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MHE4044

MATERIALES Y HERRAMIENTAS ELCTRICAS Apunte de clases 2 semestre de 2009

Unidad 1 conceptos Bsicos

Aspectos de la normativa SEC, Especificacin y condiciones de uso de los conductores

Dimecionamiento por capacidad de carga

Primera edicin Rev. 1 Profesor Gabriel Carreo Orellana

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1. Definiciones segn NCH.Elec. 4/2003 La norma SEC NCH.Elec. 4/2003 en sus artculos define los siguientes conceptos:

1.1. Conductor Hilo metlico, de cobre dentro del alcance de esta Norma, de seccin transversal frecuentemente cilndrico o rectangular, destinado a conducir corriente elctrica. De acuerdo su forma constructiva podr ser designado como alambre, si se trata de una seccin circular slida nica, barra si se trata de una seccin rectangular o conductor cableado si la seccin resultante esta formado por varios alambres iguales de de seccin menor.

1.2. Conductor activo

Conductor destinado al transporte de energa elctrica. Se aplicar esta calificacin a los conductores de fase y neutro de un sistema de corriente alterna o a los conductores positivo, negativo y neutro de sistemas de corriente continua.

1.3. Conductor aislado

Conductor en el cual su superficie est protegida de los contactos directos mediante una cubierta compuesta de una o ms capas concntricas de material aislante.

1.4. Conductor desnudo

Conductor en el cual su superficie est expuesta al contacto directo sin proteccin de ninguna especie.

1.5. Aislacin Conjunto de elementos utilizados en la ejecucin de una instalacin o construccin de un aparato o equipo y cuya finalidad es evitar el contacto con o entre partes activas.

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2. Especificaciones y Uso de los Conductores elctricos

2.1. Generalidades La funcin bsica de un conductor elctrico consiste en transportar energa elctrica en forma segura y confiable desde la fuente de potencia a las diferentes cargas. Es por esta razn, que existen variadas formas de configuracin de construccin, clasificndose segn sus tipos de aislacion y aplicacin.

2.2. Especificacin de los conductores Los principales factores que deben ser considerados para la especificacin de conductores son:

Materiales de fabricacin para conductores. Flexibilidad. Configuracin Clasificacin segn su alma conductora Clasificacin segn numero de conductores Clasificacin segn uso Calibres Tensin de Servicio Tipo de aislamiento

2.2.1. Materiales de fabricacin para conductores En la tabla N 1 se compara en forma general las propiedades principales de los metales usados en la manufactura de cables.

Los materiales ms usados como conductores elctricos son el cobre y el aluminio, aunque el primero es superior en caractersticas elctricas y mecnicas las caractersticas de bajo peso y menor costo del aluminio, han dado lugar a un amplio uso tanto para conductores desnudos como aislados.

Se han incluido, en esta tabla metales que no se utilizan directamente como conductores tales como el plomo, empleado para asegurar la impermeabilidad de algunos cables de uso subterrneo, y el acero, que se emplea como elemento de soporte de la tensin mecnica en los cables con mensajero.

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Densidad Temperatura

de Fusin Coeficiente

lineal de dilatacin

Resistividad elctrica a

20C

Coeficiente trmico de resistividad

elctrica a20C

Conductividad elctrica

METAL

g/cm3 C X10-6/C Ohm-mm2/Km 1/C % ACS

ACERO 7,90 1400 13 575-115 0,00016-0,0032 .3-15 ALUMINIO 2,70 660 24 28.264 0,004030 61 COBRE DURO 8,89 1083 17 17.922 0,003830 96,2 COBRE BLANDO 8,89 1083 17 17.241 0,003930 100 PLOMO 11,38 327 29 221.038 0,004100 7,8 ZINC 7,14 420 29 61.138 0,004000 28,2

Tabla N 1

Caractersticas de los Metales usados en la manufactura de conductores

2.2.2. Flexibilidad La flexibilidad de un conductor se logra de dos maneras, recociendo el material para suavizarlo o aumentando el nmero de hebras que lo forman. Esta operacin de reunir varios conductores se denomina cableado y da lugar a diferentes flexibilidades, dependiendo del nmero de hebras que conforman el cable, el peso o longitud del torcido de agrupacin.

2.2.3. Configuracin Los conductores son fabricados con diferentes formas de configuracin, con cualquier tipo de aislamiento se tienen las siguientes configuraciones:

Figura N 1 Conductor de alambre

Figura N 2 Cable compuesto de alambres Cableados Helicoidalmente sobre una hebra como alma

Figura N 3 Cable compuesto de hebras cableadas helicoidalmente, en capas concntricas, sobre una hebra como alma.

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2.2.4. Clasificacin segn su alma conductora

Las Partes que componen los conductores elctricos son tres muy diferenciadas:

El alma o elemento conductor. El aislamiento. Las cubiertas protectoras o chaqueta.

Figura N 4 Parte que componen un conductor

Dependiendo su forma se pueden clasificar en alambre o cables.

Figura N 5 Conductor tipo alambre

Figura N 6 Conductor tipo cable

Cubierta o Chaqueta Aislante Conductor

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2.2.5. Clasificacin segn numero de conductores

Monoconductor: Conductor elctrico con una sola alma conductora, con aislamiento con o sin cubierta protectora, o conductor desnudo. Las figuras 5 y 6 representan monoconductores con asilamiento tipo alambre y asilado con chaqueta tipo cable, respectivamente. Multiconductor: Conductor de dos o ms almas conductoras aisladas entre s, envueltas cada una por su respectiva capa de aislamiento y con una o ms cubiertas protectoras comunes.

Figura N 7 Multiconductor de tres conductores asilados con XLPE y cubierta protectora

(chaqueta) de PVC

2.2.6. Clasificacin segn su uso Tomando en cuenta su tipo, uso, medio ambiente y consumos que servirn, los conductores elctricos se clasifican en la siguiente forma: Conductores para distribucin y poder: Instalaciones de fuerza y alumbrado Cables armados: Instalaciones en minas subterrneas Cables para control e instrumentacin: Industria Cordones: Uso liviano Radios, planchas ETC. Cables porttiles: Maquinas de soldar, gras palas perforadoras, ETC. Cables submarinos: En zonas bajo agua o totalmente sumergidos

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2.2.7. Calibres

Existen dos formas de dimensionar los conductores las cuales son:

Escala Milimtrica (IEC)

Esta consiste en proporcionar la medida directa de las reas transversales de los calibres, en milmetros cuadrados.

Escala AWG

En Estados Unidos, la escala utilizada es la AWG. Esta escala de calibres tiene la propiedad que sus dimensiones representan aproxidamente los pasos sucesivos del proceso de estirado del alambre, sus nmeros son regresivos, un numero mayor representa un conductor de de menor dimetro. La escala se form fijando dos dimetros y estableciendo una ley de progresin geomtrica para dimetros intermedios. Los dimetros base seleccionados son 0,4600 pulgadas (calibre4/0) y 0,0050 pulgadas (calibre36), y hay 38 dimensiones entre estos dos. Para secciones superiores a 4/0 se define el cable directamente por su dimetro o rea. Las unidades adoptadas por este sistema son: Mil, para dimetros, siendo una unidad de longitud igual a una milsima de pulgada. Circular mil, para reas, unidad que representa el rea del crculo de un mil de dimetro. Tal crculo tiene un rea de 0,7854 mils cuadrados. Para secciones mayores se emplea la unidad designada por la sigla MCM, que equivale a mil circular mils. 2.2.8. Tensin de Servicio En funcin del nivel de tensin, debe tomarse en cuenta ciertas condiciones de aislacin elctrica, para los distintos conductores. Las tensiones de servicio se dividen en:

Tensin reducida entre 0 y 100 V Baja Tensin hasta 1K V Media tensin hasta entre 1KV y 60 KV Alta tensin de 60KV hasta 220KV.

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2.2.9. Tipo de aislamiento De manera similar al caso de los conductores existen factores que deben ser considerados en la seleccin de los tipos de aislaciones, como son sus:

Caractersticas elctricas Caractersticas mecnicas

Los materiales de aislacin ms utilizados se muestran en la siguiente clasificacin.

Cloruro de polivinilo o PVC Caucho Goma Neoprn Nylon Polietileno reticulado (XLPE) Etileno propileno dieno modificado (EPDM) Etileno propileno (EPR)

Las propiedades del aislamiento debido a efectos de la operacin, medio ambiente, envejecimiento, etc. pueden degradarse rpidamente hasta el punto en que llegue a fallar, por lo que es importante seleccionar el ms adecuado para cada aplicacin.

2.3. Criterios de Seleccin De Un Conductor

Para la seleccin de un conductor se deben tener en cuenta las consideraciones elctricas, trmicas, mecnicas y qumicas. Las principales caractersticas de cada una de ellas se pueden resumir de la siguiente forma:

Consideraciones elctricas: tamao (capacidad de corriente), tipo y espesor de la aislacin, nivel de tensin (baja, media o alta), capacidad dielctrica, resistencia de aislacin, factor de potencia.

Consideraciones trmicas: compatibilidad con el ambiente,

dilatacin de la aislacin, resistencia trmica.

Consideraciones mecnicas: flexibilidad, tipo de chaqueta exterior, armado, resistencia impacto, abrasin, contaminacin.

Consideraciones qumicas: aceites, llamas, ozono, luz solar,

cidos.

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Consideraciones De Aplicacin y montaje

o Consumos lineales y no lineales o Distribucin monofsica o trifsica o Conductores desnudos areos o Conductores aislados areos o Conductores en ductos o Conductores subterrneos directamente en tierra o

canalizados en ductos o Conductores en Bandejas o Escalerillas

Portaconductores

3. Dimensionamiento de conductores por capacidad de corriente.

3.1. Aspectos generales

Al dimensionar un conductor adems de asegurar una adecuada resistencia mecnica y un comportamiento acorde con las condiciones ambientales en que operar, se debe asegurar una capacidad de transporte de corriente adecuada, una capacidad de sobrecarga y una capacidad de soportar corrientes de cortocircuito. El problema de la determinacin de la capacidad de conduccin de corriente es un problema de transferencia de calor. Ya sea provocado en condiciones normales de operacin, por sobrecargas o cortocircuitos. Por lo que es importante considerar la temperatura de servicio, temperatura de sobrecarga (o de emergencia) y la temperatura de cortocircuito.

3.1.1. Temperatura De Servicio Es la temperatura mxima que se permite sobre un conductor sin que se produzcan daos en la aislacin, ni se acorte la vida til del conductor debido al envejecimiento de ella, por el calor generado en el conductor.

La temperatura sobre el conductor definida como temperatura de servicio, se debe a prdidas por el efecto Joule

Las temperaturas de servicio normalizadas, en grados Celsius C son las siguientes: 55C, 60C, 75C y 90C.

xRI 2

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3.1.2. Temperatura De sobrecarga o Emergencia Se conoce como temperatura de sobrecarga o emergencia de un conductor, a la temperatura que puede quedar sometido en condiciones de sobrecarga. La temperatura de sobrecarga se especifica tomando en cuenta que las condiciones de sobrecarga no excedan un determinado lapso de tiempo ni tenga una ocurrencia anual mayor que la permitida por la aislacin. La temperatura de emergencia es proporcionada por los fabricantes, siendo el valor comn 130C. La operacin a estas temperaturas no deben exceder las 100 horas por ao, y con un mximo de 500 horas durante toda la su vida til. Existen tablas donde, para distintos tipos de aislacin, se especifica el factor de sobrecarga para casos de sobrecargas. Al operar bajo estas condiciones no se disminuye la vida til del cable porque la temperatura en l se va incrementando paulatinamente hasta alcanzar su nivel mximo de equilibrio trmico, es por esto que los cables admiten la posibilidad de sobrecarga. Este criterio es vlido para la seleccin de cables en media y alta tensin. 3.1.3. Temperatura De Cortocircuito

La temperatura de cortocircuito o solicitacin trmica de un conductor es la temperatura mxima que se permite que adquiera el conductor debido al calor desarrollado por la corriente de cortocircuito. La cantidad de corriente que puede soportar un cable durante un cortocircuito sin destruirse depender del tipo de aislacin de la seccin del conductor y del tiempo de duracin del cortocircuito. El valor tpico es de 250C.

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3.2. Factores de Correccin por Cantidad y Temperatura

Los valores indicados en las tablas N 8.7 y N 8.7 De la norma NCh Elc. 4/2003 son para conductores en ductos o en cables y son aplicables a tres conductores colocados en un mismo ducto o cable Sin embargo la capacidad de transporte de corriente de los conductores, tambin conocida como corriente de servicio Is estar limitada por la mxima temperatura que el conductor es capaz de soportar sin variar sensiblemente sus caractersticas mecnicas. Esto explica la marcada diferencia de capacidad de transporte que se puede apreciar entre un conductor desnudo y uno con aislamiento a igualdad de secciones. Cualquier elemento o condicin ajena al conductor, que afecte a su normal capacidad de radiacin de calor, afectar proporcionalmente a su capacidad de transporte de corriente la cual disminuir. Entre estas condiciones y elementos se encuentra la presencia de otros conductores instalados junto al conductor considerado, la temperatura ambiente y otros similares. Por esta razn, la capacidad de transporte de los conductores se tiene que fijar a ciertas condiciones consideradas normales , como por ejemplo , se considera como temperatura ambiente normal 30C y hasta 3 tres conductores activos ( fases) en un ducto.

3.2.1. Factores De Correccin por cantidad de conductores

De acuerdo a lo expuesto, la capacidad de transporte de los conductores, se ve limitada por la cantidad de conductores instalados en un mismo ducto, dado que la presencia de otros conductores vecinos aumentara la temperatura ambiente y dificultaran la disipacin del calor generado internamente. Si el nmero de conductores activos excede de tres dentro de un mismo ducto o cable, se deber disminuir la capacidad de transporte de cada uno de los conductores individuales de acuerdo al factor de correccin fn Indicado en la tabla N 8.8. De la norma NCh Elc. 4/2003. Nota: El conductor de tierra de proteccin en ningn caso se le considerar como conductor activo.

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3.2.2. Factores De Correccin por temperatura En igual forma, si la temperatura ambiente es distinta a 30 la capacidad de transporte de los conductores se deber modificar de acuerdo al factor de correccin ft. Segn las tablas N 8.9 y N 8.9a.De la norma NCh Elc. 4/2003 3.2.3. Calculo de correccin de corriente admisible En el caso que la temperatura ambiente y/o la cantidad de conductores excedan de los valores establecidos, la corriente admisible terica Izt para cada conductor deber ser corregida de acuerdo a la siguiente formula:

Donde:

sI = corriente de servicio para el conductor determinada por la carga o dispositivo de proteccin

tI = corriente admisible terica del conductor, obtenida en las tablas

nf = factor de correccin por cantidad de conductores

tf = factor de correccin por Temperatura El uso de la formula en general es Nota: Adems de considerar la corriente de la carga para la seleccin del calibre o tamao del conductor requerido para una aplicacin se debe considerar:

Cada de tensin admisible Corrientes de cortocircuito

En el caso de los circuitos trifsicos con neutro este no es obligatorio considerarlo como conductor activo, y el conductor de tierra de proteccin en ningn caso se le considera como un conductor activo al fijar la capacidad de transporte de una lnea. Se recomienda que para el caso de alimentadores o subalimentadores de computacin debido a la presencia de armnicos, el neutro sea considerado como conductor activo.

tntS xfxfII =

tn

st xff

II =

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Hiptesis Alimentador trifsico de cuatro hilos que alimenta a un tablero de distribucin para computacin.

Dispuesto en tubera de PVC. Al quemarse no debe emitir

gases txicos por tratarse de un local de reunin de personas.

La temperatura ambiente a considerar ser de 44C.

La corriente nominal de su dispositivo de proteccin es de 25 A.

Solucin Seleccin de la cubierta aislante. Al tratarse de un conductor dispuesto en un local de reunin de personas, canalizado en ducto y que se exige que al quemarse no emita gases txicos. Se selecciona la aislamiento Tipo EVA.

Factores de correccin Al tratarse de un alimentador trifsico de 4 hilos que alimenta a computadores (cargas monofsicas no lineales), los que principalmente inyectan terceros armnicos de secuencia cero (se recomienda considerar cuatro conductores activos, 3F + N), que la temperatura ambiente a considerar es de 44C, y que segn el aislante elegido la temperatura de servicio de este es de 90C. se tiene:

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Corriente admisible terica Considerando que la corriente nominal del dispositivo de proteccin es de 25 (A), y aplicando los factores de correccin determinados anteriormente:

82,08.0

25

===

t

n

ff

AIs

Ax

It 11,3882,08,025 ==

Seccin de los conductores Tomando como regla que la corriente admisible comercial del conductor (fases), debe ser mayor que la corriente admisible terica:

La seccin elegida es un 10 AWG. De la columna de 90 grupo A por tratarse de conductores en ducto.

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Anexo: Tablas NCH.Elec. 4/2003

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Bibliografa

Catalogo covisa Gua de diseo de instalaciones en BT Legrand Norma instalaciones en baja tension NCH.Elec 4/2004

Recursos electrnicos

www.covisa.cl www.legrand.cl www.sec.cl

Portada1. Definiciones segn NCH.Elec. 4/20031.1. Conductor1.2. Conductor activo1.3. Conductor aislado1.4. Conductor desnudo1.5. Aislacin

2. Especificaciones y Uso de los Conductores elctricos2.1. Generalidades2.2. Especificacin de los conductores2.2.1. Materiales de fabricacin para conductores2.2.2. Flexibilidad2.2.3. Configuracin2.2.4. Clasificacin segn su alma conductora2.2.5. Clasificacin segn numero de conductores2.2.6. Clasificacin segn su uso2.2.7. Calibres2.2.8. Tensin de Servicio2.2.9. Tipo de aislamiento

2.3. Criterios de Seleccin De Un Conductor

3. Dimensionamiento de conductores por capacidad de corriente.3.1. Aspectos generales3.1.1. Temperatura De Servicio3.1.2. Temperatura De sobrecarga o Emergencia3.1.3. Temperatura De Cortocircuito

3.2. Factores de Correccin por Cantidad y Temperatura3.2.1. Factores De Correccin por cantidad de conductores3.2.2. Factores De Correccin por temperatura3.2.3. Calculo de correccin de corriente admisible

EjercicioAnexoBibliografa