casos se puede obtener directamente la potencia trifásica para cargas balanceadas, debido a que el aparato crea un neutro artificial y calcula la potencia con las medidas de tensión y corriente. En la siguiente figura se puede ver la conexión que se debe realizar.
Medición de factor de potencia — Cosfimetro.
El factor de potencia se medía tradicionalmente con un instrumento cuyo principio de funcionamiento es el mismo que el de un vatímetro, sin embargo los modernos vatímetros digitales han desplazado estos instrumentos, de tal manera que en la actualidad muchos fabricantes de instrumentación electrónica han dejado de fabricarlos.
La forma de conexión es similar a la descrita en el inciso anterior y puede hacerse referencia a estas figuras en donde se cambiaría el valor leído. En caso, el vatímetro disponible carezca de la función de medición del factor de potencia, se puede recurrir al procedimiento descrito a continuación.
1. Mida la tensión de la carga con el multímetro o un voltímetro.
2. Mida la corriente de alimentación con una pinza amperimétrica.
3. Mida la potencia de carga real con la pinza vatímetrica.
4. Utilice las fórmulas siguientes para calcular el factor de potencia a partir de los datos medidos.
Donde:
F.P. = Factor de potencia en sistemas monofásicos
F.P.3f = Factor de potencia promedio en sistemas trifásicos.
U = Tensión entre líneas, en Voltios
I = Corriente de línea, en Amperes
P = Potencia en sistemas monofásicos, en W
P3f = Potencia promedio en sistemas trifásicos, en W.
S = Potencia aparente en sistemas monofásicos, en VA
S3f = Potencia aparente en sistemas trifásicos, VA
A continuación se presenta un ejemplo de cálculo del factor de potencia de una carga equilibrada en un sistema de trifásico, de 3 conductores, alimentada por una línea a 440 V:
1. Se mide con un multímetro la tensión de carga entre fases, que resulta ser de 445 voltios.
2. Se mide la corriente de la fase con la pinza amperimétrica, obteniéndose una lectura de 468 amperios.
3. Se mide la potencia total con el vatímetro y se obtiene una lectura de 245 kW (ver figura Medición de potencia trifásica en cargas balanceadas).
4. Se calcula la potencia aparente a partir de los datos medidos en los pasos (1) y (2). La potencia aparente es
S3f = Ö 3*U*I = Ö 3*468A*445V = 360.716,90 VA = 360,72 kVA
1. Se calcula el factor de potencia a partir de los datos medidos en el paso 3 y de la potencia aparente en kVA calculada en el paso 4, entonces el factor de potencia es 0,679
Los analizadores de red.
Estos instrumentos de medición permiten el análisis de sistemas de distribución industrial trifásica, son similares a los vatímetros, con la diferencia que registran las tres corrientes de línea y las tensiones entre líneas simultáneamente, efectuando las operaciones matemáticas necesarias para el cálculo de:
Voltajes entre líneas promedio, máximos y mínimos.
Corrientes de línea promedio, máximas y mínimas.
Potencia activa, por fase y total.
Potencia reactiva, por fase y total.
Factor de potencia, por fase y promedio.
Registro de Energía activa, reactiva inductiva y reactiva capacitiva
Frecuencia
La siguiente figura muestra un analizador de red típico, se debe observar la presencia de las tres pinzas amperimétricas que permiten el registro simultaneo de las tres corrientes de línea en el sistema trifásico.
En general, los analizadores de red tienen capacidades de registro que permiten llegar al análisis del consumo de energía de una planta industrial o edificio comercial ocurrido en largos períodos de tiempo. Y en la actualidad, sus funciones se han extendido al campo de la calidad de la energía pudiendo evaluar corrientes armónicas, transitorios y flicker, las cuales incrementan sus costos.
Parámetros eléctricos a medir en el sistema industrial
Finalmente, los instrumentos de medición permitirán al auditor energético la determinación de las variables eléctricas de un sistema eléctrico industrial y con ello definir su eficiencia en el uso de la energía. A continuación como una forma de repaso, se presenta un diagrama unifilar de una planta industrial en la siguiente figura, en el se han numerado puntos para su evaluación, que instrumentos se utilizarán y para que finalidad.
Punto 1 Voltaje, corriente y potencia de todo el sistema.
Punto 2 Corriente y potencia
Punto 3 Voltaje , corriente y potencia
Punto 4 Voltaje, corriente, potencia y nivel de iluminación.
Punto 5 Voltaje, corriente y potencia del banco de condensadores.
Medición de intensidad de luz - el luxómetro
El luxómetro nos permite la medición de los niveles de iluminación que proporcionan los sistemas de iluminación en las estaciones de trabajo o ambientes en donde se encuentran instalados. Las normas internacionales nos dan una referencia de los niveles recomendados para diferentes tipos de ambientes y actividades, de manera que podamos comparar los valores medidos de iluminación en un ambiente y determinar si el sistema de iluminación instalado esta sobredimensionado o subdimensionado.
El luxómetro digital moderno consta de una celda de fotosensible que capta la luz y presenta la lectura en un dispositivo similar a un multímetro, tal como lo muestra la siguiente.
Niveles de Iluminación recomendados en Función de la Tarea y la Actividad desarrollada.
Tipo de tarea visual Ambiente o actividad Nivel de iluminación
recomendado (lux)
Orientación solamente Zonas de tráfico 20 Tarea visual fácil Plantas de producción con actividades ocasionales
Trabajos bastos de montaje y supervisión.
100
200 Tarea visual normal Tareas medias, torneado, fresado o calderería, aulas
Tareas finas, maquinas con utillajes u oficinas
300
500 Tarea visual difícil con pequeños detalles y poco contrastes
Oficinas de supervisión, dibujo, oficinas de gran área.
Ensayo de colores, montaje mecánico fino, oficinas abiertas con reflectancias medias.
1000
1000
Tarea visual muy difícil Aseguramiento de la calidad con requerimientos muy altos, reparación de artefactos ópticos o relojería de precisión, procesamiento de textiles.
1500
Detalles muy finos con muy poco contraste.
Grabado de metales y joyería 2000
Esta tabla puede ser tomada como referencia para el diagnóstico del sistema de iluminación, sin embargo es preferible utilizar las normas nacionales vigentes.
Normas de Seguridad
Las siguientes normas deben ser observadas con cuidado durante la realización de trabajos en el sistema de distribución eléctrica con el fin de reducir el peligro de accidentes personales y daños en los equipos o instrumentos de medición.
En general, se debe recordar que la electricidad es una forma de transporte de energía muy fácil de emplear y controlar, pero también muy peligrosa, por lo que cualquier precaución no esta demás.
Antes de iniciar cualquier medición en una subestación eléctrica, tablero distribución o una parte cualquiera del sistema eléctrico, se debe realizar una inspección cuidadosa de la misma, reconociendo todas sus partes, en especial las partes activas es decir aquellas con tensión eléctrica. Si se dispone de diagramas eléctricos úselos como base para el reconocimiento inicial.
Identifique los interruptores que permitan la maniobra de los circuitos en donde se realizarán los trabajos. Y de ser posible, todo trabajo debe ser realizado desconectando el circuito a reparar o examinar, dando aviso al personal de la planta antes de efectuar la maniobra de desconexión o conexión, para evitar accidentes.
Los instrumentos de medición y herramientas que se utilicen deben ser homologados para el nivel de tensión del sistema eléctrico en donde se realizarán los trabajos, siempre use herramientas con mangos aislados. El trabajo en un sistema de media tensión como son las barras de 10 kV o 13,2 kV requiere de herramientas cuyo aislamiento soporte esos niveles de tensión.
Toda experiencia o trabajo con electricidad, de ser realizada en compañía de otras personas, por si es necesario recibir auxilio.
Al efectuar una conexión provisional, no use cables o alambres sin aislamiento o con aislamiento deteriorado. En caso de encontrar cables defectuosos, comuníquelo al personal de mantenimiento.
Evitar el contacto con las partes metálicas de tableros, equipos o instrumentos que no estén conectados a tierra. Cuídese del contacto accidental de anillos o relojes con los conductores o barras con tensión.
En caso de trabajo con equipo eléctrico energizado, utilice guantes y anteojos de protección, una chispa eléctrica no tiene mucha energía, sin embargo, puede dañar irreparablemente el ojo humano.
Si en el circuito, se observa una marcha anormal, ruidos extraños, calentamiento excesivo o chispas, abra el interruptor principal de inmediato.
Al maniobrar de interruptores, la operación debe ser realizada de manera rápida para evitar la formación de arcos eléctricos, chispas y consecuentes quemaduras. En especial si el circuito alimenta elementos inductivos o capacitivos
No toque los bornes de los condensadores de potencia, ya que pueden estar cargados.
Todos los circuitos de potencia son peligrosos. Al trabajar con tensiones mayores de 400 V, se debe usar guantes y/o alfombras o taburetes aislantes siempre.
2.- CONTACTORES
Un contactor es un dispositivo con capacidad de cortar la corriente eléctrica de un receptor o instalación con la posibilidad de ser accionado a distancia, que tiene dos posiciones de funcionamiento: una estable o de reposo, cuando no recibe acción alguna por parte del circuito de mando, y otra inestable, cuando actúa dicha acción. Este tipo de funcionamiento se llama de "todo o nada".
Clasificación
-Contactores electromagnéticos. Su accionamiento se realiza a través de un electroimán.
-Contactores electromecánicos. Se accionan con ayuda de medios mecánicos.
-Contactores neumáticos. Se accionan mediante la presión de un gas.
-Contactores hidráulicos. Se accionan por la presión de un líquido.
Constitución de un contactor electromagnético.
- Contactos principales. Son los destinados a abrir y cerrar el circuito de potencia. Están abiertos en reposo.
- Contactos auxiliares. Son los encargados de abrir y cerrar el circuito de mando. Están acoplados mecánicamente a los contactos principales y pueden ser abiertos o cerrados.
- Bobina. Elemento que produce una fuerza de atracción (FA) al ser atravesado por una corriente eléctrica. Su tensión de alimentación puede ser de 12, 24 y 220V de corriente alterna, siendo la de 220V la más usual.
- Armadura. Parte móvil del contactor. Desplaza los contactos principales y auxiliares por la acción (FA) de la bobina.
- Núcleo. Parte fija por la que se cierra el flujo magnético producido por la bobina.
- Resorte. Es un muelle encargado de devolver los contactos a su posición de reposo una vez cesa la fuerza FA.
Funcionamiento del contactor.
A los contactos principales se conectan al circuito que se quiere gobernar. Asegurando el establecimiento y cortes de las corrientes principales y según el número de vías de paso de corriente, será bipolar, tripolar, tetrapolar, etc. realizándose las maniobras simultáneamente en todas las vías.
Los contactos auxiliares son de dos clases abiertos y cerrados. Estos forman parte del circuito auxiliar del contactor y aseguran las autoalimentaciones , los mandos, enclavamientos de contactos y señalizaciones en los equipos de automatismo.
Cuando la bobina del contactor queda excitada por la circulación de la corriente, mueve el núcleo en su interior y arrastra los contactor principales y auxiliares, estableciendo a través de los polos el circuito entre la red y el receptor. Este arrastre o desplazamiento puede ser:
- Por rotación, pivote sobre su eje.
- Por traslación, deslizándose paralelamente a las partes fijas.
- Combinación de movimientos, rotación y traslación.
Cuando la bobina deja de ser alimentada, abre los contactos por efecto del resorte de presión de los polos y del resorte de retorno de la armadura móvil.
La bobina está concebida para resistir los choque mecánicos provocados por el cierre y la apertura de los contactos y los choques electromagnéticos debidos al paso de la corriente por sus espiras, con el fin de reducir los choques mecánicos la bobina o circuito magnético, a veces los dos se montan sobre amortiguadores.
Si se debe gobernar desde diferentes puntos, los pulsadores de marcha se conectan en paralelo y el de parada en serie.
Simbología y referenciado de bornes.
Los bornes de conexión de los contactores se nombran mediante cifras o códigos de cifras y letras que permiten identificarlos, facilitando la realización de esquemas y las labores de cableado.
- Los contactos principales se referencian con una sola cifra, del 1 al 16.
- Los contactos auxiliares están referenciados con dos cifras. Las cifras de unidades o cifras de función indican la función del contacto:
* 1 y 2, contacto normalmente cerrados (NC).
* 3 y 4, contacto normalmente abiertos (NA).
* 5 y 6, contacto de apertura temporizada.
* 7 y 8, contacto de cierre temporizado.
- La cifra de las decenas indica el número de orden de cada contacto en el contactor. En un lado se indica a qué contactor pertenece.
- Las bobinas de un contactor se referencian con las letras A1 y A2. En su parte inferior se indica a qué contactor pertenece.
- El contactor se denomina con las letras KM seguidas de un número de orden.
Elección de un contactor electromagnético.
Es necesario conocer las siguientes características del receptor:
- La tensión nominal de funcionamiento, en voltios (V).
- La corriente de servicio (Ie) que consume, en amperios (A).
Potencia mecánica (Pm) (kW)
Corriente de servicio (Ie) (A)
220 V 380 V
0,75 3 2
1,1 4 2,5
1,5 6 3,5
2,2 8,5 5
3 11 6,5
4 14,5 8,5
5,5 18 11,5
7,5 25 15,5
10 35 21
11 39 23
15 51 30
22 73,5 44
- La naturaleza y la utilización del receptor, o sea, su categoría de servicio.
Categoría de servicio Ic / Ie Factor de potencia
AC1 1 0,95
AC2 2,5 0,65
ACE 1 0,35
AC4 6 0,35
- La corriente cortada , que depende del tipo de categoría de servicio y se obtiene a partir de la corriente de servicio, amperios (A).
Los pasos a seguir para la elección de un contactor son los siguientes:
1. Obtener la corriente de servicio (Ie) que consume el receptor.
2. A partir del tipo de receptor, obtener la categoría de servicio.
3. A partir de la categoría de servicio elegida, obtener la corriente cortada (Ic) con la que se obtendrá el calibre del contador.
Además, hay que considerar la condición del factor de potencia, ya que, en el caso de los circuitos de alumbrado con lámparas de descarga (vapor de mercurio, sodio,...) con factor de potencia 0,5 (sin compensar), su categoría de servicio es AC3,aunque por su naturaleza debería ser AC1. Mientras que si estuviera compensado a 0,95, su categoría sería AC1.
Aplicaciones.
Las aplicaciones de los contactores, en función de la categoría de servicio, son:
Categoría de servicio Aplicaciones
AC1 Cargas puramente resistivas para calefacción
eléctrica,...
AC2 Motores asíncronos para mezcladoras, centrífugas,...
AC3 Motores asíncronos para aparatos de aire acondicionado, compresores, ventiladores,...
AC4 Motores asíncronos para grúas, ascensores,...
EJEMPLO
Elegir el contactor más adecuado para un circuito de calefacción eléctrica, formado por resistencias débilmente inducidas, cuyas características son las siguientes:
- Tensión nominal: 220 V
- Potencial total: 11 kW
- Factor de potencia: 0,95 inductivo.
Solución:
1. La corriente de servicio se obtiene aplicando la expresión de la potencia en circuito trifásico: Ic = P / raizcad3 * V * cosj = 30,5 A
2. La categoría es AC1, por ser resistivo el receptor y su factor de potencia próximo a la unidad.
3. La corriente cortada es igual a la servicio, por lo que el calibre del contactor a elegir es de 32 A.
Las categorías del contactor elegido son:
- Categoría: AC1 (por ser el cos j = 0,95).
- Calibre: 32 A.
GLOSARIO
Flujo magnético: Magnitud física que se produce en el interior de una bobina situada en un circuito magnético, cuando se le aplica una corriente eléctrica entre sus extremos. Este flujo se cierra a través del núcleo y la armadura, produciéndose una fuerza de atracción entre las mismas.
Corriente de servicio: Corriente que consume un receptor (estufa eléctrica, lámpara, motor,...) de forma permanente.
Calibre: La corriente que es capaz de soportar el contactor durante 8 horas seguidas sin que se sobrecaliente. AC1, AC2,...
Corriente cortada: La máxima corriente que es capaz de cortar un contactor sin destruirse por sobrecalentamiento (soporta 1.000.000 de maniobras aprox.).
3.- Corriente Alterna
Hasta ahora se ha considerado que la corriente eléctrica se desplaza desde el polo positivo del generador al negativo (la corriente electrónica o real lo hace al revés: los electrones se ven repelidos por el negativo y atraídos por el positivo).
Fig.1 : Corriente continua
En una gráfica en la que en el eje horizontal se expresa el tiempo y en el vertical la tensión en cada instante, la representación de este tipo de corriente, que llamaremos CORRIENTE CONTINUA, es el de la figura 1, si el valor de la tensión es constante durante todo el tiempo.
Fig.2 : Corriente continua variable
La de la figura 2, si dicho valor varía a lo largo del tiempo (pero nunca se hace negativa), la llamaremos corriente contínua variable.
Ahora bien, existen generadores en los que la polaridad está constantemente cambiando de signo, por lo que el sentido de la corriente es uno durante un intervalo de tiempo, y de sentido contrario en el intervalo siguiente. Obsérvese que siempre existe paso de corriente; lo que varia constantemente es el signo (el sentido) de ésta.
Fig.3 : Corriente alterna
Naturalmente, para cambiar de un sentido a otro, es preciso que pase por cero, por lo que el valor de la tensión no será el mismo en todos los instantes. A este tipo de corriente se le llama CORRIENTE ALTERNA, y, por el mismo motivo, se habla de TENSION ALTERNA. La figura 3 muestra un ejemplo de corriente alterna.
La corriente contínua se abrevia con las letras C.C.(Corriente Continua) o D.C. (Direct Current), y la alterna, por C.A. (Corriente Alterna) o A.C.(Alternated Current)
FUNCIONES PERIODICAS
El caso más importante de corrientes alternas son las llamadas corrientes alternas periódicas: son aquellas en las que los valores se repiten cada cierto tiempo. El tiempo que tarda en repetirse un valor se llama PERIODO de la corriente, se expresa en unidades de tiempo y se representa por la letra T
En las figuras se muestran varios tipos de corrientes alternas periódicas. Si en el eje horizontal se ha representado el tiempo, el periodo es el intervalo que hay entre dos puntos consecutivos del mismo valor
<-periodo->
Fig.1 : Corriente rectangular
Al máximo valor, se le llama precisamente, VALOR MAXIMO, o VALOR DE PICO o VALOR DE CRESTA, o AMPLITUD.
Fig.2 : Corriente triangular
El punto en que toma el valor máximo se llama CRESTA o PICO. El punto en que toma el valor mínimo es el VIENTRE o VALLE,
Fig.3 : Corriente en diente de sierra
Los puntos en los que toma el valor cero se les llama NODOS o CEROS. La forma más cómoda de medir el periodo es entre picos, o valles, o nodos consecutivos.
Fig.4 : Corriente sinusoidal
La diferencia entre un pico y un valle da el VALOR DE PICO A PICO que, naturalmente, será el doble del valor de pico.
El valor de la corriente en cada instante es el VALOR INSTANTANEO, el número de alternancias o ciclos que describe la corriente en un segundo se le llama FRECUENCIA y se expresa en c/s (ciclos por segundo) o HERTZ (Hz). Los múltiplos más usuales del hertz son:
o KILOHERTZ (KHz.) = 103 Hz. (1.000 Hz)
o MEGAHERTZ (KHz.) = 106 Hz. (1.000.000 Hz)
o GIGAHERTZ (KHz.) = 109 Hz. (1.000.000.000 Hz)
La frecuencia resulta ser la inversa del período:
1 f = --- T 1 T = --- f
CORRIENTE SINUSOIDAL
La más importante de las corrientes alternas periódicas es la llamada corriente sinusoidal o senoidal, porque es la única capaz de pasar a través de resistencias, bobinas y condensadores sin deformarse. Puede demostrarse que cualquier otra forma de onda se puede construir a partir de una suma de ondas sinusoidales de determinadas frecuencias. Se llama sinusoidal porque sigue la forma de la función matemática SENO. Que es la representada en la figura.
Figura 1
Esta función es (si se trata de tensiones) :
vi = Vp sen kt
o bien (si se trata de corrientes)
ii = Ip sen kt
donde:
vi es el valor instantáneo de la tensión, es decir, el valor en un determinado instante t. ii es el valor instantáneo de la corriente, es decir, el valor en un determinado instante t. Vp es el valor de pico de la tensión, también llamado amplitud de la tensión Ip es el valor de pico de la corriente, también llamado amplitud de la corriente k es una constante propia de la corriente de que se trate, relacionada con la frecuencia, y cuya explicación se verá más adelante. t es el tiempo expresado en segundos ( para cada instante t la tensión tendrá un valor)
EJEMPLO: Sea una corriente de amplitud 10 A. y k = 628. Calcular los valores instantáneos al cabo de 1,5 ms., 2,5 ms., y 7,5 ms.
• Comprueba los datos calculados por tí con los de la tabla que sigue más abajo, donde: • la primera columna está el tiempo ( t ) en ms. • la segunda columna está calculado el producto de la constante k por el tiempo t. ( k t
). • Y la tercera columna se a multiplicado la amplitud de 10 por el sen de kt.-
La tabla I de valores obtenida es con la que se ha dibujado la señal de la figura 1.
Tabla I
RELACION ENTRE EL MOVIMIENTO SINUSOIDAL Y EL CIRCULAR
CONCEPTO DE VELOCIDAD ANGULAR
La velocidad se expresa como la relación que existe entre el espacio recorrido y el tiempo empleado en dicho recorrido. Si el espacio recorrido es e y el tiempo empleado en recorrerlo es t diremos que la velocidad v = e / t Si usted recorre con su vehículo una distancia de 144 Km. en 2 horas, podemos decir que su velocidad (media) es de v = 144 / 2 = 72 Km./h.
Del mismo modo, en un movimiento circular, es decir, en aquel cuya trayectoria es una circunferencia, se puede definir de otra manera la velocidad.
Ahora nos interesa, más que el camino recorrido, el ángulo que ha descrito nuestro movimiento durante un tiempo determinado. Y así diremos que si nuestro móvil se traslada a lo largo de la circunferencia un ángulo de 70º en 2 segundos diremos que se ha movido con una velocidad de 70/2 = 35º en un segundo. Esta nueva manera de expresar la velocidad se denomina VELOCIDAD ANGULAR.
La velocidad angular nos expresa la relación que existe entre el ángulo recorrido por nuestro móvil y el tiempo empleado en recorrer dicho ángulo.
Dado que la unidad natural del ángulo es el RADIAN (La circunferencia tiene 2 p radianes). La velocidad angular se expresará en RADIANES POR SEGUNDO (Rad/seg.).
La velocidad angular, también llamada PULSACION o FRECUENCIA ANGULAR, se representa por la letra griega w (omega).
Entonces , si un móvil lleva una velocidad angular w ( por ejemplo, 4 rad/seg.), al cabo de un tiempo t ( por ejemplo, 2 segundos), habrá descrito un ángulo (f): que será igual al producto de la velocidad angular w por el tiempo t:
f = w t = 4 . 2 = 8 radianes
MOVIMIENTO CIRCULAR
Fijaros que al moverse el punto A a lo largo de la circunferencia, proyecta una sombra (roja en la figura) de longitud OX Si llamamos a al ángulo que forman la línea OA con la línea OX se define el coseno del ángulo a como el cociente entre la distancia OX y la distancia OA: OX cos a = ------ OA Por lo que podemos decir que OX = OA cosa
Es decir que la proyección del punto A es igual, al producto de OA por el coseno del ángulo que forma con la horizontal. En la figura de abajo vemos que es la distancia del punto al eje vertical (de color rojo en la figura) y marcada con una flecha en azul
T es el tiempo que tarda el punto en recorrer la circunferencia, a este tiempo le llamaremos periodo Si el punto A se mueve a lo largo de la circunferencia, observamos que: en t=0 la proyección es máxima, en t = T/4 es nula y en t=T/2 es máxima pero negativa. Hemos dividido la parte superior de la circunferencia en 12 partes y para cada punto la distancia al eje vertical, la hemos llevado a la parte inferior, y uniendo los puntos obtenemos la curva del coseno. EL MOVIMIENTO SINUSOIDAL ES LA PROYECCION DEL MOVIMIENTO CIRCULAR.
Resumiendo lo dicho: Veamos el radio de amplitud A de la figura, que suponemos que inicialmente forma un ángulo j0 con la horizontal y que en cierto momento comienza a girar con una velocidad w. Al cabo de t segundos, se habrá desplazado un ángulo w t, por lo que se encontrará formando un ángulo f con la horizontal de valor j0 + wt.
La proyección en cada instante del extremo del radio sobre el eje horizontal valdrá :
x = cos (wt + j0 )
Sobre el movimiento circular (periódico) se definirán unos conceptos que serán de aplicación en el movimiento sinusoidal:
w = PULSACION : La pulsación del movimiento sinusoidal equivale a la velocidad angular del movimiento circular. Se expresará, por tanto, en radianes por segundo.- (Recordar que una circunferencia tiene 2 p radianes) T = PERIODO : es el tiempo que tarda el radio en describir una vuelta completa, que es, a su vez, el tiempo que tarda en repetir su valor. f = FRECUENCIA : Es el número de vueltas por segundo y, por tanto, el número de periodos por segundo.- (Su valor es la inversa de dicho periodo) j0 = FASE : Es el ángulo inicial formado por el radio antes de empezar a contar el tiempo. En el movimiento sinusoidal representa el desplazamiento del eje vertical respecto del comienzo de la sinusoide. A = AMPLITUD o VALOR MAXIMO de la sinusoide: Es el valor del radio en el movimiento circular x(t) = VALOR INSTANTANEO. Es el valor de la sinusoide en cada instante. En el movimiento circular es la proyección del radio sobre el eje horizontal
Así pues, hay una relación entre frecuencia, periodo y pulsación. En efecto: Si para describir una vuelta se necesitan T segundos ( por ejemplo T = 0,5 seg.)
¿ Cuántas vueltas describirá en 1 segundo ? Lógicamente 2 vueltas. Es decir f = 1 / T o lo que es lo mismo T = 1 / f Cada circunferencia tiene como ya se ha dicho 2 p radianes. Por lo tanto si se describen f vueltas por segundo ( por ejemplo 2 vueltas por segundo) equivale a decir que la velocidad angular es de 2 p . 2 radianes por segundo es decir 4 p rad /s.
w = 2 p f = 2 p / T
La frecuencia resulta ser la inversa del período:
1 f = --- T 1 T = --- f
VALOR MEDIO Y VALOR EFICAZ
VALOR MEDIO
Se llama valor medio de una tensión (o corriente) alterna a la media aritmética de todos los valores instantáneos de tensión ( o corriente), medidos en un cierto intervalo de tiempo.
En una corriente alterna sinusoidal, el valor medio durante un período es nulo: en efecto, los valores positivos se compensan con los negativos.
Vm = 0
En cambio, durante medio periodo, el valor medio es
siendo V0 el valor máximo.
VALOR EFICAZ
Se llama valor eficaz de una corriente alterna, al valor que tendría una corriente continua que produjera la misma potencia que dicha corriente alterna, al aplicarla sobre una misma resistencia.
Es decir, se conoce el valor máximo de una corriente alterna (I0). Se aplica ésta sobre una cierta resistencia y se mide la potencia producida sobre ella. A continuación, se busca un valor de corriente continua que produzca la misma potencia sobre esa misma resistencia. A este último valor, se le llama valor eficaz de la primera corriente (la alterna).
Para una señal sinusoidal, el valor eficaz de la tensión es:
y del mismo modo para la corriente
la potencia eficaz resultará ser:
Es decir que es la mitad de la potencia máxima (o potencia de pico)
La tensión o la potencia eficaz, se nombran muchas veces por las letras RMS. O sea, el decir 10 VRMS ó 15 WRMS significarán 10 voltios eficaces ó 15 wats eficaces, respectivamente.
4.- ¿Qué es el PCB?
Es un compuesto químico que se utiliza en transformadores eléctricos en nuestro país. Está incluido dentro de los doce contaminantes más peligrosos del planeta. En contacto con el hombre puede provocar cáncer.
El bifenilo ploriclorado (PCB) es un compuesto químico formado por cloro, carbón e hidrógeno. Fue sintetizado por primera vez en 1881. El PCB es resistente al fuego, muy estable, no conduce electricidad y tiene baja volatilidad a temperaturas normales. Éstas y otras características lo han hecho ideal para la elaboración de una amplia gama de productos industriales y de consumo.
Pero son estas mismas cualidades las que hacen al PCB peligroso para el ambiente, especialmente su resistencia extrema a la ruptura química y biológica a través de procesos naturales.
Irónicamente, su estabilidad química, que ha contribuido a su uso industrial extenso, es también uno de los aspectos que causa la preocupación más grande. Esta resistencia inusual, más su tendencia a permanecer y acumularse en organismos vivos, genera la presencia de PCB en el ambiente y una amplia dispersión con sus consecuentes efectos.
Muchos experimentos de laboratorio y otros estudios han intentado determinar los efectos que producen los PCBs en la salud de los seres humanos. Los científicos convienen en que es poco probable que la baja exposición a los PCBs a corto plazo genere lesiones serias. Sin embargo, la mayoría coincide sobre los efectos adversos provocados por la exposición a largo plazo, incluso en concentraciones bajas.
Los PCBs pueden ingresar en el cuerpo a través del contacto de la piel, por la inhalación de vapores o por la ingestión de los alimentos que contengan residuos del compuesto.
El efecto más común es el "chloracne", una condición dolorosa que desfigura la piel, similar al acné adolescente. También pueden provocar daños en el hígado y la Organización Mundial de la Salud comprobó, además, que el PCB es cancerígeno.
En nuestro país todavía se encuentran transformadores de baja y media tensión que contienen aceite refrigerante de PCB y que, en muchos casos, chorrean ese lubricante por falta de mantenimiento. La liberación del aditivo con PCB contamina el suelo, las napas y el agua. No sólo de un barrio sino de toda la zona porque una de las características del PCB es que se desparrama con facilidad. Pero el principal riesgo ocurre si los transformadores explotan o se prenden fuego, en ese caso, el PCB se transforma en un producto químico denominado dioxina. Ésta se produce a través de la combustión.
Las dioxinas son las sustancias más dañinas que se conocen. Son cinco millones de veces más tóxicas que el cianuro y se ha comprobado que son cancerígenas.
El PCB es considerado un "contaminante orgánico persistente", es decir que permanece en el medio ambiente por largos períodos.
Está incluido en la "docena sucia", un listado de los doce contaminantes más peligrosos del planeta.
El PCB se utilizaba como refrigerante de transformadores pero en 1976, luego de un accidente, fue prohibido en Estados Unidos y Europa. Hoy existen alternativas al PCB mucho más seguras como los aceites de silicón o ciertos tipos de aceite mineral dieléctricos. Hoy se utilizan transformadores secos para reemplazar a los que necesitaban refrigerantes líquidos.
Historia del PCB
Su uso masivo comenzó en la década del 50. Durante años se desconoció su peligrosidad. Fue prohibido en casi todo el mundo luego de varios incidentes. Sin embargo, hoy, se sigue manipulando con negligencia y sin controles suficientes.
Aunque fue sintetizado por primera vez en 1881, la producción comercial de PCB comenzó en los Estados Unidos en 1929 en respuesta a la necesidad de la industria eléctrica de un líquido refrigerante y aislante más seguro para los transformadores y condensadores industriales.
También fueron utilizados como líquidos hidráulicos; como capas superficiales para el papel copia sin carbono; como plastificantes en sellantes, resinas sintetizadas, cauchos, pinturas, ceras y asfaltos; y como retardadores de llamas en aceites lubricantes. Sin embargo, fue a partir de 1950 cuando comenzó su uso masivo.
Durante los primeros 25 años de aplicación, no generó preocupaciones hasta que en 1968, en Japón, se contaminó aceite de arroz con estos compuestos. Los niños nacidos de madres que habían ingerido el aceite se caracterizaron por la pigmentación oscura de su piel, bajo peso al nacer, párpados hinchados e irrupción temprana de los dientes. Además, 1200 personas se envenenaron.
En el mismo país, otro incidente con PCB provocó niños hipotónicos y de bajo coeficiente intelectual. Algo semejante sucedió en Taiwan y en Estados Unidos, donde los nenes nacidos de madres que habían comido pescado de los lagos de Michigan, contaminado con bifenilos policlorinados, tenían mala memoria, un coeficiente intelectual bajo para su edad y la visión disminuida.
Estos acontecimientos pusieron la mirada sobre el PCB. En 1973, la Organización para la Cooperación Económica y el Desarrollo impulsó a todos los países miembro a limitar el uso de PCB y a desarrollar mecanismos de control. Hacia 1977 su fabricación y aplicación fue prohibida en Canadá.
Un año antes, tanto en Europa como en Estados Unidos se prohibió la producción y comercialización de estas sustancias. No así en el resto de los países
En 1985 se produjo un derrame de PCB que era transportado cerca de Kenora, Ontario, poniendo nuevamente a este químico en el candelero. A partir de allí se dispusieron normas estrictas para el transporte seguro de este material peligroso.
Estos incidentes llevaron a la Monsanto Company, único fabricante de PCB en Estados Unidos, a frenar su producción voluntariamente.
En Estados Unidos y Canadá, el uso de PCB se permite solamente en sistemas eléctricos e hidráulicos cerrados existentes.
Estados Unidos emprendió un acelerado programa de eliminación de equipos que contengan PCB. Bajo la actual legislación canadiense, el sistema eléctrico existente que contiene PCB debe reemplazarse cuando complete su vida útil. En tanto, el mantenimiento, el control y la vigilancia de estos productos es muy estricta. Los gobiernos provinciales y federales deben asegurar el uso correcto de estos equipos.
A nivel mundial se realizan reuniones para determinar los plazos para la eliminación total de estas sustancias.
El desconocimiento de su peligrosidad produjo un manejo sin ningún tipo de precauciones. Por esto, grandes volúmenes de PCB se han introducido en el ambiente a través de la incineración abierta o incompleta; por la vaporización de pinturas, de capas y de plásticos; por la entrada o salida directa en alcantarillas, vaciándolos en sitios no seguros; y por otras técnicas que no destruyeron el material.
A pesar de las regulaciones, algunos PCBs se siguen vaciando ilegalmente, con total ignorancia y negligencia.
Ley 24.051 de residuos peligrosos
Rige desde fines de enero de 1992. Define qué son los residuos peligrosos, los tratamientos y su eliminación. Además tiene un glosario que ayuda a su interpretación. El PCB está incluido dentro de esta categoría. El decreto 831/93 completa su reglamentación.
La ley de residuos peligrosos fue publicada en el Boletín Oficial el 17 de enero de 1992. Desde ese entonces determina en su artículo segundo que será considerado peligroso, "todo residuo que pueda causar daño, directa o indirectamente, a seres vivos o contaminar el suelo, el agua, la atmósfera o el ambiente en general".
La ley 24.051 excluye a los residuos domiciliarios, radiactivos y los derivados de las operaciones normales de los buques, que se regirán por leyes especiales y convenios internacionales.
Específicamente, en el glosario que contiene, se denomina residuo peligroso "a todo material que resulte objeto de desecho o abandono y pueda perjudicar en forma directa o indirecta, a seres vivos o contaminar el suelo, el agua, la atmósfera o el ambiente en general; y cualquiera de los indicados expresamente en el Anexo I de la Ley N° 24.051 o que posea alguna de las características enumeradas en el Anexo II de la misma Ley".
Dentro del Anexo I, la ley enumera desechos como los resultantes de la atención médica prestada en hospitales, centros médicos y clínicas para salud humana y animal; desechos que contengan cianuros; residuos resultantes de las operaciones de eliminación de desechos industriales; desechos que tengan compuestos de arsénico; cianuros inorgánicos; compuestos fenólicos, con inclusión de los clorofenoles. Concretamente se refiere a sustancias y artículos de desecho que contengan o estén contaminados por bifenilos policlorados (PCB), trifenilos policlorados (PCT) o bifenilos polibromados (PBB), entre otros 45 compuestos.
La ley, también hace referencia a las sustancias tóxicas, tanto de efectos retardados como crónicos, que, de ser aspirados o ingeridos, o de penetrar en la piel puedan causar efectos nocivos, incluso la carcinogenia. Este es el caso del PCB, sustancia a la que la Organización Mundial de la Salud ha calificado como un desencadenante del cáncer.
El PCB queda incluido en la categoría de los ecotóxicos, ya que, según la ley, es una sustancia o desecho que, al liberarse, puede tener efectos adversos inmediatos o retardados en el medio ambiente debido a la bioacumulación o los efectos tóxicos en los sistemas bióticos.
El Artículo 48 indica que "los generadores de residuos peligrosos deben brindar información valiosa por escrito" a las autoridades competentes y al responsable de la planta, sobre sus residuos, para poder "disminuir los riesgos, para el conocimiento más exacto sobre los residuos de su propiedad que se vayan a tratar o disponer y con el fin de que el operador de la planta decida sobre el tratamiento más conveniente".
Dentro de los procesos de eliminación de residuos peligrosos se incluye la incineración: un procedimiento de oxidación térmica a alta temperatura en el cual este tipo de desechos son convertidos, en presencia de oxígeno, en gases y residuales sólidos incombustibles. Los gases
generados deben ser emitidos a la atmósfera previa limpieza de gases y los residuales sólidos deben depositarse en un relleno de seguridad.
El Decreto 831/93
Este decreto, de aplicación nacional, reglamenta la ley de residuos peligrosos desde mayo de 1993. En él se puede encontrar la definición de toxicidad. Una característica que identifica a aquellos residuos o a productos metabólicos que "poseen la capacidad de, a determinadas dosis, provocar por acción química o químico-física un daño en la salud, funcional u orgánico, reversible o irreversible, luego de estar en contacto con la piel o las mucosas o de haber penetrado en el organismo por cualquier vía".
También se diferencia entre toxicidad aguda, donde el efecto se manifiesta luego de una única administración; toxicidad subaguda o subcrónica, que provoca consecuencias luego del contacto con el material durante un período limitado como por ejemplo de 1 a 3 meses. La toxicidad crónica es aquella en la que las secuelas se evidencian luego de una administración o contacto durante períodos mucho más prolongados.
Las determinaciones de toxicidad se pueden subdividir en dos grandes categorías: toxicidad humana y ecotoxicidad. En la primera se puede diferenciar la toxicidad oral; por inhalación; por penetración dérmica; o por irritación dérmica. En la segunda se distingue la toxicidad en el ambiente acuático de la del ambiente terrestre.
La eliminación
El anexo III de la ley se refiere a la eliminación de residuos peligrosos. Por un lado, existen "operaciones que no pueden conducir a la recuperación de recursos, el reciclado, la regeneración, la reutilización directa u otros usos". En la sección A se muestran este tipo de operaciones que incluyen los depósitos dentro o sobre la tierra como los rellenos; la inyección profunda en pozos, domos de sal o fallas geológicas naturales; y la incineración en tierra o en mar, entre otras 15 posibilidades.
Por otra parte, para ley, existen operaciones que pueden conducir a la recuperación de recursos, el reciclado, la regeneración, reutilización directa. La sección B comprende todas las operaciones con respecto a materiales que son considerados jurídicamente como desechos peligrosos como la utilización de estas sustancias como combustible (que no sea en la incineración directa) u otros medios de generar energía; el reciclado o recuperación de sustancias orgánicas que no se utilizan como disolventes y la regeneración u otra reutilización de aceites usados, entre otros métodos de reciclaje.
Para quienes no cumplan con las normas de seguridad, la ley prevé multas que se determinan en cada caso en particular y que la Secretaría de Medio Ambiente utiliza para solventar sus gastos.
Los efectos que el PCB causa en la salud
Se ha demostrado que el PCB puede causar una gran variedad de efectos adversos sobre la salud. Está comprobado que en los animales causa cáncer, además de trastornos en el sistema inmunológico, reproductivo y nervioso.
- Diversos estudios sostienen la teoría de que el PCB causa cáncer en los animales. También se comprobó que en los seres humanos puede provocar la misma enfermedad. Los análisis realizados en trabajadores expuestos al PCB fueron preocupantes: se descubrieron casos de cáncer de hígado y la presencia de melanomas malignos. De esta manera, se confirmaría que el PCB tenga riesgos cancerígenos para los seres humanos.
- El PCB tiene efectos tóxicos en los animales. Afecta el sistema nervioso, inmunológico, reproductivo y endocrinológico.
- Los trastornos inmunológicos que se producen por exposición al PCB se han estudiado en los monos macacos de la India y en otros animales. Es importante observar que el sistema inmunológico de estos monos y de los seres humanos es muy similar. Las investigaciones revelaron que la exposición al PCB puede causar una gran cantidad de efectos sobre el sistema, como una disminución del tamaño de la glándula timo en los monos pequeños, una reducción de la defensa inmunológica y afecta en la creación de anticuerpos. Cuando se debilita el sistema inmunológico, el individuo es más susceptible a contraer neumonía e infecciones virales. Si el sistema inmunológico está afectado, el organismo está más expuesto a contraer cáncer. Estos trastornos también se observaron en los humanos que consumieron aceite de arroz contaminado.
- Los efectos sobre el sistema reproductivo se han estudiado en varios animales, entre los que se encuentran los monos macacos de la India, las ratas y los visones. Se encontraron varios trastornos en los animales que se analizaron. En primer lugar, se redujo el peso de la cría al nacer y disminuyeron los índices de fecundación y la tasa de natalidad. Los estudios también se llevaron a cabo en humanos, en especial en mujeres que trabajaron en contacto con el PCB. En estos casos se observó una disminución del peso al nacer y del tiempo de gestación.
- Los efectos del PCB sobre el sistema nervioso han sido estudiados en monos y en otros animales. Los monos recién nacidos presentaron un déficit muy importante en el desarrollo neurológico, incluyendo el reconocimiento visual, la capacidad de memoria a corto plazo y las aptitudes para aprender e incorporar conocimientos. Estos estudios se basaron los restos de PCB encontrados en la leche materna humana. Los resultados de las investigaciones realizadas en los seres humanos han sido similares a los trastornos encontrados en los monos. Estas semejanzas comprueban los trastornos que el PCB puede causar en el comportamiento humano.
- Está demostrado que el PCB causa trastornos en el sistema endocrinológico. Disminuye el nivel de la hormona tiroides, la cual es fundamental para el normal crecimiento y desarrollo. Se ha demostrado que los roedores presentaron trastornos en la audición. En estudios realizados en los Países Bajos y Japón, se ha relacionado la contaminación con PCB con la disminución del nivel de la hormona tiroides.
- Otros efectos del PCB que no tienen relación con el cáncer, son las alteraciones cutáneas y oculares encontradas en animales y seres humanos. También se encontró toxicidad en el hígado de los roedores. El aumento de la presión arterial, los triglicéridos y el colesterol también fueron relacionados con la contaminación con PCB en seres humanos.
Leucemia: una enfermedad que afecta a los chicos
La leucemia es la segunda causa de muerte en los niños. Según la doctora Sosa, las causas de la enfermedad pueden deberse tanto a factores endógenos como exógenos.
La leucemia linfoblástica es el cáncer de la sangre. Esta enfermedad se manifiesta cuando los glóbulos blancos crecen en forma desordenada y ocupan lugares que no les corresponden.
La leucemia no es hereditaria, no se transmite de la madre al hijo, ni es contagiosa. Sí hay varios predisponentes genéticos que pueden hacer que haya gente más propensa que otra a padecer esta enfermedad. En los chicos, la leucemia es la segunda causa de muerte después de los accidentes. Éste es el tipo de cáncer más frecuente, junto con los tumores en el sistema nervioso.
"Existen dos picos de incidencia en que los niños pueden manifestar esta enfermedad: en los primeros cuatro años de vida y alrededor de los ocho. Los chicos pueden tener varios síntomas,
depende del momento del nivel de evolución al que lleguen. Suelen presentar anemia leve, cansancio, palidez, dolor en las piernas y los huesos, aumento del tamaño del hígado, del vaso, de los ganglios y aparición de hematomas en el cuerpo", explica la pediatra Patricia Sosa, especialista en leucemia.
Para entender mejor cómo es la enfermedad, la doctora Sosa explica: "Una célula que se llama linfocito pierde el control y crece desordenadamente, sin que nada ni nadie la pueda frenar. La leucemia es la proliferación anormal de linfocitos. Al ocupar el lugar de las células normales, ocupan la médula ósea, lugar en el que se fabrica la sangre. En vez de producir glóbulos rojos, blancos y otras células, producen nada más que células malignas que no dejan que crezcan las demás".
"La leucemia -agrega Sosa- aumentó mucho en estos últimos años, pero no porque sea una enfermedad que ahora aparece más, sino porque hay más industrialización. Entonces, debe haber algún factor exógeno que está afectando a todos estos chicos. Evidentemente por algo crece la cantidad de chicos con leucemia".
Los causales de la enfermedad pueden deberse a múltiples factores, los cuales no sólo son endógenos, sino también exógenos. Según Sosa, el único factor exógeno que se comprobó que por si sólo puede provocar leucemia es la radioactividad, como ocurrió en Hiroshima y Nagasaki y en Chernobyl. Allí, se comprobó que hubo una alteración en los glóbulos blancos producida directamente por la radiación. Es por eso que en otros casos la doctora recomienda estudiar otros agentes que pueden contribuir para que la enfermedad se manifieste.
Es por eso que, según cada persona y cada caso en particular, los productos cancerígenos o leucemiantes pueden provocar mutaciones o alteraciones dentro del genoma y predisponer un desorden en la célula para que crezca y no tenga control.
Pero al concluir, Sosa brindó un dato alentador: "En la actualidad, el 70 por ciento de los chicos con leucemia se cura luego de someterse a un tratamiento".
La lista de Mabel
En la localidad de Del Viso, partido de Pilar, (Buenos Aires, Argentina) más de 50 personas tienen algún tipo de cáncer. Ciertos de los damnificados creen que los transformadores de luz contienen una sustancia tóxica llamada PCB, que habría contaminado el suelo y el agua. Mientras tratan de establecer una relación entre la enfermedad y la sustancia, Edenor niega el uso de ese compuesto en sus transformadores.
El hijo de Mabel tiene leucemia, pero no es el único caso. Junto a otros vecinos, ella investigó y hoy tiene una lista con más de 50 enfermos de cáncer.
En el barrio Villa del Carmen de la localidad bonaerense de Del Viso, partido de Pilar, más de 50 personas padecen algún tipo de cáncer. El dato no es casual: todas viven un barrio de apenas 30 cuadras donde se detectaron contaminantes en el suelo y en el agua. Según un informe del Gobierno de la Provincia, debajo de los transformadores de electricidad colocados en el cableado de luz de la zona fue detectada una sustancia altamente tóxica. En tanto, Edenor niega que sus transformadores contengan ese compuesto.
La zona donde viven los enfermos y fallecidos de cáncer está enmarcada por la avenida Lisandro de la Torre y la ex Ruta 8, y las calles Homero y Santiago Davobe. En ese mismo perímetro, donde se asienta el barrio Villa del Carmen, se extienden los cables de media tensión y hay siete transformadores. Las preguntas son: ¿en estos transformadores hay PCB? ¿Se usó en algún momento?
PCB significa bifenilo ploriclorado y es un refrigerante. Figura entre los 12 contaminantes más peligrosos y en 1976 fue prohibido en Estados Unidos y Europa. La Organización Mundial de la Salud (OMS) alertó sobre sus efectos cancerígenos.
Según explica el ingeniero Brandani, en principio, los transformadores no provocan peligro. Pero si liberan o chorrean aceite que tienen PCB como aditivo, pueden contaminar el suelo, las napas y el agua. Toda la zona -y no sólo el barrio- está, en ese caso, en riesgo porque una de las características de esta sustancia es que, una vez que se desparrama en el ambiente, "es de muy alta persistencia".
Sin embargo, aclara, "el peligro principal está dado cuando explotan o se prenden fuego. En ese caso, el PCB se transforma en un producto químico denominado dioxina o agente naranja", que es cinco millones de veces más tóxico que el cianuro y cancerígeno. En 1995, un transformador de energía de la empresa Edenor explotó en la zona. Tuvieron que retirarlo. Pero a la vuelta, sobre la misma manzana, después instalaron otro.
La historia de Mabel
Hace cinco años que Mabel Lorenzo vive con en el barrio con su esposo y sus dos hijos, justo enfrente del lugar donde explotó aquel transformador. Es maestra. El año pasado descubrió que su hijo Nahuel, de apenas 4 años, tiene leucemia. Y la vida le cambió por completo.
"Nahuel empezó con una tortícolis el día 22 de septiembre. Levantó fiebre, nos llamó la atención porque tenía una tortícolis, no tiene por qué producir fiebre. Fuimos a un traumatólogo con las radiografías y ni siquiera las miró. Sospechó que no era nada bueno. Y nos derivó a un Hospital de San Isidro. Eso era a las 9 de la noche del 23 de septiembre. A las 12 de la noche se supo el nombre de la enfermedad. Era una leucemia", relató Mabel.
Más tarde, y casi sin proponérselo, en la iglesia de su barrio se enteró de otros casos de enfermos de cáncer. Entre ellos, chicos con leucemia linfoblástica y a otros les detectaron un tumor en la cabeza.
"Estábamos en la iglesia y cuando venían y me pedían una intención para un enfermo o para un fallecido, no era de curiosa, pero ya me había obsesionado. Empecé a preguntar de qué había fallecido y les decía: ¿A usted no le molesta si anoto dónde vive? Y así empezamos a hacer una lista", explicó.
En los primeros momentos, la lista de Mabel tenía 19 nombres. Son familias que sufrieron la pérdida de alguno de sus miembros o siguen padeciendo el doloroso tratamiento al que son sometidos sus enfermos.
Mientras los casos aumentaban, Mabel buscaba una causa para las enfermedades. Un ingeniero fue quien, ante su consulta, le sugirió que apuntara a los transformadores de electricidad.
El 12 de junio pasado, la Secretaría de Política Ambiental de la provincia tomó muestras de agua y de la tierra que está debajo de las columnas de energía para evaluar si estaban contaminadas con PCB. Dos días después, Edenor aclaró en una carta: "Dentro del ámbito de la Municipalidad de Pilar, no existen transformadores con líquido refrigerante del tipo policloro bifelinos (PCB). Tampoco fueron instalados en momento alguno, tanto por parte de nuestra empresa como por Segba".
Sin embargo, hace una semana se conocieron los resultados de los análisis realizados por la Provincia de Buenos Aires: se encontró que el agua no es apta para consumo humano y, en el suelo debajo de los transformadores, detectaron restos de PCB.
La lista de Mabel sigue creciendo y ya contabiliza 80 casos dentro del partido de Pilar y 20 más en el de Malvinas Argentinas, a sólo seis cuadras de su casa.
La zona afectada
Este es el barrio Villa del Carmen en Del Viso, partido de Pilar. Las personas enfermas de cáncer viven en un radio de 30 cuadras. Casualmente, allí hay 7 transformadores de electricidad colocados en el cableado de la luz. Debajo de los transformadores, se encontraron manchas de aceite que, al ser analizadas por el Gobierno de la Provincia de Buenos Aires, revelaron la presencia de PCB, una sustancia tóxica y cancerígena. Como consecuencia, las napas y el agua están contaminadas.
5.- Instrumentos de Medición para la Evaluación del Consumo de Energía Térmica
1 Introducción
El objetivo de un análisis térmico es lograr una utilización racional de la energía, reduciendo el consumo y mejorando la eficiencia energética de los procesos que involucran la combustión o el uso de energía residual. El uso eficiente y racional de la energía permite el mejor aprovechamiento de los recursos y permite hacer más competitivos los procesos productivos, incrementando la producción con la misma cantidad de energía.
En el sector industrial, gran parte de la energía primaria consumida se destina al calentamiento de fluidos como agua caliente, vapor o aceite térmico, en calderas cuyos rendimientos energéticos suelen ser bajos. Los principales parámetros que interesan en un estudio térmico son:
La medición de flujos másicos
La medición de variables energéticas.
Nuestra preocupación es determinar la eficiencia energética térmica con la cual está operando el equipo estudiado y la medición de los parámetros que nos permitirán determinar dicha eficiencia.
Una vez determinada la eficiencia del equipo se podrá decidir si es necesario actuar sobre el equipo, mejorando su rendimiento energético o si se está trabajando dentro del rango adecuado. Se debe tener siempre en cuenta que una alta eficiencia significa un bajo consumo de combustible y, por lo tanto, un reducido costo de operación y una menor emisión de gases.
2 El Balance de energía del equipo
El punto de partida para toda medición térmica es el balance energético del equipo a medir, sea éste una caldera, un horno, un motor u otro equipo. El balance de energía puede definirse así:
Energía que ingresa al sistema = Energía que sale del sistema.
La termodinámica nos enseña que para un proceso con flujo y estado estables se tiene:
Lo que se entiende por: "La suma de los calores que atraviesan el sistema es igual a la diferencia entre la suma de entalpías que salen del sistema y la suma de entalpías que ingresan al sistema".
Es decir, si se identifica las energías involucradas en la medición que se realizará, se podrá plantear correctamente la ecuación y se podrán identificar cuales son las variables relevantes que se deberán medir. Con la finalidad de presentar las variables involucradas en una maquina térmica, tomaremos como ejemplo una caldera de vapor, el equipo térmico por excelencia que encontramos en una planta industrial.
En la caldera que se muestra en la figura No.1, se tiene:
Para leer los valores de los parámetros que permitirán el análisis numérico en las expresiones anteriores, se debe instalar instrumentos de medición en número y tipo suficientes que realicen esta labor. En el caso de la caldera de la figura No.1, se necesita de los siguientes instrumentos, indicados en la tabla No.1.
Los parámetros que se miden con mayor frecuencia son Temperatura y Caudal.
La temperatura, unida a la presión del fluido (que es generalmente presión atmosférica), sea éste vapor, aire o agua, nos ayuda a conocer las propiedades termodinámicas de éste y con ello a conocer su estado.
El caudal se refiere al paso de la masa por unidad de tiempo. Por esta razón sería más correcto referirse al flujo de masa. Sin embargo, las lecturas suelen ser de flujo volumétrico, es decir, volumen por unidad de tiempo. La relación entre estos dos parámetros es sencilla:
Flujo másico = Flujo volumétrico por Densidad del fluido
Un aspecto importante a tomar en cuenta es el referido a la seguridad. La medición de parámetros térmicos implica trabajar muchas veces con altas temperaturas y con equipos con partes rotatorias. Por esta razón, mantener prácticas seguras durante el monitoreo es indispensable para no sufrir accidentes a veces muy lamentables: la puerta posterior de una caldera puede estar fácilmente a 300°C y tocarla casualmente originaría una quemadura grave. Asimismo, las paredes de las chimeneas, de los hornos, el vapor flash (revaporizado) de las purgas, pueden ser motivo de accidentes.
Tabla No.1 - Instrumentación necesaria para efectuar el balance energético de la caldera de la figura No.1
Variable Parámetro Instrumento Calor evacuado al
ambiente Temperatura superficial,
Área del casco
Velocidad del viento
Temperatura ambiente
Termocupla de contacto
Termómetro infrarrojo
Anemómetro
Termómetro Entalpía de los gases de
combustión Composición de gases
Caudal
Temperatura
Analizador de gases
Tubo Pitot "S"
Termocupla Entalpía del vapor Temperatura
Presión
Caudal
Termocupla
Manómetro diferencial
Placa orificio Entalpía de las purgas Temperatura
Caudal
Termocupla
Recipiente. Entalpía del aire de
combustión Temperatura
Presión barométrica
Caudal
Termocupla
Barómetro
Medidor de caudal Entalpía del combustible Poder calorífico
Caudal
(Dato)
Medidor de caudal Entalpía del agua Temperatura
Caudal
Termocupla
Medidor de caudal
Lo conveniente es, no sólo desplazarse con cuidado dentro de la planta y reconocer las superficies potencialmente peligrosas, sino trabajar con elementos de seguridad como son casco, guantes, guardapolvo o mameluco, zapatos con punta de acero, lentes y, aunque algunos trabajos no lo requieren, en pareja o, al menos con una persona cerca, que podría avisarnos de algún riesgo cercano.
3 Medición de la temperatura
La definición de temperatura más extendida en termodinámica es "la medida de la energía cinética media de la moléculas de una sustancia". Es decir que, en virtud de sus velocidades moleculares, los cuerpos tienen cierta energía, que es representada por la temperatura. Los instrumentos de medición que miden la temperatura se denominan "termometros".
Tipos de termometros
Termómetros mecánicos
Termómetro de líquido en vidrio. Permite correlacionar las variaciones de volumen de un líquido con las variaciones de su temperatura. Consiste en un bulbo de vidrio que contiene el líquido, un tubo capilar y un bulbo pequeño en la parte superior.
El líquido se elige según el nivel de temperatura a medir; el más común es el Mercurio, con el cual se puede medir entre -35°C y 650°C; para temperaturas menores, puede usarse el alcohol metílico (punto de congelación —97°C) o el etílico (punto de congelación —114°C). Sin embargo, el alcohol sólo puede medir hasta 120°C.
Termómetro bimetálico. Está compuesto por dos láminas de metal fuertemente unidas y de coeficiente de dilatación diferente. Es muy usado en industria.
Termómetros eléctricos
Termocupla. Consta de dos alambres metálicos diferentes unidos por sus extremos. En estas condiciones aparece una f.e.m., que es función de los metales utilizados y de la diferencia de temperatura entre las soldaduras de los extremos de los alambres. Con alambres de longitud dada, es decir, de resistencia dada, la medición de corriente circulante es una indicación válida de la diferencia de temperaturas entre las soldaduras caliente y fría. La figura No.2 muestra la disposición básica de la termocupla.
Tal como muestra la figura No.2, no necesariamente los alambres deben estar unidos entre sí en una junta, pero deben tener la misma temperatura. En este caso, la junta fría es llamada junta de referencia. La junta caliente suele llamarse junta de medición. Los metales utilizados para las termocuplas son diversos y pueden clasificarse en bajos y nobles.
Los nobles son el platino y el rodio. En este caso, el platino puro conforma un alambre y una aleación de platino y rodio (90/10) conforma el otro alambre. Cubre lecturas hasta 1400°C.
Los metales bajos son las aleaciones cobre-constantán (hasta 200°C), hierro-constantán (hasta 750°C)y cromel-alumel (hasta 1200°C). El constantán es una aleación de cobre y níquel (60/40). El cromel es una aleación de cromo y níquel (20/80). El alumel es una aleación de aluminio y níquel (2/98).
Una diferencia fundamental entre los metales nobles y los metales bajos es la mucho mayor f.e.m. que producen estos últimos, a igualdad de temperaturas, como puede verse en la Tabla No.2.
Tabla No.2 - Tipos de Termocupla y Rangos de Operación (Junta de referencia a 0°C)
Tipo Materiales Rango de Temperatura vs. Diferencia de tensión
B Platino-Rodio (94/6), Platino-Rodio (70/30) 0-2400°C vs. 0-9mV E Cromel, Constantan 0-1400°C vs. 0-55mV J Hierro, Constantan 0-1400°C vs. 0-45mV K Cromel. Alumel 0-2400°C vs. 0-55mV R Platino, Platino-Rodio (87/13) 0-2200°C vs. 0-20mV S Platino, Platino-Rodio(10/90) 0-2200°C vs. 0-15mV T Cobre, Constantan 0-700°C vs. 0-15mV
Termómetro de radiación
Infrarrojo. Consta de un sensor de luz infrarroja que recibe esta onda y la interpreta como calor emitido por la superficie a la cual se mide la temperatura.
El infrarrojo es una porción invisible del espectro de luz que se extiende entre 0.75 y 1000 m m. La medición de temperatura mediante el sensor infrarrojo se basa en que todo objeto que tenga una temperatura mayor a 0 grados absolutos (0 Kelvin ó -273.15°C) emite energía algo de radiación dentro de este rango.
La radiación térmica, según Maxwell, viaja como una vibración eléctrica y perturbación magnética a través del espacio en una dirección perpendicular a dicha perturbación. Es una onda que se mueve en línea recta con velocidad constante (igual a la velocidad de la luz si este movimiento es a través del vacío).
El espectro electromagnético cubre una gran cantidad de longitudes de onda, desde ondas muy cortas hasta muy largas. La única región del espectro electromagnético la cual es sensible a nuestro ojos es el rango "visible" identificado en el diagrama con los colores del arcoiris.
El sol no es el único objeto que provee energía radiante; algunos objetos cuya temperatura es mayor que el 0 Kelvin, como se vio antes, pueden emitir algo de energía radiante. Esta energía radiante está relacionada a la temperatura del objeto.
Si un objeto está colocado dentro de un recipiente cuyas paredes están a temperatura uniforme, se espera que el objeto alcance el equilibrio térmico con las paredes del recipiente y el objeto pueda emitir energía radiante semejante a las paredes del recipiente. Así un objeto absorbe e irradia la misma cantidad de energía. Ahora las superficies negras absorben toda la radiación incidente sobre ellos y estos pueden irradiarla de la misma manera si están en equilibrio térmico. La radiación en equilibrio térmico es llamada Radiación de cuerpo negro.
La primera relación entre la temperatura y la energía radiante fue deducida por J. Stefan en 1884 y teóricamente explicada por Boltzmann con la siguiente ecuación:
Energía Total = s T4
Donde:
Energía Total = energía por unidad de área por segundo emitido por un cuerpo negro
T = Temperatura absoluta.
s = Constante de Stefan-Boltzmann.
La manera como la energía total emitida por un cuerpo negro es desplegada en varias frecuencias y longitudes de onda fue explicada por Max Planck el cual lo resolvió planteando que la energía de las oscilaciones debe estar cuantizada, es decir la energía puede no tomar cualquier valor pero puede cambiar por pasos, siendo el tamaño de cada paso o quantum proporcional a la frecuencia de oscilación multiplicada por la constante de Planck. Con esta proposición, Planck derivó la distribución de la energía de los cuerpos negros y mostró que es definida por su temperatura. Así, si la temperatura de un cuerpo negro es especificada, la Ley de Planck puede usarse para calcular la energía emitida por el cuerpo como una función de la longitud de onda, y si la distribución de energía del cuerpo radiante es medida, entonces, ajustándole una curva de Planck puede determinarse su temperatura.
Los cuerpos más calientes emiten más energía a longitudes de onda más cortas. La Ley de Wien dice:
l (max) ~ 0.29/T
Donde:
l (max) = longitud de onda del máximo brillo en cm
T = temperatura absoluta de el cuerpo negro.
Como ejemplo, el cuerpo humano tiene una temperatura alrededor de los 310 K (36,7°C) e irradia primeramente en el infrarrojo. Si una fotografía de una humano es tomado con un cámara sensitiva a la región de las longitudes de onda se puede obtener una "imagen térmica".
La medición con el termómetro infrarrojo aprovecha esta radiación, que convierte en una lectura de temperatura.Los termómetros infrarrojos tienen ciertas características que los diferencian de otros tipos de medición de temperatura. Se puede medir objetos en movimiento, pues la medición no requiere de contacto entre la superficie medida y el instrumento de medición.
Asimismo, la distancia entre el objeto y el instrumento no afecta la medición. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que el sensor infrarrojo mide la energía en una zona circular del objeto y el tamaño de esa zona es función de la distancia entre el sensor y el objeto, y mientras mayor es la distancia, mayor es la zona circular. Consecuentemente, la distancia estaría limitada únicamente por el tamaño del objeto a medir.
En este caso, y para tener la seguridad de estar leyendo la temperatura de la zona que se desea medir, algunos termómetros infrarrojos incluyen un haz laser de baja potencia para "afinar la puntería" y localizar el punto de interés.
El color no afecta la medición. Aunque una característica de la superficie llamada emisividad, si influye. La emisividad es función tanto del tipo de material como de la calidad de la superficie del objeto a medir. Sin embargo, la mayoría de equipos de medición por infrarrojo corrigen esta inconveniencia durante la lectura.
Tal como puede verse, es posible medir la temperatura de superficies sin tocarlas. Esto quiere decir que no se puede medir la temperatura del aire, puesto que la presencia de éste no debe afectar la medición en ningún caso.
Los termómetros infrarrojos pueden ser portátiles o fijos. Los rangos de temperatura para uso industrial van de —50 a 3000°C, según el modelo y la aplicación. Muchos de ellos incluyen equipo de registro de lecturas con salida de señal a una computadora.
La ventaja de la medición con termómetro infrarrojo es poder medir temperatura tanto en un punto definido como en una zona o a todo un equipo completo, teniendo en este caso una termografía o imagen termográfica del objeto.
En el caso de la medición de la temperatura en un punto, nos ayuda a conocer propiedades particulares de ese punto, por ejemplo la temperatura de ingreso de un fluido a un proceso. Es decir, ayuda a controlar procesos.
En el caso del termograma, ayuda a diagnosticar fallas en la operación de un equipo, por ejemplo la rotura del material refractario de la puerta posterior de una caldera. Es decir, ayuda al trabajo de mantenimiento del equipo. Es importante destacar que para obtener un resultado efectivo en el uso del termómetro infrarrojo no se necesita un experto. Lo que sí es importante es que el usuario está familiarizado con los procesos y principios de operación del equipo a inspeccionar.
4 Medición de caudal
El flujo de vapor, agua u otro fluido es importante porque da la cantidad de energía que está circulando en un ducto. Es decir, si se conoce el caudal se sabe con cuánta energía se cuenta para una aplicación dada (por ejemplo en un flujo de vapor) o cuánta energía se pierde en un proceso (por ejemplo en los gases de una chimenea). Es necesario conocer algunos términos antes de revisar la medición de caudal.
Flujo laminar y flujo turbulento. Son los regímenes principales del movimiento de un fluido. El primero se refiere a flujos lentos que se caracterizan por tener una distribución ordenada de velocidades en el ducto. El segundo se refiere a flujos con mayores velocidades y se caracteriza por el movimiento desordenado del fluido dentro del ducto.
Número de Reynolds. Es un número que no tiene dimensiones. Se calcula teniendo en cuenta tanto las propiedades del fluido como la geometría del ducto que lo transporta. Define el tipo de régimen de flujo que tiene un ducto. Es decir, hay un número de Reynolds a partir del cual el flujo deja de ser laminar para ser turbulento.
La ecuación de Bernouilli. Es la base para la medición de caudal con los medidores de obstrucción. Plantea la igualdad de energía en dos puntos: el ingreso y la garganta del medidor. La energía puede escribirse:
E = P/r +1/2 v2 + g.z
Donde:
E = Energía en un punto
P = presión en es punto
r = densidad del fluido
v = velocidad del fluido
g = aceleración de la gravedad
z = altura del punto respecto a una referencia.
Clasificación de medidores de caudal
Medidores de obstrucción. Son medidores que se instalan en el ducto donde se desea realizar la medición. Son cuatro: tubo venturi, tobera, placa orificio y rotámetro. Miden la caída de presión que se produce entre la entrada y la salida del medidor. A partir de esta lectura, puede calcularse el caudal.
Sensores de velocidad. Son medidores de presión diferencial. Son el de presión estática, el tubo Pitot, de presión total, y el tubo Pitot estático, que mide presión dinámica. Se insertan en el ducto a medir.
Por ondas. Utiliza ondas para realizar su medición. Miden a través de la pared del ducto. Son el de efecto Doppler y el medidor ultrasónico. El primero emite ondas que atraviesan la pared y rebotan en las partículas o las burbujas que transporta el fluido. Es decir, se requiere que el fluido tenga cierto grado de impureza, sin la cual la medición no puede realizarse. La velocidad de las partículas se calcula a partir del tiempo que demora en llegar el rebote de la onda emitida. El medidor ultrasónico emite ondas ultrasónicas que no requieren impurezas.
Medidores de obtrucción
En estos se utiliza la ecuación de Bernouilli vista antes. Al plantear la ecuación de energía entre dos puntos se obtiene, luego de simplificar:
dP/r +1/2 dv2 = 0
De donde se ha supuesto que los dos puntos están a la misma altura. En esta expresión se puede calcular la velocidad del segundo punto, conocidas las presiones y la velocidad en el primer punto.
Con la expresión del caudal:
V = v * A
Donde:
V = Caudal
v = velocidad
A = área de la sección transversal del punto de medición
Se obtiene el caudal en función de la caída de presión leída.
El siguiente paso es afinar el cálculo con el factor de corrección, característico de cada equipo. Este factor toma en cuenta las pérdidas a través del medidor. Se le denomina Coeficiente de descarga. Este factor es tanto mayor cuanto mayor es la caída de presión originada por el medidor.
El tubo Pitot
El flujo es proporcional a la velocidad media. Por tanto, una de las formas de medir el caudal es midiendo la velocidad. Esto se realiza mediante los sensores de presión.
El tubo Pitot mide la diferencia entre la presión total del fluido y la atmosférica. Si el tubo Pitot se conecta con el ducto, mide la diferencia entre la presión total y la presión estática. Esta presión se denomina dinámica, y es la medida del cuadrado de la velocidad. Luego, aplicando la ecuación de Bernouilli, se calcula el caudal.
Estos medidores no tiene coeficiente de corrección pues no perturban el flujo.
5 Medición de gases de combustión
Propósitos del análisis
Beneficio económico.
Mantener una buena combustión produce un menor consumo de combustible y eleva la eficiencia tanto de la caldera como del proceso productivo. Una mala combustión origina desperdicio de combustible y mayor contaminación.
Beneficio ambiental.
Durante la combustión se generan gases que contaminan el ambiente: el anhídrido sulfuroso (SO2) y los óxidos de nitrógeno (NOX) tienen efectos nocivos sobre la salud del hombre, el desarrollo de las plantas en agricultura y las edificaciones; el dióxido de carbono (CO2) es un gas de efecto invernadero (favorece el calentamiento global de la atmósfera); el monóxido de carbono (CO) es un gas muy tóxico aún a bajas concentraciones.
Adecuación legal.
Existen normas dictadas por los ministerios públicos que limitan los niveles de emisión de gases (concentración y flujo másico) a la atmósfera. El incumplimiento acarrea sanciones.
Los resultados del análisis de gases de combustión nos indican si es necesario regular el quemador (actuar sobre la mezcla aire/combustible), reparar o cambiar alguna pieza de él (si con la regulación no se logra mejoras) o, en el peor de los casos, sustituirlo (fin de la vida útil del quemador).
Asimismo, son datos importante para el cálculo del balance energético de los equipos que utilizan combustión en sus procesos.
Gases presentes en los gases de combustion
Los gases presentes en la combustión y sus características se muestran en la tabla No.3.
Tabla No.3 - Gases presentes en la combustión
Gas Característica Oxígeno (O2) Proviene del exceso de aire utilizado
Dióxido de Carbono (CO2) Proviene del combustible y es el producto principal de la combustión.
Es un gas de efecto invernadero Monóxido de Carbono (CO) Es producto de la combustión incompleta.
Es un gas contaminante muy nocivo.
Dióxido de Azufre (SO2) Proviene del combustible.
Su producción es inevitable y perniciosa.
Es un gas contaminante, responsable de la lluvia ácida y de afecciones bronco-pulmonares.
Óxidos de Nitrógeno (NO y NO2: NOX) Proviene del aire de combustión. Se produce a altas temperaturas.
Son gases contaminantes, son responsables de afecciones bronco-pulmonares.
Equipos para análisis de gases
Los gases de combustión pueden ser medidos por distintos métodos. No todos los equipos permiten la medición de todos los gases presentes. Se distinguen el Aparato de Orsat y los analizadores automáticos con celdas electroquímicas:
Aparato de Orsat:
Se basa en la absorción de los gases de combustión por reactivos contenidos en botellas burbujeadoras. Determina los contenidos de CO2, O2 y CO en soluciones de hidróxido de potasio, ácido pirogálico en hidróxido de potasio y cloruro cuproso en amoniaco, respectiva y sucesivamente. Los resultados obtenidos son valores promedio de las concentraciones de los gases; la lectura es discreta; es decir, .por muestras.
Analizadores electroquímicos:
Se basan en reacciones electroquímicas en celdas denominadas "Sensores" que contienen sustancias (como el óxido de circonio —ZrO2— para el oxígeno) que son sensibles a los gases de combustión. Los más sencillos determinan los contenidos de O2 y CO; los más completos determinan también los contenidos de SO2, NO y NO2.
Todos leen las temperaturas ambiente y de gases, y calculan el contenido de CO2, el exceso de aire, las pérdidas en la chimenea y la eficiencia de combustión. Los resultados obtenidos son valores instantáneos de los contenidos de los gases; la lectura es continua.
El analizador de gases moderno
A continuación analizaremos las características y especificaciones de un analizador moderno de gases típico. El equipo es un analizador electrónico digital con celdas electroquímicas, con sensores para medir ciertos parámetros y un micropocesador para calcular otros.
Mide los siguientes parámetros:
Temperatura de gases
Temperatura ambiente
Concentración de Oxígeno (O2)
Concentración de Monóxido de Carbono (CO)
Concentración de Monóxido de Nitrógeno (NO)
Concentración de Óxidos de Nitrógeno (NO, NO2, NOx)
Concentración de Dióxido de Azufre (SO2)
Tiro en la chimenea
Calcula los siguientes parámetros:
Concentración de Dióxido de Carbono (CO2, a partir del tipo de combustible)
Concentración de Óxidos de Nitrógeno (NOX= NO + NO2)
Eficiencia de combustión (%)
Exceso de aire en la combustión (%)
Pérdidas de calor por la chimenea (%)
Temperatura neta (temperatura de gases menos temperatura ambiente)
Los contenidos de los gases medidos pueden ser expresados en porcentaje en peso (%w), en partes por millón (ppm) o en miligramos por metro cúbico normal (mg/Nm3, a 20°C y 1 bar).
La unidad internacional de concentración de emisiones gaseosas es mg/Nm3; sin embargo las Condiciones Normales de presión y temperatura deben ser especificadas, pues varían de un país a otro; es decir, de una reglamentación ambiental a otra.
El analizador moderno cuenta con una biblioteca de características de combustibles (diesel 2, residual 6, gas natural, carbón, coque, butano, propano y otros), tales como poder calorífico superior e inferior, con los cuales calcula las pérdidas de calor y el contenido de dióxido de carbono (CO2); esta lista puede ser ampliada, introduciendo las características de otros combustibles.
Los sensores de gases con los que cuenta un analizador de gases moderno son cinco y miden la concentración de O2, CO, NO, NO2 y SO2.
El analizador consta de 3 componentes:
Sonda
Este componente se introduce en la chimenea para tomar la muestra de gases que envía al analizador por medio de una manguera resistente a la temperatura. Contiene una termocupla para medición de la temperatura de los gases.
Analizador
Este componente contiene una bomba de vacío para aspirar los gases de combustión, un tren de filtros para eliminar el vapor de agua y las partículas acarreadas, las celdas electroquímicas o sensores, el microprocesador para el análisis de datos y una impresora para registrar los resultados de los parámetros medidos y calculados.
Panel manual
Este componente opera el analizador, calcula algunos parámetros a partir de los datos medidos y muestra en una pantalla los valores medidos y los calculados.
En el anexo No.2 de este capítulo, se presentan las especificaciones de un analizador comercial.
La ubicación del punto de muestreo se elige próxima al casco de la caldera (en general en el agujero del termómetro de chimenea) y donde se encuentre flujo turbulento.
6 Procedimiento para la medición de gases de combustión
Los pasos a seguir en una medición de gases son:
Fijar un nivel de carga en la caldera, con el propósito de mantener constantes las condiciones de funcionamiento; es decir, mantener la llama en fuego bajo, medio o alto.
Introducir la sonda en el agujero practicado a la chimenea.
Imprimir los valores al lograr la estabilización de las lecturas.
Cambiar el nivel de carga de la caldera y repetir el procedimiento.
7 Análisis de resultados de la medición de gases de combustión
Los valores de los parámetros leídos deben ser ajustados a los valores recomendados por los fabricantes de calderas y quemadores, y en ningún caso sobrepasar los valores límite exigidos por la reglamentación nacional o, a falta de éstos, aquellos recomendados por entidades internacionales o por la legislación de algún país en particular.
Los valores recomendados por fabricantes de calderas y quemadores se muestran en la tabla No.4.
El análisis de gases de combustión es útil en todo equipo que utilice un quemador en su funcionamiento, tales como las calderas, los hornos, los secadores, etc. Para cada equipo particular se debe determinar el punto adecuado para la toma de muestra; es decir, el lugar donde se introducirá la sonda para aspirar los gases.
Tabla No.4 - Valores recomendados de los parámetros leidos en la medición de gases
Parámetro Valor recomendado Oxígeno (O2) 2-3%
Dióxido de Carbono (CO2) Diesel : 11,5-12,8%
Residual 6 : 13-13,8%
Gas Natural : 9-10% Monóxido de Carbono (CO) < 400 ppm (*)
Exceso de aire (EA) Diesel : 15-20%
Residual 6 : 20-25%
Gas Natural : 10-15%
Carbón : 25-30% Temperatura de gases £ Temperatura del vapor + 65°C
Eficiencia de combustión » 88% (*) Límite práctico
Bibliografia
CIBO Council of Industrial burners Owners: CIBO Energy Efficiency Handbook. CIBO, 1997, Washintong.
Muller, Michael R.; Simek, Michael; Mak, Jennifer.: Modern Industrial Assesments: A training Manual Version 1,0b; The office of Industruial Productivity & Energy Assesment, Rutgers, The state University of New Jersey, 1995, U.S.A.
Takashi Moriyama: The enery Saving Technology in Boilers; Tokyo Gas Company, 1999, Japon.
Energy efficiency Office; Economic use of coal fired boiler plant. Energy Efficiency Office, 1994, Oxon.
ANEXO
ESPECIFICACIONES DEL ANALIZADOR DE GASES KANE MAY QUINTOX
Lectura del Sensor Rango Aproximación Precisión Temperatura de humos 0 - 600 °C 0.1 °C ±1.0 °C ±0.3% de la
lectura Oxígeno
(O2)
0 - 25 % 0.1% -0.1%
+0.2% Monóxido de Carbono
(CO)
0 - 4000 ppm 1 ppm CO < 400 ppm : ±20 ppm
CO < 2000 ppm : ±5%
CO > 2000 ppm : ±10% Óxido de Nitrógeno
(NO)
0 - 5000 ppm 1 ppm NO < 100 ppm : ±5 ppm
NO > 100 ppm : ±5% Dióxido de Nitrógeno
(NO2)
0 - 800 ppm 1 ppm NO2 < 100 ppm : ±5 ppm
NO2 > 100 ppm : ±5% Dióxido de Azufre
(SO2)
0 - 500 ppm 1 ppm SO2 < 100 ppm : ±5 ppm
SO2 > 100 ppm : ±5% Presión 0 - 150 mbar 0.01 mbar ±5% F.S.
Valores calculados Rango Aproximación Precisión Dióxido de Carbono
(CO2)
0 - 20% 0.1% ±0.3%
Eficiencia 0 - 100% 0.1% ±1%
Condiciones ambientales para funcionamiento confiable del equipo:
Parámetro Rango Temperatura 0 - 40 °C
Humedad Relativa 15 - 90%
Figura No.1 - Flujos en una caldera de vapor
Figura No.2 - Muestra la disposición básica de la termocupla.
Figura No.3 - Espectro electromagnético.
6.- PRINCIPIOS BÁSICOS DE UNA PUESTA A TIERRA
Ellos son: 1.1. Efecto suelo. 1.2. Jabalina. 1.3. Forma electrodo 1.4. Profundidad enterrado 1.5. Humedad del suelo 1.6. Temperatura del suelo
1.1. Efecto suelo
- R1 > R2 > R3 ... R6 > R7 - A d= 2,5 a 3m del centro RT ˜ 0
- El 90% de RT tierra está entre 1,5 a 3m del electrodo.
La mayor resistencia se produce en las menores distancias al electrodo (jabalina); por menor sección de pasaje de corriente y disminuye a medida que nos alejamos. A distancia de 2,5m se considera que el efecto de resistencia es 0. Por ello se aconseja cuando se colocan jabalinas en paralelo ponerlas a 4 mt una de otra.
1.2. Diámetro o Jabalina Variación de la resistencia en F (o). Los ensayos realizados en Underwriters de Estados Unidos indican que la variación de la resistencia al pasar de o de jabalina de o 1/2”a o 3/4”no disminuyen más que un 10%, a igualdad de las demás condiciones.
En consecuencia por encima de o 3/4”es encarecer el componente, y complicar el hincado, sin un efecto positivo.
1.3. Forma electrodo Tipo electrodo Placa y Jabalina Características: Cobre de espesor 2mm en placa y o 1/2”en jabalina. Se comprobó que la forma de una jabalina, como electrodo de tierra es ideal, ya que comparando con una placa de cobre (esp = 2m) se necesita una superficie de 1,66m2
contra 0,12m2 de la jabalina para lograr (en un suelo de resistividad 15 .m) una RT = 5ohms.
1.4. Profundidad enterrado - Entre 1,5 y 3m se notan máx. disminución de RT.
- Luego de 5m, se logra muy poca disminución de RT , con 10 .m a 20 .m (más común). (Capital y Gran Bs. As.) RT = Resistencia de tierra
Se aprecia sobre la curva de p = 10 .m, como sobre suelos más resistivos que la mayor disminución de resistencias se logra hasta 3m de hincado, luego el efecto es mucho menor. En consecuencia no es útil colocar jabalina mayores de 3m de profundidad y sí, poner en paralelo si se necesita bajar la RT.
1.5. Humedad del suelo Debe buscarse lograr una humedad de tipo permanente y de valores 30 a 35%. Valores superiores inciden muy poco, pero por debajo de 20% se incrementa mucho la resistencia de tierra. No es imprescindible llegar a napas de agua, si éstas están muy profundas, pero sí mantener los valores mencionados, sobre todo en épocas de sequía, donde la actividad eléctrica atmosférica (rayos) es mayor
1.6. Temperatura del suelo La incidencia de la temperatura es mínima a valores superiores a 0°C, por debajo de
2 a 3 °C bajo cero crece mucho la resistividad a 50 y 100 ( m).
Comparación económica de jabalinas
El estudio realizado indica que considerando una duración de 30 anos para una puesta a tierra y puesto que la jabalina de acero-cobre tiene 18 anos de vida, en relación a acero-cincado de sólo 7, se requiere 2 en el primer caso contra 5 en el segundo, lo cual, tomando en cuenta costo unitario y de mano de obra, significa que la jabalina de acero-cincado es un 56% más cara y la de tipo cruz un 128%.
TIPO DE ELECTRODO PLACA JABALINA
Características Espesor 2mm
Cobre o = 1/2
Copperweld
Para d = 1500 cm
y R =3
R =5
Superficie total 4,91 m2 1,66 m2
Profundidad (Superficie) 5,78 m (0,22 m2) 3,18 m (0,12 m2)
Para d = 1500 cm
y R =3
R =10
Superficie total 19,63 m2 4,91 m2
Profundidad (Superficie) 12,82 m (0,48 m2) 5,78 m (0,22 m2)
Concepto A B C
Jabalina normalizada JL 16 x 3000 JL 16 x 3000 JPNL 50 x 50 x 5 x
3000
Materiales Acero cincado
Acero cobre Acero cincado
Norma IRAM 2310 IRAM 2309 IRAM 2316
Duración 7 anos 18 anos 7 anos
No de jabalinas (ni) en T = 30 anos 5 2 5
Costo unitario (1992) jabalina 9,50 15,50 14,80 Costo unitario de instalación con mano de obra, materiales y accesorios 31,50 31,50 45,00
Valor del costo unitario por cada jabalina 41,00 47,00 59,80
Valor actual de la instalación ni jabalina 91,68 58,75 133,71
Valores % comparativos 156% 100% 228%
Jabalinas:
JL10xL - JL14xL - JA14L
0 Omm L (mm) Largo Rosca
JL-16xL 14,6 ą 0,2 1000-1500 M16x2
JA-16xL 14,6 ą 0,2 3000, ą 50
JL-18xL 16,2 ą 0,2 1000-1500 M18x2,5
JA-18xL 16,2 ą 0,2 3000, ą 50
Jabalina seccional
7.- CONEXIONES DE PUESTA A TIERRA Y MASA
SÍMBOLO DESCRIPCIÓN
Tierra, Símbolo general
NOTA: Se puede agregar información suplementaria a la categoría de la tierra o a la forma de la tierra si ella no fuera evidente.
Tierra sin ruido
Tierra libre de interferencias
Tierra de protección
NOTA: Este símbolo puede ser usado en lugar del símbolo primero para indicar una conexión de tierra que tenga una función de protección contra descargas eléctricas, en caso de falla de la aislación.
Equipotencialidad
Puesta a masa, Si no existe ambigüedad, el rayado puede omitirse completamente o parcialmente. Si se omite el rayado, el trazo que representa la masa será mas gruesa.
Masa puesta a tierra
Falla
Este símbolo también se utiliza en placas o aparatos para indicar “Tensión peligrosa”. Si se desea hacer figurar en esquema la existencia del mismo, se emplea el símbolo anterior.
Ejemplo: Indicación de una falla a masa.
8.- INSTALACIÓN DE UNA PUESTA A TIERRA
Disposiciones generales: 1. En todos los casos deberá efectuarse la conexión a tierra de todas las masas de la instalación. 2. Las masas que son simultáneamente accesibles y pertenecientes a la misma instalación eléctrica estarán unidas al mismo sistema de puesta a tierra. 3. El sistema de puesta a tierra será eléctricamente continuo y tendrá la capacidad de soportar la corriente de cortocircuito máxima coordinada con las protecciones instaladas en el circuito. 4. El conductor de protección no será seccionado eléctricamente en punto alguno ni pasará por el interruptor diferencial, en caso de que este dispositivo forme parte de la instalación. 5. La instalación se realizará de acuerdo a las directivas de la norma IRAM 2281 - Parte III.
Valor de la resistencia de puesta a tierra.
1. Partes de la instalación cubiertas por protección diferencial. El valor máximo de la resistencia de puesta a tierra será de 10 ohm (Preferentemente no mayor de 5 ohm) (IRAM 2281 - Parte III).
2. Partes de la instalación eventualmente no cubiertas por protección diferencial. Se arbitrarán los medios necesarios de manera de lograr que la tensión de contacto indirecto no supere 24 V para ambientes secos y húmedos (Ver Norma IRAM 2281 - Parte III).
Toma de Tierra La toma de tierra está formada por el conjunto de dispositivos que permiten vincular con tierra el conductor de protección. Esta toma deberá realizarse mediante electrodos, dispersores, placas, cables o alambres cuya configuración y materiales deberán cumplir con las Normas IRAM respectivas. Se recomienda instalar la toma de tierra en un lugar próximo al tablero principal.
Conductor de protección La puesta a tierra de las masas se realizarán por medio de un conductor, denominado "conductor de protección" de cobre electrolítico aislado (Normas IRAM: 2183, 2220; 2261, 2262) que recorrerá la instalación y cuya sección mínima se establece con la fórmula indicada en el punto 2.3.2. En ningún caso la sección del conductor de protección será menor a 2,5 mm2. Este conductor estará conectado directamente a la toma de tierra e ingresará al sistema de canerías de la instalación por la caja de tablero principal.
Disposiciones particulares a) Tomacorriente con puesta a tierra. La conexión al borne de tierra del tomacorriente identificado para esta función se efectuará desde el borne de conexión del conductor de protección en la caja mediante una derivación con cable de cobre aislado.
b) Conexión a tierra de motores u otros aparatos eléctricos de conexión fija. Se efectuará con un conductor de sección según el punto 3.2.3.4. y que esté integrado preferentemente al mismo cable de la conexión eléctrica. c) Canos, cajas, gabinetes metálicos. Para asegurar su efectiva puesta a tierra se realizará la conexión de todas las cajas y gabinetes metálicos con el conductor de protección, para lo cual cada caja y gabinete metálico deberá estar provisto de un borne o dispositivo adecuado. Además deberá asegurarse la continuidad eléctrica con los canos que a ella acometen, utilizando a tal efecto, dispositivos adecuados. d) Canos, cajas y gabinetes de material aislante. El conductor de protección deberá conectarse al borne de tierra previsto en las cajas y gabinetes.
Nota: Si en una instalación se vinculan canos metálicos y cajas aislantes deberán preverse dispositivos adecuados para conectar los canos al conductor de protección en cada caja.
Fuente: código eléctrico nacional argentino
9.- PROTECCIÓN CON TOMA DE TIERRA - RELE DIFERENCIAL
Toda instalación eléctrica tiene que estar dotada de una serie de protecciones que la hagan segura, tanto desde el punto de vista de los conductores y los aparatos a ellos conectados, como de las personas que han de trabajar con ella.
Existen muchos tipos de protecciones, que pueden hacer una instalación eléctrica completamente segura ante cualquier contingencia, pero hay tres que deben usarse en todo tipo de instalación: de alumbrado, domesticas, de fuerza, redes de distribución, circuitos auxiliares, etc., ya sea de baja o alta tensión. Estas tres protecciones eléctricas, que describiremos con detalle a continuación son:
a) Protección contra cortocircuitos (En 23.-: PROTECCIÓN DE LOS CIRCUITOS ELÉCTRICOS)
b) Protección contra sobrecargas (En 23.-: PROTECCIÓN DE LOS CIRCUITOS ELÉCTRICOS)
c) Protección contra electrocución
PROTECCIÓN CONTRA ELECTROCUCIÓN
Peligros de la corriente eléctrica
Bajo los efectos de una corriente eléctrica, puede sobrevenir la muerte de una persona, por las causas siguientes:
• Paralización del corazón • Atrofia de los músculos del tórax (asfixia) • Carbonización de los tejidos • Electrólisis de la sangre (solamente en c.c.), etc.
Aunque los cuerpos humanos reaccionan de diferente manera unos de otros y dependiendo de las condiciones del momento, podemos decir que la corriente eléctrica empieza a ser peligrosa, cuando atraviesan el cuerpo humano más de 25 mA, durante más de 0,2 segundos.
Se ha comprobado que la resistencia del cuerpo humano, con piel sana y seca, depende de la tensión que se le aplique, pudiendo variar entre 2.500 y 100.000 ohms. Esta resistencia también disminuye debido a la humedad, la transpiración, las heridas superficiales, al aumentar la masa muscular de las personas, si el contacto es inesperado, etc. También y por causas aun desconocidas se sabe que en las altas frecuencias la corriente eléctrica deja de ser peligrosa para el cuerpo humano (a partir de unos 7.000 Hz aproximadamente), y por tal motivo se emplea mucho en electromedicina.
Debido a todo lo anteriormente expuesto, cuando se hacen cálculos sobre la seguridad contra electrocución, y con el fin de trabajar con un buen margen de seguridad, se considera que la resistencia del cuerpo humano es de 1.000 ohms.
Por eso los reglamentos electrotécnicos fijan como tensiones peligrosas, exigiendo la instalación de protecciones contra electrocución, las siguientes:
• 50 V, con relación a tierra, en locales secos y no conductores. • 24 V, con relación a tierra, en locales húmedos o mojados. • 15 V, en instalaciones para piscinas
Sistemas de protección contra electrocución
Frente a los peligros de la corriente eléctrica, la seguridad de las personas, ha de estar fundamentada en que nunca puedan estar sometidas involuntariamente a una tensión peligrosa. Por tal motivo, para la protección contra electrocución deben de ponerse los medios necesarios para que esto nunca ocurra.
La reglamentación actual clasifica las protecciones contra contactos indirectos, que pueden dar lugar a electrocución en dos clases:
Clase A: Esta clase consiste en tomar medidas que eviten el riesgo en todo momento, de tocar partes en tensión, o susceptibles de estarlo, y las medidas a tomar son:
• Separación de circuitos • Empleo de pequeñas tensiones de seguridad (50, 24 o 15 V) • Separación entre partes con tensión y masas metálicas, por medio de aislamientos • Inaccesibilidad simultanea entre conductores y masas • Recubrimiento de las masas con elementos aislantes • Conexiones equipotenciales
Clase B: Este sistema que es el mas empleado, tanto en instalaciones domésticas como industriales, consiste en la puesta a tierra de las masas, asociada a un dispositivo de corte automático (relé o controlador de aislamiento), que desconecte la instalación defectuosa.
Por ello se emplean principalmente dos tipos de protecciones diferentes, a saber:
• Puesta a tierra de las masas
• Relés de control de aislamiento, que a su vez pueden ser:
• Interruptores diferenciales, para redes con neutro a tierra. • Relés de aislamiento, para redes con neutro aislado
PUESTA A TIERRA DE LAS MASAS
Se denomina puesta a tierra a la unión eléctrica, entre todas las masas metálicas de una instalación y un electrodo, que suele ser generalmente una placa o una jabalina de cobre o hierro galvanizado (o un conjunto de ellos), enterrados en el suelo, con el fin de conseguir una perfecta unión eléctrica entre masas y tierra, con la menor resistencia eléctrica posible, como se ve en la figura 16.4. Con esto se consigue que en el conjunto de la instalación no puedan existir tensiones peligrosas entre masas y tierra.
Con la puesta a tierra se trata que las corrientes de defecto a tierra (Id), tengan un camino más fácil, que el que tendría el cuerpo de una persona que tocara la carcasa metálica bajo tensión. Por tanto como la red de tierras ha de tener una resistencia mucho menor que la del cuerpo humano, la corriente de defecto circulará por la red de tierra, en vez de hacerlo por el cuerpo de la persona, tal como se aprecia en la figura 16.5.
En las instalaciones industriales deben de realizarse tomas de tierra independientes para: las masas metálicas de los aparatos eléctricos, para la conexión de los neutros de los transformadores de potencia y para la conexión de los descargadores o pararrayos.
En las instalaciones domésticas y de edificios en general se conectarán a la toma de tierra:
• Los enchufes eléctricos y las masas metálicas de aseos, baños y cocinas. • Las instalaciones ejecutadas con tubos metálicos de: plomería, calefacción y gas, así
como calderas, depósitos, instalaciones de ascensores y montacargas, y en general todo elemento metálico que pueda entrar en contacto con un cable bajo tensión.
• Las estructuras metálicas y las armaduras de columnas y muros de hormigón. • Las instalaciones de pararrayos. • Las instalaciones de antenas, tanto de TV como de FM.
El tipo de toma de tierra (con placas, jabalinas, cables, etc.) dependerá generalmente, de la resistencia del terreno y de las dificultades de instalación de uno u otro tipo, para conseguir una baja resistencia de contacto a tierra. El tipo mas empleado tanto doméstica como industrialmente es el que se hace con jabalinas colocadas verticalmente en el terreno, de 1,5 o 2 metros de longitud generalmente.
Existen muchas tablas y fórmulas para calcular las tomas de tierra, según sea el tipo de terreno o el tipo de electrodo empleado, pero son métodos laboriosos y poco exactos, por lo cual lo que se suele hacer en la práctica es medir la resistencia de la toma de tierra una vez realizada, y si aun es grande se coloca una jabalina o varias mas y se mide de nuevo. Estas es mejor colocarlas separadas unas de otras, al menos 2 metros, para conseguir menor resistencia de contacto.
Medida de las tomas de tierra
La medida que se debe de efectuar es la resistencia eléctrica existente entre los electrodos de toma de tierra y el terreno propiamente dicho. Esta medida se efectúa con unos aparatos especiales denominados Telurómetros o Medidores de toma de tierra.
Estos aparatos constan de un ohmímetro, preparado para medir bajas resistencias, así como unos circuitos de tensión e intensidad, que se conectan por separado en el circuito a medir, por medio de tres conexiones (la toma de tierra a medir y dos electrodos auxiliares), tal como se ve en la figura 16.6. Las jabalinas o electrodos auxiliares se conectan a una distancia determinada, según el tipo de aparato empleado, para evitar los errores que puedan producir las corrientes erráticas, y el indicador nos dará la medida directa o bien deberemos de ajustarla con un potenciómetro graduado.
La medida debe de efectuarse después de desconectar la red de tierras, de los electrodos, ya que se trata de medir solamente la resistencia que estos hacen con respecto a tierra, y el valor máximo de la resistencia de la toma de tierra ha de estar en consonancia con la sensibilidad del dispositivo de corte empleado.
Si denominamos Is a la sensibilidad del dispositivo de corte (relé diferencial generalmente), expresada en amperios de corriente de defecto a tierra o de fuga, según el tipo de local, la resistencia máxima de la puesta a tierra Rt ha de ser:
- Para locales secos: Rt = 50 V / Is
- Para locales húmedas o mojados: Rt = 24 V / Is
- Para piscinas: Rt = 15 V / Is
O sea cuanto mas sensible sea el dispositivo de corte, tanto mayor puede ser la resistencia de la toma de tierra. No obstante el Reglamento Electrotécnico de B.T. recomienda que, en edificios públicos, viviendas, locales comerciales, etc., esta nunca sea mayor de 37 ohms.
TABLA 16.3.- RELACIÓN ENTRE SENSIBILIDAD Y RESISTENCIA
Sensibilidad del dispositivo
Valor máximo de la resistencia de toma
de tierra 0,03 A 800 Ohms 0,1 A 240 Ohms 0,3 A 80 Ohms 0,5 A 48 Ohms 1,0 A 24 Ohms
16.5.- INTERRUPTORES O RELÉS DIFERENCIALES
El interruptor diferencial es un aparato cuya misión es desconectar una red de distribución eléctrica, cuando alguna de sus fases se pone a tierra, bien sea directamente o a través de humedades generalmente. El interruptor diferencial se activa al detectar una corriente de defecto Id, que sea superior a su umbral de sensibilidad Is.
La protección diferencial está basada en la 1ª Ley de Kirchoff, que como ya sabemos dice: "En todo nudo de conductores, la suma de las intensidades que a él llegan, es igual a la suma de las intensidades que de él salen". Esto hace que cuando se produce la derivación a tierra de una
fase, exista un desequilibrio entre la suma geométrica de las intensidades de la red; este desequilibrio, que es precisamente la corriente de defecto Id, es lo que detecta el interruptor diferencial, provocando a continuación la desconexión de la red defectuosa.
Los interruptores diferenciales, según vemos en la figura 16.7, constan de un transformador, cuyo primario esta formado por todas las fases de la red, incluido el neutro, que atraviesan un núcleo toroidal (T), y el arrollamiento secundario está formado por una pequeña bobina (S).
El arrollamiento secundario (S) se conecta luego a un relé que actúa sobre el mecanismo de desconexión del interruptor (B). Todo ello se halla contenido en una caja aislante, con bornes de entrada y salida de red, y pueden ser: Monopolares, Bipolares, Tripolares y Tetrapolares, estos últimos para redes trifásicas con neutro distribuido.
Mientras no exista ninguna derivación a tierra en la instalación, la suma geométrica de las intensidades que circulan por los conductores, será igual a cero (Id = 0), permaneciendo el interruptor cerrado. Por el contrario cuando exista una derivación a tierra de una fase, aparece una corriente de defecto o fuga Id, que induce una corriente en el secundario del transformador toroidal; cuando la corriente de defecto Id sea igual o mayor que la sensibilidad del interruptor Is, el mecanismo de desconexión abre el interruptor. Una vez reparada la avería, el interruptor diferencial debe de cerrarse manualmente.
En la figura 16.8, se explica el funcionamiento, con un ejemplo monofásico, muy fácil de entender.
Así a la vista del dibujo, en el cual la primera figura representa la red en buen estado y la segunda con la fase S a tierra, tenemos:
• Red en buen estado: Is + It = Id = 0 A
• Red con fase a tierra: Is + It = Id = 0,7 A
Ensayo de funcionamiento
Para verificar el correcto funcionamiento de los interruptores diferenciales, estos poseen un pulsador de prueba Pp, que al pulsarlo cortocircuita dos fases, a través de una resistencia, que permite el paso de una corriente algo mayor a la sensibilidad del interruptor Is, con lo cual al provocar un desequilibrio entre las fases origina la desconexión del mismo.
Sensibilidad de los interruptores diferenciales
Los interruptores diferenciales se fabrican para muchos valores de sensibilidad (Is), según sea la longitud de las lineas a proteger y el tipo y condiciones de la instalación, incluso se fabrican con sensibilidad ajustable, para que el usuario la adapte a su instalación.
No obstante los empleados domésticamente y en instalaciones de poca potencia, que se suelen fabricar compactos y para intensidades nominales de entre 5 y 125 A, suelen tener dos tipos de sensibilidad fija sin posibilidad de ser modificada. Estas son:
• Interruptores de media sensibilidad ........ Is = 0,3 A = 300 mA
• Interruptores de alta sensibilidad ............ Is = 0,03 A = 30 mA
Los primeros, que son los mas utilizados, y se deben de emplear en las instalaciones con puesta a tierra; mientras que los segundos, se podrían emplear incluso en instalaciones sin puesta a tierra, debido a la pequeña corriente de fuga que necesitan para su desconexión.
Los interruptores diferenciales de gran potencia, de 150 a mas de 1.000 A, que se emplean para la protección de las instalaciones industriales de gran potencia y baja tensión, suelen tener sensibilidad ajustable en escalones, siendo los valores mas normales: 0,03; 0,1; 0,3; 0,5, 0,8; 1 y 2 A.
16.6.- INTERRUPTORES DIFERENCIALES INDUSTRIALES
Estos interruptores, que como ya dijimos suelen tener la sensibilidad ajustable, suelen fabricarse en dos partes: Por un lado se monta el transformador toroidal, que suele ser de gran tamaño, sobre la red a proteger y aparte se monta el relé diferencial, que incluye todos los elementos de desconexión y verificación de funcionamiento, tal como se ve en la figura 16.9.
Dependiendo de la potencia del interruptor, el bloque que contiene los elementos de desconexión, puede contener también el interruptor propiamente dicho, o bien actuar sobre el interruptor automático de la red, al igual que el resto de las protecciones.
10.- PUESTA A TIERRA EN INSTALACIONES ELÉCTRICAS EN INMUEBLES.
Conceptos Generales: Para evitar los contactos indirectos de las masas de la instalaciones se tomarán las siguientes disposiciones de seguridad preventiva:
b1) Toma de tierra.
b2) Dispositivos de protección adecuados.
- Fusibles (Norma IRAM 2245) - Interruptores termomagnéticos (Norma IRAM 2169) - Interruptores diferenciales (Norma IRAM 2301)
b3) Conductor de Protección para hacer la unión equipotencial de todas las masas con la toma de tierra.
b4) Conexiones de las masas de la instalación a la puesta de tierra.
b1) Toma de Tierra
Clasificación de las tomas de tierra:
1) Viviendas unifamiliares - departamentos - locales comerciales. 2) Grandes edificios para viviendas colectivas - hospita- les - colegios - hoteles - supermercados y todo lugar con acceso al público. 3) Talleres, fábricas pequeñas y locales para depósito.
1) Tomas de tierra en viviendas unifamiliares, departamentos y locales comerciales:
La resistencia a tierra medida desde cualquier masa de la instalación, para el caso de usar interruptores diferenciales, no será mayor de 10 ohm (preferentemente 5 ohm).
En el caso que no se aplique el interruptor diferencial, el valor de la resistencia se calculará para lograr una tensión de contacto indirecto no mayor que 24 VCA para ambientes secos y 12 VCA para pisos mojados. Los valores de resistencia según el tipo de protector que se utilice están dados en el Curso 1ro. de Seguridad y no son mayores de 0,50 ohm lo cual es muy difícil de lograr.
La conexión del electrodo dispersor de la corriente a tierra desde la caja de toma se efectuará mediante conductor electrolítico cuya sección se calcula según se indica (1er. Curso de Seguridad ) y que sea como mínimo de 10 mm2. Si el conductor es desnudo se lo protege dentro de un conductor no metálico enterrado 0,30 m. por debajo del nivel del suelo.
Se puede utilizar:
• Jabalina • Placas • Cables, alambres o flejes enterrados
Jabalinas: Se instalan preferentemente por hincado directo sin perforación. Su diámetro exterior mínimo será de 12,6 mm para las de Acero - Cobre IRAM (2309) y 14,6 mm para las de acero cincado en caliente (IRAM 2310). Ver figura pág.17 de IRAM 2310. La unión en la caja de toma de tierra se efectuará de forma de evitar pares electro-químicos y se harán por ejemplo con grapas de bronce o soldadura termoquímica.
Placas: Las placas de cobre tendrán un espesor mínimo de 3 mm., un área mínima de 0,50 m2 y se enterrarán 1,50 m. como mínimo debajo del nivel del suelo. La unión con el conductor de protección se efectuará por soldadura termoquímica o autógena.
Cables, alambres, etc.: Serán de cobre electrolítico con sección mínima de 25 mm2, cada uno de los alambres tendrá un diámetro de 2 mm como mínimo y se enterrarán a la profundidad de 70 cm. como mínimo.
2) Tomas de Tierra de Grandes edificios para viviendas colectivas y oficinas, hospitales, establecimientos educacionales, hoteles, bancos, supermercados, comercio y todo lugar con acceso de público.
En instalaciones por construir se colocará un conductor como toma de tierra, ubicándolo en el fondo de las zanjas de los cimientos en contacto íntimo con la tierra y de manera que recorra el perímetro del edificio. Este conductor servirá de electrodo dispersor de la corriente de falla a tierra y podrá ser de:
a) Cable de cobre electrolítico desnudo de 35 mm2 de sección nominal (IRAM 2022) mínimo y el diámetro mínimo de los alambres que lo componen será de 1,80 mm.
b) Alambre de acero-cobre de 5mm de diámetro con el 40% de conductividad respecto del cobre como mínimo.
c) Planchuelas de cobre electrolítico de 20 mm por 3 mm como mínimo.
En estos casos la sección se calcula en base a la formula:
Estos conductores se instalarán en forma de anillos o mallas y de ellos se realizarán derivaciones hasta el nivel del suelo a una caja de inspección (una por cada 30 m. de perímetro como mínimo). El conductor de derivación tendrá una sección por lo menos equivalente y será del mismo metal que el de la malla. Se unirán por medio de soldadura autógena o termoquímica, o por compresión con deformación plástica en frío.
NOTA: No se permiten uniones roscadas, abulonadas o remachadas.
La resistencia a tierra será igual o menor que 2 ohm.
En los lugares donde el conductor de puesta a tierra pueda ser dañado, será protegido convenientemente colocándolo en un conducto preferentemente no metálico.
3) Tomas de tierra en talleres, pequeñas fábricas y locales para depósitos.
Se aplicara al sistema de las viviendas unifamiliares, con la diferencia que la conexión del electrodo dispersor de la corriente a la tierra desde la caja del toma será de 16 mm2 como mínimo. En todos los casos la sección se calcula por:
b2) Dispositivos de protección (Interruptores termomagnéticos- diferenciales y fusibles).
Interruptores Termomagnéticos: (Norma IRAM 2169 de junio de 1991 ó IEC 889 - 1988.)
Estos interruptores protegen contra sobrecargas de las instalaciones de cableado en edificios. Actúan con un porcentaje por encima de la corriente nominal por acción térmica o por acción de una sobrecarga de varias veces la corriente nominal por acción magnética. Están capacitados para abrir el circuito en el caso de una corriente de varios cientos de veces la corriente nominal (cortocircuito).
Clasificación: 1) Por capacidad de cortocircuito nominal:
1.500 - 3.000 - 4.500 - 6.000 - 10.000 - 15.000 - amper.
Los más utilizados en instalaciones domiciliaria son los de 3.000 amper. (Debe conocerse la corriente presunta de cortocircuito para establecer si 3000 amper son suficientes).
Características de Operaciones tiempo-corriente.
Ensayo Tipo Corriente
de ensayo
Condición Inicial
Límite del tiempo de
desconexión y de no
desconexión
Resultado a Obtenerse
Observaciones
a B, C, D 1.13 ln Frío *
t>=1h para I =<63A)
t>=2h para In =<63A)
No Desconexión
-
b B, C, D 1.45 ln Inmediatamente
después del ensayo a)
t>1h para I =<63A)
t<2h para In >63A)
Desconexión Corriente aumentada en forma continua en
5s
c B, C, D 2.55 ln Frío *
1s< t < 60s /I =<32A)
1s< t < 120s /In >32A)
Desconexión -
d B C D
3 In 5In
10 In Frío * t >=0,1s
No Desconexión
Corriente establecida por cierre de un interruptor aux.
e B C D
5 In 10 In 20 In
Frío * t < 0,1s Desconexión Corriente establecida
por cierre de un interruptor aux.
(*) + el término frío significa sin carga previa a la temperatura de calibrado de referencia.
2) Por desconexión instantánea:
Tipo Gama
B Mayor de 3 In hasta e incluyendo 5 In.
C Mayor que 5 In hasta e incluyendo 10 In. D Mayor que 10 In hasta e incluyendo 20 In.
Interruptores Diferenciales: (Norma IRAM 2301)
Estos interruptores protegen contra las fugas de corrientes que pueden producirse a través de las masas metálicas de los aparatos (normalmente aisladas) y que por una falla de aislación del equipo, producto o instalación, derivan a tierra. Esta derivación a tierra de la corriente puede lograrse a través de un conductor de protección conectado entre la masa y tierra ó lamentablemente a través de las personas si aquella conexión a tierra no se realizara.
El interruptor diferencial actúa por la diferencia de corriente entre el polo de entrada y de salida del circuito, diferencia que es la corriente de falla o derivación a tierra.
La norma IRAM y el Reglamento de la AEA no permite la utilización de interruptores diferenciales de accionamiento electrónico.
Los valores apropiados de corrientes diferencial son: Para usos domiciliarios - oficinas de 30mA - 30mseg
Nota: Tanto en los interruptores termomagnéticos como diferenciales deben usarse productos que tengan Sello de Calidad de un Organismo de Certificación reconocido.
SELLOS
SELLOS
IRAM: Argentino
AENOR: Español
IMQ: Italiano
AFNOR: Francés
VDE: Alemán
BS: Inglés
JIS: Japonés
KEMA: Holandés
UL: Norteamericano
UNIT: Uruguay
Inmetro Brasil
b3) Conductor de Protección y colector:
Conceptos Generales: La puesta a tierra de las masas se efectuara mediante un conductor de protección, conectado al borne de puesta a tierra de los tomacorrientes ,cuando se utilizan estos, o al aparato , o maquina o artefacto cuya puesta a tierra deba realizarse.
Tendrá una sección no menor que la determinada por:
S= Sección real del conductor de protección en mm2. I= El valor eficaz de la corriente máxima de falla a tierra, en Amper. t= Tiempo de activación del dispositivo de protección, en segundos. K= Factor que depende del material del conductor de protección.
NOTA: Esta fórmula es válida para tiempos de accionamiento de la protección no mayor que 5seg.
Tipos de conductores de protección
Pueden ser:
1) Los conductores aislados que integran cables multipolares.
2) Los conductores unipolares de cobre aislados con la misma aislación que los activos y de color verde-amarillo.
3) Los elementos conductores tales como armazones metálicas de barras blindadas (blindobarras) y bandejas portacables siempre que se respete:
3.1. Su continuidad eléctrica.
3.2. Su sección transversal conductora de la corriente (1) de fuga a tierra.
3.3. No deben desmontarse secciones, si ello se hiciera colocar puentes que garanticen la continuidad eléctrica.
4) Los caños metálicos de las instalaciones eléctricas no deben ser considerados como conductor de protección (no garantizan la continuidad eléctrica). Sin embargo deben estar conectados a tierra, mediante el conductor de protección en cada caja de paso.
Reglas de instalación del conductor de protección.
Regla N 1: Está prohibido utilizar los conductores de protección para doble función como por ejemplo de protección y neutro.
Regla N 2: Los conductores de protección y uniones equipotenciales deben protegerse contra los deterioros mecánicos y químicos y contra los esfuerzos electro - dinámicos. Deben ser visibles y accesibles.
Regla N 3: No deben intercalarse en el conductor de protección los siguientes elementos: fusibles - interruptores o seccionadores. Se admite que sean interrumpidos por un dispositivo mecánico para realizar mediciones o comprobaciones.
Regla N 4: En las instalaciones eléctricas de edificios (viviendas colectivas, oficinas, talleres, comercios, sanatorios, etc.) la sección mínima de un conductor de protección aislado que acompañara a los conductores activos será:
Conductor colector en grandes edificios para viviendas colectivas u oficinas.
a) Por los conductos, cañerías, montantes que llevan los conductores eléctricos activos a los distintos pisos se instalara el conductor colector (cables o planchuelas) del que se derivarán a cada consumo sendos conductores de protección de cobre electrolítico aislado. b) En todos los casos la sección se determinara según la tabla IV. c) En los lugares donde el conductor de protección de cobre pueda ser dañado será protegido mediante un caño de PVC pesado o metálico con un diámetro interior tal que el conductor de protección ocupe no mas del 35% de la sección interior del caño. d) El conductor de protección colocado en bandejas porta - cables se instalara en su interior y será unido rígidamente a esta mediante tornillos o grapas de bronce estañado. El diámetro del tornillo no será superior a 1/3 del ancho de la barra del conductor de protección. e) En los cielos rasos y pasos a través de paredes así como en lugares particularmente expuestos a esfuerzos mecánicos, las líneas de tierra se protegerán siempre mecánicamente.
TABLA IV
Gama de corrientes de falla a tierra
Gama de corriente nominal del dispositivo de protección (fusible Iram 2245 o interruptor
automático Iram 2169 o Iram 2218 que coordinarán con el conductor de protección
(A)
Sección del conductor (cobre) de protección para las instalaciones puesta a tierra (mm2)
100 a 2000 De 25 a 100 2,5
2100 a 3300 125 a 160 4
3400 a 3900 0 200 6
4000 a 5200 0 315 6
5300 a 7800 0 400 10
7900 a 13000 0 500 16
13100 a 15000 0 630 25
15100 a 55000 1000 a 3150 70
55100 a 80000 0 4000 95
b4) Conexión de las masas a la instalación de puesta a tierra.
1) En viviendas unifamiliares, departamentos, locales comerciales, oficinas publicas, sanatorios, clínicas y locales para depósitos: La conexión al conductor de protección de todas las partes metálicas aisladas del circuito eléctrico (masas) como: toma-corrientes, fichas, motores, armazones de aparatos, cajas y tuberías; se efectuará de la manera siguiente: a) Tomacorrientes: La conexión al borne de tierra del toma-corriente se efectuará desde el conductor de protección mediante una derivación con cable de cobre aislado color verde amarillo. a1: Para tomas bipolares c/tierra con 1,5 mm2 (12 hilos de 0,40)
a2: Para tomas tripolares c/tierra, según
y la tabla Nro. IV b) Cable de puesta a tierra para fichas bipolares y tripolares: Será de la misma sección que los conductores de fase neutro. Se recomienda que dicho cable este incorporado al mismo cable flexible de alimentación.
c) Conexión a tierra de motores u otros aparatos eléctrico: Igual a b.
d) Cañerías, cajas y gabinetes metálicos: Para asegurar la continuidad a tierra, se realizara un puente en todas las cajas metálicas con el conductor de protección.
e) Cañerías de plástico: El conductor de protección debe conectarse al borne de tierra de todas las cajas metálicas que se encuentran en su camino de la instalación. 2) En grandes edificios para viviendas colectivas u oficinas: Rige lo dicho en el punto 1 anterior a través de sus puntos a, b, c, d y e.
11.- CODIGO DE PRÁCTICA PARA PUESTA A TIERRA DE SISTEMAS ELÉCTRICOS
Conceptos Generales de la Norma IRAM 2281- Parte I. I) Aspectos Prácticos: Cuando se pueda se elegirá el sitio de la puesta a tierra en uno de los siguientes tipos de suelo: 1- Terreno pantanoso húmedo. 2- Terreno con arcilla, arenoso, suelo arcilloso o limo mezclado con pequenas cantidades de arena. 3- Arcilla y limo mezclado con proporciones variables de arena, grava y piedras. 4- Arena mojada y húmeda, turba. II) Se evitará: La arena, arcilla pedregosa, piedra caliza, roca basáltica, granito y todo suelo muy pedregoso.
III) Se elegirá un suelo que no tenga un buen drenaje. Sin embargo no es esencial que el terreno está empapado de agua (a menos que sea arena o grava), dado que por lo general no se obtienen ventajas aumentando el contenido de humedad por encima del 15 al 20%.
IV) Se tendrá cuidado de evitar los sitios que se mantienen húmedos porque fluye agua sobre ellos, dado que las sales minerales beneficiosas para un suelo de baja resistencia, pueden ser eliminadas.
V) Los electrodos superficiales se usan en suelos de textura fina y que han sido compactados, apisonados y mojados. El suelo se zarandea, los terrenos se rompen y las piedras se remueven en la vecindad de estos electrodos.
VI) Cuando sea posible las jabalinas se hincarán directamente, esto hace que la resistencia de contacto tierra - electrodo sea mínima. Donde ello no es posible, por ser el terreno excesivamente duro; primero sólo se perforará y luego se va rellenando el agujero con tierra zarandeada que se va apisonando bien y recién después de rellenado se hinca el electrodo. En todos los casos se recomienda el hincado con inyección de agua para evitar huecos, facilitando la salida del aire. Además se aconseja verter agua lentamente alrededor de la jabalina (por goteo) para permitir una mejor compactación del suelo. Esto se logra cuando el agua vertida llega al extremo inferior de la jabalina.
VII) La resistencia de una instalación de puesta a tierra: consta de tres partes, a saber:
a) La resistencia eléctrica de los conductores que constituyen la instalación de puesta a tierra. b) La resistencia de contacto entre el sistema de electrodos de puesta a tierra y el suelo circundante. c) La resistencia del suelo que rodea al sistema de electrodos de puesta a tierra (Resistencia de dispersión).
VIII) Se aplican diversos métodos para disminuir la resistividad del suelo como: 1) Utilización de escorias del hierro aplastadas e incluso polvos metálicos, coque, riego de la zona que rodea a los electrodos con: Sulfato de Magnesio o Sulfato de Cobre.
IX) En todos los casos de mejoras de suelo, deben adoptarse medidas especiales para asegurar un buen contacto entre los electrodos enterrados y el suelo reconstituido.
X) Antes de aplicar cualquier tratamiento químico se debe verificar que no se ocasione un efecto perjudicial al material del electrodo (corrosión, falso contacto, etc.). Por ejemplo: Cloruro de sodio (o sal común), si bien esta es fácil de conseguir, es uno de los productos que más corroe el electrodo, en especial si este es de acero cincado.
XI) La influencia del suelo puede verse en la Fig. 1) curvas a) b) y c) del suelo para tres tipos obtenidos por el método de Weimar. La curva "a" de mayor (ohm m ) requiere de instalar jabalinas de 35 m de longitud o más introduciéndolas verticalmente, mientras que la curva "b" muestra que la longitud óptima de las jabalinas es de 5 a 10 m. La curva "c" indica que los electrodos se colocan próximos a la superficie con jabalinas corta de 1,5 m de longitud y en forma vertical. En este caso se llega a la resistividad (ohm.m ) aparte del suelo de 50 a 100.
12.- MEDICIÓN DE LAS RESISTENCIAS DE TOMA A TIERRA Nota: Introducción a la Norma IRAM 2281 - Parte II Guía de mediciones de magnitudes de puesta a tierra La resistencia de puesta a tierra de un electrodo dispersor (toma de tierra), es la resistencia entre el electrodo y el suelo circundante. Teniendo en cuenta que el suelo se extiende sobre una distancia prácticamente infinita, es imposible medir esta resistencia con exactitud, pero es
sabido que la mayor parte (98%) de la resistencia corresponde a una distancia limitada medida desde el electrodo en cualquier dirección. (=< 2mt.)
Metodología: 1) Se introduce en el suelo un electrodo de corriente auxiliar C (ver Fig. F1) a una distancia Lc tal que pueda despreciar la existencia mutua entre ambos electrodos. Para determinar la distancia Lc que garantice una correcta medición, se recomienda aplicar el método llamado de "caída de potencial" que es el siguiente:
En la Fig. F2, el electrodo X dispersor o de tierra, cuya resistencias se quiere medir y C el electrodo de corriente auxiliar colocado a una distancia Lc que debe ser suficientemente para que moviendo electrodo P de distancias menores a mayores se levante una curva Vo (Volt) en función de Lc. La resistencia de tierra del electrodo es la relación entre Vo (siendo Vo la diferencia de potencial correspondiente a la parte horizontal de la curva), eI. En la Fig. F2 la curva de trazos muestra el efecto de una distancia Lc demasiado pequena entre los electrodos X y C lo que lleva a mediciones erróneas. Para que la medición sea correcta la tangente en el punto de inflexión de la curva debe ser casi horizontal. Y se definirá la resistencia por
R = Vo
____ 1
como un valor suficientemente válido dentro de ą 10%.
ESQUEMA DE CONEXION DEL CIRCUITO DE PROTECCION
1...6- Interruptores diferenciales 2x10 mA; 2x30 mA; 2x100 mA.
7- Interruptor manual de emergencia. 8- Interruptor Electrónico para la determinación del punto. Instante de conexión, con limitación del paso de la corriente a un máximo de 30 ms.
MEDICION DE AISLACION DE PISOS
U= Tensión fase U1= Medición voltímetro caso a). V2= Medición voltímetro b).
METODO DE CAIDA DE POTENCIAL
13.- PDF: Medida de la resistencia de toma de tierra y resistividad del terreno
14.- PDF. Por qué es necesario medir la resistencia de puesta a tierra
Toda instalación eléctrica de
baja tensión requiere de un
correcto sistema de puesta
a tierra, el cual tiene por
objeto proteger vidas y bien-
es de los efectos dañinos de
la corriente eléctrica, así
como garantizar el funciona-
miento adecuado de toda la
instalación.
Un sistema de dispersión de
puesta a tierra con resitencia
baja y y dimensionamiento
térmico y dinámico adecuado
asegura la correcta operación
de los dispositivos de protec-
ción por fallas de aislación y
sobretensiones transitorias.
�
Referencias
Norma iram 2281 “Puesta a
Tierra de Sistemas Eléctricos”
Reglamentación para la
Ejecución de Instalaciones
Eléctricas en Inmuebles
AEA 90364. (REI)
Manual teórico-práctico de
“Mediciones en Instalaciones
Eléctricas” de Metrel.
i
¿Por qué es necesario medir la
resistencia de puesta a tierra?
onsiderando una falla de ais-lamiento en la carga que apli-
que una tensión en la masa distin-ta de cero (potencial de tierra), porel lazo de falla circulará unacorriente de falla Id, que según elREI, edición Marzo 2006 y laNorma IRAM 2281 deberá cumplircon,
En el caso que,
la reglamentación establece quedeberá ocurrir el disparo de undispositivo de protección que cortela alimentación en un tiempo infe-rior a los 5 segundos.
el disparo del dispositivo de pro-tección deberá ser instantáneo, enun tiempo inferior a los 0,17segundos. La REI establece:¨el máximo valor de la resistenciade puesta a tierra será el necesa-rio para garantizar que la tensiónde contacto Vc no sea mayor quelos valores indicados. El valorresultante será menor que 10 ¨
Resistencia de puesta a tierra
El sistema de puesta a tierra estácompuesto por:• Conductor de protección PE
• Electrodo de puesta a tierra• Tierra física (suelo)La resistencia de puesta a tierradepende fundamentalmente deltipo de electrodo, de la profundi-dad a la cual se encuentra ente-rrado y, por sobre todo, de laresistividad del terreno.
Tipos de electrodo
Las normas IRAM, así como lasreglamentaciones locales, permi-ten emplear como electrodos adiversos elementos. Las mismas permiten seleccionarlos materiales, longitudes, seccio-nes de los conductores, etc., asícomo las conexiones a los mis-mos, de modo que presenten lasección adecuada para transportarlas corrientes de fallas sin sobre-calentamientos.Los materiales que los constituyenpueden ser, acero galvanizado porinmersión en caliente, cobre o unamezcla de acero-cobre. La normaIRAM 2281-Parte1 inciso 4.6.2establece el tipo de material y lasdimensiones para cada electrodo.
La REI en inciso 771-C.2.2.1 listauna serie de electrodos permiti-dos, siendo los más comunes:
C
Figura 1. Conexión a tierra en un sistema de distribución TT.
continúa en página 2 �
Si
¿Por qué es necesario medir la resistencia de puesta a tierra?
viene de página 1�
�
Electrodos de cintas, cables oalambres:Estos electrodos consisten enconductores enterrados horizon-talmente a una profundidad míni-ma de 0,5 metros.Tales electrodoshacen intervenir una gran cantidadde volumen de terreno.Normalmente se colocan forman-do una malla.
Electrodos de tierra de cimientos:Utilizan la estructura de loscimientos de la construcción civilcomo puesta a tierra.
Electrodos de jabalinas:Es un método sencillo, económicoy de rápida instalación, ya que serealiza por hincado directo. Consiste en varillas cilíndricaslisas, de diversas longitudes ymateriales. Por lo general se utili-zan varias, hincadas en paralelo,como método para disminuir laresistencia total.
Electrodos dinámicos:Es una modificación de la jabalinaantes mencionada. Son dispositi-vos electrolíticos que se desarro-llan para lograr tomas de tierrabajas y estables tanto en suelos dealta resistividad como en rocas.Tiene la capacidad de dispersarcorrientes eléctricas de alta inten-sidad durante tiempos prolonga-dos, sin que ocurran variacionesquímicas en el terreno donde estainstalado.
Electrodos de placas:Están constituidos por una plan-cha de cobre o de acero cincadoenterrada directamente en elterreno.Este método posee una mayorsuperficie de contacto, pero escostoso y en algunas situacionesalcanza gradientes de tensiónpeligrosos.
Resistividad del terreno
La resistividad del terreno, es sinduda, el factor más importante.
La resistividad del terreno se defi-ne como la resistencia que semedirá entre dos caras opuestasde un cubo de volumen unitario. Se mide en y se simbolizacon la letra .
La condiciona:• Tipo de suelo• Humedad del suelo• Salinidad• Compactación• Estratos en que esta dividido elterreno• Temperatura del suelo• Factores estacionarios• Factores de origen eléctrico
Medición de la resistencia de puesta a
tierra
La norma IRAM 2281-1 en elanexo A propone el método deCAIDA DE POTENCIAL, que consiste en:
Inyectar una corriente conocidaentre el electrodo que se pre-tende medir y un electrodo au-xiliar, colocado a una distancia .Una distancia valida L es tomar 5veces la longitud del electrodo ,de modo que se desprecie lainductancia mutua.
Luego, medir la caída de tensiónentre el electrodo y otro elec-trodo auxiliar P, ubicado entre y a una distancia de .(Ver figura 2.)Al variar la distancia del electrodoP, se puede encontrar la curva depotencial en función de la distan-cia . La resistencia de puesta a tierra
es la relación entre la
diferencia de potencial y la co-
diferencia de potencial y lacorriente
Se debe tomar el valor de dadopara , que generalmentecorresponde al valor medido para
donde la curva sehace plana.
Consideraciones a tener en cuenta a la
hora de realizar una medición
• Desenrollar por completo loscables que van a ser utilizadospara no producir errores por aco-plamiento magnético.• Chequear la existencia de ele-mentos metálicos en el suelo quepuedan dar error en la medición• La inyección de corriente debeser de tipo alterna para evitarerrores de potencial incorrecto.• Si el instrumento utilizado no esautomático y lo permite, variar lafrecuencia del generador para eli-minar errores dados por corrien-tes parásitas.• Elegir un día típico para realizarla medición, en cuanto a la hume-dad del terreno, ya que si el ensa-yo se realiza luego de una lluvia laresistencia va a ser menor.• Realizar varias medicionesmodificando la distancia del elec-trodo de potencial.
Figura 2. Método de medición Caída de Potencial
Figura 3. Curva de Potencial vs. Distancia
15.- PREVENCIÓN DE RIESGOS ELÉCTRICOS (PUESTA A TIERRA)
Necesidad del usuario de estar informado:
Es notorio que una importante cantidad de los accidentes relacionados con la electricidad tienen consecuencias fatales. Esto se debe a que el usuario común es, en general inconsciente del riesgo que la electricidad representa.
Debe tenerse en cuenta que el uso de equipos y artefactos eléctricos por parte de la población es creciente, variado y de nuevos disenos y funciones; y que se conectan a la instalación existente, normalmente insuficiente, obsoleta o que resulta con fallas de aislación.
Esto produjo un aumento en la conciencia sobre esta problemática dando lugar a numerosas Normas.
Según la resolución número 92/98 de la Secretaría de Industria, Comercio y Minería de la Nación, y diversas normas que la siguieron, se procura que no salgan a la venta artefactos eléctricos que no cumplan con los requisitos esenciales de seguridad ; y además, deben aprobar los ensayos realizados por los laboratorios certificados.
Una de estas normas y requisitos mínimos de seguridad es la prohibición de la venta de artefactos con la clásica ficha de dos patas cilíndricas. Todos deben tener ficha de 3 patas planas, donde una es la toma a tierra, conectada a las partes metálicas (gabinete, manijas, carcasa, etc.) del aparato. De esta forma, sería prácticamente imposible que ese artefacto nos propine una descarga eléctrica salvándose la vida del usuario.
Pero de nada sirve tener un artefacto con ficha de 3 patas si no se tiene donde enchufarlo de manera correcta. Hace más de 30 anos que está reglamentado que todos los tomacorrientes deben ser del tipo de 3 patas planas. Por lo tanto, el uso de adaptadores de 3 a 2 patas cilíndricas está totalmente prohibido, ya que de esta manera gran parte de la seguridad del artefacto queda inutilizada al anularse la tercer pata.
Pero con esto tampoco alcanza, el tomacorriente debe tener conexión a tierra, si no todo sería inútil, y la vida del usuario seguiría corriendo peligro de recibir un shock eléctrico. De todas maneras también se debe tener en cuenta que además es necesario la instalación de disyuntores diferenciales e interruptores automáticos (térmicas) como mínimo para una mayor seguridad y uso de la electricidad sin riesgos.
Resumiendo:
Si su artefacto eléctrico posee una ficha con 3 patas NO utilice adaptadores para poder enchufarlo a tomacorrientes de 2 orificios cilíndricos, ni alargues que no posean enchufes de 3 patas con su respectivo cable amarillo y verde (color del cable tierra).
Si posee tomacorrientes de 3 patas, éstos debe estar conectados debidamente a tierra (con una jabalina enterrada cumpliendo con las normas IRAM ), y ahí es donde debe y como debe enchufarse un artefacto seguro.
Principales factores a considerar
Para la prevención de riesgos eléctricos es importante considerar dos aspectos:
Sistema de puesta a Tierra
Puede ser considerado como la espina dorsal del sistema de seguridad eléctrica. Está compuesto por un conjunto de elementos que permiten vincular con tierra el conductor de protección. Esta toma se realiza mediante electrodos, dispersores, placas cables, alambres, mallas metálicas, cuya configuración y materiales cumplan con las normas respectivas.
Importancia de la puesta a tierra en un circuito.
El interruptor diferencial no es suficiente. Cuando una instalación eléctrica no es segura pueden existir fugas de corriente de aparatos defectuosos a través de nuestro cuerpo hacia la tierra. Este pasaje de corriente por nuestro cuerpo produce sensaciones que pueden ir desde un cosquilleo hasta la muerte.
La colocación de un interruptor diferencial en la instalación permite interrumpir el flujo de corriente cuando se detecta esta fuga.
Pero el interruptor diferencial actúa luego que detecta la fuga de corriente (una vez que ya esta pasando por nuestro cuerpo), por eso, y a pesar que el tiempo de corte sea muy pequeno (lo recomendable es que no supere los 30 mseg.) antes que el interruptor diferencial accione, ya hemos recibido la descarga.
Una puesta a tierra adecuada (con una resistencia menor a 10 ohms y un conductor de 2,5 mm2), permite que cualquier fuga que se produzca busque la tierra como destino en forma inmediata y evitando así una descarga sobre quien, accidentalmente, entre en contacto con un equipo defectuoso.
Estado general de la Instalación Eléctrica
Las instalaciones eléctricas deben cumplir con un mínimo de condiciones para preservar la seguridad de las personas y de los bienes; así como asegurar la confiabilidad de su funcionamiento.
Importancia de la puesta a tierra
Protección contra distintos tipos de contactos, a saber:
Protección contra contactos directos.
Se trata del contacto accidental de personas con un conductor activo (fase o neutro) o con una pieza conductora que habitualmente está con tensión. Cuando el riesgo es muy importante, la
solución sencilla consiste en distribuir la energía eléctrica a una tensión no peligrosa, es decir, a una tensión menor o igual que la de seguridad. (24V)
En BT (220V), las medidas de protección consisten en poner las partes activas fuera del alcance o aislarlas adecuadamente. En forma complementaria es necesaria la instalación de un disyuntor diferencial.
Protección contra contactos indirectos.
El contacto de una persona con masas metálicas accidentalmente puestas bajo tensión se denomina contacto indirecto. Esta conexión accidental a la tensión es el resultado de un defecto de aislación. Circula entonces una corriente de defecto y provoca una elevación de la tensión entre la masa del receptor eléctrico y tierra; la que es peligrosa si es superior a la tensión de seguridad.
La protección consiste en la conexión a tierra de las masas de los receptores y equipos eléctricos, para evitar que un defecto de aislamiento se convierta en el equivalente a un contacto directo; en la equipotencialidad de masas accesibles.
Protección contra contacto entre masas de distinto potencial.
La equipotencialidad de masas accesibles simultáneamente: la interconexión de estas masas contribuye eficazmente a reducir la tensión de contacto. Esto se hace mediante el conductor de protección (CP) que interconecta las masas de los materiales eléctricos para el conjunto de un edificio, eventualmente completada con conexiones equipotenciales adicionales.
Disposiciones de la instalación de puesta de tierra
• El sistema de puesta a tierra será eléctricamente continuo y tendrá la capacidad de soportar la corriente de cortocircuito máxima coordinada con las protecciones instaladas en el circuito.
• El conductor de protección no será seccionado eléctricamente en punto alguno ni pasará por el interruptor diferencial.
• En todos los casos deberá efectuarse la conexión a tierra de todas las masas de la Instalación.
• Las masas simultáneamente accesibles y pertenecientes a la misma instalación eléctrica estarán unidas al mismo sistema de puesta a tierra.
16.- MEDICIÓN DE LAS RESISTENCIAS DE AISLACIÓN DE PISOS
Ra resistencia del conductor de fase (despreciable frente a Rap y Ri)
Ri resistencia interna del voltímetro (1 000 ohm);
Rap resistencia de aislación del piso;
Ro resistencia de la puesta a tierra del neutro
(despreciable frente a Rap y Ri).
• • Tabla Práctica Para Realizar puestas a Tierra
en Sistemas Eléctricos • Valores de resistencias eléctricas de puesta a tierra, obtenibles con Jabalinas,
de 16mm. de diámetro e hincado directo en el suelo, considerando distintos largos y resistividades del suelo, (de variarse el diámetro las alteraciones serian despreciables). Los valores obtenidos son teóricos, ya que se supone al suelo como de constitución homogénea.
• Tabla Nro. 1
Largo Jabalina
(m)
Resistividad (ohm mt)
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
1,50 7,12 10,68 14,24 17,80 21,36 24,92 28,48 32,04 35,60 39,16
2,00 5,57 8,35 11,14 13,92 16,71 19,49 22,28 25,06 27,85 30,63
3,00 3,93 5,89 7,86 9,82 11,78 13,75 15,71 17,68 19,64 21,60
4,50 2,76 4,14 5,52 6,91 8,29 9,67 11,05 12,43 13,81 15,19
6,00 2,15 3,22 4,30 5,37 6,44 7,52 8,59 9,67 10,74 11,81
• Estas tablas de "Resistencia eléctrica de puesta a tierra para jabalinas cilíndricas de acero-cobre, fueron calculadas basándose en la Norma IRAN 2281 Código de practica para puesta a tierra de sistemas eléctricos. Parte 1 - Consideraciones Generales. En cuyo punto 4.3.2. se indica la siguiente formula:
•
•
Siendo: L= la longitud del electrodo, (en metros)
r= el radio del electrodo, (en metros)
r= la resistividad del suelo, en ohm metros (supuesto uniforme)
• Para el caso de un suelo con valor de resistividad diferente a los dados en la Tabla Nro.1, se multiplica el valor de resistividad del suelo en cuestión (r) en ohm.m por el coeficiente "C", dado en la Tabla Nro. 2, que corresponde al tipo de jabalina seleccionada.
• TABLA Nro. 2
Jabalina Coeficiente "C"
JL-16 x 1.500 JL-16 x 2.000 JL-16 x 3.000 JL-16 x 4.500 JL-16 x 6.000
0,7123 0,5572 0,3930 0,2764 0,2149
• Ejemplo: Suelo con resistividad (r) = 475,29 ohm.m Jabalina seleccionada = JL-16 x 3.000 Coeficiente "C" dado en la Tabla Nro.2 0,3930 R= C x r R = 0,3930 x 475,29 = 186,79 ohm
• COEFICIENTES DE REDUCCION PARA JABALINAS DISPUESTAS EN PARALELO
• Tabla Nro. 3
Nro. De Jab en Paralelo
2 3 4 5 6 7 8 9 10
K 0.,57 0,42 0,33 0,27 0,24 0,21 0,19 0,17 0,15
• Ejemplo: Resistividad del suelo= (r) = 20 ohm.m Jabalina seleccionada: = JL-16 x 3.000 De la Tabla Nro.1 se obtiene: R = 7,86 ohm si se colocan 4 jabalinas en paralelo, se obtiene de la tabla Nro. 3, para n = 4 K = 0,33 siendo la resistencia de puesta a tierra: R = K. R R = 0,33 . 7,86 ohm = 2,59 ohm.m
• Distancia entre Jabalinas en paralelo: • La distancia entre si no será menor de 4 mts. • NOTA: como dato ilustrativo se manifiesta que en los suelos de Capital Federal
y Gran Buenos Aires y similares, el promedio de la resistividad eléctrica de suelo es de aproximadamente 15 a 20 ohm.m.
• Datos para el proyecto de una Instalación Eléctrica de Inmuebles
POTENCIA PROMEDIO DE ARTEFACTOS ELECTRICOS (220 V.)
ARTEFACTO FRIO W A ARTEFACTO W A
Acond. de aire solo (1 HP) Aspiradora Batidora Cafetera Parrilla Caloventilador Enceradora Estufa Equipo estereofónico Hervidora Heladera 1/6 - 1/3 HP Grill Lamparas incandescentes Lamparas florecentes Lavarropas sin temperatura Lavarropas con temperatura
- 180 100 500
1.500 2.000 200
1.000 200 500
123 / 245 800 100 40 200
1.500
8.00 1,40 0,80 2,30 6,82 9,50 1,50 4,50 0,90 2,30
1,3 / 2,6 3,65 0,45 0,25 1,50 8,00
Licuadora Lustraspiradora Maquina de coser Maquina lavaplatos Plancha automática Purificador de aire Proy. Cinematográfico Proy. Diapositivas Secador de cabellos Secador de ropa Televisor Tostador Turbo ventilador grande Ventilador grande Ventilador chico Microondas
350 300 75
2.000 1.000 100 200 150 400
2.500 200 400 200 200 100
2.000
2,60 2,30 0,50 9.10 4,50 0,80 1,50 0,80 1,90 11,50 0,90 1,82 1,50 1,50 0,80 10,00
• Datos de Proyecto de una Instalación Eléctrica de un Inmueble • * Referencia: Reglamento de Instalaciones de la Asociación Electrotecnica
Argentina (1992) • Grados de electrificación: - Mínima - Media - Máxima
• Grado de
electrificación Mínima Media
Elevada
Demanda de Potencia Máxima Simultánea.(1)
hasta 3.000 VA. hasta 6.000 VA.
más de 6.000 VA.
Limite de aplicación (m2 de superficie) (2)
hasta 60 m2 hasta 150 m2
más de 150 m2
•
• A - Se entra por columna (1) B- Si se supera los m2 en columna (2), se pasa al grado de electrificación siguiente.
•
A) Electrificación mínima: (2 circuitos) - Un circuito para bocas de alumbrado - Un circuito para tomas corrientes
B) Electrificación media: (3 circuitos)- - Un circuito para bocas de alumbrado - Un circuito para tomas corrientes - Un circuito para usos especiales
C) Electrificación elevada: (6 circuitos) - Dos circuitos para bocas de alumbrado - Dos circuitos para tomas corrientes - Dos circuitos para usos especiales
• Puntos mínimos de utilización En las viviendas y según el grado de electrificación que corresponda, se establecen, como mínimo los siguientes puntos de utilización.
• a) Electrificación mínima: Sala de estar y comedor: un tomacorriente por cada 6 m2., de superficie y una boca de alumbrado por cada 20 m2. de superficie. Dormitorio: una boca de alumbrado y dos tomacorriente. Cocina: una boca de alumbrado y tres de tomacorriente. Bano: una boca de alumbrado y una de tomacorriente. Vestíbulo: una boca de alumbrado y una de tomacorriente. Pasillos: una boca de alumbrado.
• b) Electrificación media: Sala de estar y comedor: un tomacorriente por cada 6 m2 de superficie y una boca de alumbrado por cada 20 m2 de superficie. Dormitorios: una boca de alumbrado y tres de tomacorriente. Cocina: dos bocas de alumbrado y tres tomacorriente. Si esta prevista la instalación de otros artefactos electrodomésticos de ubicación fija se instalara un tomacorriente para cada uno de ellos. Bano: una boca de alumbrado y una de tomaccorriente. Vestíbulo: una boca de alumbrado y una de tomacorriente por cada 12 m2 de superficie. Pasillo: una boca de alumbrado y una de tomacorriente por cada 5 m de longitud.
• c) Electrificación elevada: Se establecen los puntos de utilización senalados para la vivienda con grado de electrificación media, agregando para cada habitación una boca de salida de circuitos para usos especiales.
• d) General Si luego de cumplimentar lo indicado en a), b) y c), fuera necesario instalar bocas de salida mixta (interruptor de efecto y un tomacorriente), el tomacorriente de las mismas, deberá estar conectado al circuito de iluminación correspondiente.
• Determinación de la demanda Cálculo de la carga por unidad de vivienda
Circuito Potencia Grado de electrificación
Alumbrado 66% de lo que resulte de considerar todos los puntos de utilización previstos, a razón de 125 VA cada uno
Mínima Media
Elevada
Tomacorriente 2.200 VA en uno de los tomacorrientes
Mínima Media
2.200 VA en uno de los tomacorrientes de cada circuito Elevada
Usos Especiales
2.750 VA en uno de los tomacorrientes Media
2.750 VA en uno de los tomacorrientes de cada circuito Elevada
• Carga total correspondiente a edificios
Coeficiente de simultaneidad
Nro. de Viviendas Electrificación
mínima y media Electrificación
elevada
2 a 4 5 a 15 15 a 25
>25
1 0,8 0,6 0,5
0,8 0,7 0,5 0,4
• NOTA: Las cargas correspondiente a locales comerciales y o oficinas, se calcula en base a 125 VA por cada m2, con un mínimo de 3.750 VA por local. Ver punto IV) del !er curso de Seguridad Eléctrica. Calculo de corriente del proyecto.
• Caída de Tensión Admisible: • Entre el principio de la instalación y cualquier punto de utilización , no debe
superar los valores siguientes:
• - Instalación de Alumbrado: 3% - Instalación de Fuerza Motriz: 5% (en régimen) / 15% ( en el arranque)
• La caída de tensión se calcula considerando alimentado todos los aparatos de utilización que pueden funcionar simultáneamente.
• Acometida del Conductor Neutro: • El conductor neutro no podrá ser conectado a ninguna masa de la
Instalación del Inmueble (incluido caja - gabinetes, tableros, etc.).
TABLA Intensidad de corriente admisible
(para cables sin envoltura de protección)* Sección del conductor
de cobre según Norma Iram 2183 mm2
Corriente máxima admisible
A 0,75 7
1 9,6
1,5 13
2,5 18
4 24
6 31
10 43
16 59
25 77
35 96
50 116
70 148
95 180
120 207
150 228
185 260
240 290
300 340
400 385
• * Instalados en canerías (embutidas), en servicio permanente, (temperatura ambiente 40°C, temperatura del conductor 70°C y para (3) tres cables instalados por cano.
• Intensidad de corriente admisible para cables instalados en líneas aéreas de baja tensión preensambladas.
Sección no- minal de los conductores
(mm2)
Cables expuestos al sol (1)
(A)
Cables no expuestos al sol (1)
(A)
Bipolar Tetrapolar Bipolar Tetrapolar
4 4 4 4 4
6 6 6 6 6 10 10 10 10 10 16 16 16 16 16
• (1) Estos valores se refieren a un cable colocado en el aire a 40o C de temperatura ambiente y 90o C de temperatura en los conductores.
• TABLA Intensidad de corriente admisible para cables con envolturas de
protección
Sección Nominal de los
Conduc- tores
Colocación en aire libre Para 3 cables unipolares separados un
diámetro o un cable multipolar, colocación
sobre bandejas perforadas. Temperaturas del aire 40o C
Colocación directamente enterrada Temperatura del terreno 25o C
Profundidad de colocación 70 cm. Resistividad térmica específica del
terreno 100o C cm. W. (Terreno normal seco).
mm2
mm2
Unip. Unip.
Bip Bip
Trip. y Tetrap.
Unip.
(1)
Bip. (2)
Trip. y
Tetrap. (2)
A
A
A
A
A
A
A
1.5 2.5 4 6 10 16 25 35 50 70 95 120 150 185 240 300 400 500 630
25 35 47 61 79 112 139 171 208 252 308 357 410 466 551 627 747 832 944
22 32 40 52 65 85 109 134 166 204 248 289 330 376 434 489 572
- -
17 24 32 43 56 74 97 117 147 185 223 259 294 335 391 445 545
- -
32 45 58 73 93 124 158 189 230 276 329 373 421 474 546 612 710 803 906
32 45 58 73 93 124 158
- - - - - - - - - - - -
27 38 48 62 79 103 132 158 193 235 279 316 355 396 451 504 608
- -
• (1) Para cables colocados en un plano horizontal y distanciados 7 cm. como mínimo. (2) Para un solo cable.
TABLA Factores de correción para distintas temperaturas ambientes
Temperatura ambiente (oC) 20 25 30 35 40 45 50 55
Factor de corrección 1,26 1,21 1,15 1,08 1,00 0,92 0,83 0,72
• Diámetro mínimo de los canos: • - Será en función de la; cantidad, sección y diámetro (incluida la aislación) de
los conductores, de acuerdo con la tabla siguiente • Ver tabla de conductores con aislación térmica • Nota:
1) Para los casos no previstos en la tabla, el área total ocupada por los conductores ( incluida su protección externa), no deberán exceder el 35% de la sección interna del cano.
• 2) El diámetro interno mínimo de los canos que alojen líneas seccionales y principales deberá ser de 15,3 mm.
• 3) El diámetro interno mínimo de los canos que alojen líneas de circuito deberá ser de 12,5 mm.
• Código de colores: Neutro - celeste Conductor de Protección - bicolor: verde - amarillo Fase R: color castano Fase S: color negro Fase T: color rojo
• Nota: Para los colores de las fases: se admiten otros/colores, menos el verde-amarillo o celeste.
• Sección Mínima de los conductores:
Líneas Principales: 4 mm2
Líneas seccionales: 2,5 mm2
Líneas para circuitos usos generales: 1,5 mm2
Líneas de circuito para usos especiales o conexión fija: 2,5 mm2
Derivaciones y retorno a los Interruptores de efecto: 1 mm2
Conductor de Protección: 2,5 mm2 (mínimo)
Tablero principal a toma de conexión de jabalina de tierra:
10 mm2 (mínimo)
• CONDUCTORES CON AISLACION TERMOPLASTICAS
Cant. de
Conduc-tores
Tipo de
cano
CONDUCTORES UNIPOLARES
1 1,5 2,5 4 6 10 16 25 35 50 Sección cobre
(mm2) - - 2,65 3 3,45 4,2 5,2 6,5 7,85 9,6 11,1 13,5 Diámetro exterior
c/aisl. (mm) - - 5,5 7,1 9,3 13,9 21,3 33,2 48,4 72 97 150 sección total
(mm2) 3 RL 16/14 16/14 16/14 19/17 19/17 25/23 32/29 32/29 38/35 51/48
Cano designación IRAM
- RS 16/13 16/13 16/13 19/15 19/15 25/21 32/28 32/28 38/34 51/46 4 RL 16/14 16/14 16/14 19/17 22/20 32/29 32/29 38/35 51/48 - - RS 16/13 16/13 16/13 19/15 22/18 32/28 32/28 38/34 51/46 - 5 RL 16/14 16/14 19/17 22/20 25/23 32/29 38/35 51/48 51/48 - - RS 16/13 16/13 19/15 23/18 25/21 32/28 38/34 51/46 51/46 - 6 RL 16/14 16/14 19/17 22/20 25/23 32/29 38/35 51/48 51/48 - - RS 16/13 16/13 19/15 23/18 25/21 32/28 38/34 51/46 51/46 - 7 RL 16/14 19/17 22/20 25/23 32/29 38/35 51/48 51/48 - - - RS 16/13 19/15 22/18 25/21 32/28 38/34 51/46 51/46 - - 8 RL 19/17 19/17 22/20 25/23 32/29 38/35 51/48 51/48 - - - RS 19/15 19/15 22/18 25/21 32/35 38/34 51/46 51/46 - -
RL: Liviano RS: Semipesado
17.- Los Sistemas Trifásicos.
• Los sistemas de transmisión y distribución de mayor utilización son los sistemas
trifásicos, los cuales están constituidos por tres tensiones de igual magnitud, desfasadas 120° entre sí. Las ventajas de usar este tipo de distribución son las siguientes:
• Para alimentar una carga de igual potencia eléctrica, las corrientes en los conductores son menores que las que se presentan en un sistema monofásico.
• Para una misma potencia, las maquinas eléctricas son de menor tamaño que las maquinas eléctricas monofásicas.
• La diferencia entre un sistema monofásico y uno trifásico se presenta en la figura No.4. • Se puede ver que en un sistema trifásico es posible conectar cargas monofásicas y
trifásicas simultáneamente. Por ejemplo, en la figura No. 4 b) el esquema muestra un generador trifásico que alimenta a través de tres conductores alimentadores una única carga trifásica de 45 kW y las demás son cargas monofásicas.
• Configuraciones de los circuitos trifásicos. • Los circuitos trifásicos presentan dos configuraciones básicas en función de la conexión
del generador, las que se pueden ver en la figura No.5 • En ambos sistemas se requiere de las 3 líneas activas, denominadas R,S y T, para la
alimentación de las cargas trifásicas, la conexión interna de las cargas puede ser en estrella o triángulo indistintamente, tal como se muestra en la figura No. 6.
• En la figura No.6, la línea neutra N nos indica que la fuente trifásica del sistema de distribución es un generador conectado en estrella, sin embargo no se requiere para alimentar las cargas trifásicas. Si la línea neutra "N", no existiera como es el caso de un sistema de distribución alimentado por un generador conectado en triángulo, las cargas trifásicas seguirían funcionando.
• Las variables eléctricas de un sistema trifásico. • El estudio del consumo de energía eléctrica en un sistema trifásico requiere estudiar las
variables eléctricas que se presentan en este tipo de circuito, las variables trifásicas más importantes son:
• La corriente en las líneas. Si las tres corrientes de línea son iguales, se dice que el sistema esta balanceado, como ocurre con un motor eléctrico, en caso contrario se dice que esta desbalanceado.
• IR, IS, IT (denominadas actualmente IL1, IL2, IL3 según la IEC) • Las tensiones entre las líneas. • URS, UST, UTR (denominadas actualmente U12 ,U23 , U31 según IEC) • Las corrientes de línea y tensiones entre líneas son mostradas en la figura No.7 Observe
que las corrientes de línea pueden ser medidas para cada carga; así como para todo el sistema.
• En el análisis del consumo de energía eléctrica de una carga balanceada, se requiere conocer el voltaje entre líneas, las corrientes de línea y el factor de potencia de la carga trifásica.
• Las potencias eléctricas trifásicas que para una carga balanceada se puede calcular mediante las expresiones siguientes:
• • Donde: • P3f _ = Potencia trifásica, en kW • Q3f = Potencia reactiva trifásica, en kVAR • S3f = Potencia aparente trifásica, en kVA • Ulinea = Tensión entre líneas, en Voltios (V)
• Ilinea = Corriente de línea, en Ampere (A) • cosf = Coseno del ángulo de desfase o factor de potencia de la carga trifásica. • Si la carga es desbalanceada, se requiere el factor de potencia por fase. Aunque en estos
casos, se trata de manejar un factor de potencia promedio, especialmente cuando se diseña sistemas de compensación de energía reactiva.
• Las tensiones y corrientes presentan una distribución en el tiempo como la mostrada en la figura No.8.
• Si las plantas A y B del ejemplo anterior hubieran tenido una alimentación trifásica, suponiendo que las corrientes de línea eran iguales (carga balanceada) y manteniendo los mismos datos, las potencias serían:
• Planta A • S = Ö 3*380V*200 A /1000 = 131,6 kVA • P = Ö 3*380*200*cos53°/1000= 78,9 kW • Q= Ö 3*380*200*sen53°/1000= 105,3 kVAR • Planta B • S = Ö 3*380*200/1000 = 131,6 kVA • P = Ö 3*380*200*cos30°/1000 = 113,9 kW • Q = Ö 3*380*200*sen30°/1000 = 65,8 kVAR
18.- MAQUINAS ELÉCTRICAS
DEFINICIONES
1 - Definición y clasificación.
Sistema de mecanismos capaz de producir, transformar o aprovechar la energía eléctrica.
Se clasifican en tres grandes grupos:
- Generadores: Son máquinas que transforman la energía mecánica en eléctrica, como las dínamos ( cc ), y los alternadores ( c.a ).
- Motores: Transforman energía eléctrica en mecánica, los hay de corriente continua, asíncronos, síncronos, etc.
- Transformadores y convertidores: Son máquinas que conservan la forma de energía eléctrica, pero transforman sus características.
2 - Constitución general de una máquina eléctrica.
- Electromagnético.
- Mecánico.
Desde el punto de vista electromagnético: Toda máquina eléctrica está provista de un conjunto magnético y dos circuitos eléctricos, uno de los circuitos, es el de excitación, que al ser recorrido por una corriente eléctrica produce amperios vueltas necesarios para crear el flujo que se establece en el conjunto magnético de la máquina.
Desde el punto de vista mecánico: se clasifican en rotativas y estáticas.
- Máquinas rotativas: Están provista de partes giratorias como la dínamo, los alternadores, motores, etc. Tienen una parte fija llamada estator y otra móvil llamada rotor, entre ambas partes hay un espacio de aire llamado entrehierro.
- Máquinas estáticas: No disponen de partes móviles como el transformador.
3 - Circuito magnético de las máquinas.
Es heterogéneo. Está constituido de varias partes perfectamente distinguibles, sea por estar formada por materiales férricos diferentes ó por estar sometidas a inducciones de distinto valor y el entrehierro. Siendo diferentes según se trate de máquinas estáticas o rotativas.
- Las máquinas estáticas presentan un circuito magnético constituido por dos columnas y dos culatas. Rodeando a las columnas van dispuestos los dos circuitos eléctricos el de AT y el de BT que se conectan a las redes de corriente alterna de AT y BT, motivo por el que en el circuito magnético, se establece un flujo de sentido alternativo y valor variable.
- En las rotativas la construcción de los circuitos magnéticos está basada en electroimanes, a los que se les da el nombre de polos. Los polos pueden ser salientes o lisos.
Polos salientes: Son núcleos de hierro unidos sólidamente a la culata rodeados por bobinas que al ser recorridas por una corriente eléctrica, originan un flujo que magnetiza la masa de hierro, creando en sus extremos los polos correspondientes. En estas máquinas se completa el circuito magnético con otra parte metálica llamada armadura que está provista de ranuras en las que va alojada el segundo circuito eléctrico.
Dentro de las máquinas de polos salientes se distinguen dos tipos:
- Aquellas en las cuales los polos salientes pertenecen a la parte fija o estatórica, siendo la forma típica de las dínamos y de los motores de cc.
- Aquellas en las cuales los polos salientes pertenecen a la parte móvil, en las que giran los polos, la culata y el eje juntos formando una rueda polar, siendo la forma típica de los alternadores y motores síncronos.
Polos lisos: Construcción típica de motores asíncronos y turboalternadores. En las máquinas de polos lisos en el conjunto magnético no existen partes salientes. En estas máquinas se forman zonas por las cuales sale el flujo desde la culata ( Polo Norte ) o entra en ella después de recorrer la armadura ( polo Sur ).
4 - Número de polos de las máquinas.
En todo circuito magnético se distinguen polos Norte, zonas por donde salen las líneas de fuerza del flujo, y polos Sur, zonas por donde entran estas líneas de fuerza.
Para la correcta distribución de las líneas de fuerza es totalmente necesario, que los polos sean alternativamente de polaridad contraria, siendo la mitad de ellos de polaridad Norte y la otra mitad Sur. Se designa por 2p, la letra p designa el número de pares de polos. Las máquinas se clasifican, de acuerdo con el número de polos que entran en ella, bipolares ( 2 polos ) 2p=2, tetrapolares ( 4 polos ) 2p=4.
5 - Eje de polo y línea neutra.
El eje de polo es un plano radial que pasa por el eje de simetría geométrica del polo. Para conseguir una construcción correcta de las máquinas rotativas, es preciso que los ángulos geométricos formados por los ejes de dos polos consecutivos sean iguales.
Línea neutra, resultan compensados en ella los efectos magnéticos por quedar equidistante entre dos polos vecinos que son de nombre contrario.
PERDIDAS DE POTENCIA EN LAS MÁQUINAS
6 - Generalidades.
En toda máquina parte de la energía absorbida se convierte en calorífica, perdiéndose para el efecto útil que se desea conseguir. Como consecuencia, la potencia útil es siempre menor que la potencia absorbida. Esta energía absorbida pero no aprovechada en el efecto útil, recibe el nombre de potencia perdida.
Clases de perdidas de potencia:
- Potencia perdida en el hierro del circuito magnético.
- Potencia perdida en los conductores que forman los circuitos eléctricos.
- Pérdidas mecánicas a causa de los rozamientos y ventilación, en máquinas rotativas.
PERDIDAS EN EL CIRCUITO MAGNÉTICO
7 - Materiales magnéticos.
En una máquina, son los que constituyen las partes de la misma en las que se establece el flujo necesario para su funcionamiento.
La fundición, el acero laminado o fundido y las distintas clases de chapas, son los casi únicamente empleados en máquinas eléctricas.
El punto de vista básico para elegir el material depende de si el flujo va a ser constante o variable.
Si el valor del flujo en una determinada parte se mantiene constante en magnitud y sentido, no se originan pérdidas en el hierro en dicha parte, por lo que podrán ser utilizados núcleos masivos formados de una pieza y construidos de acero moldeado, fundición o similares. Si el flujo en una parte del circuito magnético ha de ser variable, dará lugar a pérdidas en el hierro de esa parte, por lo que en tal caso es preciso recurrir al empleo de chapas magnéticas.
8 - Clasificación de las chapas.
Desde el punto de vista de su composición y características, se clasifican las chapas magnéticas en ordinarias, superiores y extrasuperiores.
- Chapas ordinarias. Valor de pérdidas totales 3,6W/Kg. Su permeabilidad es muy buena, pero debido a sus elevadas pérdidas son poco empleadas.
- Chapas superiores. Valor de pérdidas totales 2,6W/Kg. Es la más empleada en la construcción de máquinas rotativas, menor pérdidas que las ordinarias y su permeabilidad es inferior.
- Chapas extrasuperiores. Valor de pérdidas totales 1,6W/Kg. Son exclusivamente empleadas en transformadores, en máquinas rotativas no son usadas porque se romperían con facilidad. Su permeabilidad está muy próxima a la de las ordinarias.
9 - Pérdidas en el hierro.
La variación del flujo en una determinada parte del circuito magnético puede resultar por cualquiera de los motivos siguientes:
- Porque el valor del propio flujo es alterno.
- Porque aún conservando el flujo un valor constante, presenta un movimiento relativo respecto a la parte considerada del circuito magnético. Ese movimiento relativo puede resultar de un desplazamiento del flujo, permaneciendo fija la parte que se considera del circuito magnético o por un desplazamiento de dicha parte, conservándose fija la dirección del flujo.
Para reducir la potencia perdida por histéresis se emplean chapas magnéticas sometidas a un adecuado proceso de recocido.
Para reducir la pérdida de potencia por corrientes parasitárias o de Foucault es conveniente que las partes del circuito magnético, recorridas por un flujo variable, estén constituidas por un cierto número de chapas de hierro de poco espesor ( 0,5mm en las máquinas rotativas y 0,35mm en los transformadores ) convenientemente aisladas entre sí por medio del propio óxido de las chapas, papel o barniz aislante.
Al efectuar el montaje del núcleo magnético, es imprescindible disponer de las chapas de manera que queden en planos paralelos a la dirección del flujo ó en planos perpendiculares al eje del rotor cuando se trate de máquinas rotativas.
10 - Pérdidas totales en W/Kg.
Aparecen simultáneamente en todo material magnético en el que se encuentra establecido un flujo variable.
Pfe/Kg = Pérdidas totales de potencia en vatio por Kg de peso de hierro.
Q = Peso del núcleo magnético en Kg.
Pfe = Pfe/Kg H Q
PERDIDAS EN LOS CIRCUITOS ELÉCTRICOS
11 - Materiales empleados.
En la construcción de los circuitos eléctricos de las máquinas, son casi exclusivamente empleados el cobre y el aluminio.
El cobre es el conductor por excelencia, debe ser purificado por electrólisis, puede ser duro o recocido. El cobre duro se emplea en trabajos en los que es preciso que el conductor tenga cierta resistencia mecánica, el recocido se emplea en bobinados que han de sufrir cambios de forma, sea a mano o a máquina.
El aluminio es de uso más limitado en las máquinas eléctricas por tener una resistividad más elevada que la del cobre, queda bastante reducida la potencia útil de la máquina. Pero es el
material casi exclusivamente empleado en las jaulas del rotor de los pequeños motores asíncronos de corriente alterna.
19.- MANTENIMIENTO ELÉCTRICO
Ahora nos dedicaremos a las principales operaciones eléctricas que se realizan en la maquina.
Primeramente exponemos las medidas de seguridad.
Antes de comenzar con los trabajos se quitan los interruptores de los zócalos para evitar cualquier accidente al conectar la maquina por equivocación.
Luego se cortocircuitan las fases y se conecta a tierra evitando así cualquier descarga imprevista.
No se necesita aclarar que para llevar a cabo todas estas maniobras la maquina se encuentra fuera de la red.
Algo que se tiene en cuenta mucho más adelante, son los objetos con los que el personal entra al generador, ya que, si al estar acuñando, dejaran caer una pinza, un reloj, un trozo de metal ferromagnetico, este por acción de los campos magnéticos se calentara hasta fundirse pudiendo así averiar muy seriamente la maquina.
Después de haber tomado todas estas precauciones recién se comienza con las operaciones de mantenimiento.
Primeramente hacemos una corta descripción de la maquina empezando en la cota (+15) en la sala de maquina.
A simple vista vemos los cabezales KAPLAN con los 3 tubos de aceite entrando en él.
Bien por debajo de ellos se encuentran los pequeños generadores, usados para obtener datos como la velocidad.
Para describir estos generadores diremos que son sincrónicos al igual que los grandes, mas adelantes descriptos. También se podría decir que estos son una replica a escala de los mayores.
Directamente debajo del generador se encuentran los carbones por donde ingresa la corriente de excitación que en un principio se obtiene de baterías, solo para el arranque total, o sea con todas las maquinas paradas.
Luego que la maquina poma velocidad y se engancha a la red se toma corriente de los transformadores que salen directamente de la turbina.
Esta corriente alimenta también lo que llamaremos prioritarios, ya sea las luces, bombas de refrigeración, instrumentos de medición, etc.
La corriente tomada de la maquina es rectificada por los tiristores que se encuentran en bancos y gracias a su construcción hueca son refrigerados por agua filtrada.
De estos bancos pasa a los carbones que nombramos antes por donde ingresa a la maquina.
Bajando un poco de nivel levantando las tapas del piso y luego las tapas que se encuentra debajo de este, se encuentran los deflectores de aire que se encargan de dirigir el aire a los radiadores de aceite. A estos deflectores se los llama pollera.
El aire utilizado en los radiadores es impulsado por el mismo rotor.
En esta misma altura se encuentra el generador principal, que cuenta con un rotor de 40 pares de polos, que para interpretar mejor sus datos, los dispondremos en una tabla.
Potencia total instalada 1.890 MW
Capacidad media anual de generación 6.640 GWh
Potencia nominal instalada por generador 135.000kW
Potencia por turbina 187.500 CV
Tensión nominal de las líneas de transmisión 500 kV
Tensión nominal de salida de los generadores 13,8 kV
Peso de las partes rotantes (generador y turbina) 1.020 ton
Empuje de agua 1.600 ton
Carga axial en el cojinete de empuje 2.620 ton
Cantidad de grupos generadores 14 unidades
Diámetro del rotor del generador 13,5 m
Velocidad de rotación 75 rpm
Velocidad de embalamiento 225 rpm
Velocidad lineal en el extremo del rotor 190 km/h
Cada 4 años se revisan en el estator 792 ranuras por polo con sus cuñas de 1,9 a 2m.
También en este generador se tiene mucho cuidado con el efecto “corona” que genera ácido nítrico que se come el barniz.
Antes de la puesta en marcha se revisan y miden las aislaciónes en los dos generadores (el principal y el de control) y se llevan a cabo otros controles que no viene al caso analizar.
20.- MANTENIMIENTO MECÁNICO
Descripción del mantenimiento mecánico
Este mantenimiento lo podemos dividir en dos subgrupos de los que podemos decir que ni uno ni otro es menos importante. Aunque nos abocaremos al primero.
Estos dos subgrupos son:
a) máquinas principales.
b) máquinas auxiliares.
En esta breve descripción trataremos de resumirlos principales puntos de la turbina.
¿Por qué turbinas Kaplan?
El nombre se debe a su inventor y la principal diferencia con las demás reside en la propiedad de mover las palas, variando el ángulo de incidencia entre –15 y 17º mediante un mecanismo hidráulico que funciona de la siguiente manera:
Para la regulación de las palas se envía una señal eléctrica a un convertidor electroidráulico que al registrarla se encarga de transformarla en un pequeño movimiento hidráulico que sería transformado mas tarde en uno mucho mayor.
Este instrumento posee una leva especial que se encarga de mantener la relación del distribuidor y las palas en donde se obtiene mayor rendimiento de agua.
En resumen la regulación de las palas es automática de acuerdo a la variación del distribuidor.
Retomando la parte del circuito hidráulico.
Tres conductos de aceite entran a la máquina por el cabezal Kaplan (la parte amarilla superior que se ve en la sala de máquinas).
De ahí pasa a través del eje hasta el rodete, en donde se encuentra un pistón que se encarga de rotar los alabes mediante un sistema de bielas.
Este es un diagrama de cómo se podría ver el tubo por el eje y los alabes con el pistón.
Movimiento de los alabes del distribuidor
Este se realiza a través de cuatro pistones hidráulicos fijos que están sujetos a sus espárragos a un anillo que literalmente flota sobre el eje de la turbina.
Esquemáticamente
El movimiento de este anillo se produce al expandir dos cilindros, contrayendo atrás dos, abriendo y cerrando los alabes del distribuidor por medio de un juego de dos bielas sujetas al mismo disco, como antes dijimos estos alabes se encargan de regular la cupla mecánica por medio del volumen de agua.
Este sistema esta ayudado por un cámara espiral que para obtener un ingreso uniforme del agua en todas las partes del distribuidor tiene una forma decreciente.
COJINETES
Existen tres cojinetes:
- El cojinete guía del generador que se encuentra ubicado por encima del generador y directamente sobre el piso de la sala de máquinas.
- El cojinete de empuje que soporta las 2400 tn de peso de las máquinas, ubicado debajo del generador.
- El cojinete guía de turbina que se encuentra por encima de los 8,6 m de diámetro de las palas.
Siendo estos tres cojinetes los más críticos en cuanto al mantenimiento mecánico los ubicaremos en la máquina y luego los describiremos uno por uno.
COJINETE GUIA DE GENERADOR
Consta de doce brazos que se apoyan contra el eje y en las paredes de hormigón.
El esfuerzo es transmitido por los brazos que forman la estrella que se ve en la sala de máquinas.
Estos cojinetes trabajan sumergidos en un baño de aceite, refrigerado éste por agua del lago con un prefiltrado grueso. La temperatura del aceite en movimiento varía entre 68 y 70ºC.
COJINETE DE EMPUJE
Quizás la pieza más importante de la turbina ya que soporta todo el peso de la máquina.
Se encuentra por debajo del generador eléctrico y consta de un disco pulido a espejo que descansa sobre 32 cojinetes apoyados sobre un balancín dividido en dos que a su vez descansa sobre una media esfera.
Los cojinetes tienen una forma que permiten ubicarlos en forma circular en forma pareja alrededor del eje. También están rasqueteados para reducir puntos de apoyos, otro detalle de diseño es un ángulo en uno de sus lados, recordando que la máquina gira en sentido horario, este ángulo se encuentra en sentido antihorario, lo que permite que el baño de aceite cubra la superficie del cojinete y evite así el contacto metal con metal.
Podemos especificar que el cojinete es de acero cubierto con una placa de metal blanco.
En la parada este sistema deja de funcionar, por lo que para arrancar la máquina se requiere bombear el aceite por un tubo dentro del cojinete, observado en esquemas anteriores.
La revisión de los cojinetes se realiza elevando la máquina por medio de 36 gatos hidráulicos ubicados debajo del generador y removiendo los radiadores de refrigeración para poder quitarlos y examinarlos uno por uno.
COJINETE GUIA DE TURBINA
Este se encuentra en la parte inferior de la maquina, por encima de los alabes, siendo no menos importante que los anteriores.
Como es lógico imaginar en la turbina existe un espacio entre lo estático (la carcaza) y lo móvil(el eje).
También es lógico que exista una filtración de agua hacia adentro ya que la presión en su interior es menor que afuera.
Para evitar esta filtración la turbina cuenta con 2 sistemas de sellos, uno para la parada y otro dinámico para el movimiento de este.
SELLO ESTATICO
Este es una goma muy resistente y flexible, de gran espesor que se infla, al detener se la maquina se infla tapando el acceso del agua al interior.
En una forma muy esquemática:
1) maquina parada
2) maquina en movimiento
SELLO DINAMICO
Seria imposible utilizar el método anterior con la maquina funcionando, por la fricción a la que estaría sometida la manguera.
Entonces se utiliza un nuevo sello, el cual consta de un disco pulido que se encuentra alrededor del eje independiente del mismo.
Este disco esta apoyado sobre dos aros de carbón que giran con el eje. El disco superior es aplastado por resortes contra los carbones y para evitar el desgaste se bombea muy finamente, entre los carbones.
En algunas ocasiones entra una pequeña cantidad de agua, pero es agua filtrada, por lo que la maquina no se ensucia. Para eliminarla se utiliza bombas dentro de la cachaza.
21.- CONTROL DE MOTORES SÍNCRONOS
1. Introducción
Los motores sincrónicos son usados como servo-controladores en aplicaciones como equipos periféricos de computadoras, robóticos y como controladores de velocidad ajustables en una variedad de aplicaciones como: bombas de carga proporcional, grandes abanicos y compresores. En aplicaciones de baja potencia hasta unos cuantos kilowatts, son usados motores sincrónicos de imán permanente (ver Figura 1). Estos motores son a menudo referidos como motores "DC sin brocha" o motores conmutados electrónicamente.
Figura 1: Estructura de un motor sincrónico; (a) imán permanente, (b) polos salientes.
2. Principio de Operación del Motor Síncrono
El devanado de campo en el rotor produce un flujo Øf en el entrehierro. Este flujo rota a una velocidad sincrónica ws rad/s, la cual es la misma que la velocidad del rotor. El flujo Øfa se une al devanado de fase del estator, por ejemplo la fase a, varia sinosoidalmente con el tiempo:
donde;
y p es el número de polos en el motor. Si asumimos Ns como un número equivalente de vueltas en cada devanado del estator, la fem inducida en la fase a es:
Este voltaje inducido en el devanado del estator es llamado voltaje de excitación cuyo valor rms es:
En controladores de motores sincrónicos, el estator es alimentado con un juego de corrientes trifásicas balanceadas, cuya frecuencia es:
La componente de la frecuencia fundamental de la corriente del estator produce una amplitud de flujo constante ØS en el entrehierro, la cual rota a la velocidad sincrónica ws . La amplitud de ØS es proporcional a las amplitudes de las componentes de la frecuencia fundamental en las corrientes del estator. El voltaje resultante en el entrehierro es:
Todos estos fasores están definidos en la figura 2a. Basados en esta última ecuación y en diagrama fasorial, el circuito equivalente por fase de un motor sincrónico se muestra en la Figura 2b, donde Rs y LIs son la resistencia del devanado y la inductancia de fuga, respectivamente. Incluyendo la caída de voltaje a través de la Rs y LIs en la fase a es:
El diagrama fasorial de esta ecuación se muestra en la Figura 2c, donde Øp es el ángulo entre la corriente y el voltaje en fasor. De el circuito equivalente por fase y el diagrama fasorial de la Figura 2, el torque electromagnético Tem puede ser obtenido como sigue: La potencia eléctrica que puede ser convertida en potencia mecánica es:
donde el ángulo Øf es llamado ángulo de torque y kt es la constante de proporcionalidad. En el diagrama fasorial de la Figura 2c, Ia adelanta a Va. Este adelanto de factor de potencia se requiere si el motor sincrónico es alimentado por un controlador donde la corriente a través de los tiristores inversores es conmutada por los voltajes del motor sincrónico.
Figura 2: Representación por fase: (a) diagrama fasorial, (b) circuito equivalente, (c) voltaje terminal.
En un motor sincrónico la velocidad en estado estable está determinada por el número de polos y la frecuencia de la corriente de armadura, exactamente como lo indica la siguiente ecuación:
donde n= velocidad mecánica en rpm y wm = velocidad mecánica en rad/seg. Por lo tanto un motor sincrónico operado por una fuente de AC de frecuencia constante debe trabajar a velocidad constante en su estado estable.
En un motor el par electromagnético está en la dirección de giro y compensa al par de reacción necesario para impulsar la carga mecánica. El flujo que producen las corrientes en la armadura de un motor sincrónico gira adelante del que produce el campo, y así actúa sobre el campo y efectúa trabajo.
3.Servo Controlador con Tensión Senoidal Aplicación de Controles de Estado Sólido para ajuste de Velocidad de Motores Sincrónicos.
Se puede obtener control de velocidad para motores de inducción mediante control de frecuencia y voltaje, así como por recuperación de la potencia del rotor a la frecuencia de deslizamiento mediante dispositivos especiales. El empleo de dispositivos electrónicos de estado sólido para implementar estás técnicas en los sistemas de impulsión de motores sincrónicos ha conducido al mayor uso de las máquinas de inducción en casos donde se necesita controlar la velocidad. Los sistemas de control de estado sólido de AC son más complejos que sus contrapartes de DC; sin embargo, aunque los motores de DC han dominado el campo de control con velocidad ajustable, los motores sincrónicos se usan en sistemas de control en los que se deben utilizar sus características especiales, como por ejemplo la ausencia de conmutadores, escobillas y corregir el factor de potencia. El avance en la tecnología de sistemas de control de AC ha ocasionado mayor flexibilidad y grandes reducciones en tamaño, peso y costo de los dispositivos, y ha hecho que aumente el interés en otros tipos de máquinas de AC como las de Imán Permanente y de Reluctancia Variable para aplicaciones de velocidad variable. La potencia de frecuencia ajustable se puede generar mediante un circuito tiristor, llamado Inversor. Un tiristor (también conocido como Rectificador Controlado de Silicio, SCR) es un dispositivo con tres terminales semejante al diodo, con la excepción de que una señal en su compuerta lo debe encender antes de comenzar la conducción de la corriente, cuando tiene voltaje directo. Los inversores se emplean para transmitir energía de una fuente de DC a una carga de AC con frecuencia y fase arbitrarias. Se utilizan en los sistemas de control de AC para suministrar corriente de frecuencia ajustable a los motores sincrónicos, y para regenerar la potencia del circuito del rotor y regresarla a la línea de AC en los motores de inducción de rotor devanado. Un control típico para motores consta de un rectificador que convierte la corriente del suministro de AC a la forma de DC, un inversor que forma la corriente alterna de frecuencia ajustable a partir de la barra de DC, y un sistema de control para ajustar la frecuencia y el voltaje del motor, y asegurar que no se rebase el par máximo de éste. Los inversores para suministrar corriente a frecuencia ajustable para los sistemas de control de motores sincrónicos en general son trifásicos. El inversor trifásico tiene como mínimo seis tiristores dispuestos en la configuración de un puente, como se muestra en la Figura 3.
Figura 3: Configuración de un puente trifásico inversor
Estos tiristores (TR) se conmutan en forma secuencial para sintetizar un conjunto de voltajes trifásicos en las terminales de AC, que se aplica al motor. La salida de un inversor trifásico se aplica a los motores sincrónicos para obtener funcionamiento de velocidad ajustable mediante control de frecuencia. Cuando se necesita en uno o más motores una velocidad estrechamente controlada, como en las aplicaciones en la industria textil, se usan motores sincrónicos; éstos trabajan en sincronismo con el oscilador que controla al inversor, independientemente de su carga. La velocidad sincrónica es directamente proporcional a la frecuencia.
Controladores de Servomotores Sincrónicos con Ondas Sinusoidales
La distribución de la densidad de flujo en el entrehierro y los voltajes de excitación inducidos en el estator en un motor son casi sinusoidales. Para controlar controladores servo-sincrónicos, la posición del campo del rotor es medida para saber de una posición absoluta del sensor, con respecto a su eje estacionario, como se muestra en la Figura 4 para un motor de dos polos. Reconociendo que a ø=0 en un motor de dos polos, Ia debe ser a su pico positivo:
Para un motor de p polos, en general, si ø es el ángulo mecánico medido, entonces el ángulo eléctrico øe es:
Figura 4: Medida de la posición del rotor en el tiempo.
Si usamos estas ecuaciones y sabemos que las fases b y c están desfasadas 120° y 240°:
Esta estrategia de control también puede ser usada para controladores de motor de inducción. Con la frecuencia de la corriente del estator "bloqueada" o sincronizada a la posición del rotor, la cual es continuamente medida, no hay posibilidad de pérdida de sincronismo, y el ángulo de torque ø se mantiene en su óptimo valor de 90°. La Figura 5 muestra el diagrama de bloque de un servomotor sincrónico con ondas sinusoidales.
Figura 5: Controlador sincrónico de un servo motor
4. Controladores de Motores Sincrónicos con Ondas Trapezoidales
Los motores descritos en la sección previa están diseñados para que las fem inducidas en el estator debido al flujo del campo sean sinusoidales y las corrientes del estator produzcan un campo sinusoidal. En ésta sección los motores están diseñados con bobinas concentradas, para que la densidad de flujo de el campo, debido a los imanes permanentes y a los voltajes de excitación inducidos, tenga ondas trapezoidales. La Figura 6 muestra la fem inducida efa(t) en la fase a, donde el rotor gira en la dirección de las manecillas del reloj a una velocidad de ws rad/s y ø es medido con respecto a el estator como se mostró en la Figura 5. La onda de la fem tiene una porción plana, la cual ocurre para al menos 120° (eléctricos) durante cada medio ciclo. La amplitud Ef es proporcional a la velocidad del rotor;
para producir tanto torque libre de risos como sea posible en un motor, la fase de la corriente suministrada debe tener ondas rectangulares como se muestra en la Figura 6b. Como la potencia total es independiente del tiempo, el torque electromagnético instantáneo es también independiente del tiempo y depende solamente de la amplitud de la corriente Is:
Un regulador de corriente VSI, se utiliza donde las referencias de corriente sinusoidales son reemplazadas por referencias de corriente rectangulares. Un ciclo completo es dividido en seis intervalos de 60° eléctricos cada uno. En cada intervalo, la corriente a través de dos fases es constante y proporcional al torque. Para obtener estas referencias de corriente, la posición del rotor es usualmente medido por sensores de efecto Hall que indican la sexta conmutación de corriente instantánea por ciclo eléctrico de onda.
Figura 6: Onda Trapezoidal de un motor sincrónico.
22.- PROTECCIÓN DE LÍNEAS ELÉCTRICAS
Índice
1.- Generalidades.
2.- Relés de protección.
2.1.- Tipos de relé de protección y vigilancia de líneas y redes.
2.1.1.- Relé de intensidad.
2.1.2.- Relés de tensión.
2.1.3.- Relé de vigilancia de contacto a tierra.
2.1.4.- Relé diferencial.
2.1.5.- Relé de distancias.
3.- Protección contra sobrecargas.
4.- Corrientes de cortocircuito.
4.1.- Clases de cortocircuitos.
4.2.- Calculo de intensidad de cortocircuito (Icc).
5.- Protección de instalaciones contra cortocircuitos.
5.1.- Interruptor automático de potencia.
5.2.- Interruptor de potencia de alta tensión.
5.2.1.- Apertura de contactos de un interruptor de potencia.
5.2.2.- Interruptor en baño de aceite.
5.2.3.- Interruptor de pequeño volumen de aceite.
5.2.4.- Interruptores de gas a presión
5.3.- Fusibles.
6.- Sobretensiones.
6.1.- Sobretensiones externas.
6.2.- Sobretensiones internas.
6.2.1.- Sobretensiones de maniobra.
6.2.2.- Sobretensiones de puesta a tierra.
6.2.3.- Sobretensiones a la frecuencia de servicio.
6.2.4.- Sobretensiones de puesta en servicio de líneas.
7.- Protección de líneas eléctricas contra sobretensiones.
7.1.- Dispositivos y aparatos de potencia.
8.- Pararrayos.
8.1.- Pararrayos, autoválvulas.
8.2.- Características de un pararrayos, autoválvulas.
8.3.- Elección de un pararrayos.
8.4.- Montaje.
1.- Generalidades
La seguridad en el suministro de energía eléctrica desde la central al punto de consumo depende, en gran parte, del grado de protección previsto en las subestaciones y líneas intermedias. Una línea eléctrica debe estar protegida contra sobreintensidades, cortocircuitos y sobretensiones.
2.- Relés de protección.
Los relés de protección son derivados de los relés de medición, los cuales por su funcionamiento rápido y automático, hacen posible la agrupación.
Los relés de protección deben responder a diversas exigencias :
• Consumo propio reducido. • Sensibilidad. • Capacidad de soportar cortocircuitos sin deformarse. • Exactitud de los valores de funcionamiento. • Indicación de los valores de funcionamiento mediante señales ópticas. • Posibilidad de transmisión de los valores medidos para la indicación a distancia.
El funcionamiento general de los relés de protección es tal que, al sobrepasar o descender por debajo de un valor de la magnitud de acción que ellos vigilan, hace dispararse al interruptor de potencia.
2.1.- Tipos de relé de protección y vigilancia de líneas y redes.
Según su funcionamiento los relés de protección pueden ser de:
• Sobreintensidad. • Mínima y máxima tensión. • Vigilancia de contactos a tierra. • Diferenciales. • Distancia.
2.1.1.- Relé de intensidad.
El aparato actúa cuando la corriente que circula sobrepasa la corriente nominal. El relé de sobreintensidad no retrasado tiene el mismo funcionamiento pero tiene un contacto auxiliar.
• El relé temporizado de sobreintensidad independiente: es la combinación de relés de tiempo y de intensidad, cuando se detecta una sobreintensidad se pone en funcionamiento el mecanismo de tiempo que es totalmente independiente de la magnitud de la intensidad.
• El relé temporizado de sobre intensidad térmico : este tipo de relé actúa al cabo de unos segundos de producirse la sobrecarga, disminuyendo el tiempo de disparo fuertemente al aumentar la intensidad
2.1.2.- Relés de tensión.
Su comportamiento es similar al relé de sobreintensidad no retardado, distinguiéndose dos tipos: de mínima y máxima tensión.
• El relé de mínima tensión actúa cuando la tensión de red disminuye a un valor que pudiera ser peligroso para los receptores(< 85 % de VL) y que persiste durante cierto tiempo.
• El relé de máxima tensión tiene la misión de evitar la elevación de la tensión de red a valores superiores al máximo previsible.
• El relé de vigilancia de la tensión trifásica se coloca en redes trifásicas para la vigilancia de las tres tensiones en relés de protección o contadores y así evitar disparos o mediciones erróneas. Generalmente señalan fuertes descensos o la caída de una o varias tensiones.
2.1.3.- Relé de vigilancia de contacto a tierra.
El relé de vigilancia de contacto a tierra tiene la misión de señalizar inmediatamente, en redes sin puestas a tierra del punto estrella, los contactos a tierra que se presenten en la red. Los dispositivos de extinción de contactos a tierra disminuyen la corriente en los puntos de contacto a tierra a una medida no perjudicial, evitando poner inmediatamente fuera de servicio las partes de la línea afectadas por el contacto a tierra
2.1.4.- Relé diferencial.
Tiene la misión de detectar la corriente de defecto de una línea por comparación de las corrientes en sus dos extremos captadas por medio de transformadores de intensidad. Cuando la comparación de corrientes se hace de dos líneas en paralelo, se llama relé diferencial transversal.
2.1.5.- Relé de distancia.
Es un dispositivo que actúa al producirse cortocircuitos en las líneas durante un tiempo que resulta proporcional a la distancia donde se haya producido dicho defecto. Este tipo de protección es el más generalizado en líneas de media y alta tensión
3.- Protección contra sobrecargas.
Este tipo de protecciones suele utilizarse en líneas subterráneas como medida de precaución para evitar el paso de intensidades superiores a las nominales, con el consiguiente peligro para el aislamiento, por causas térmicas. Naturalmente este exceso de intensidad es siempre muy inferior a la corriente de cortocircuito, utilizándose para su prevención dispositivos térmicos o magnéticos, similares a los utilizados el las protecciones de motores. También puede utilizarse fusibles, como dispositivo para interrumpir el paso de corriente. También puede conseguirse una protección eficaz de sobre intensidades con seccionadores en carga combinado con fusibles de apertura rápida y relés térmicos.
4.- Corrientes de cortocircuito.
Debido al constante incremento de producción de energía eléctrica, las corrientes de cortocircuitos, en los sistemas de transporte y distribución actuales alcanzan valores elevados, que en muchos casos pueden afectar gravemente las instalaciones.
La corriente de cortocircuito de una instalación eléctrica, en general, va acompañada, en el momento inicial, de fenómenos transitorios seguidos de una situación permanente. Los efectos básicos del cortocircuito sobre la instalación se pueden resumir en dos:
1. Efecto electrodinámico, debido a la fuerza que aparece en los conductores al ser atravesados por fuertes corrientes y estar bajo campo magnético. El campo magnético lo crea la misma corriente o bien la corriente que circule por los conductores vecinos de la misma o distintas fases. Esta fuerza es proporcional al cuadrado de la intensidad. La fuerza máxima se producirá, por tanto, cuando la corriente tenga el valor máximo.
2. Efecto térmico, debido al calor producido por la intensidad (Efecto Joule) y a la capacidad calorífica de la zona donde se haya producido. Dada la escasa duración del cortocircuito, normalmente inferior a 3 s, puede afirmarse que no se produce transmisión de calor al medio que rodea al conductor. Puede tomarse como ecuación de equilibrio térmico aproximada la siguiente:
A partir de la ecuación de equilibrio podrá calcularse la intensidad de cortocircuito máxima que es capaz de soportar el cable. Además de los efecto anteriores, un cortocircuito produce una caída de tensión elevada, que a su vez puede dar lugar a desequilibrios de tensiones y corrientes en la red.
4.1.- Clases de Cortocircuitos.
En las redes trifásicas y neutro a tierra se pueden distinguir:
• Cortocircuito trifásico. • Cortocircuito entre dos fases sin contacto a tierra, que afecta a dos fases cualquiera • Cortocircuito entre dos fases con contacto a tierra, que afecta a dos fases y tierra • Cortocircuito entre fase y tierra, es el caso más normal en las líneas de A. T.
Un cortocircuito equivale a una carga cuya intensidad solo viene limitada por la impedancia de la parte de red afectada.
4.2.- Calculo de la intensidad de cortocircuito (I cc).
El cortocircuito trifásico equivale a una carga simétrica de la red ; por tanto, el calculo puede realizarse por fase como si se tratara de una línea normal. Los restantes cortocircuitos son asimétricos y tienen que calcularse por métodos difíciles por lo que se omitirá su resolución.
Los pasos a seguir para la resolución de Icc son los siguientes:
1. Determinar la impedancia total del tramo de línea afectada por el cortocircuito. 2. Determinar la Icc permanece en el punto considerado.
La impedancia de la línea afectada por el cortocircuito estará formada por circuitos serie o paralelo, o mallas que habían de resolverse y obtener la Z equivalente. Las componentes de la impedancia total serán la resistencia ( Rcc ) y reactancia ( Xcc ) de cortocircuito :
Zcc = Rcc + j · Xcc
Normalmente las componentes Rcc y Xcc se expresan en / Km y suelen darse en los catálogos de fabricantes de cables.
El valor de la corriente de cortocircuito I cc se obtiene a partir de la formula :
en donde :
VL = tensión de línea (Kv).
Zcc = impedancia de cortocircuito por fase ( ).
Icc= Corriente de cortocircuito permanente (KA).
A su vez, la potencia de cortocircuito es:
en donde :
VL = tensión de línea (Kv).
Pcc = Potencia de cortocircuito (MVA).
5.- Protección de instalaciones contra cortocircuitos.
Tanto en M.T. como en A.T., pueden utilizarse los siguientes dispositivos de protección :
• Interruptor de potencia automático • Fusibles. • Procedimientos mixtos; ejemplo: fusibles - seccionadores en carga, fusibles - interruptor
automático.
5.1.- Interruptor automático de potencia.
Es un aparato mecánico de conexión capaz de establecer, soportar e interrumpir corrientes en condiciones normales del circuito, así como de establecer, soportar durante un tiempo especificado e interrumpir corrientes en conducciones anormales especificas del circuito tales como el cortocircuito.
Un Interruptor de potencia se llama automático cuando es maniobrado automáticamente mediante relés (relé temporizador de máxima intensidad, relé térmico directo, relé electrónico de protección de líneas, etc.).
5.2.- Interruptor de potencia de alta tensión.
Los interruptores de potencia de A. T. se utilizan en las redes de suministro de energía eléctrica para unir o separar partes de dichas redes, bien sea en condiciones normales de servicio o en caso de averías. En el caso de producirse avería, el interruptor ha de separar las partes defectuosas de las redes, a ser posible, en el mismo instante de producirse. Las redes están vigiladas por relés de protección, que, en caso de detectar un cortocircuito, envían un impulso de desconexión a los interruptores correspondientes. Es interesante que los relés realicen una protección selectiva, es decir, que eliminen a ser posible, solamente la parte de línea comprendida entre dos interruptores. En las maniobras de servicio, las intensidades que han de cortar los interruptores pueden llegar hasta algunos miles de amperios ; sin embargo en las desconexiones por cortocircuito, las intensidades alcanzan valores muy elevados(150000 A para media tensión). La elección del interruptor para un caso determinado depende principalmente de su potencia de ruptura, que es la mayor potencia de cortocircuito que puede desconectar dicho interruptor y suele expresarse en MVA.
5.2.1.- Apertura de contactos de un interruptor de potencia.
En los interruptores de C. A. no se interrumpe la corriente en un momento cualquiera, sino que se aprovecha el hecho de que dicha corriente pasa dos veces por cero dentro de cada periodo, es decir 100 veces cada segundo para una frecuencia. Si se intenta interrumpir repentinamente una intensidad muy elevada (miles de amperios), se producirían en la red sobretensiones muy elevadas, que , además de perjudicar su aislamiento, formarían un arco entre los contactos abiertos del interruptor, anulando así la maniobra de apertura.
5.2.2.- Interruptor en baño de aceite
Este tipo de interruptor hace tiempo que no se fabrica, dado su elevado volumen y precio.
5.2.3.- Interruptor de pequeño volumen de aceite.
Los interruptores de pequeño volumen de aceite producen por si mismos el fluido extintor aprovechando la energía del arco. El arco origina gases, por evaporación del aceite, que se desplazan en forma de fluido de aceite a través de diversos canales para extinguirlo.
5.2.4.- Interruptores de gas a presión.
Como medio de extinción, utilizan normalmente aire comprimido depositado en un recipiente de acero, siendo el proceso de extinción independiente de la energía del arco y, por tanto, de la corriente que debe interrumpirse. La cámara de ruptura de estos interruptores puede ser de tobera metálica o tobera de material aislante. En ambas, el arco se extiende al interior de una tobera en forma de anillo y es rodeado por el aire comprimido, que fluye a gran velocidad en dirección axial y transversal ; normalmente es más utilizada la tobera metálica.
5.3.- Fusibles.
Los fusibles tienen la misión de interrumpir el paso de la corriente en un circuito al aparecer sobreintensidades o corrientes de cortocircuito. La interrupción se realiza por la fusión de un conductor fusible, que normalmente es hilo de plata, que rodea a un soporte aislante y va soldado a las caperuzas externas. Por el efecto de la arena de cuarzo, la extinción del arco se realiza rápidamente, limitando la amplitud del cortocircuito. Normalmente los fusibles de ALTA TENSIÓN vienen con dispositivos de señalización o disparo para facilitar la detección de averías.
6.- Sobretensiones.
Sobretensión es toda tensión que puede poner en peligro la existencia o servicio de una instalación eléctrica. A su vez pueden ser de origen externo o interno.
6.1.- Sobretensiones externas.
Tienen su origen en descargas atmosféricas, y una velocidad de propagación próxima a la velocidad de la luz (300000 Km / s). Normalmente las descargas se manifiestan en forma de ondas de frente escarpado, alcanzando su valor medio en el corto espacio de tiempo de 1m s (micro segundo) y disminuyendo el valor a cero en unos 100 m s.
Las sobretensiones de origen externo pueden ser de varios tipos, por:
• Descarga directa sobre la línea ; son las más importantes. • Descargas entre nubes próximas a líneas (descarga inductiva). • Descarga entre líneas y tierra (descarga indirecta). • El efecto pantalla de las edificaciones (descarga reflejada).
6.2.- Sobretensiones internas.
Tienen su origen en las variaciones de carga en una red, maniobras de desconexión de u interruptor, formación o cese de un fallo a tierra, corte de alimentación a un transformador en vacío, puesta en servicio de línea aérea o subterránea, etc.
6.2.1.- Sobretensiones de maniobra.
Las principales sobretensiones de maniobra se deben a aperturas de interruptores, fusión de un fusible y desconexión de un transformador que funcione en vacío. Este tipo de sobretensiones, tanto por su larga duración como por su elevada frecuencia (M. F. o A. F.), influyen considerablemente a la hora de la elección de protecciones como el pararrayos.
6.2.2.- Sobretensiones de puesta a tierra.
Se consideran solo las que forman parte de fenómenos transitorios producidos durante la puesta a tierra e interrupción de la misma. Los arcos que se producen son muy peligrosos y las sobretensiones pueden alcanzar valores de 3,1 veces la tensión nominal entre fases.
6.2.3.- Sobretensiones a la frecuencia de servicio.
Son las originadas en las centrales eléctricas por causa de disminución bruscas de carga en la red que alimentan, al permanecer constante la excitación del alternador, motivando el embalamiento de la turbina. Las sobretensiones alcanzan valores del orden de 1,2 a 1,3 veces la tensión nominal.
6.2.4.- Sobretensiones de puesta en servicio de líneas.
La puesta en servicio de una línea, aérea o subterránea (cable), origina una onda estacionaria de corta duración que normalmente se amortigua a lo largo de la red.
7.- Protección de líneas eléctricas contra sobretensiones.
El material de A. T. instalado en las líneas ha de poder soportar los efectos de cualquier sobretensión, bien sea de origen externo o interno.
Las sobretensiones que alcanzan valores superiores a las tensiones de ensayo del material
(conductores, aparato, etc.) son muy peligrosas, tanto por la amplitud de la tensión como por el gradiente de potencial de su frente escarpado. En el calculo de líneas, hay que tener en cuenta los dispositivos para evitar que las sobretensiones puedan dañar las instalaciones.
7.1.- Dispositivos y aparatos de protección.
Los dispositivos y aparatos de protección contra sobretensiones conectados permanentemente a las líneas eléctricas son:
• Cables de tierra: destinados a prevenir ondas de sobretensiones externas y derivarlas a tierra.. Solamente son eficaces en líneas de 1ª categoría.
• Puesta a tierra del neutro, bien sea directamente o a través de resistencias o impedancia débiles.
• Pararrayos, que entran en servicio cuando la tensión alcanza un valor superior a la de servicio y comprendidas entre los limites inferior y superior a la tensión de cebado, provocando la descarga a tierra de la corriente que a él llega, a través de las líneas a las que está conectado.
8.- Pararrayos.
El pararrayos tiene una función principal que cumplir, que es la de proteger la instalación eléctrica (transformador, interruptor, conductores de línea, etc.) contra sobretensiones de origen externo o interno, a la vez que absorbe parte de su energía. Los pararrayos de cuernos (antenas) van siendo reemplazados por el tipo autoválvulas, también llamado resistencia valvular y descargador de sobretensión.
8.1.- Pararrayos, autoválvula.
Este aparato se compone básicamente de dos partes, el explosor y la resistencia variable unida a él en seria. Cuando la amplitud de una sobretensión supera la tensión de cebado del pararrayo, saltan arcos en el explosor y cierran el circuito de A. T. a tierra a través de la resistencias variables. La resistencia variable esta formada por un material conglomerado capaz de variar con rapidez su resistencia eléctrica, disminuyendo su valor cuando mayor sea la tensión aplicada y pasándolo a un elevado valor al reducirse la tensión. Se comporta, pues, el aparato como una válvula, cerrada para la tensión nominal del sistema y abierta para las sobretensiones.
8.2.- Características de pararrayos, autoválvulas.
La eficacia de un pararrayos estará en función de las siguientes características :
1. Tensión nominal o tensión de extinción (VL) : es el valor más elevado de la tensión eficaz a frecuencia industrial admisible entre bornes del pararrayos
2. Frecuencia nominal : es el valor de la frecuencia para la que esta previsto el pararrayos. 3. Tensión de cebado a frecuencia industrial : es el valor eficaz de la mínima tensión que,
aplicada entre bornes al pararrayos, provoca el cebado de los componentes adecuados del mismo.
4. Tensión de cebado a la onda de choque : es el valor cresta de la tensión que aparece antes del paso de la corriente de descarga.
5. Tensión residual : es la tensión que aparece entre el terminal de línea y el terminal de tierra de un pararrayos durante el paso de la corriente de descarga.
6. Corriente de descarga : es la onda de corriente derivada a tierra por un pararrayos después de un cebado.
8.3.- Elección de un pararrayos.
En la elección de un pararrayos influyen considerablemente las características del tipo de instalación que ha de proteger. Entre los factores que se deben tener en cuenta se pueden citar : altura sobre el nivel del mar, frecuencias anormales, etc.
8.4.-Montaje.
Los pararrayos (autoválvulas de M. T.) solo pueden ofrecer una protección segura cuando se montan lo más cerca posible de las partes de instalación que han de protegerse, casi siempre de los transformadores. Es conveniente siempre mantener una resistencia de contacto a tierra lo más pequeña posible.
Aplicación de los fenómenos de inducción a la producción de corrientes.
Si dentro del campo magnético creado por un imán o un electroimán, se hace mover una espira inerte, de manera que corte en su movimiento líneas de fuerza, aparecerá en ella una corriente inducida, puesto que en su interior se habrá producido una variación de flujo.
En este caso la energía mecánica empleada en mover la espira se ha convertido en la energía eléctrica que se origina.
Se llama inductor al imán o electroimán que engendra el campo magnético fijo; inducido, al circuito en el que aparece la corriente de inducción.
En la siguiente figura, un galvanómetro montado en el circuito registraría, al dar una vuelta entera la espira, corrientes de sentido contrario. En la figura se puede seguir la formación de estas corrientes inducidas, que confirmara el cambio de sentido de la corriente.
Fuerza Electromotriz Alterna.
En el instante inicial, estando la bobina o espira en la posición primera de la figura, perpendicular a las líneas de fuerza del campo, el flujo magnético que la atraviesa es máximo y vale, como se recordara:
j = B S
En el instante t, en que la espira ha girado un ángulo a, el flujo que la atraviesa vale:
j = B S cos a
Si se designa por w la velocidad angular del movimiento de rotación de la espira, el valor de a será w t y, por lo tanto, la formula anterior se podrá escribir:
j = B S cos wt = B S cos (2p / T) t
ya que:
w = 2p / T
Estas variaciones experimentadas por el flujo que atraviesa la generan en esta una fem. inducida, cuyo valor es:
e = -Dj / Dt
Ahora bien, al no ser siempre igual la velocidad de variación del flujo Dj / Dt, tampoco lo es la fem. inducida, por lo que es preciso obtener una formula que permita calcular su valor en cada instante.
Mediante el calculo infinitesimal, se demuestra que el valor de la fem. inducida viene dado por la expresión:
e = B S w sen w t
Evidentemente, la fem. alcanza su valor máximo cuando el seno es igual a la unidad:
sen w t = 1 (w t = p/2 + 2kp)
Por consiguiente, designando por e 0 el valor máximo, se puede expresar:
e 0 = B S w sen w t = B S w sen (p/2 + 2kp) = B S w 1
e 0 = B S w
El valor instantáneo de la fem. alterna se obtiene sustituyendo el valor máximo en la formula inicial:
e = B S w sen w t Þ e = e 0 sen w t
Representación Gráfica y Características de la fem Alterna.
En las gráficas de la fig. inferior, se representan en las abscisas los tiempos en cuartos de periodo T/4 y en las ordenadas el flujo, la fem. inducida y la intensidad de corriente. Obsérvese que, como magnitudes periódicas que son, la gráfica repetirá su forma después de cada periodo.
Se puede comprobar que durante la primera vuelta de la espira (un periodo) la fem. inducida crece desde cero hasta el valor máximo E0; a continuación, disminuye hasta anularse; vuelve a aumentar, pero en sentido contrario, hasta alcanzar de nuevo el valor máximo E0 y, por ultimo, decrece hasta anularse nuevamente. Este ciclo se repite para la segunda vuelta, para la tercera y así sucesivamente, mientras dure el movimiento de la espira.
En toda fem alterna se consideran las siguientes características:
• Periodo (T): Es el tiempo necesario para completar un ciclo completo. Corresponde al tiempo que tarda la espira en dar una revolución completa.
• Frecuencia (f): Numero de ciclos completos que tienen lugar en la unidad de tiempo. Corresponde al nº de revoluciones que efectúa la espira por unidad de tiempo. También se presenta la siguiente relación:
f = 1 / T
• Pulsación (w): Velocidad angular de la espira. • Fase (a): Angulo formado por la espira en un instante determinado. De la consideración
de los conceptos, se deduce que la relación entre pulsación y fase viene expresada por:
a = w * t
Intensidad de la Corriente Alterna.
Si en el fenómeno descripto anteriormente, se unen los extremos de la espira mediante una resistencia R, esta es recorrida por una corriente expresada como:
I = e / R Þ I = (e 0 sen w t ) / R Þ
I = (e 0 / R ) sen w t
Ahora bien, observando esta expresión, resulta evidente que, al variar t, I también cambia de valor. A continuación se estudian cuatro valores típicos de la intensidad (valor máximo, valor eficaz, valor medio y valor instantáneo).
El valor máximo I0 es el mayor valor que toma la intensidad. La intensidad toma este valor cuando la fem. es máxima, esto es, cuando:
w t = p / 2 + 2pK
Considerando este valor en la formula anterior, obtenemos:
I0 = (e 0 / R) sen (p / 2 + 2Kp ) = e 0 / R
El valor instantáneo I, es el que toma I en cualquier instante.
Si en la formula inicial de I consideramos el valor máximo de la intensidad obtenemos:
I = e 0 / R sen w t Þ I = I0 sen w t
que es la formula del valor instantáneo de la intensidad.
La existencia de una corriente en un conductor supone el paso de cargas. Cuando se trata de una corriente cuyo valor es constante (corriente continua) la cantidad de electricidad que circula durante un tiempo t viene dado por:
q = I t
Ahora bien, cuando la intensidad no es constante, como es en la CA, el calculo de la carga no es tan sencillo; no obstante, parece lógico pensar que se podría encontrar una corriente continua que, circulando durante el mismo tiempo, permitiese el paso de la misma cantidad de electricidad. Pues bien, la I de esta CC es lo que se denomina valor medio (Im) y se expresa como:
IM = 2 I0 / p
La circulación de la corriente a través de un conductor supone el desprendimiento de una cierta cantidad de calor.
En el caso de la CC, el desprendimiento de calor equivale a:
Q = 0.239 R I2 t
Ahora bien, en el caso de la CA parece lógico pensar que se podría encontrar una corriente continua que, circulando durante el mismo tiempo y a través de la misma resistencia,
desprendiese la misma cantidad de calor. Pues bien, la I de esta CC es lo que se denomina valor eficaz ( Ie ) y se expresa como:
De igual manera se puede definir el valor eficaz para la CA.
La tensión eficaz de una CA es la tensión que debería tener una CC que, aplicada a los bornes de la misma resistencia, produjera la misma intensidad a la Ie de la CA.
Efectos Electromagnéticos de la CA.
En una CA al existir cargas en movimiento se manifiestan también efectos electromagnéticos.
Una CA viene caracterizada por una inducción B tal que su sentido cambia al mismo tiempo que el de la corriente (es decir, dos veces por periodo) y su intensidad es proporcional a la I de corriente en cualquier instante.
Como:
I = I0 sen w t Þ B = B0 sen w t
Por tanto, la inducción magnética es sinusoidal, de la misma frecuencia que la corriente y en fase con ella.
Los efectos más importantes de esta inducción son:
• Si se sitúa un circuito dentro de B creado por una CA, el flujo magnético que atraviesa el circuito variara en cada instante, debido a la variación de la intensidad en la CA con lo que se originara una fem inducida.
• Una CA también creara en el circuito por el que circula una fem. autoinducción que también será alterna:
e = - L (DI / Dt)
• Al introducir un cilindro metálico en una bobina por donde circula una CA, este adquiere propiedades magnéticas, de forma que el sentido de la imantación varia al mismo tiempo que la corriente.
Relación entre la Intensidad y la Tensión en Función de los Elementos que Componen el Circuito.
Cuando una CA recorre un circuito, aparece entre los extremos de este una tensión alterna. Esta tensión y la intensidad que circula a través del circuito tienen la misma frecuencia, pero generalmente no tienen la misma fase.
Si e = e 0 sen w t es la tensión en un instante t, la intensidad valdrá I = I0 sen (wt + j) donde j representa el desfase de la corriente con relación a la tensión.
Tanto el desfase como la relación entre los valores máximos I0 y e 0 dependen de los elementos que componen el circuito. En general, estos elementos poseen una resistencia, una autoinducción y una capacidad, incluso aunque no se hayan diseñado con esta finalidad; así, por ejemplo, una resistencia tiene forma de solenoide, y como consecuencia, también una autoinducción.
Circuito con resistencia pura.
En el caso de que el circuito al que se aplica la tensión alterna no presenta mas resistencia que la del tipo ohmico, la relación entre fem. e intensidad viene dada por la ley de Ohm:
I = e / R
Para el calculo de la intensidad de corriente inducida será:
I = (e0 / R) sen w t
Como:
e0 / R = I
La formula podrá escribirse:
I = I0 sen w t
En la cual se puede observar que es una función sinusoidal en concordancia de fases con la curva de la fem. alcanzando simultáneamente sus valores máximos y anulándose en los mismos instantes.
Efectos de una autoinducción colocada en el circuito exterior.
Si una CA recorre un circuito en el que haya una bobina que pueda originar estos fenómenos, las variaciones continuas de la intensidad en la corriente alterna generaran en ella corrientes de autoinducción de sentido contrario al de la corriente inductora (Ley de Lenz).
Estas corrientes provocan los siguientes efectos:
a) Una disminución de la intensidad máxima ya que la autoinducción debilita el paso de la corriente, lo que equivale a un aumento de la resistencia R (Ohmica).
La resistencia total del circuito depende del coeficiente de autoinducción, de la velocidad de giro del inducido además de dicha resistencia:
En este caso de valor máximo de I será:
I0 = e 0 / RT
Si el circuito solo posee autoinducción, entonces la resistencia será cero, quedando :
I0 = e 0 / L w
Comparando esta expresión con la Ley de Ohm se observa que el producto L w se comporta como si fuese resistencia pura (inductancia XL).
Sustituyendo en la expresión anterior obtenemos:
I0 = e 0 / XL
Formula que constituye una generalización de esta ley para un circuito con autoinducción pura.
b) Desfase de I respecto de T. La intensidad esta en retraso respecto a la tensión aplicada a los bornes del circuito. El ángulo j de desfase viene dado por:
tg j = L w / R
Si la resistencia ohmica R es muy pequeña, tg j = infinito ; y el ángulo valdrá: p / 2
c) Una perdida de potencia. El producto e I, que representa la potencia de corriente, no tendrá siempre un valor positivo, ya que a consecuencia del desfase la tensión, T e I son de signo contrario.
Efecto de una capacidad colocada en el circuito exterior.
Si se intercala en un circuito de CC un condensador, este absorberá la carga eléctrica circundante, apareciendo en sus bornes una tensión contraria a la corriente. En el caso de que la corriente sea CA, este fenómeno no tiene lugar, ya que la tensión en los bornes es variable en cada instante.
Se puede resumir en los tres apartados siguientes la influencia de un condensador en una CA:
a. Disminución de la intensidad máxima: La intensidad de corriente se ve debilitada también en este caso por efecto de la capacidad del condensador.
El valor máximo de la intensidad será:
I0 = e 0 / RR
En el caso de que el circuito solo posea capacidad pura, entonces R 0,quedando:
Comparando esta expresión con la ley de Ohm, observamos que 1 / C w se comporta como resistencia pura ( Capacitancia Xc ).
b) Desfase de la intensidad respecto de la tensión: La intensidad esta en adelanto respecto de la tensión aplicada a los bornes del circuito. Comparando esta con la del desfase por autoinducción, se observa que el desfase es inverso; aquí cuando la tensión es aun negativa, la intensidad de la corriente presenta ya valores positivos.
tg j = 1 / (R C w)
Si se considera, que el valor de R es pequeño, entonces la tg del ángulo es infinito, siendo el ángulo p / 2.
c) Perdida de potencia: El producto e I tampoco tendrá un valor positivo, debido siempre a los signos contrarios de I y T en algunos intervalos de tiempo.
Representación vectorial.
La resistencia, la inductancia y la capacitancia de un circuito se puede representar gráficamente en un sistema de coordenadas cartesianas mediante vectores.
Las características de estos vectores son: su origen es el de las coordenadas; sus módulos son los valores de las magnitudes expresadas, y su dirección y sentido son los que se detallan a continuación:
• R se representa mediante un vector situado en el eje horizontal y dirigido hacia la derecha.
• La inductancia se representa mediante un vector situado en el eje vertical y dirigido hacia arriba.
• La capacitancia se representa mediante un vector situado en el eje vertical y dirigido hacia abajo.
Circuito con resistencia, autoinducción y capacidad.
Hasta ahora, solo se ha estudiado el efecto producido por un fem. alterna en circuito por resistencia, autoinducción y capacidad pura; se trata de ver seguidamente el comportamiento de un circuito con estas características a la vez (circuito con R, X1 como inductancia y XC como capacitancia).
Representando vectorialmente las tres magnitudes, se observa que la inductancia y la capacitancia se pueden componer; siendo el vector resultante la reactancia, y se define como la suma vectorial de la inductancia y de la capacitancia, (se representa por X).
Gráficamente, si componemos este vector resultante con R, obtenemos un vector oblicuo denominado impedancia , el cual se representa por Z, y cuyo valor es:
En un circuito con corriente alterna la impedancia juega el mismo rol que la resistencia en la CC; por ello, una generalización de la Ley de Ohm para un circuito de CA, con resistencia, autoinducción y capacidad, será:
I0 = e 0 / Z
Resonancia.
Cuando una CA recorre un circuito con autoinducción y capacitancia debido a un condensador, se ha visto que la primera provoca un retraso de la intensidad respecto a la tensión mientras que el condensador ocasiona un avance.
Si en la formula de la impedancia:
Se considera que en la reactancia (L w - 1 / C w) son iguales la inductancia L w y la capacitancia 1 / C w.
L w = 1 / C w
Resultara que serán iguales la impedancia y la resistencia ohmica del circuito:
Z = R.
Se dice que en este caso el circuito esta en resonancia. De la condición de resonancia expuesta se deduce:
w2 = 1 / (C L)
Y recordando el significado de w = 2 p / T, se obtiene:
4 p2 / T2 = 1 / (C L)
De donde el periodo de una CA en resonancia es:
Cuando se produce la resonancia en un circuito la intensidad alcanza su valor máximo:
I0 = e 0 / Z = e 0 / R
Y, además, esta intensidad esta en concordancia de fase con la fem.
Una de las principales aplicaciones practicas de este fenómeno es el circuito de sintonización de un receptor de radio.
El circuito de antena de un radiorreceptor contiene una autoinducción y un condensador en serie. Cuando el condensador de sintonía se ajusta de modo que el circuito este en resonancia
con la frecuencia de la estación buscada, la intensidad de corriente correspondiente a aquella frecuencia particular es grande y se obtiene una tensión también considerable entre las armaduras del condensador. Toda vez que un condensador solo puede estar en resonancia para una frecuencia determinada, no se captaran las otras estaciones, porque no producen mas que intensidades y tensiones despreciables en el circuito de antena.
Potencia en un circuito de corriente alterna
La potencia disipada en un circuito de corriente continua, entre cuyos extremos existe una diferencia de potencial V y que es recorrido por una corriente de intensidad I, viene dada, según se sabe, por la expresión:
P = V I
Cuando se trata de una CA , la potencia esta constantemente variando, ya que los valores de V y de I, de los cuales depende, también lo hacen, por ello, se puede hablar de potencia instantánea, entendiendo por tal la que el circuito esta disipando en cada instante.
La potencia instantánea no tiene valor practico, pues lo que verdaderamente interesa evaluar, a fin de controlar la producción de energía, es el valor medio que tiene la potencia en un intervalo apreciable de tiempo. Valor que se denomina potencia media. Esta depende de la tensión y de la intensidad y, además, de la diferencia de fase entre ambas.
La formula de la potencia media en función de los valores eficaces, es:
P = eE IE cos j
Y en función de los valores máximos,
P = e 0 / Ö (2 I0) / Ö (2 cos j) = e 0 I0 / 2 cos j
El cos jse denomina factor de potencia y su valor puede oscilar entre 0 y 1, según el desfase de la tensión y de la intensidad.
A efectos de conseguir una mayor disipación de energía en un elemento de un circuito de CA, es preciso que el desfase entre la intensidad y la diferencia de potencial existente entre los extremos del elemento sea pequeño, con objeto que el factor de potencia se acerque lo mas posible a la unidad.
Aplicación de los números complejos al calculo de circuitos de corriente alterna.
Al igual que la inductancia, la capacitancia, la reactancia y la impedancia de un circuito, es posible representar también vectorialmente la fuerza electromotriz, la intensidad en cualquier rama del circuito y la diferencia de potencial existente entre dos puntos del mismo. Para ello se conviene en representar la fuerza electromotriz mediante un vector horizontal dirigido hacia la derecha y que tenga por modulo su valor máximo, y las intensidades y diferencias de potencial mediante vectores, generalmente oblicuos, cuyo modulo sea igual a la diferencia de fase existente entre cada uno y la fuerza electromotriz.
Por otra parte, considerando que los vectores se pueden expresar algebraicamente mediante números complejos, resulta que todas las magnitudes que intervienen en los cálculos a realizar para el estudio de corrientes alternas se pueden representar mediante números complejos.
Así las cosas, todos los cálculos referidos a corrientes alternas se pueden efectuar utilizando las relaciones ya conocidas para los circuitos de corriente continua: ley de Ohm, formulas de conexión en serie y en paralelo, etcétera, con la única diferencia de que cada uno de los valores vendrá dado por un numero complejo, en lugar de por un numero real, según las especificaciones que a continuación se detallan:
• Fuerza electromotriz: Se representa mediante un numero real positivo. • Resistencia: Se representa mediante un numero real positivo. • Inductancia: Se representa mediante un numero imaginario puro positivo. • Capacitancia: Se representa mediante un numero imaginario puro negativo. • Reactancia: Se representa mediante un numero imaginario puro, que puede ser mayor
o menor que la capacitancia. • Impedancia: Se representa mediante un numero complejo, cuya parte real es la
resistencia y cuya parte imaginaria es la reactancia. • Intensidad: Se representa mediante un numero complejo, cuyo modulo es igual a su
valor máximo y cuyo argumento es igual a la diferencia de fase existente entre ella y la fuerza electromotriz.
• Diferencia de potencial: Se representa mediante un numero complejo, cuyo modulo es igual a su valor máximo y cuyo argumento es igual a la diferencia de fase existente entre ella y la fuerza electromotriz.
Alternadores.
El fundamento de los alternadores ya se ha visto al estudiar el giro de una espira dentro de un campo magnético.
Aunque el principio es el mismo, los generadores de corriente alterna industriales difieren algo del simple experimento relatado anteriormente. En primer lugar, el inductor es móvil, rotor, y el inducido es fijo, estator, con la ventaja de que la corriente se recoge sin necesidad de contactos móviles.
El inductor se halla constituido por un núcleo de acero dulce con unos salientes que forman los núcleos de los electroimanes, Estos núcleos, en numero par, van rodeados de bobinas arrolladas en sentido inverso, de modo que al ser excitadas produzcan alternativamente un polo N y un polo S. El inductor se alimenta mediante corriente continua.
El inducido esta formado por una corona de hierro dulce, que envuelve el inductor, y presenta también unos salientes en los que se arrollan las bobinas inducidas. El numero de estas es el mismo que el de las del inductor y tienen el hilo arrollado cada una en sentido contrario a la anterior, ya que también es contrario el polo del inductor a que se enfrentaran en un instante dado; de esta forma se sumaran las fuerzas electromotrices inducidas.
La causa de la fuerza electromotriz inducida en las bobinas del inducido, como se habrá comprendido fácilmente, es la variación del flujo magnético que circula por su interior, debido al continuo movimiento del inductor.
Mediante los alternadores industriales se pueden llegar a alcanzar tensiones de hasta mas de 20.000 voltios eficaces.
El alternador trifásico.
El tipo de alternador que se acaba de describir es de los denominados monofásicos, por estar en la misma fase en cada instante las corrientes producidas en cada bobina del inducido. Para ello
es preciso, evidentemente, que el numero de bobinas del inductor sea exactamente igual que las del inducido y que sea también idéntica la posición de unas bobinas frente a otras.
Es corriente en la practica el empleo de alternadores trifásicos. En estos el numero de bobinas del inducido es tres veces superior al de los polos inductores y están desfasadas en un tercio del intervalo que separa dos polos sucesivos del inductor.
Las corrientes producidas en estos alternadores se denominan corrientes trifásicas.
Este tipo de corriente manifiesta una propiedad importante: si se reúnen los tres bornes de partida de las corrientes trifásicas para hacer pasar la corriente por un solo conductor, por este no pasara corriente alguna.
La suma de las intensidades de las tres fases es nula.
El transporte de las corrientes trifásicas precisa tres hilos de línea. En el montaje en estrella se reúnen en un punto (por el que pasara corriente) tres de los bornes de las bobinas y lo tres bornes restantes se conectan a los tres hilos de la línea.
En el montaje en triángulo se juntan los tres arrollamientos inducidos en serie en forma de triángulo y se conectan sus tres vértices a las líneas de corriente.
Dinamos.
Las corrientes alternas son las mas difundidas, tanto en el consumo industrial como en el domestico; sin embargo, en algunas ocasiones se requiere el uso de algunas corrientes que, aun cuando no sean continuas, circulen al menos siempre en un mismo sentido y tengan un valor lo mas constante posible. Este tipo de corrientes se crean mediante unos generadores denominados dinamos.
Comparando la figura de una dinamo con el esquema de un alternador, se puede observar que la única diferencia es que en la dinamo los extremos de la espira están conectados a un solo anillo, y dividido en dos partes iguales, denominadas delgas y aisladas eléctricamente entre si, sobre las que hacen contacto las escobillas que alimentan el circuito exterior.
Como en el caso del alternador elemental, la polaridad de los extremos de la espira cambia cada media vuelta. Ahora bien, debido a que la escobilla esta en contacto con la delga correspondiente, al lado de la espira que corta las líneas de fuerza en sentido ascendente, su polaridad es siempre la misma; así mismo la otra escobilla tiene siempre la polaridad contraria. En consecuencia, en la espira se origina una corriente inducida, que tiene siempre el mismo sentido.
En realidad, esta intensidad no será siempre constante, sino variara con el flujo, pero si mantendrá el signo en cada medio giro. Será una corriente denominada pulsante.
Para evitar el inconveniente que supone la falta de constancia en el valor de la fuerza electromotriz, las dinamos industriales se componen de varias espiras, que forman un ángulo entre si y tienen todas un eje de giro común, de tal modo que la fuerza electromotriz creada es la suma de las correspondientes a cada espira; así, la fem. esta sujeta a variaciones mucho menores que en el caso de una sola espira.
Transformadores.
Son aparatos para modificar el voltaje o tensión de una CA.
En esencia, están constituidos por dos bobinas paralelas e independientes, con un núcleo de hierro común en forma cuadrada. Una de las bobinas es la que esta en contacto con la corriente a modificar y se llama primario. La otra, denominada secundaria, esta recorrida por una corriente inducida que se forma en virtud de las variaciones de flujo magnético que se originan en su interior como consecuencia de ser alterna la corriente del primario.
El cuadro de hierro dulce sirve de transmisor de flujo magnético. La relación existente entre la tensión V del primario y V' del secundario y el numero de espiras en ambos se obtiene teniendo en cuenta que, salvo ligeras pérdidas, la potencia de la corriente es la misma en las dos bobinas y, por tanto:
V I = V' I'
de donde:
V / V' = I / I'
y dado que las intensidades en el primario y el secundario son inversamente proporcionales al numero de espiras, ya que a mayor numero de estas mayor será la resistencia:
I' / I = n / n'
siendo n y n' el numero respectivo de espiras del primario y del secundario. De las dos formulas anteriores se deduce la formula:
V / V' = n / n'
que nos da la relación de transformación de la tensión en relación con el numero de espiras. Cuando el transformador se destina a elevar la tensión, la bobina del primario está constituida por pocas espiras y por un hilo fino; de esta forma el primario tiene la resistencia pequeña y el secundario, grande.
Transporte de la energía eléctrica.
Una de las aplicaciones de los transformadores es su empleo para el transporte de la energía eléctrica.
Para transportar la energía eléctrica desde las centrales hidroeléctricas o térmicas hasta los lugares de consumo se requieren cables conductores. Ahora bien, si se tiene en cuenta el efecto Joule, es evidente que parte de esta energía se en el desarrollo de calor según la formula: Q = 0.24 I * I R t, lo cual representa una cantidad mínima de energía desprendida.
En esta formula se puede observar que, disminuyendo cualquiera de los factores del segundo miembro, se podría aminorar esta energía disipada. La disminución de la resistencia solo se puede llevar a cabo usando cables muy gruesos, lo que representa un gasto importante en la instalación de la línea. Resulta mas practico disminuir I elevando T, con lo que se mantiene el valor de la energía transportada y disminuyendo notablemente las perdidas por el efecto Joule.
Por lo tanto, las corrientes más aptas para el transporte de la energía son las CA, ya que a través de los transformadores puede lograrse la elevación de Tensiones más conveniente.
La tensión de transporte en la actualidad, alcanza valores de hasta 200.000 voltios. Una vez transportada la corriente al lugar de consumo, debe otra vez transformarse a la tensión de uso industrial (110 ó 220 voltios). Para ello se usa un transformador en el que el primario sea de hilo fino y de abundantes espiras, y el segundo de pocas espiras y de gran sección.
23.- PROTECCIÓN DE LOS CIRCUITOS ELÉCTRICOS
Toda instalación eléctrica tiene que estar dotada de una serie de protecciones que la hagan segura, tanto desde el punto de vista de los conductores y los aparatos a ellos conectados, como de las personas que han de trabajar con ella.
Existen muchos tipos de protecciones, que pueden hacer a una instalación eléctrica completamente segura ante cualquier contingencia, pero hay tres que deben usarse en todo tipo de instalación: de alumbrado, domesticas, de fuerza, redes de distribución, circuitos auxiliares, etc., ya sea de baja o alta tensión. Estas tres protecciones eléctricas, que describiremos con detalle a continuación son:
a) Protección contra cortocircuitos.
b) Protección contra sobrecargas.
c) Protección contra electrocución.
16.1.- PROTECCIÓN CONTRA CORTOCIRCUITOS
Se denomina cortocircuito a la unión de dos conductores o partes de un circuito eléctrico, con una diferencia de potencial o tensión entre si, sin ninguna impedancia eléctrica entre ellos.
Este efecto, según la Ley de Ohm, al ser la impedancia cero, hace que la intensidad tienda a infinito, con lo cual peligra la integridad de conductores y máquinas debido al calor generado por dicha intensidad, debido al efecto Joule. En la práctica, la intensidad producida por un cortocircuito, siempre queda amortiguada por la resistencia de los propios conductores que, aunque muy pequeña, nunca es cero.
I = V / Z ( si Z es cero, I = infinito)
Según los reglamentos electrotécnicos, "en el origen de todo circuito deberá colocarse un dispositivo de protección, de acuerdo con la intensidad de cortocircuito que pueda presentarse en la instalación". No obstante se admite una protección general contra cortocircuitos para varios circuitos derivados.
Los dispositivos mas empleados para la protección contra cortocircuitos son:
• Fusibles calibrados (también llamados cortacircuitos), o
• Interruptores automáticos magnetotérmicos
Fusibles o cortacircuitos
Los fusibles o cortacircuitos, según se ve en la figura 16.1, no son más que una sección de hilo más fino que los conductores normales, colocado en la entrada del circuito a proteger, para que al aumentar la corriente, debido a un cortocircuito, sea la parte que mas se caliente, y por tanto
la primera en fundirse. Una vez interrumpida la corriente, el resto del circuito ya no sufre daño alguno.
Antiguamente los fusibles eran finos hilos de cobre o plomo, colocados al aire, lo cual tenía el inconveniente de que al fundirse saltaban pequeñas partículas incandescentes, dando lugar a otras averías en el circuito.
Actualmente la parte o elemento fusible suele ser un fino hilo de cobre o aleación de plata, o bien una lámina del mismo metal para fusibles de gran intensidad, colocados dentro de unos cartuchos cerámicos llenos de arena de cuarzo, con lo cual se evita la dispersión del material fundido; por tal motivo también se denominan cartuchos fusibles. Los cartuchos fusibles son protecciones desechables, cuando uno se funde se sustituye por otro en buen estado.
Los cartuchos fusibles también pueden mejorarse aplicándole técnicas de enfriamiento o rapidez de fusión, para la mejor protección de los diferentes tipos de circuitos que puede haber en una instalación, por lo cual y dentro de una misma intensidad, atendiendo a la rapidez de fusión, los cartuchos fusibles se clasifican según la tabla 16.1.
TABLA 16.1.- TIPOS DE CARTUCHOS FUSIBLES
Tipo Según norma UNE Otras denominaciones
- FUSIBLES RÁPIDOS ............................... gF ---------------------------gl, gI, F, FN, Instanfus
- FUSIBLES LENTOS ................................. gT ---------------------------T, FT, Tardofus
- FUSIBLES DE ACOMPAÑAMIENTO .. aM --------------------------A, FA, Contanfus
Si llamamos If a la intensidad a la cual ha de fundir un fusible, los tres tipos antes mencionados, se diferencian en la intensidad que ha de atravesarlos para que fundan en un segundo.
Los fusibles lentos funden en un segundo para I = 5 If
Los fusibles rápidos funden en un segundo para I = 2,5 If
Los de acompañamiento funden en un segundo para I = 8 If
Los fusibles de acompañamiento (aM) se fabrican especialmente para la protección de motores, debido a que aguanten sin fundirse las puntas de intensidad que estos absorben en el
arranque. Su nombre proviene de que han de ir acompañados de otros elementos de protección, como son generalmente los relés térmicos.
Cada cartucho fusible tiene en realidad unas curvas de fusión, que pueden diferir algo de las definiciones anteriores, dadas por los fabricantes. En la figura 16.2, vemos algunos tipos de cartuchos fusibles, así como unas curvas de fusión orientativas, de los tres tipos existentes.
Los fusibles lentos (gT) son los menos utilizados, empleándose para la protección de redes aéreas de distribución generalmente, debido a los cortocircuitos momentáneos que los árboles o el viento pueden hacer entre los conductores.
Los fusibles rápidos (gF) se emplean para la protección de redes de distribución con cables aislados y para los circuitos de alumbrado generalmente.
Los fusibles de acompañamiento (aM), como ya hemos dicho, son un tipo especial de cortacircuitos, diseñado para la protección de motores eléctricos.
Los cartuchos fusibles de los tipos gF y gT bien elegidos, en cuanto a intensidad de fusión, se emplean también como protección contra sobrecargas, principalmente en instalaciones de alumbrado y de distribución, pero nunca debe de emplearse el tipo aM, ya que éstos, como ya se dijo, están diseñados especialmente para la protección contra cortocircuitos de los motores eléctricos.
Interruptores automáticos, magnetotérmicos
Estos dispositivos, conocidos abreviadamente por PIA (Pequeño Interruptor Automático), se emplean para la protección de los circuitos eléctricos, contra cortocircuitos y sobrecargas, en sustitución de los fusibles, ya que tienen la ventaja de que no hay que reponerlos; cuando desconectan debido a una sobrecarga o un cortocircuito, se rearman de nuevo y siguen funcionando.
Según el numero de polos, se clasifican éstos en: unipolares, bipolares, tripolares y tetrapolares. Estos últimos se utilizan para redes trifásicas con neutro.
En la figura 16.3, se ve la parte correspondiente a una fase de uno de estos interruptores, dibujado en sección, para que se vean mejor sus principales órganos internos.
Estos aparatos constan de un disparador o desconectador magnético, formado por una bobina, que actúa sobre un contacto móvil, cuando la intensidad que la atraviesa su valor nominal (In). Éste es el elemento que protege la instalación contra cortocircuitos, por ser muy rápido su funcionamiento, y cada vez que desconecta por este motivo debe de rearmarse (cerrar de nuevo el contacto superior), bien sea manual o eléctricamente.
También poseen un desconectador térmico, formado por una lámina bimetálica, que se dobla al ser calentada por un exceso de intensidad, y aunque mas lentamente que el dispositivo anterior, desconecta el contacto inferior del dibujo. Esta es la protección contra sobrecargas y su velocidad de desconexión es inversamente proporcional a la sobrecarga. Cuando la desconexión es por efecto de una sobrecarga, debe de esperarse a que enfríe la bilámina y cierre su contacto, para que la corriente pase de nuevo a los circuitos protegidos.
Los interruptores automáticos magnetotérmicos, se emplean mucho domésticamente y para instalaciones de Baja Tensión en general y suelen fabricarse para intensidades entre 5 y 125 amperios, de forma modular y calibración fija, sin posibilidad de regulación. Para intensidades mayores, en instalaciones industriales, de hasta 1.000 A o mas, suelen estar provistos de una regulación externa, al menos para el elemento magnético, de protección contra cortocircuitos.
Características de desconexión: Existen varios tipos de estos interruptores automáticos magnetotérmicos o PIA, definidos por sus características de desconexión tiempo-intensidad, en cuanto a la desconexión contra cortocircuitos se refiere (desconexión magnética), para una mejor protección de los distintos tipos de circuitos a proteger. Los tipos que hay actualmente en el mercado son muchos, atendiendo a diversas y variadas normas (EN, UNE, CEI, etc.), por lo cual los vamos a clasificar en dos columnas, en una ponemos los mas antiguos, pero aun muy utilizados, y en la otra los mas actuales, normalizados como EN (norma europea), y siendo In su intensidad nominal y para que desconecten en un tiempo máximo de 0,1 segundos son los referidos en la tabla 16.2.
TABLA 16.2.- TIPOS Y CARACTERÍSTICAS DE LOS PIAs
Mas antiguos Normalizados EN 60.898 y 60.947 Límites de desconexión
L ............................................................................................... entre 2,4 y 3,5 In
U ............................................................................................... entre 3,5 y 8,0 In
G ............................................................................................... entre 7,0 y 10 In
B .............................................. entre 3 y 5 In
C .............................................. entre 5 y 10 In
D .............................................. entre 10 y 20 In
MA ........................................... fijo a 12 In
Z ............................................. entre 2,4 y 3,6 In
ICP-M ...................................................................................... entre 5 y 8 In
• Los tipos L y B se emplean para la protección de redes grandes de cables y generadores. • Los tipos U y C se emplean para la protección de receptores en general y líneas cortas.
• El tipo G se emplea para la protección de los motores y transformadores en general. • El tipo D se emplea para la protección de cables y receptores con puntas de carga muy
elevadas. • El tipo MA es un diseño especial para la protección de motores. • El tipo Z es un diseño especial para la protección de circuitos electrónicos.
• El tipo ICP-M (Interruptor de Control de Potencia con reenganche Manual), es un diseño especial, para el control de potencia por las compañías distribuidoras. Aunque su función principal es de tarifación eléctrica, también se puede emplear como interruptor magnetotérmico de protección general.
Otra característica a tener en cuenta, cuando hemos de seleccionar un interruptor magnetotérmico, es su poder de corte en carga, que puede ser distinto dentro de un mismo tipo de curva de desconexión. Los valores de fabricación más normales de la intensidad máxima que pueden cortar, ante un cortocircuito, son: 1,5; 3; 4,5; 6; 10; 15; 20; y 25 KA.
16.2.- PROTECCIÓN CONTRA SOBRECARGAS
Entendemos por sobrecarga al exceso de intensidad en un circuito, debido a un defecto de aislamiento o bien, a una avería o demanda excesiva de carga de la máquina conectada a un motor eléctrico.
Las sobrecargas deben de protegerse, ya que pueden dar lugar a la destrucción total de los aislamientos, de una red o de un motor conectado a ella. Una sobrecarga no protegida degenera siempre en un cortocircuito.
Según los reglamentos electrotécnicos "Si el conductor neutro tiene la misma sección que las fases, la protección contra sobrecargas se hará con un dispositivo que proteja solamente las fases, por el contrario si la sección del conductor neutro es inferior a la de las fases, el dispositivo de protección habrá de controlar también la corriente del neutro". Además debe de colocarse una protección para cada circuito derivado de otro principal.
Los dispositivos mas empleados para la protección contra sobrecargas son:
• Fusibles calibrados, tipo gT o gF (nunca aM) • Interruptores automáticos magnetotérmicos (PIA) • Relés térmicos
Para los circuitos domésticos, de alumbrado y para pequeños motores, se suelen emplear los dos primeros, al igual que para los cortocircuitos, siempre y cuando se utilice el tipo y la calibración apropiada al circuito a proteger. Por el contrario para los motores trifásicos se suelen emplear los llamados relés térmicos, cuya construcción, funcionamiento y utilización se verán en el capitulo siguiente.
16.3.- PROTECCIÓN CONTRA ELECTROCUCIÓN
Peligros de la corriente eléctrica
Bajo los efectos de una corriente eléctrica, puede sobrevenir la muerte de una persona, por las causas siguientes:
• Paralización del corazón • Atrofia de los músculos del tórax (asfixia) • Carbonización de los tejidos • Electrólisis de la sangre (solamente en c.c.), etc
Aunque los cuerpos humanos reaccionan de diferente manera unos de otros y dependiendo de las condiciones del momento, podemos decir que la corriente eléctrica empieza a ser peligrosa, cuando atraviesan el cuerpo humano más de 25 mA, durante más de 0,2 segundos.
Se ha comprobado que la resistencia del cuerpo humano, con piel sana y seca, depende de la tensión que se le aplique, pudiendo variar entre 2.500 y 100.000 ohms. Esta resistencia también disminuye debido a la humedad, la transpiración, las heridas superficiales, al aumentar la masa muscular de las personas, si el contacto es inesperado, etc. También y por causas aun desconocidas se sabe que en las altas frecuencias la corriente eléctrica deja de ser peligrosa para el cuerpo humano (a partir de unos 7.000 Hz aproximadamente), y por tal motivo se emplea mucho en electromedicina.
Debido a todo lo anteriormente expuesto, cuando se hacen cálculos sobre la seguridad contra electrocución, y con el fin de trabajar con un buen margen de seguridad, se considera que la resistencia del cuerpo humano es de 1.000 ohms.
Por eso los reglamentos electrotécnicos fijan como tensiones peligrosas, exigiendo la instalación de protecciones contra electrocución, las siguientes:
• 50 V, con relación a tierra, en locales secos y no conductores. • 24 V, con relación a tierra, en locales húmedos o mojados. • 15 V, en instalaciones para piscinas
Sistemas de protección contra electrocución
Frente a los peligros de la corriente eléctrica, la seguridad de las personas, ha de estar fundamentada en que nunca puedan estar sometidas involuntariamente a una tensión peligrosa. Por tal motivo, para la protección contra electrocución deben de ponerse los medios necesarios para que esto nunca ocurra.
La reglamentación actual clasifica las protecciones contra contactos indirectos, que pueden dar lugar a electrocución en dos clases:
Clase A: Esta clase consiste en tomar medidas que eviten el riesgo en todo momento, de tocar partes en tensión, o susceptibles de estarlo, y las medidas a tomar son:
• Separación de circuitos • Empleo de pequeñas tensiones de seguridad (50, 24 o 15 V) • Separación entre partes con tensión y masas metálicas, por medio de aislamientos • Inaccesibilidad simultanea entre conductores y masas • Recubrimiento de las masas con elementos aislantes • Conexiones equipotenciales
Clase B: Este sistema que es el mas empleado, tanto en instalaciones domésticas como industriales, consiste en la puesta a tierra de las masas, asociada a un dispositivo de corte automático (relé o controlador de aislamiento), que desconecte la instalación defectuosa.
Por ello se emplean principalmente dos tipos de protecciones diferentes, a saber:
• Puesta a tierra de las masas
• Relés de control de aislamiento, que a su vez pueden ser:
• Interruptores diferenciales, para redes con neutro a tierra. • Relés de aislamiento, para redes con neutro aislado
A continuación se describen las dos protecciones mas empleadas, tanto doméstica como industrialmente, que son: El interruptor diferencial y la puesta a tierra de las masas, puesto que casi siempre se emplean redes de distribución con el neutro accesible y puesto a tierra, bien sea directamente o a través de una pequeña impedancia.
16.4.- PUESTA A TIERRA DE LAS MASAS
Se denomina puesta a tierra a la unión eléctrica, entre todas las masas metálicas de una instalación y un electrodo, que suele ser generalmente una placa o una jabalina de cobre o hierro galvanizado (o un conjunto de ellos), enterrados en el suelo, con el fin de conseguir una perfecta unión eléctrica entre masas y tierra, con la menor resistencia eléctrica posible, como se ve en la figura 16.4. Con esto se consigue que en el conjunto de la instalación no puedan existir tensiones peligrosas entre masas y tierra.
Con la puesta a tierra se trata que las corrientes de defecto a tierra (Id), tengan un camino más fácil, que el que tendría el cuerpo de una persona que tocara la carcasa metálica bajo tensión. Por tanto como la red de tierras ha de tener una resistencia mucho menor que la del cuerpo humano, la corriente de defecto circulará por la red de tierra, en vez de hacerlo por el cuerpo de la persona, tal como se aprecia en la figura 16.5.
En las instalaciones industriales deben de realizarse tomas de tierra independientes para: las masas metálicas de los aparatos eléctrico, para la conexión de los neutros de los transformadores de potencia y para la conexión de los descargadores o pararrayos.
En las instalaciones domésticas y de edificios en general se conectarán a la toma de tierra:
• Los enchufes eléctricos y las masas metálicas de aseos, baños y cocinas. • Las instalaciones ejecutadas con tubos metálicos de: fontanería, calefacción y gas, así
como calderas, depósitos, instalaciones de ascensores y montacargas, y en general todo elemento metálico que pueda entrar en contacto con un cable bajo tensión.
• Las estructuras metálicas y las armaduras de columnas y muros de hormigón.
• Las instalaciones de pararrayos. • Las instalaciones de antenas, tanto de TV como de FM.
El tipo de toma de tierra ( con placas, jabalinas, cables, etc.) dependerá generalmente, de la resistencia del terreno y de las dificultades de instalación de uno u otro tipo, para conseguir una baja resistencia de contacto a tierra. El tipo mas empleado tanto doméstica como industrialmente es el que se hace con jabalinas hincadas verticalmente en el terreno, de 1,5 o 2 metros de longitud generalmente.
Existen muchas tablas y fórmulas para calcular las tomas de tierra, según sea el tipo de terreno o el tipo de electrodo empleado, pero son métodos laboriosos y poco exactos, por lo cual lo que se suele hacer en la práctica es medir la resistencia de la toma de tierra una vez realizada, y si aun es grande se coloca una jabalina o varias mas y se mide de nuevo. Estas es mejor colocarlas separadas unas de otras, al menos 2 metros, para conseguir menor resistencia de contacto.
Medida de las tomas de tierra
La medida que se debe de efectuar es la resistencia eléctrica existente entre los electrodos de toma de tierra y el terreno propiamente dicho. Esta medida se efectúa con unos aparatos especiales denominados Telurómetros o Medidores de toma de tierra.
Estos aparatos constan de un ohmímetro, preparado para medir bajas resistencias, así como unos circuitos de tensión e intensidad, que se conectan por separado en el circuito a medir, por medio de tres conexiones (la toma de tierra a medir y dos electrodos auxiliares), tal como se ve en la figura 16.6. Las jabalinas o electrodos auxiliares se conectan a una distancia determinada, según el tipo de aparato empleado, para evitar los errores que puedan producir las corrientes erráticas, y el indicador nos dará la medida directa o bien deberemos de ajustarla con un potenciómetro graduado.
La medida debe de efectuarse después de desconectar la red de tierras, de los electrodos, ya que se trata de medir solamente la resistencia que estos hacen con respecto a tierra, y el valor máximo de la resistencia de la toma de tierra ha de estar en consonancia con la sensibilidad del dispositivo de corte empleado.
Si denominamos Is a la sensibilidad del dispositivo de corte (relé diferencial generalmente), expresada en amperios de corriente de defecto a tierra o de fuga, según el tipo de local, la resistencia máxima de la puesta a tierra Rt ha de ser:
- Para locales secos: Rt = 50 V / Is
- Para locales húmedas o mojados: Rt = 24 V / Is
- Para piscinas: Rt = 15 V / Is
O sea cuanto mas sensible sea el dispositivo de corte, tanto mayor puede ser la resistencia de la toma de tierra. No obstante el Reglamento Electrotécnico de B.T. recomienda que, en edificios públicos, viviendas, locales comerciales, etc., esta nunca sea mayor de 37 ohms.
TABLA 16.3.- RELACIÓN ENTRE SENSIBILIDAD Y RESISTENCIA
Sensibilidad del dispositivo
Valor máximo de la resistencia de toma
de tierra 0,03 A 800 Ohms 0,1 A 240 Ohms 0,3 A 80 Ohms 0,5 A 48 Ohms 1,0 A 24 Ohms
16.5.- INTERRUPTORES O RELÉS DIFERENCIALES
El interruptor diferencial es un aparato cuya misión es desconectar una red de distribución eléctrica, cuando alguna de sus fases se pone a tierra, bien sea directamente o a través de humedades generalmente. El interruptor diferencial se activa al detectar una corriente de defecto Id, que sea superior a su umbral de sensibilidad Is.
La protección diferencial está basada en la 1ª Ley de Kirchoff, que como ya sabemos dice: "En todo nudo de conductores, la suma de las intensidades que a él llegan, es igual a la suma de las intensidades que de él salen". Esto hace que cuando se produce la derivación a tierra de una fase, exista un desequilibrio entre la suma geométrica de las intensidades de la red; este desequilibrio, que es precisamente la corriente de defecto Id, es lo que detecta el interruptor diferencial, provocando a continuación la desconexión de la red defectuosa.
Los interruptores diferenciales, según vemos en la figura 16.7, constan de un transformador, cuyo primario esta formado por todas las fases de la red, incluido el neutro, que atraviesan un núcleo toroidal (T), y el arrollamiento secundario está formado por una pequeña bobina (S).
El arrollamiento secundario (S) se conecta luego a un relé que actúa sobre el mecanismo de desconexión del interruptor (B). Todo ello se halla contenido en una caja aislante, con bornes de entrada y salida de red, y pueden ser: Monopolares, Bipolares, Tripolares y Tetrapolares, estos últimos para redes trifásicas con neutro distribuido.
Mientras no exista ninguna derivación a tierra en la instalación, la suma geométrica de las intensidades que circulan por los conductores, será igual a cero (Id = 0), permaneciendo el interruptor cerrado. Por el contrario cuando exista una derivación a tierra de una fase, aparece una corriente de defecto o fuga Id, que induce una corriente en el secundario del transformador toroidal; cuando la corriente de defecto Id sea igual o mayor que la sensibilidad del interruptor Is, el mecanismo de desconexión abre el interruptor. Una vez reparada la avería, el interruptor diferencial debe de cerrarse manualmente.
En la figura 16.8, se explica el funcionamiento, con un ejemplo monofásico, muy fácil de entender.
Así a la vista del dibujo, en el cual la primera figura representa la red en buen estado y la segunda con la fase S a tierra, tenemos:
• Red en buen estado: Is + It = Id = 0 A
• Red con fase a tierra: Is + It = Id = 0,7 A
Ensayo de funcionamiento
Para verificar el correcto funcionamiento de los interruptores diferenciales, estos poseen un pulsador de prueba Pp, que al pulsarlo cortocircuita dos fases, a través de una resistencia, que permite el paso de una corriente algo mayor a la sensibilidad del interruptor Is, con lo cual al provocar un desequilibrio entre las fases origina la desconexión del mismo.
Sensibilidad de los interruptores diferenciales
Los interruptores diferenciales se fabrican para muchos valores de sensibilidad (Is), según sea la longitud de las lineas a proteger y el tipo y condiciones de la instalación, incluso se fabrican con sensibilidad ajustable, para que el utilizador la adapte a su instalación.
No obstante los empleados domésticamente y en instalaciones de poca potencia, que se suelen fabricar compactos y para intensidades nominales de entre 5 y 125 A, suelen tener dos tipos de sensibilidad fija sin posibilidad de ser modificada. Estas son:
• Interruptores de media sensibilidad ........ Is = 0,3 A = 300 mA
• Interruptores de alta sensibilidad ............ Is = 0,03 A = 30 mA
Los primeros, que son los mas utilizados, y se deben de emplear en las instalaciones con puesta a tierra; mientras que los segundos, se podrían emplear incluso en instalaciones sin puesta a tierra, debido a la pequeña corriente de fuga que necesitan para su desconexión.
Los interruptores diferenciales de gran potencia, de 150 a mas de 1.000 A, que se emplean para la protección de las instalaciones industriales de gran potencia y baja tensión, suelen tener sensibilidad ajustable en escalones, siendo los valores mas normales: 0,03; 0,1; 0,3; 0,5, 0,8; 1 y 2 A.
16.6.- INTERRUPTORES DIFERENCIALES INDUSTRIALES
Estos interruptores, que como ya dijimos suelen tener la sensibilidad ajustable, suelen fabricarse en dos partes: Por un lado se monta el transformador toroidal, que suele ser de gran tamaño, sobre la red a proteger y aparte se monta el relé diferencial, que incluye todos los elementos de desconexión y verificación de funcionamiento, tal como se ve en la figura 16.9.
Dependiendo de la potencia del interruptor, el bloque que contiene los elementos de desconexión, puede contener también el interruptor propiamente dicho, o bien actuar sobre el interruptor automático de la red, al igual que el resto de las protecciones.
24.- SEGURIDAD, PREVENCIÓN Y PROTECCIÓN
DE LOS RIESGOS ELÉCTRICOS
- Tipos de accidentes eléctricos.
- Actuación en caso de accidente.
- Normas de seguridad.
Tipos de accidentes eléctricos.
Los accidentes eléctricos se producen por el contacto de una persona con partes activas en tensión. Pueden ser de dos tipos:
- Contactos directos.
- Contactos indirectos.
CONTACTOS DIRECTOS
Contactos de personas con partes activas de materiales y equipos. Denominándose parte activa al conjunto de conductores y piezas conductoras bajo tensión en servicio normal.
Los contactos directos pueden establecerse de tres formas:
- Contacto directo con dos conductores activos de una línea.
- Contacto directo con un conductor activo de línea y masa o tierra.
- Descarga por inducción.
Las descargas por inducción son aquellos accidentes en los que se produce un choque eléctrico sin que la persona haya tocado físicamente parte metálica o en tensión de una instalación.
Protección contra contactos directos
Pueden lograrse de tres formas:
- Alejamiento de las partes activas
- Interposición de obstáculos
- Recubrimiento de las partes activas
Alejamiento de las partes activas de la instalación.
Se trata de alejar las partes activas de la instalación a una distancia del lugar donde las personas habitualmente se encuentren o circulen, de tal forma que sea imposible un contacto fortuito con las manos.
El volumen de seguridad y distancia de protección son 2,5m en altura y 1m en horizontal.
Interposición de obstáculos.
Se interpondrán obstáculos que impidan todo contacto accidental con las partes activas de la instalación. Estas deben estar fijadas de forma segura y resistir los esfuerzos mecánicos a que están sometidos.
Pueden ser: Tabiques, rejas, pantallas, cajas, cubiertas aislantes, etc.
Recubrimiento de las partes activas de la instalación.
Se realizará por medio de un aislamiento apropiado, capaz de conservar sus propiedades con el tiempo y que limite la corriente de contacto a un valor no superior a 1mA.
Medidas complementarias.
- Se evitará el empleo de conductores desnudos.
- Cuando se utilicen, estarán eficazmente protegidos.
- Se prohíbe el uso de interruptores de cuchillas que no estén debidamente protegidos.
- Los fusibles no estarán al descubierto.
Contactos directos Protección
- Fase + fase - Alejamiento de las partes activas
- Fase + tierra - Interposición de obstáculos
- Inducción - Recubrimiento de las partes activas
CONTACTOS INDIRECTOS
Es el se produce por efecto de un fallo en un aparato receptor o accesorio, desviándose la corriente eléctrica a través de las partes metálicas se éstos. Pudiendo por esta causa entrar las personas en contacto con algún elemento que no forma parte del circuito eléctrico y que en condiciones normales no deberían tener tensión como:
- Corrientes de derivación.
- Situación dentro de un campo magnético.
- Arco eléctrico.
Para la elección de las medidas de protección contra contactos indirectos, se tendrá en cuenta la naturaleza de los locales o emplazamientos, las masas y los elementos conductores, la extensión e importancia da la instalación, que obligarán en cada caso a adoptar la medida de protección más adecuada.
Protección contra contactos indirectos.
- Puesta a tierra de las masas.
- Transformadores de 24V.
- Separación de circuitos.
- Doble aislamiento.
- Interruptor diferencial.
Puesta a tierra de las masas.
Poner a tierra las masas significa unir a la masa terrestre un punto de la instalación eléctrica ( carcasa de máquinas, herramientas, etc.).
Trafos. de 24V.
Consiste en la utilización de pequeñas tensiones de seguridad que tal como se especifica en el R.E.B.T serán de 24V para locales húmedos o mojados y 50V para locales secos.
Este sistema de protección dispensa de tomar otros contra los contactos indirectos en el circuito de utilización.
El empleo de tensiones de seguridad es conveniente cuando se trate de instalaciones o de aparatos cuyas partes activas dispongan de aislamiento funcional y deban ser utilizadas en lugares muy conductores. Este es el caso de:
- Lámparas portátiles.
- Herramientas eléctricas.
- Juguetes accionados por motor eléctrico.
- Aparatos para el tratamiento del cabello y de la piel.
- Trabajos en calderas, recipientes o depósitos, tuberías de conducción, etc.
Separación de circuitos.
Consiste en separar los circuitos de utilización de la fuente de energía por medio de transformadores mantenimiento aislado de tierra todos los conductores del circuito de utilización incluso el neutro.
Este sistema es aconsejable en calderería, construcción naval, estructuras metálicas y en general en condiciones de trabajo donde el contacto del individuo con masa es muy bueno por encontrarse encima, junto o en el interior de piezas metálicas de grandes dimensiones.
Este sistema de protección dispensa de tomar otras medidas contra contactos indirectos.
Doble aislamiento.
Consiste en el empleo de materiales que dispongan de aislamiento de protección o reforzadas entre sus partes activas y sus masas accesibles.
Es un sistema económico puesto que exige la instalación de conductor de protección. Su eficacia no disminuye con el tiempo al no verse afectado por problemas de corrosión. Todos los aparatos con doble aislamiento llevan el símbolo.
Entre sus amplias y variadas aplicaciones podemos citar: Cuadros de distribución, herramientas manuales, pequeños electrodomésticos (batidoras, molinillos, exprimidores, etc.), máquinas de oficinas, ( calculadoras eléctricas, máquinas de escribir eléctricas, etc.).
Interruptor diferencial.
Protege contra contactos indirectos a las personas, por falta o fallo de aislamiento.
ACTUACIÓN EN CASO DE ACCIDENTES
- Cortar la corriente.
- Provocar un cortocircuito.
- Aislados del lado de la corriente y del lado de tierra, separar a la víctima del conductor.
- Comenzar la reanimación ( boca a boca y masaje cardíaco ), procurando que el tiempo de actuación sea el mínimo ya que cuando más se tarde en reaccionar menos posibilidades de salvar al accidentado habrá.
NORMAS DE SEGURIDAD ANTE RIESGOS ELÉCTRICOS
- Generalidades.
- Trabajos sin tensión.
- Trabajos con tensión.
- Máquinas y lámparas portátiles.
- Material de seguridad.
Generalidades.
- Se consideran instalaciones de baja tensión aquellas en que las tensiones nominales sean inferiores a 1000V.
- Antes de iniciar trabajos en baja tensión se procederá a identificar el conductor o instalación donde se tiene que trabajar.
- Toda instalación será considerada baja tensión mientras no se demuestre lo contrario con aparatos destinados al efecto.
- No se deben emplear escaleras metálicas para trabajos con tensión.
- No se deben realizar trabajos con tensión en locales donde existan materiales explosivos o inflamables.
- Los trabajos en instalaciones de baja tensión en aquellos casos que por proximidad o cruce con otras instalaciones puedan entrar en contacto accidentalmente con estos, o bien se eliminará la posibilidad de contacto mediante pantallas, emparrillados, etc.., o tendrá que desconectarse y ponerse en cortocircuito y a tierra la instalación de baja tensión.
- En locales húmedos, mojados o de atmósfera explosivas los dispositivos de maniobra de baja tensión deben accionarse colocándose el operario sobre una plataforma de material aislado, la cuál no debe guardarse en locales de las características antes mencionadas.
- Para reponer fusibles en una instalación de baja tensión siempre que sea posible se dejará la misma tensión.
- Se evitará el empleo de conductores desnudos.
- Se prohíbe el uso de interruptores de cuchillas que no estén debidamente protegidos.
- Las tomas de tierra se dejarán más de 3m de los pozos y cursos de agua.
- Un receptor alimentado por un transformador de 24V no se colocará a tierra.
TRABAJOS SIN TENSIÓN
Aislar la parte en que se vaya a trabajar de cualquier posible alimentación mediante la apertura de los aparatos de seccionamiento más próximos a la zona de trabajo.
Bloquear en posición de apertura cada uno de los aparatos de seccionamiento colocando en su mando un letrero con la prohibición de maniobra.
Comprobar mediante un verificador la ausencia de tensión.
Señalizar adecuadamente la prohibición de restituir tensión debido a la realización de trabajo.
No se establecerá el servicio al finalizar los trabajos sin comprobar que no existe peligro alguno.
En el propio lugar de trabajo.
- Verificación de la ausencia de tensión.
- En el caso de redes aéreas se procederá a la puesta en cortocircuito.
- Delimitar la zona de trabajo señalizándola adecuadamente.
TRABAJOS CON TENSIÓN
Colocarse sobre objetos aislantes ( alfombras, banquetas, escaleras aislantes, etc.).
Utilizar cascos, guantes aislantes, gafas protectoras, herramientas aisladas y ropas apropiadas sin accesorios metálicos.
Aislar previamente los demás conductores en tensión, próximos al lugar de trabajo, incluso el neutro.
Cuando se realice el trabajo de instalar un contador con tensión, además del equipo de protección personal, es necesario comprobar la correspondencia de los bornes de entrada y salida de cada fase. También se comprobará si la instalación del abonado está cortocircuitada, verificándose si hay tensión de retorno antes de conectar cada nuevo hilo de salida.
MÁQUINAS Y LÁMPARAS PORTÁTILES
- El cable de la alimentación estará perfectamente aislado y se mantendrá en perfecto estado de conservación.
- La tensión de alimentación para trabajos en zanjas, pozos y galerías no será superior a 24V.
- En aquellos casos en que tenga que funcionar a más de 24V se utilizará como mínimo una de las siguientes protecciones:
* Guantes aislantes.
* Herramientas portátiles de doble aislamiento.
* Herramientas portátiles con conexión a tierra.
* Utilización de relés diferenciales.
- Estarán provistos de mando aislantes, dispositivos protector de lámpara, conductor con aislamiento adecuado y suficiente resistencia mecánica.
- No se deben utilizar lámparas ordinarias como portátiles.
Material de seguridad.
Además del equipo de protección individual ( gafas, cascos, calzado, etc.) se considera como material de seguridad para los trabajos en instalaciones de baja tensión el siguiente:
- Guantes aislantes de baja tensión.
- Banquetas o alfombras aislantes.
- Váinas y caperuzas aislantes.
- Comprobadores o discriminadores de tensión.
- Herramientas aisladas.
- Material de señalización ( discos, barreras, banderines, etc.).
- Lámparas portátiles.
- Transformadores de seguridad a 24V.
- Transformadores de separación de circuitos.
LA PROTECCIÓN PERSONAL
Introducción.
Cualquier tipo de protección individual debe reunir una serie de características:
- Debe ser fácil de manejar.
- Deberá permitir la realización del trabajo, sin suponer una merma en las posibilidades de actuación.
- Debe ser cómodo procurando si es posible que siente bien.
CLASIFICACIÓN DEL MATERIAL DE PROTECCIÓN PERSONAL
Según la zona del cuerpo que va a proteger distinguiremos los siguientes tipos de equipos:
- La ropa de trabajo. - Protección de extremidades superiores.
- Protección de la cabeza. - Protección de extremidades inferiores.
- Protección del aparato visual. - Protección del sistema respiratorio.
- Protección del aparato auditivo. - Cinturón de seguridad.
La ropa de trabajo.
Los vestidos de trabajo proporcionan una protección indudable contra manchas, polvos, productos corrosivos, etc,... Debe cuidarse que la ropa de trabajo esté limpia y es buenas condiciones de conservación, sin roturas que puedan ser motivo de enganches con la máquina provocando el accidente. Existen ropas especiales para trabajos especiales tales como:
- Los vestidos ignífugos que protegen contra los riesgos de inflamación.
- Los vestidos de caucho para proteger contra las radiaciones.
- Vestidos de amianto para trabajos próximos a fuentes de calor.
También se utiliza el cuero para la confección de mandiles y delantales.
La ropa que debe utilizarse en invierno bajo condiciones climáticas extremas ha de reunir las siguientes cualidades:
1- Poder de retención de calor.
2- Capacidad de eliminación del calor.
3- Facilidad de aireación.
Protección de la cabeza.
La necesidad de llevar un casco protector, resulta de la gravedad que conllevan los accidentes producidos por caídas de objetos. Existe en el mercado una gran variedad de cascos protectores construidos a base de materias plásticas y tela impregnada o cartón endurecido, aluminio, fibra de vidrio, etc,...
En cuanto a la forma existen cascos con rebordes más o menos salientes, hasta aquellos que no tienen más que una visera. Los primeros protegen las orejas, el cuello y parte de la cara, empleándose especialmente en trabajos de perforación, canteras, etc,... siendo los segundos más comunes en trabajo de fábricas, industrias, etc,... A fin de completar la acción protectora del casco, pueden añadirse otros accesorios suplementarios tales como pantallas, cubrenuca o cascos contra ruido procurando en todo momento conjugar eficacia con comodidad.
Protección de aparato visual.
Los accidentes de ojos pueden ser evitados mediante el uso de gafas o caretas protectoras. Cualquier gafa de seguridad debe reunir una serie e requisitos:
- Se han de limpiar con facilidad por lo que no deben tener pliegues ni ranuras de difícil acceso.
- Deben tener un campo de visión amplio.
- No han de estar construidas con material inflamable.
- No debe producir irritaciones ni ningún otro tipo de molestia al usuario.
Protección del aparato auditivo.
La O.G.S.H.T ( Ordenanza General de Seguridad e Higiene en el Trabajo) en su artículo Nº 147 establece:
- Cuando el nivel de ruido en un puesto o área de trabajo sobrepase los 80 (db) decibelios será obligación el uso de elementos o aparatos individuales de protección auditiva.
- Para los ruidos de muy alta intensidad se dotará a los trabajadores que hayan de soportarlos de auriculares con filtro, orejeras de almohadillas, discos antirruidos o dispositivos similares.
- La protección de los pabellones del oído se combinará con la del cráneo y la cara por los medios vistos anteriormente.
- Los elementos de protección auditiva serán siempre de uso individual.
Protección de extremidades superiores.
La protección generalmente aceptada por su eficacia es el guante independientemente de la existencia de manguitos, dediles, cremas, etc,... que pueden emplearse en casos especiales. Suelen fabricarse en goma, caucho, cuero, etc,... Según el trabajo a desarrollar utilizaremos los siguientes tipos de guantes:
De tejido.
Son adecuados para trabajos que requieran una protección ligera ( Sector de la construcción ).
De cuero.
Son resistentes a las chispas, al calor y a los objetos rugosos proporcionando además amortiguación a los choques.( soldaduras ).
De amianto.
Aíslan del calor y son incombustibles protegiendo contra quemaduras. Presentan el inconveniente de deteriorarse con facilidad.( Bomberos ).
De caucho.
Son utilizados cuando sea necesario el aislamiento eléctrico. Presentan el inconveniente de no permitir la transpiración ni proteger contra la acción mecánica.
De materia plástica.
Son utilizados en la industria química por resistir a los productos químicos corrosivos, así como a los disolventes industriales.
De cota de malla.
Son indicados para trabajos con elementos cortantes.( carniceros ).
La protección de manos y brazos contra productos agresivos puede realizarse mediante pastas, pomadas o cremas especiales que forman una película protectora sobre la piel sin reducir la sensibilidad táctil del usuario.
Protección de extremidades inferiores.
La protección puede lograrse mediante calzado con puntera de acero, para prevenir la caída de material pesado sobre los dedos. También se suelen utilizar plantillas metálicas que impidan las heridas cortantes o punzantes en la planta de los pies . Para completar dicha protección es aconsejable utilizar botas que protejan los tobillos. La protección de las extremidades inferiores puede completarse con rodilleras, polainas, etc,..
Protección del aparato respiratorio.
Para proteger el aparato respiratorio se debe seguir un procedimiento que debe incluir los siguientes puntos:
1º - Identificar la sustancia contra la que se necesita protección.
2º - Valorar el riesgo que conlleva cada una de las sustancias identificadas estableciendo su grado de peligrosidad.
3º - Determinar las condiciones de exposición a esos riesgos tales como proximidad con los puntos de alta concentración, existencia o falta de oxígeno, etc,...
4º - Estudiar la posibilidades personales de utilización del equipo.
La clasificación de los aparatos de protección respiratoria la podemos establecer en dos grandes grupos, son los siguientes:
Aparatos con provisión de aire
- Autónomos.
- Con tubo flexible.
Aparatos con filtro
- Filtro mecánico.
- Filtro químico.
- Combinación de filtro mecánico y químico.
Cinturones de seguridad.
Constituyen un elemento básico de protección y debe ser obligatorio en los trabajos que presenten riesgo de caída. Deben estar homologados.
DEFENSAS Y RESGUARDOS
PARTES DE LA MÁQUINA QUE NECESITAN RESGUARDOS
Se necesitan resguardos en todos los lugares donde quepa la posibilidad de que los trabajadores puedan entrar en contacto con cualquier mecanismo en movimiento. También se debe poner resguardo para detener las partículas que salen volando en las operaciones con desprendimiento de material, por ejemplo, el esmerilado, desbastado, etc.
Debe haber protección en:
El punto de protección.
Se entiende por punto de operación el lugar o zona en que el material se forma, se corta, se pulimenta o se labra.
La transmisión.
Es el conjunto de todas las partes en movimiento que transmiten potencia.
Las piezas dotadas de movimiento.
En aquellos casos extremos en que las protecciones sean muy difíciles por disminuir notablemente la producción u ocasionar molestia al trabajador, se tomarán las medidas generales:
1º - Proteger las zonas a excepción del punto de operación, con el fin de que la atención del trabajador pueda concentrarse en él exclusivamente.
2º - Escoger obreros bien preparados, que conozcan perfectamente el oficio.
3º- Hacer que el trabajo sea realizado en las mejores condiciones de iluminación, orden, limpieza, etc,..
4º - Evitar la prisa.
CLASES DE DEFENSAS Y RESGUARDOS
Podemos distinguir y diferenciar los siguientes:
Resguardos.
Son defensas mecánicas o de obra que aíslan las zonas peligrosas, por ejemplo, barreras, pantallas, jaulas de mallas metálicas, etc,...
Dispositivos de seguridad.
Son aparatos o sistemas de protección sincronizada con el movimiento de la máquina. Se utilizan para proteger los útiles de las máquinas, como por ejemplo, las botoneras.
Aparatos de seguridad.
Son elementos que forman un sistema autónomo y pueden acoplarse a una o varias máquinas, por ejemplo, un diferencial.
Los resguardos lo podemos clasificar a su vez en:
Resguardo obstructivos.
Son aquellos que tienen como misión detener el movimiento del trabajador haciendo imposible que penetre o continúe en la zona de peligro.
Resguardo de posición.
Son aquellos que obligan a una coordinación de movimiento entre el hombre y la máquina, haciendo imposible la producción de accidentes.
Resguardo automático.
Son accionados directamente por la máquina sin que su funcionamiento dependa de las acciones del trabajador. Se emplea en trabajos repetitivos.
Resguardos estáticos.
RIESGOS ELÉCTRICOS
La gran difusión industrial y doméstica de la corriente eléctrica, unida al hecho de que no es perceptible por los sentidos, hacen caer a las personas en una rutina, despreocupación y falta de prevención en su uso. Por otra parte dada su naturaleza y los efectos, muchas veces mortales, que ocasiona su paso por el cuerpo humano, hacen que la corriente eléctrica sea una fuente de accidentes de tal magnitud que no se deben regatear esfuerzos para lograr las máximas previsiones contra los riesgos eléctricos.
Datos indicativos de accidentes de origen eléctricos:
- 0,30% del total de los accidentes de trabajo con baja.
- 1% de los accidentes que provocan una incapacidad permanente.
En empresas dedicadas a la producción y transporte de energía eléctrica.
- 3% de los accidentes que causan baja.
- 50% de los accidentes mortales.
ELEMENTO PRINCIPAL DETERMINANTE DEL ACCIDENTE
1º - Descuido.
2º - Instalaciones peligrosas de toma permanente.
3º - Instalaciones con defectos temporales.
4º - Debidos a otra persona.
5º - Olvido de normas o peligro
6º - Ignorancia.
7º - Falta de vigilancia.
8º - Error.
9º - Otros casos.
El 15% de los accidentes eléctricos son mortales.
FACTORES QUE INFLUYEN EN EL EFECTO ELÉCTRICO
El cuerpo humano al ser atravesado por la corriente eléctrica, se comporta como un conductor siguiendo la ley de Ohm.
Donde: La Intensidad es igual a la Diferencia de potencial / Resistencia
FACTORES:
- Intensidad.
- Resistencia.
- Frecuencia.
- Tiempo de contacto.
- Recorrido de la corriente a través del cuerpo.
- Capacidad de reacción de la persona.
INTENSIDAD
La intensidad que pasa por el cuerpo humano, unida al tiempo de circulación, es la causa determinante de la gravedad en el circuito eléctrico.
Esta comprobado que intensidades comprendidas entre:
1 - 3m.A. No ofrecen peligro alguno y su contacto puede ser mantenido.
3 - 25m.A. Pueden dar lugar a:
- Contracciones musculares.
- Dificultad de separarse del punto de contacto.
- Quemaduras.
- Peligros secundarios.
- Aumento de la tensión sanguínea.
25 - 75m.A. Dan lugar:
- Parada de los músculos respiratorios ( asfixia ).
- Fibrilación ventricular ( tiempo de contacto mayor de 3 minutos ).
- Colapso.
75 - 3000m.A. Ocasiona:
- Parálisis total de respiración.
- Fibrilación ventricular irreversible.
Mayor de 3A pueden producir fibrilación ventricular y grandes quemaduras.
RESISTENCIA
La intensidad que circule por el cuerpo humano a causa de un contacto accidental, dependerá única y exclusivamente de la resistencia que se ofrezca al paso de la corriente, siendo esta resistencia la suma de:
- Resistencia del punto de contacto ( piel ).
- Resistencia de los tejidos internos que atraviese la corriente.
- Resistencia de la zona de salida de la corriente.
El punto de contacto con la fuente de tensión es siempre la piel, y su resistencia puede variar entre 100 ohmios para piel fina y húmeda y 1000000 ohmios en piel rugosa y seca, tejidos internos 500 ohmios.
En la mayoría de los casos, la zona de salida de la corriente son los pies, así que la resistencia dependerá también del tipo de calzado y del material del que este fabricado el suelo.
TIEMPO DE CONTACTO
Cifras aproximadas para que llegue a producirse - fibrilación ventricular:
- 15 m.A. durante 2 minutos.
- 20 m.A. " 1 minuto.
- 30 m.A. " 35 segundos.
- 100 m.A. " 3 segundos.
- 500 m.A. " 0,10 segundos.
- 1 A " 0,03 segundos.
La fibrilación ventricular son contracciones anárquicas del músculo cardíaco que se produce por el paso de la corriente eléctrica de una cierta intensidad y duración a través del corazón.
TENSIÓN
Tensión de seguridad.
Considerando, que intensidades menores de 25m.A. no causan trastornos graves al organismo, y que la resistencia humana es de 1000 a 2000 ohmios, tendremos como tensión de seguridad:
- 0,025 * 1000 = 25V en ambiente conductor o húmedo.
• 0,025 * 2000 = 50V en ambiente seco.
TIPOS DE ACCIDENTES ELÉCTRICOS
CONTACTOS DIRECTOS
Se llaman así, aquellos en que la persona entra en contacto con una parte activa de la instalación.
- Contacto con dos conductores activos.
- Contacto con un conductor activo y masa o tierra.
- Descarga por inducción.
Se llama parte activa al conjunto de conductores y piezas conductoras bajo tensión en servicio normal.
Las descargas por inducción son aquellos accidentes en los que se produce un choque eléctrico sin que la persona haya tocado físicamente parte metálica o en tensión de la instalación.
Protección contra contactos directos
En las instalaciones, pueden lograrse de tres formas:
Distancia de protección y volumen de seguridad
a) Alejamiento de las partes activas de la instalación a una distancia tal del lugar donde las personas habitualmente se encuentren o circulan, y que sea imposible un contacto fortuito con las manos, considerándose zona de alcanzable con la mano o volumen de seguridad la que medida a partir del punto donde la persona pueda estar situada, distancia límite:
- 2,5 m hacia arriba.
- 1 m hacia abajo.
- 1 m en horizontal.
Interposición de obstáculos
b) Interposición de obstáculos que impidan todo contacto accidental con las partes activas de la instalación. Estos deben de estar fijados de forma segura y resistir los esfuerzos mecánicos a que estén sometidos.
Pudiendo ser: Tabiques, bayas, pantallas, cubiertas aislante, etc...
Aislamiento
c) Recubrimiento de las partes activas de la instalación por medio de un aislamiento apropiado, capaz de conservar sus propiedades con el tiempo, y que limite la corriente de contacto a un valor no superior a 1m.A., siendo considerada la resistencia del cuerpo humano de 2500 ohmios.
CONTACTOS INDIRECTOS
Son aquellos en que la persona entra en contacto con algún elemento que no forma parte del circuito eléctrico y que en condiciones normales no deberían tener tensión como:
- Corrientes de derivación.
- Situación dentro de un campo magnético.
- Arco eléctrico.
Para la elección de las medidas de protección contra contactos indirectos, se tendrá en cuenta la naturaleza de los locales o emplazamientos, las masas y los elementos conductores, la extensión e importancia da la instalación, que obligarán en cada caso a adoptar la medida de protección más adecuada.
Se tendrá en cuenta:
a) Instalaciones con tensiones de hasta 250V con relación a tierra:
- En general, con tensiones hasta 50V con relación a tierra en locales o emplazamientos secos y no conductores, o de 24V en locales o emplazamientos húmedos o mojados, no es necesario establecer sistema de protección alguno.
- Con tensiones superiores a 50V es necesario establecer sistemas de protección para instalaciones al aire libre; en locales con suelo conductor , como por ejemplo, de tierra, arena, piedra, cemento, baldosas, madera dura e incluso ciertos plásticos. En cocinas públicas o domésticas con instalaciones de agua o gas, aunque el suelo no sea conductor, salas clínicas y, en general, en todo local que incluso teniendo el suelo no conductor quepa la posibilidad de tocar simultáneamente e involuntariamente elementos conductores puestos a tierra y masas de aparatos de utilización.
b) Instalaciones con tensiones superiores a 250V con relación a tierra:
- En estas instalaciones es necesario establecer sistemas de protección cualquiera que sea el local, naturaleza del suelo, particularidades del lugar, etc.., de que se trate.
Clases de protección contra contactos indirectos
Clase A:
Esta medida consiste en tomar disposiciones destinadas a suprimir el riesgo mismo, haciendo que los contactos no sean peligrosos, o bien impidiendo los contactos simultáneos entre las masas y elementos conductores, entre los cuales pueda aparecer una diferencia de potencial peligrosa.
Los sistemas de protección de la Clase A son:
- Separación de circuito.
- Empleo de pequeñas tensiones de seguridad.
- Separación entre las partes activas y las masa accesibles por medio de aislamiento de protección.
- Inaccesibilidad simultánea de elementos conductores y masas.
- Recubrimiento de las masas con aislamiento de protección.
- Conexiones equipotenciales.
Clase B:
Esta medida consiste en la puesta a tierra directa o la puesta a tierra de las masas, asociándola a un dispositivo de corte automático, que origine la desconexión de la instalación defectuosa.
Los sistemas de protección de la Clase B, son:
- Puesta a tierra de las masas y dispositivos de corte por intensidad de defecto.
- Puesta a tierra de las masas y dispositivos de corte por tensión de defecto.
- Puesta a neutro de las masas y dispositivos de corte por intensidad de defecto.
25.- Sistemas de Arranque de los Motores Asíncronos Trifásicos de Rotor en Cortocircuito.
- Par de arranque.
Sistemas de arranque de los motores asíncronos trifásicos de rotor en cortocircuito o jaula de ardilla.
Cuando se conecta un motor de estas características directamente a la red, éste absorbe una intensidad muy fuerte de la línea en el momento del arranque, lo que puede afectar no sólo a la duración de los aparatos de conexión, sino a las líneas que suministran energía eléctrica.
Estas fuertes corrientes sobrecargan las líneas de distribución, pudiendo producir caídas de tensión y calentamiento en 1os conductores de las mismas. Por esta razón, las compañías de energía prescriben reglamentaciones para reducir dichas corrientes de arranque a unos valores que sean aceptables.
El arranque directo está permitido para motores que posean una potencia inferior a 5.5 Kw.
Una forma de reducir la corriente de arranque es reducir la tensión aplicada al motor, con ello también se disminuye el par efectivo de arranque, ya que al disminuir la tensión, el flujo del estator también disminuye y con él la f.e.m. inducida en el rotor y la intensidad rotórica. El par de arranque disminuye con el cuadrado de la tensión.
Existen diferentes métodos para reducir la corriente de arranque disminuyendo la tensión:
- arranque estrella-triángulo:
Es uno de los métodos más conocidos con el que se pueden arrancar motores de hasta 1 l KW de potencia. Consiste en conectar primero el motor en estrella para, una vez arrancado, conmutar a la conexión en triángulo. Para que esto se pueda llevar a cabo, se debe utilizar un motor que esté preparado para funcionar a la tensión inferior conectado en triángulo. Así, por ejemplo, un motor de 220/380 podrá ser arrancado en una red de 220 V.
Si a un motor de las características indicadas se le conecta primero en estrella, cada una de las bobinas del mismo quedará sometido a una tensión, SQRT(3) inferior que si hubiese conectado en triángulo. Con ello se consigue que la intensidad en el arranque quede disminuida a la tercera parte respecto al arranque directo en conexión en triángulo. El par también queda reducido a la tercera parte, lo que conviene tenerlo en cuenta si el motor arranca con toda la carga. Por esta razón, conviene que el motor arranque en vacío o con poca carga.
En el esquema se muestra el circuito de fuerza de este tipo de arranque:
- arranque con resistencias estatóricas:
Consiste en reducir la tensión que producen unas resistencias conectadas en serie con el estator. Este sistema tiene el inconveniente de que consigue disminuir la corriente en función lineal de la caída de tensión producida. Sin embargo, el par queda disminuido con el cuadrado de la caída de tensión, por lo que su aplicación, se ve 1imitada a motores en 1os que el momento de arranque resistente, sea bajo.
En el esquema de la figura se muestra el circuito de fuerza de este arranque.
- arranque por autotransformador:
Consiste en conectar un autotransformador en la alimentación del motor, de esta forma se consigue reducir inducida en la tensión y con ella la corriente de arranque. El par de arranque queda reducido en este caso en la misma proporción que la corriente, es decir, al cuadrado de la tensión reducida.
Este sistema proporciona una buena característica de arranque, aunque posee el inconveniente de su alto precio. En la figura se muestra el circuito de fuerza de este sistema de arranque.
PAR MOTOR
Se denomina momento o parde fuerza, al producto de la fuerza por el brazo de palanca sobre el que actúa. Se expresa en mKg. (M = F · D / 2 = Kg).
El par es proporcional al flujo y a la intensidad.
La suma de todos los pares constituye el momento de rotación resultante de la máquina, llamado también par motor.
El par de arranque o momento de rotación del motor depende de la conexión a la red. Si se conecta directamente a la tensión de alimentación, el par es elevado, pero también lo es la intensidad absorbida, siendo entonces necesario emplear algún procedimiento para reducir la intensidad que absorbe el motor en ese instante.
El motor de arranque debe producir un par de valor suficiente como para vencer la resistencia que ofrecen los mecanismos propios y las cargas que vayan aplicadas al eje del motor. Además, este par debe ser mayor en cada instante al par resistente para obtener un par acelerador.
El hecho de que el par dependa de la corriente absorbida trae malas consecuencias para el arranque. Generalmente, se precisan fuertes pares de arranque y, en consecuencia, la corriente absorbida supera los valores límite de las compañías suministradoras de energía y del Reglamento de Baja Tensión, el cual fija los valores de la relación entre la corriente máxima y la nominal del motor. Son los siguientes:
- Motores de 0’75 a 1’5 Kw Imax / Imin < 4’5.
- Motores de 1’5 a 5 Kw Imax / Imin < 3.
- Motores de 5 a 15 Kw Imax / Imin < 2.
- Motores de potencia superior a 15 Kw Imax / Imin < 1’5.
Disminuir los valores de la intensidad equivale a un descenso muy acusado en el par.
Para evitar este problema se recurre a diversos procedimientos que tienen por objeto arrancar el motor con un par máximo sin superar una corriente determinada.
En los motores de poca potencia disminuye rápidamente al aumentar la velocidad. En motores de gran potencia, disminuye lentamente al principio, y al final del proceso de arranque cayendo bruscamente.
En cuanto al deslizamiento si aumenta, la velocidad, la In disminuye y al disminuir, también lo hace el par.
La frecuencia depende directamente del deslizamiento, y si este aumenta también lo hace la frecuencia, por lo que si al aumentar el deslizamiento la In disminuía si aumenta la frecuencia, también lo hará, y en consecuencia el par disminuye.
26.- Valores normalizados cables A.W.G (American Wire Gauge Standard)
Los conductores en buen estado deben presentar una resistencia muy baja. Los valores dependen del largo y del grosor de los hilos. Para hilos comunes hasta 20 m. de largo la resistencia debe ser siempre inferior a 1 Ohm. Para hilos esmaltados la resistencia varia bastante en función del espesor. En la siguiente tabla de hilos se da información de resistencia por unidad de longitud para los diversos tipos.
Número AWG
Diámetro (mm)
Sección (mm2)
Número espiras por cm.
Kg. por Km.
Resistencia (Ohm/Km.)
Capacidad (A)
0000 11,86 107,2
0,158 319
000 10,40 85,3
0,197 240
00 9,226 67,43
0,252 190
0 8,252 53,48
0,317 150
1 7,348 42,41
375 1,40 120
2 6,544 33,63
295 1,50 96
3 5,827 26,67
237 1,63 78
4 5,189 21,15
188 0,80 60
5 4,621 16,77
149 1,01 48
6 4,115 13,30
118 1,27 38
7 3,665 10,55
94 1,70 30
8 3,264 8,36
74 2,03 24
9 2,906 6,63
58,9 2,56 19
10 2,588 5,26
46,8 3,23 15
11 2,305 4,17
32,1 4,07 12
12 2,053 3,31
29,4 5,13 9,5
13 1,828 2,63
23,3 6,49 7,5
14 1,628 2,08 5,6 18,5 8,17 6,0
15 1,450 1,65 6,4 14,7 10,3 4,8
16 1,291 1,31 7,2 11,6 12,9 3,7
17 1,150 1,04 8,4 9,26 16,34 3,2
18 1,024 0,82 9,2 7,3 20,73 2,5
19 0,9116 0,65 10,2 5,79 26,15 2,0
20 0,8118 0,52 11,6 4,61 32,69 1,6
21 0,7230 0,41 12,8 3,64 41,46 1,2
22 0,6438 0,33 14,4 2,89 51,5 0,92
23 0,5733 0,26 16,0 2,29 56,4 0,73
24 0,5106 0,20 18,0 1,82 85,0 0,58
25 0,4547 0,16 20,0 1,44 106,2 0,46
26 0,4049 0,13 22,8 1,14 130,7 0,37
27 0,3606 0,10 25,6 0,91 170,0 0,29
28 0,3211 0,08 28,4 0,72 212,5 0,23
29 0,2859 0,064 32,4 0,57 265,6 0,18
30 0,2546 0,051 35,6 0,45 333,3 0,15
31 0,2268 0,040 39,8 0,36 425,0 0,11
32 0,2019 0,032 44,5 0,28 531,2 0,09
33 0,1798 0,0254 56,0 0,23 669,3 0,072
34 0,1601 0,0201 56,0 0,18 845,8 0,057
35 0,1426 0,0159 62,3 0,14 1069,0 0,045
36 0,1270 0,0127 69,0 0,10 1338,0 0,036
37 0,1131 00100 78,0 0,089 1700,0 0,028
38 0,1007 0,0079 82,3 0,070 2152,0 0,022
39 0,0897 0,0063 97,5 0,056 2696,0 0,017
40 0,0799 0,0050 111,0 0,044 3400,0 0,014
41 00711 0,0040 126,8 0,035 4250,0 0,011
42 0,0633 0,0032 138,9 0,028 5312,0 0,009
43 0,0564 0,0025 156,4 0,022 6800,0 0,007
44 0,0503 0,0020 169,7 0,018 8500,0 0,005
27.- Temporizadores
Índice
1.- Temporizador a la conexión.
2.- Temporizador a la desconexión.
3.- Temporizadores térmicos.
4.- Temporizadores neumáticos.
5.- Temporizadores de motor síncrono.
6.- Temporizador electrónicos.
7.- Temporizador para arrancadores estrella - triángulo.
8.- Temporización neumática.
9.- Temporización magnética.
10.- Temporización térmica.
11.- Relés de barras dilatables.
12.- Temporización electrónica.
Un temporizador es un aparato mediante el cual, podemos regular la conexión ó desconexión de un circuito eléctrico pasado un tiempo desde que se le dio dicha orden.
El temporizador es un tipo de relé auxiliar, con la diferencia sobre estos, que sus contactos no cambian de posición instantáneamente. Los temporizadores se pueden clasificar en :
- Térmicos.
- Neumáticos.
- De motor síncrono
- Electrónicos.
Los temporizadores pueden trabajar a la conexión o al desconexión.
- A la conexión : cuando el temporizador recibe tensión y pasa un tiempo hasta que
conmuta los contactos.
- A la desconexión : cuando el temporizador deja de recibir tensión al cabo de un
tiempo conmuta los contactos.
A continuación describimos el funcionamiento de algunos tipos de temporizadores :
1.- Temporizador a la conexión.
Es un relé cuyo contacto de salida conecta después de un cierto retardo a partir del instante de conexión de los bornes de su bobina. A1 y A2 , a la red. El tiempo de retardo es ajustable mediante un potenciómetro o regulador frontal del aparato si es electrónico. También se le puede regular mediante un potenciómetro remoto que permita el mando a distancia ; este potenciómetro se conecta a los bornes con las letras Z1 y Z2 y no puede aplicarse a los relés de los contactos.
2.- Temporizador a la desconexión.
Es un relé cuyo contacto de salida conecta instantáneamente al aplicar la tensión de alimentación en los bornes A1 y A2 de la bobina. Al quedar sin alimentación, el relé permanece conectador durante el tiempo ajustado por el potenciómetro frontal o remoto, desconectándose al final de dicho tiempo..
3.- Temporizadores térmicos.
Los temporizadores térmicos actúan por calentamiento de una lamina bimetálica El tiempo viene determinado por el curvado de la lamina.
Constan de un transformador cuyo primario se conecta a la red, pero el secundario, que tiene pocas espiras y esta conectado en serie con la lamina bimetálica, siempre tiene que estar en cortocircuito para producir el calentamiento de dicha lamina, por lo que cuando realiza la temporización se tiene que desconectar el primario y deje de funcionar
4.- Temporizadores neumáticos.
El funcionamiento del temporizador neumático esta basado en la acción de un fuelle que se comprime al ser accionado por el electroimán del relé.
Al tender el fuelle a ocupar su posición de reposo la hace lentamente, ya que el aire ha de entrar por un pequeño orificio, que al variar de tamaño cambia el tiempo de recuperación del fuelle y por lo tanto la temporización.
5.- Temporizadores de motor síncrono.
Son los temporizadores que actúan por medio de un mecanismo de relojería accionado por un pequeño motor, con embrague electromagnético. Al cabo de cierto tiempo de funcionamiento entra en acción el embrague y se produce la apertura o cierre del circuito.
6.- Temporizadores electrónicos.
El principio básico de este tipo de temporización, es la carga o descarga de un condensador mediante una resistencia. Por lo general se emplean condensadores electrolíticos, siempre que su resistencia de aislamiento sea mayor que la resistencia de descarga : en caso contrario el condensador se descargaría a través de su insuficiente resistencia de aislamiento.
7.- Temporizadores para arrancadores estrella triángulo .
Es un temporizador por pasos destinado a gobernar la maniobra de arranque estrella triángulo. Al aplicarle la tensión de alimentación, el contacto de estrella cierra durante un tiempo regulable, al cabo del cual se abre, transcurre una pausa y se conecta el contacto de triángulo. El tiempo de pausa normal está entre 100 y 150 ms.
Ahora hemos cogido las diferentes clases de temporizadores y les hemos aplicado a los relés con lo que tenemos las siguientes temporizaciones :
- Mecánica o neumática
- Magnética ( relés de manguito ).
- Térmicas ( relés de bilámina ).
- Eléctrica ( relés de condensador).
8.- Temporización neumática.
Un relé con temporización neumática consta esencialmente de tres partes principales :
8.1.- Un temporizador neumático que comprende un filtro por donde penetra el aire comprimido, un vástago de latón en forma de cono,
Solidario con un tornillo de regulación para el paso de aire un fuelle de goma y un resorte antagonista situado en el interior de este fuelle. El tornillo de regulación asegura la regulación progresiva de la temporización ; las gamas de temporización cubren desde 0.1 segundos a 1 hora.
8.2.- Una bobina electromagnética para corriente continua o alterna, según los casos.
8.3.- Un juego de contactos de ruptura brusca y solidarios al temporizador neumático por medio de un juego de levas y palancas.
El relé de retardo a la desconexión tiene el siguiente funcionamiento : cuando se interrumpe la circulación de corriente por la bobina , el contacto solidario con ella tarda cierto tiempo en soltarse, debido a la acción de el temporizador neumático. Al soltarse este contacto, actúa sobre un microrruptor, que desconecta el circuito de mando.
La temporización puede ser a la excitación o a la desexcitacion de la bobina o combinando ambos efectos.
9.- Temporización magnética.
En este caso, se trata de relés cuya bobina esta alimentada exclusivamente por corriente continua.
La temporización magnética se consigue ensartando en el núcleo magnético del relé, un tubo de cobre. Este tubo puede tener el espesor de algunos milímetros y rodear al núcleo en toda su longitud, constituyendo una camisa o bien puede ser de un diámetro igual a la base del carrete de la bobina y una longitud limitada, y en este caso se llama manguito ; el manguito puede ser fijado delante, es decir, en la parte de la armadura o detrás, es decir, en la parte opuesta de la armadura. En ambos casos, como se verá enseguida los efectos de retardo serán distintos
a. Con camisa de cobre ( retardo a la desconexión) b. Con manguito de cobre, lado armadura( retardo a la conexión y a la desconexión). c. Con manguito de cobre, lado culata ( retardo a la desconexión)
1.-Culata, 2.- Núcleo de hierro, 3.- Camisa o manguito de cobre, 4.- Bobinado, 5.- Armadura.
La camisa o el manguito de cobre actúan como una espira en cortocircuito ; la corriente inducida en esta espira cortocircuitada se opone a las variaciones del flujo que la han engendrado, lo que origina el efecto de retardo.
Como dicho efecto aumenta con la intensidad de la corriente inducida, será conveniente una camisa maciza de metal buen conductor como el cobre, directamente enfilada sobre el núcleo ; de esta forma, se obtiene un buen retardo a la desconexión, mediante los relés de camisa, pero aumentando el efecto de atracción.
En los relés de manguito, cuando éste está en la parte anterior ( fig. B ), significa que el arrollamiento esta situado más atrás, aumentado el flujo dispersor y reduciendo por consiguiente, la eficacia de la bobina en la atracción ; como consecuencia, se obtiene retardo tanto a la conexión como a la desconexión del relé.
Si el manguito está situado en la parte posterior del relé ( fig. C ), se obtiene solamente un retardo a la desconexión del relé, dada la posición del arollamiento respecto a la armadura.
10.- Temporización térmica
Los relés térmicos o dispositivos que utilizan procedimientos térmicos para la temporización, pueden incluirse en los siguientes grupos :
a. relés de biláminas
b. relés de barras dilatables.
10.1.- Relés de biláminas
Recordemos que una bilámina esta constituida por dos laminas metálicas, acopladas en paralelo y atravesadas por la corriente eléctrica, que las calienta por el efecto Joule.
1.- bobinado de mando, 2.- biláminas, 3.- bornes de salida.
Como los coeficientes de dilatación de las dos laminas son distintos cuando se calientas una atrae a la otra y cuando se enfrían vuelve a la posición inicial.
11.- Relés de barras dilatables
Constituyen una mejora de los anteriores, los contactos se mueven cuando la diferencia de temperatura entre dos barras dilatables idénticas alcanza el valor deseado, estando una de las barras calentada eléctricamente por la corriente de mando.
1.- bobinado de mando, 2.- barra dilatable, 3.- bornes de salida.
De esta forma las variaciones de temperatura ambiente actúan de la misma manera sobre la posición de las dos barras dilatables, sin tener efecto alguno sobre la posición de los contactos. Por consiguiente, solo la barra calentada eléctricamente manda los contactos. De esta forma, se obtiene temporizaciones comprendidas entre 2 segundos y 4 minutos, con una precisión de un 10 %.
12.- Temporización electrónica
La temporización electrónica está muy extendida. Se utiliza con relés electromagnéticos cuya bobina está prevista para ser alimentada con corriente continua. Para obtener una buena temporización, la tensión continua debe estabilizarse por ejemplo con ayuda de un diodo Zener.
El principio básico de este tipo de temporización es la carga o descarga de un condensador " C " mediante una resistencia " R ". por lo general se emplean condensadores electrolíticos de buena calidad, siempre que su resistencia de aislamiento sea bastante mayor que la resistencia de descarga R : en caso contrario, el condensador C se descargaría a través de su insuficiente resistencia de aislamiento.
Esquema de la Temporización electrónica por carga de un condensador.
Esquema de la temporización electrónica por descarga de un condensador.
Situemos el inversor en la posición 1 : el condensador C se cargará a la tensión E de la fuente de alimentación. Situemos el inversor en la posición 2 : entonces el condensador se descargará progresivamente sobre la resistencia R.