selección y cálculo de calibres

M A N U A L D E L E L E C T R I C I S T A

2424

3.3.3.3.3. Selección y cálculo de calibresSelección y cálculo de calibresSelección y cálculo de calibresSelección y cálculo de calibresSelección y cálculo de calibres

Una vez que se ha elegido un producto, y habiendo tomado en cuenta la norma vigente durante el diseñoeléctrico de la instalación, el siguiente paso es el cálculo del calibre mínimo del conductor, considerandodicho diseño. Con respecto a esto, únicamente analizaremos el cálculo del calibre mínimo paraconductores de baja tensión.

Factores a considerar durante el cálculo del calibre mínimoFactores a considerar durante el cálculo del calibre mínimoFactores a considerar durante el cálculo del calibre mínimoFactores a considerar durante el cálculo del calibre mínimoFactores a considerar durante el cálculo del calibre mínimo

En primer lugar, es necesario aclarar que el calibre mínimo para una instalación no es siempre el máseconómico.

Los principales factores que se deben considerar al calcular el calibre mínimo para un conductor de bajatensión son:

Es vital considerar los tres aspectos a la vez, porque en caso contrario se podrían ocasionar los siguientesproblemas:

A. Si la sección de cobre es menor:• El conductor tendrá mayor resistencia eléctrica, aumentando las pérdidas de energía.• El conductor tendrá mayor temperatura de operación, aumentando la resistencia eléctrica y

deteriorando el aislamiento.• La caída de tensión en la línea será mayor a la permitida, lo cual puede afectar la operación en

el punto de carga y dañar los equipos.

C. Que la caída de tensión estédentro de las normas

A. Que la sección del conductor puedatransportar la corriente necesaria

B. Que la temperatura delconductor no dañe el aislamiento


2525

B. Si no se protege el aislamiento:• El aislamiento sufrirá deterioro por alta temperatura, aumentando el riesgo de fugas de corriente

y cortocircuitos.• Disminuirá la vida útil del conductor.

C. Si no se cuida que la caída de tensión sea correcta:• El circuito y los conductores trabajarán fuera de norma.• Pueden dañarse los equipos alimentados, o no dar el servicio requerido.

Datos necesarios para el cálculoDatos necesarios para el cálculoDatos necesarios para el cálculoDatos necesarios para el cálculoDatos necesarios para el cálculo

Existen personas que tienen una vasta experiencia en instalaciones eléctricas, y que con los años se hanacostumbrado a calcular los calibres conociendo únicamente la potencia, o la corriente y el voltaje.Algunos también preguntan la longitud del circuito, y aunque es cierto que muchas veces aciertan enel cálculo del calibre correcto, es también innegable que en otras ocasiones fallan en éste, por no habertomado en consideración todos los datos necesarios.

Los datos que se presentan a continuación son, en principio, suficientes para que el cálculo mencionadono tenga posibilidad de error:

Datos necesariosDatos necesariosDatos necesariosDatos necesariosDatos necesarios


2626

Como se observa en la tabla circular, estos datos tienen relación directa con los factores anotadosanteriormente: conducción de corriente, protección al aislamiento y caída de tensión. Para evitarconfusiones, se aclarará un poco cada uno de los datos presentados.

• Factor de potencia: del equipo a alimentar.• Eficiencia: del equipo a alimentar.• Potencia en H.P. o kW: del equipo a alimentar.• Voltaje de alimentación: 127, 220, 440 Volts, etcétera.• Tipo de corriente: directa, alterna, 1Ø, 2Ø, 3Ø.• Longitud de la instalación: para calcular la caída de tensión.• Tipo de circuito: alimentador o derivado; la norma NOM-001-SEMP permite 3 por ciento de caída

de tensión para derivados, y 5 por ciento para el conjunto del alimentador más el derivado.• Temperatura ambiente: la más caliente en verano, o la de la recámara, si se tiene alguna máquina

que disipe mucho calor.• Tipo de servicio: 24 horas al día, arranque y paro continuo, servicio nocturno, etcétera.• Tipo de instalación: al aire libre, en tubo conduit, en charola, directamente enterrado, etcétera.

Procedimiento general de cálculoProcedimiento general de cálculoProcedimiento general de cálculoProcedimiento general de cálculoProcedimiento general de cálculo

La forma en que deben manejarse los datos anteriores, para obtener un cálculo correcto del calibredel conductor, se resume en el siguiente diagrama:

Conviene comentar que en la parte inferior de este diagrama de flujo, se distinguen una vez más lostres factores básicos en el cálculo del calibre. Para facilitar el entendimiento de este diagrama, siga elsentido de las flechas.


2727

Métodos de cálculoMétodos de cálculoMétodos de cálculoMétodos de cálculoMétodos de cálculo

El diagrama del punto anterior es genérico, pero son varios los métodos que se utilizan en la prácticapara calcular calibres mínimos. Aquí se comentarán únicamente tres de ellos:

• Método largo a partir de fórmulas.• Calculador de calibres para baja tensión.• Tanteo (este método no siempre es seguro, como se comentará más adelante).

Método largo a partir de fórmulasMétodo largo a partir de fórmulasMétodo largo a partir de fórmulasMétodo largo a partir de fórmulasMétodo largo a partir de fórmulas

Sin duda es muy seguro, pero requiere de tablas, calculadora, etcétera, y de una cantidad de tiempoconsiderable. Es muy utilizado por diseñadores y proyectistas de obras eléctricas; sin embargo, parabaja tensión pueden utilizarse otros métodos tan seguros como éste, pero más ágiles.

A continuación se presenta una guía con los pasos que incluye este método.

Guía para determinar el calibre del conductor en baja tensiónGuía para determinar el calibre del conductor en baja tensiónGuía para determinar el calibre del conductor en baja tensiónGuía para determinar el calibre del conductor en baja tensiónGuía para determinar el calibre del conductor en baja tensión

1. Seleccionar el tipo de conductor adecuado de acuerdo con el uso específico de la instalación (véaseel catálogo de Condumex); además se deberá saber si la instalación se efectuará en tubo conduit,al aire libre o en charola.

2. Calcular la corriente que va a transportar el conductor con la fórmula adecuada que aparece enlas tablas de fórmulas eléctricas más usuales. En el caso de motores, es posible calcular la corrientecon dichas fórmulas, o consultarlas directamente en las tablas de valores de corriente a plena cargapara motores. Es necesario aumentar a la corriente de plena carga en los motores un 25 por cientoadicional para cumplir con la norma NOM-001-SEMP; en el caso de dos o más motores, hay que sumarlas corrientes nominales de éstos y aumentar solamente 25 por ciento del valor de la corriente delmotormás grande.

3. Es necesario afectar este valor de corriente por los factores de corrección por temperatura yagrupamiento (tablas 5.7, 5.8 y 5.9). Este nuevo valor de corriente no circulará realmente por elconductor, su utilidad radica en simular las condiciones adversas en las que se estará trabajando.

4. Con este nuevo valor de corriente afectada por los factores de corrección, se debe localizar el calibreadecuado, según el tipo de conductor y de instalación elegidos.


2828

()

()

Fc x L x I

10 Ve %∆V =

5. Una vez localizado el calibre del conductor, será necesario verificar la caída de tensión que sufrirála instalación, utilizando para esto la fórmula de caída de tensión, que es:

donde:%∆V = Caída de tensión (porcentaje)

L = Longitud del circuito (m)I = Corriente que circula (amperes)

Ve = Voltaje de alimentaciónFc = Factor de caída de tensión unitaria

(véase tabla núm. 5.13)

Es importante recalcar que, en esta fórmula, la corriente que se utilizará será la que resulte en elsegundo paso, es decir, que aquí la corriente no debe ser afectada por los factores de correcciónpor agrupamiento y temperatura.

6. Si la caída de tensión es mayor a 3 por ciento para circuitos alimentadores o derivados, o de 5 porciento para la suma de alimentador más derivado, es necesario calcular un calibre superior. Esto sepuede hacer despejando el factor de caída unitaria (Fc) de la fórmula anterior, que quedaría comosigue:

donde:%∆V = 3% máx., según la norma NOM-001-SEMP

I = Corriente que circula en el circuito sin ser afectada por los factores de agrupamiento ytemperatura ambiente

L = Longitud del circuito (m)Ve = Voltaje de alimentaciónFc = Factor de caída de tensión unitaria

Conociendo Fc, se buscará y escogerá en la tabla núm. 5.13 el calibre que da igual o menor factorde caída de tensión.

Se debe tener cuidado al escoger en la tabla el factor de caída de tensión (Fc), ya que el sistemasobre el que se está haciendo el cálculo puede ser monofásico o trifásico.

7. Cálculo de corriente de cortocircuito: este cálculo sirve para determinar cuánto tiempo soportará sindañarse el aislamiento de un conductor al producirse un cortocircuito. Es importante conocer este

%∆V x 10 x VeL x I

Fc =

amper-m milivolts

milivoltsamper-m


2929

tiempo para escoger adecuadamente las protecciones de la línea. Para conocer el tiempo máximoen el que deberá operar la protección, véanse las gráficas de corriente de cortocircuito, donde enel eje horizontal se exhiben los calibres, y en el vertical, la corriente en miles de amperes. La intensidadde corriente que podrá soportar el conductor, dependerá del tiempo en que operen la proteccióny el calibre.

Para ilustrar un poco más este método, se presenta un ejemplo sencillo de aplicación, aclarando quelas tablas citadas se localizan en la sección 5 de este manual.

Ejemplo de selección de calibreEjemplo de selección de calibreEjemplo de selección de calibreEjemplo de selección de calibreEjemplo de selección de calibre

Seleccionar el calibre más adecuado de la línea Vinanel 2000MR para alimentar el siguiente circuito.

(1) Tomadas de la placa del motor.

Solución: para calcular la corriente que consume cada motor, se puede consultar:

• La placa de datos del motor.

• La tabla de corriente a plena carga de motores trifásicos, donde se indica el amperaje para cada uno.

Datos: Motor núm H.P. Voltaje Fases Factor de PotenF.P.

EficienciN

123456

7

5 5 3 31 01 0

10

440 V """""

"

3"""""

"

8 5 %"""

7 8 %"

"

7 3 %"

6 9 %"

8 4 %"

"

η(1)


3030

Consultando las fórmulas, tenemos: Cada motor de 3 H.P. tomará:

Cada motor de 5 H.P. tomará: Cada motor de 10 H.P. tomará:

Se obtiene la corriente total del circuito In (corriente nominal):

In = 7.9 x 2 + 5 x 2 + 15 x 3

In = 15.8 + 10 + 45

In = 70.8 amperes

Como la norma señala aumentar 25 por ciento del motor más grande del circuito, tendremos que lacorriente resultante (Ir) será:

Ir = 70.8 + (0.25 x 15)

Ir = 70.8 + 3.75

Ir = 74.55 amperes

Esta corriente se afectará enseguida por los factores de corrección debidos al agrupamiento y a latemperatura ambiente, según las tablas 5.8 y 5.9.

• Para una temperatura ambiente de 45°C y una temperatura en el conductor de 90°C, el factor es0.87.

• Para una instalación de tres cables en charola dispuestos horizontalmente, el factor es de 0.87.

Calculando con estos factores, la nueva corriente I∆ (corriente afectada):

10 x 7461.732 x 440 x 0.84 x 0.78

= 15 amperes

= 5 amperes

I =

3 x 7461.732 x 440 x 0.69 x 0.85

I =

5 x 7461.732 x 440 x 0.73 x 0.85

= 7.9 amperesI =

I =H.P. x 746

1.732 x E x η x F.P.

74.550.87 x 0.87

= 98.5 amperesI∆ =


3131

Esta corriente afectada (I∆ ) no existe realmente, es sólo una manera de considerar las condicionesadversas en las que trabajará el conductor.

Al consultar en la tabla núm. 5.1 (Vinanel 2000MR) el calibre necesario para transportar 98.5 amperes,el 6 AWG es el que puede transportar hasta 105 amperes al aire libre.

La caída de tensión (%∆V) se analiza aplicando la fórmula del punto 5 de la guía para selección delcalibre en baja tensión:

%∆V =Fc puede obtenerse de la tabla núm. 5.13,los demás valores son datos del problema.

%∆V =

%∆V = 6.67%

La caída de tensión sobrepasa el 3 por ciento que marca la norma NOM-001-SEMP; por lo tanto, seránecesario buscar un calibre superior.

Para esto, despejamos de la fórmula Fc y nos queda:

Fc = Considerando %∆V = 3

Y substituyendo, tenemos:

Fc =

En la tabla núm. 5.13 se observa que el calibre 2 AWG tiene un factor de caída de tensión unitaria menora 1.3115; por lo tanto, el cable Vinanel 2000MR calibre 2 AWG es el indicado para la instalación. Véasetrifásico en tubo conduit metálico.

Calculador de calibres para baja tensiónCalculador de calibres para baja tensiónCalculador de calibres para baja tensiónCalculador de calibres para baja tensiónCalculador de calibres para baja tensión

La intención de este calculador es simplificar el cálculo del calibre del conductor, ya que éste puededeterminarse rápidamente con los datos del circuito y una calculadora.

%∆V x 10 x VeL x Ir

= 1.31153 x 10 x 440135 x 74.55

Fc x L x Ir10 Ve

2.92 x 135 x74.55 10 (440)


3232

El calculador tiene dos caras:

FrenteFrenteFrenteFrenteFrente

Para facilitar la explicación del calculador, primero se describirá cada uno de los cuadros que éstecontiene, y luego se concluirá la explicación con un ejemplo.

A.A.A.A.A. Cuadro 1Cuadro 1Cuadro 1Cuadro 1Cuadro 1Contiene las fórmulas de cálculo de corriente. Es importante señalar que, al seleccionar la fórmula, senecesita tomar en cuenta el tipo de corriente (CD, CA 1Ø o CA 3Ø) y el valor de la potencia (H.P. okW). Después de escoger la fórmula adecuada, se sustituyen los datos y se obtiene la corriente. Porúltimo, si el circuito es de fuerza, será necesario corregir esta corriente con un factor de arranque, comose apunta en la parte derecha del cuadro 1.

ReversoReversoReversoReversoReverso


3333

Para calcular el calibre requerido para alimentarun motor, se toma la corriente nominal y semultiplica por 1.25 (por el efecto de arranque),siempre y cuando se conozca la eficiencia y F.P.

Otra opción es utilizar la corriente a plena cargadel motor y multiplicarla por el mismo factor.

El objetivo es que el conductor esté protegido delos sobrecalentamientos que se presentan concada arranque.

Este valor de corriente corregida es lo quellamaremos corriente del cuadro 1.

B.B.B.B.B. Cuadro 4Cuadro 4Cuadro 4Cuadro 4Cuadro 4Contiene los factores de corrección poragrupamiento y por temperatura ambiente. Estosfactores son muy importantes, ya que si no setoma en cuenta el número de conductores que iránjuntos en una canalización, ni la temperatura enel lugar de la instalación, se corre el riesgo decalcular un calibre mínimo, que puede causar queel conductor alcance su temperatura máxima deoperación únicamente con la corriente nominal.Esto ocasiona que el conductor reciba más caloral estar junto a otros o en un lugar cálido,sobrepasando así la temperatura máxima deoperación y provocando desgaste prematuro.

Para obtener estos factores, debe observarse losiguiente: cuando la costilla del calculador estáen posición normal (frente de regleta), se obtienenlos factores para productos THW, adecuadospara una temperatura máxima de operación de75°C. Es importante mencionar que las flechas de1 a 3 (por agrupamiento) y de 40°C (portemperatura) deben coincidir con las flechas dela costilla.

Para obtener los factores de los productos TW60°C, se debe desplazar la costilla del calculadorhacia la derecha, haciendo que coincidan lasflechas.

Ahora bien, para obtener los factores decorrección para el Vinanel 2000MR y el VinanelNylonMR adecuados para una temperatura deoperación de 90°C, se debe desplazar la regletade la posición normal hacia la izquierda, haciendoque coincidan las flechas.

Los factores de corrección que se obtengan semultiplican por la corriente calculada en elcuadro 1. El valor resultante será la corrientedel cuadro 4.

C.C.C.C.C. Cuadro 3Cuadro 3Cuadro 3Cuadro 3Cuadro 3En primera instancia, se selecciona el producto(TW 60°C, THW, THWN 75°C, Vinanel 2000MR

o Vinanel NylonMR 90°C). Luego se selecciona elrenglón "conduit" o "charola", dependiendo deltipo de instalación que se realice. Finalmente, unavez que se ha seleccionado correctamente elrenglón, se desplaza la costilla hacia la izquierda,hasta encontrar un valor de corriente mayor oigual al calculado en el cuadro 4.

D.D.D.D.D. Cuadro 2Cuadro 2Cuadro 2Cuadro 2Cuadro 2Aquí se indica el calibre capaz de transportar lacorriente calculada en el cuadro 4.

E.E.E.E.E. Cuadro 5Cuadro 5Cuadro 5Cuadro 5Cuadro 5Se emplea para establecer la caída de tensión deacuerdo con el calibre calculado y la corriente.Tiene cuatro renglones: la corriente, los calibres,las caídas de tensión y el voltaje de trabajo.

La forma de manejo para caída de tensión essencilla: se desplaza la costilla del calculador, deforma que el valor de corriente del cuadro 1 (quegenera la caída de tensión, a diferencia de laindicada en el cuadro 4) coincida con el calibreobtenido en el cuadro 2. Una vez que hayancoincidido estos valores, no deberá moverse lacostilla; sólo tendrá que seleccionarse la flecha


3434

Datos:

* La charola ya tiene trescables

- Temperatura ambiente: 45°C- Operación continua

correspondiente a su voltaje de trabajo (127, 220 ó 440 Volts) y localizarse el valor de caída de tensiónsobre la flecha escogida. Es importante observar que esta escala de caídas de tensión crecelogarítmicamente de derecha a izquierda.

El valor obtenido con esta escala se multiplica por la longitud del circuito, obteniéndose así la caídade tensión. Si la caída calculada es menor o igual a 3 por ciento (en circuitos derivados) o menor oigual a 5 por ciento (en el conjunto alimentador más derivado), el calibre calculado en el cuadro 4 esel correcto. Si su caída de tensión es mayor, será necesario tomar el calibre superior y repetir el cálculo.

F.F.F.F.F. Cuadro 6Cuadro 6Cuadro 6Cuadro 6Cuadro 6Aunque permite calcular la tubería necesaria, conviene comentar que el resultado no coincide con loque la práctica demuestra.

Para redondear la explicación del manejo del calculador de calibres, se utilizará el siguiente ejemplo:

Ejemplo del manejo del calculadorEjemplo del manejo del calculadorEjemplo del manejo del calculadorEjemplo del manejo del calculadorEjemplo del manejo del calculador

Motor núm H.P Voltaje Fases

12

3

10 5

2

440 V"

"

3"

"


3535

Solución:1. Fórmula seleccionada: I = (cuadro 1)

2. Como no se conoce la eficiencia h ni el factor de potencia F.P., se tienen dos opciones:

• Suponer que h = 0.9 y F.P. = 0.85; posteriormente sustituir en la fórmula.

• Obtener la corriente de las tablas de corrientes nominales a plena carga.

La segunda opción es posiblemente la más sencilla, por lo que se incluyen estas tablas para utilizarlasen caso de desconocer la eficiencia o el factor de potencia.

3. El valor de la corriente es:

I = 1.25 x 15 + 7.9 + 3.6 = 30.25 amperes

Como puede notarse, para incluir el factor de arranque debió multiplicarse por 1.25 la corriente delmotor de 10 H.P., que es el más grande.

4. Los factores de corrección por agrupamiento y por temperatura ambiente para el producto TW (60°C)son:

• Por agrupamiento: 1.25.• Para 45°C: 1.41.

5. La corriente corregida es:

Ic = 30.25 x 1.41 x 1.25 = 53.31 amperes

6. Para un producto TW (60°C) instalado en charola, el calibre núm. 8 AWG conduce 55 amperes(cuadros 3 y 4).

7. Para un calibre núm. 8 con 30.25 amperes efectivos, la caída de tensión por metro a 440 Volts esde 0.026 por ciento (cuadro 5).

C.T. = 0.026 x 60 m = 1.56%

Por lo tanto, el producto adecuado para este circuito es el cable TW (60°C) calibre núm. 8 AWG.

Es importante recordar que, en 1993, la autoridad competente estableció el nuevo valor de factor depotencia mínimo para una instalación eléctrica, que es 0.9(-). Por tal motivo, la consideración que se hagapara cálculos eléctricos que involucren el factor de potencia, es tomar el valor 0.9. En la sección de tablasde este manual, puede encontrarse información sobre cómo corregir un factor de potencia bajo por mediode capacitores.

H.P. x 7463 x V x η x F.P.

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