disenodeinstalacioneselectricas

8/2/2019 DisenoDeInstalacionesElectricas

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Comisin Nacional del Agua

MANUAL DE AGUA POTABLE,ALCANTARILLADO Y SANEAMIENTO

DISENO DE INSTALACIONES ELECTRICAS

Diciembre de 2007

www.cna.gob.mx

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ADVERTENCIA

Se autoriza la reproduccin sin alteraciones del material contenido en esta obra, sin fines de lucro y citando lafuente.

Esta publicacin forma parte de los productos generados por la Subdireccin General de Agua Potable, Drenaje ySaneamiento, cuyo cuidado editorial estuvo a cargo de la Gerencia de Cuencas Transfronterizas de la ComisinNacional del Agua.

Manual de Agua Potable, Alcantarillado y Saneamiento.

Edicin 2007ISBN: 978-968-817-880-5

Autor: Comisin Nacional del AguaInsurgentes Sur No. 2416 Col. Copilco El BajoC.P. 04340, Coyoacn, Mxico, D.F.Tel. (55) 5174-4000www.cna.gob.mx

Editor: Secretara de Medio Ambiente y Recursos NaturalesBoulevard Adolfo Ruiz Cortines No. 4209 Col. Jardines de la Montaa,C.P 14210, Tlalpan, Mxico, D.F.

Impreso en MxicoDistribucin gratuita. Prohibida su venta.

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Comisin Nacional del Agua

Ing. Jos Luis Luege TamargoDirector General

Ing. Marco Antonio Velzquez HolgunCoordinador de Asesores de la Direccin GeneralIng. Ral Alberto Navarro GarzaSubdirector General de AdministracinLic. Roberto Anaya MorenoSubdirector General de Administracin del AguaIng. Jos Ramn Ardavn ItuarteSubdirector General de Agua Potable, Drenaje y SaneamientoIng. Sergio Soto PrianteSubdirector General de Infraestructura HidroagrcolaLic. Jess Becerra Pedrote

Subdirector General JurdicoIng. Jos Antonio Rodrguez TiradoSubdirector General de ProgramacinDr. Felipe Ignacio Arregun CortsSubdirector General Tcnico

Lic. Ren Francisco Bolio HalloranCoordinador General de Atencin de Emergencias y Consejos de CuencaM.C.C. Heidi Storsberg MontesCoordinadora General de Atencin Institucional, Comunicacin y Cultura del AguaLic. Mario Alberto Rodrguez Prez

Coordinador General de Revisin y Liquidacin FiscalDr. Michel Rosengaus MoshinskyCoordinador General del Servicio Meteorolgico NacionalC. Rafael Reyes GuerraTitular del rgano Interno de Control

Responsable de la publicacin:Subdireccin General de Agua Potable, Drenaje y Saneamiento

Coordinador a cargo del proyecto:Ing. Eduardo Martnez OliverSubgerente de Normalizacin

La Comisin Nacional del Agua contrat la Edicin 2007 de los Manuales con el

INSTITUTO MEXICANO DE TECNOLOGA DEL AGUA segn convenioCNA-IMTA-SGT-GINT-001-2007 (Proyecto HC0758.3) del 2 de julio de 2007Participaron:

Dr. Velitchko G. TzatchkovM. I. Ignacio A. Caldio Villagmez

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CONTENIDO

CAPITULO 1

1. PLANEACION DEL SISTEMA ELECTRICO ........ 11.1 INTRODUCCION.............................. 11.2 CONCEPTOS GENERALES PARA INSTALACIONES ELECTRICAS EN LOSSISTEMAS DE AGUA POTABLE, ALCANTARILLADO YSANEAMIENTO.............................................................................................11.3 BASES GENERALES. DE DISEO PARA UN SISTEMA ELCTRICO .. 21.4 DETERMINACIN DE CENTROS DE CARGA......51.5 SELECCIN DE TENSIONES.......61.6 SISTEMAS DE DISTRIBUCIN... .71.7 RECOMENDACIONES. 17

CAPTULO 2

2. MTODOS DE CLCULO DEL SISTEMA DE FUERZA.. 212.1 INTRODUCCIN..... .212.2 CLCULO DE CORTO CIRCUITO...................... 212.3 CLCULO Y SELECCIN DE CONDUCTORES ELCTRICOS . 302.4 CADA DE TENSIN AL ARRANQUE DE MOTORES........................ 432.5 FACTOR DE POTENCIA.............................. 492.6.CLCULO Y SELECCIN DE REACTORES LIMITADORES DECORRIENTE ................... 612.7 TABLAS..................... 662.8 FIGURAS........................................................................ .............. .................... 1032.9 BIBLIOGRAFIA........................................................................ ..... .................... 111

CAPTULO 3

3. CANALIZACIONES ELCTRICAS .................................... 1143.1 INTRODUCCIN ........... 1143.2 TIPOS DE CANALIZACIONES ................... 1143.3 FACTOR DE RELLENO .................. 1153.4 BANCO DE TUBERAS. .................. 1163.5 REGISTROS ELCTRICOS ................... 1173.6 EJEMPLOS DE APLICACIN ................... 1173.7 TABLAS Y FIGURAS .................. 1193.8 BIBLIOGRAFIA ............................ 122

CAPTULO 4

4. PROTECCIONES ....................... 1244.1 INTRODUCCIN........... 1244.2 DISPOSITIVOS DE PROTECCIN DE SOBRECORRIENTE ..................... 1254.3 TRANSFORMADORES DE INSTRUMENTOS.. ................. 1294.4 PROTECCIN DE EQUIPO .................. . 134

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4.5 COORDINACIN DE DISPOSITIVOS DE PROTECCIN DESOBRECORRIENTE,............... ...... 1374.6 TABLAS ..................... ... 1444.7 DIAGRAMAS DE PROTECCIN....................... 1504.8 CURVAS Y GRFICAS ................... 156

4.9 EJEMPLO DE APLICACI ..................... 1684.10 BIBLIOGRAFIA ..................................... 180

CAPTULO 5

5. SISTEMA DE TIERRAS Y PARARRAYOS. ...................... 1835.1 INTRODUCCIN........... 1835.2 PROCEDIMIENTO PARA EL CLCULO DEL SISTEMA DE TIERRAS.... 1835.3 CONDUCTOR DE PUESTA A TIERRA DE EQUIPOS................. . 1895.4 PROCEDIMIENTO PARA EL CLCULO DE PARARRAYOS (TIPO BAYONETAO PUNTA)....................................... 1895.5 EJEMPLOS DE APLICACIN.................... 1915.6 TABLAS.................. 1955.7 FIGURAS ....................1985.8 BIBLIOGRAFIA .......... 199

CAPTULO 6

6. SISTEMAS DE CONTROL........................ 2016.1 OBJETIVOS............ 2016.2 CONSIDERACIONES GENERALES ................. 2016.3 EQUIPOS DE CONTROL.................... 2026.4 DIAGRAMAS LGICOS DE CONTROL.................. . 209

6.5 DIAGRAMAS DE CONTROL ELCTRICO .................. 2126.6 EJEMPLOS DE SISTEMAS DE CONTROL ................. 2146.7 BIBLIOGRAFIA............................................................. 246

CAPTULO 7

7. SISTEMAS DE EMERGENCIA. ....................... 2487.1 INTRODUCCIN........... 2487.2 CONSIDERACIONES ELECTRICAS... 2487.3 PROCEDIMIENTO PARA DETERMINAR LA CAPACIDAD DE UNA PLANTA DEEMERGENCIA MOTOGENERADOR) ................................... 2497.4 PROCEDIMIENTO DE CLCULO DEL BANCO DE BATERAS . . 251

7.5 CARGADOR DE BATERAS. .................... . 2557.6 EJEMPLOS DE APLICACIN .................... 2557.7 TABLAS...................... 2647.8 GRFICAS..................... 2737.9 DATOS TCNICOS PARA LA SELECCIN DE UNA PLANTA DEEMERGENCIA (MOTOGENERADOR).. 2757.10 REFERENCIAS ............................. 276

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CAPTULO 8

8. SISTEMAS DE ALUMBRADO ......................... 2788.1 INTRODUCCIN ........... 2788.2 PROCEDIMIENTO PARA EL CLCULO DE ALUMBRADO..... . 2788.3 ALUMBRADO PARA INTERIORES ..................... 279

8.4 ALUMBRADO PARA EXTERIORES . ................. . 2808.5 EJEMPLOS DE APLICACIN.................... 2818.6 TABLAS...................................................... 2878.7 BIBLIOGRAFIA........................................... 297

CAPTULO 9

9. ARREGLOS FSICOS........................ 2999.1 INTRODUCCIN ........... 2999.2 ARREGLOS DE CONJUNTO ................. .. 2999.3 SUBESTACIONES ELCTRICAS..................... 300

9.4 DISTRIBUCIN DE FUERZA . ................. . 3059.5 TABLAS.................. 3099.6 FIGURAS .................. 3149.7 BIBLIOGRAFIA ......... 330

CAPTULO 10

10. NOMENCLATURA .. .................... 33210.1 DEFINICION ................ 33210.2 SIMBOLOS ELECTRICOS.. ................. 343

APENDICE A ............ 354APENDICE B ..........395

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CONTENIDO

1. PLANEACIN DEL SISTEMA ELCTRICO..........................................................11.1 INTRODUCCIN ..................................................................................................11.2 CONCEPTOS GRALES. PARA INSTALACIONES ELCTRICAS EN LOSSISTEMAS DE BOMBEO DE AGUA POTABLE, ALCANTARILLADO YSANEAMIENTO ..........................................................................................................11.2.1 Definiciones de conceptos generales.................................................................11.3 BASES GENERALES. DE DISEO PARA UN SISTEMA ELCTRICO...............21.3.1 Aspectos bsicos ...............................................................................................21.3.2 Cdigos y normas aplicables en sistemas de energa elctrica .........................31.3.3 Organismos que certifican la aprobacin de equipo elctrico y materiales ........31.3.4 Lineamientos para el diseo de los sistemas de: fuerza, tierra y alumbrado .....31.4 DETERMINACIN DE CENTROS DE CARGA ....................................................51.5 SELECCIN DE TENSIONES..............................................................................6

1.5.1 Tensiones normalizadas.....................................................................................61.5.2 Tensiones de utilizacin por parte de la compaa suministradora....................61.6 SISTEMAS DE DISTRIBUCIN............................................................................71.6.1 Descripcin de los sistemas ms utilizados para el suministro de energaelctrica en plantas industriales ..................................................................................71.6.2 Arreglos bsicos (diagramas)...........................................................................131.7 RECOMENDACIONES .......................................................................................171.7.1 Suministro de energa elctrica........................................................................171.7.2 Coordinacin con otras reas de ingeniera.....................................................17

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1. PLANEACIN DEL SISTEMA ELCTRICO

1.1 INTRODUCCINEste captulo pretende dar un panorama general de las instalaciones elctricas en lossistemas de bombeo de agua potable y alcantarillado, describiendo sus principalescomponentes y la importancia que tienen dentro de las instalaciones.

Se presentan los conceptos generales que deben tomarse como base en el diseodel sistema elctrico y las desviaciones que se deben evitar en el desarrollo delmismo.

Se describe una clasificacin de cargas, la definicin de centros de carga y laimportancia que representa para algunos tipos de instalacin contar con estos.

Se enuncian las tensiones normalizadas y una clasificacin de acuerdo a su nivel dedistribucin y suministro en la Repblica Mexicana, conforme a los valores quemaneja la Comisin Federal de Electricidad (CFE).

Se describen los efectos que produce la variacin de la tensin en algunos equiposelctricos, adems se dan algunas recomendaciones para minimizar los efectos enestos equipos.

1.2 CONCEPTOS GRALES. PARA INSTALACIONES ELCTRICAS EN LOSSISTEMAS DE BOMBEO DE AGUA POTABLE, ALCANTARILLADO YSANEAMIENTOLos componentes principales de una instalacin elctrica en los sistemas de bombeode agua potable, alcantarillado y saneamiento, desde el punto de acometida con lacompaa suministradora, son principalmente: la subestacin elctrica y el sistemade fuerza.

1.2.1 Definiciones de conceptos generalesAcometida elctrica.- son todos los equipos conductores y accesorios necesariospara llevar la energa elctrica desde el sistema de suministro hasta el usuario. Aestos elementos se les conoce tambin como lnea de servicio y de acuerdo con lasnecesidades de la Instalacin y las caractersticas de la red de distribucin de laacometida puede ser area o subterrnea.

Subestacin elctrica.- Conjunto de equipos y materiales elctricos que sirven paratransformar, controlar y regular la energa elctrica para facilitar su transporte ymanejo.

Sistema de fuerza.-Es el conjunto de equipos, materiales y accesorios de unainstalacin elctrica que se encargan de llevar la energa elctrica desde el punto deservicio del usuario hasta el punto de utilizacin final.

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Centros de carga.-Dentro de una instalacin elctrica es el punto donde se considerauna carga igual a la suma de todas las cargas parciales, lo que en realidadrepresenta el centro de gravedad si a las cargas elctricas se les trata como masas.

Sistema de alumbrado.-Conjunto de luminarios necesarios en una instalacin para

proporcionar la iluminacin artificial necesaria en las diferentes reas de trabajo conla cual el personal pueda desarrollar sus tareas con la mayor seguridad y eficiencia.

Sistema de tierra.-Conjunto de conductores electrodos y accesorios que conectadosentre si eficientemente, tienen la finalidad de conectar a tierra las cubiertas y laspartes metlicas de los equipos elctricos para seguridad de personas, en caso dealguna falla en el sistema de fuerza.

Sistema de pararrayos.-Conjunto de electrodos, conductores y accesorios queconectados entre si y a un sistema de tierras tienen la funcin de proteger a lasconstrucciones contra las descargas atmosfricas.

1.3 BASES GENERALES. DE DISEO PARA UN SISTEMA ELCTRICO1.3.1 Aspectos bsicosSeguridadLa seguridad del personal es un factor de vital importancia y no admite restriccionespor otros factores. Es uno de los objetivos fundamentales de la normalizacin.

Flexibilidad y facilidadDe acuerdo al tipo de instalacin deben preverse posibles expansiones, aumentos enla carga y sus repercusiones en factores como son: La capacidad de los equiposnuevos y su espacio, el voltaje, espacio para instalaciones adicionales, modos

alternativos de alimentacin a las cargas, etc.

EconomaEl costo de los equipos, el pago por consumo de energa y los gastos de operacin ymantenimiento como resultado de las alternativas en el diseo es un factorimportante pero de ninguna manera debe interferir en el sacrificio de la seguridad y laeficiencia del sistema.

EficienciaEl sistema elctrico debe estar en relacin directa a su construccin y acabado,contar con el equipo adecuado para poder asegurar su operacin en condiciones

normales y dependiendo del tipo de instalacin deber contar con lo necesario parala operacin an en situaciones emergentes.

ContinuidadLa continuidad que guarde un sistema elctrico depende de la importancia que tengaen el proceso, lo que en las de mayor importancia se instalan equipos duales o secuenta con un sistema de respaldo y se aslan las posibles fallas para asegurar laoperacin correcta.

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NormatividadTodos los diseos de sistemas elctricos deben apegarse a las normas nacionales oen su defecto con las internacionales vigentes, correspondientes.

1.3.2 Cdigos y normas aplicables en sistemas de energa elctrica

NOM-001-SEMP-1994 NORMA OFICIAL MEXICANA

ANSI AMERICAN NATIONAL STANDARS INSTITUTE

NEC NATIONAL ELECTRIC CODE (ANSI C.I.I)

S M IISOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERIA E

ILUMINACION

C F E COMISION FEDERAL DE ELECTRICIDAD

1.3.3 Organismos que certifican la aprobacin de equipo elctrico y materiales

Considerando, que dentro del diseo de las instalaciones elctricas, deben requerirsemateriales y equipos, as como realizar volumen de obra; es necesario mencionar losorganismos cuyo objetivo principal es la certificacin y la aprobacin de losmateriales y equipo, y sus requisitos deben considerarse como mnimos para sudiseo, construccin y pruebas.

La certificacin de materiales y equipo elctrico son indicados en lasespecificaciones correspondiente, a cada equipo (ver manual de seleccin)

1.3.4 Lineamientos para el diseo de los sistemas de: fuerza, tierra y alumbradoLa ingeniera de diseo elctrico deber contemplar los requisitos mnimos de

seguridad a que deben sujetarse las instalaciones elctricas, sometidas a ambienteshmedos y corrosivos; para el sistema de fuerza, tierras y alumbrado. As mismo,dichos sistemas deben cumplir con las caractersticas de calidad.

Sistema de fuerza

La subestacin reductora deber reducir la alta tensin de entrada a la tensin dedistribucin de las plantas. Deber estar localizada en un rea que cumpla con losrequerimientos de la compaa suministradora, la cual consistir de un cuarto decontrol elctrico y un rea de transformacin. El cuarto de control elctrico debercontener tableros de mediana, baja tensin y tableros de alumbrado.

Sistema de distribucin a tensin media

Deber estar localizado, de preferencia en un rea prxima al centro de cargaelctrica de la planta y deber consistir de un tablero de distribucin y centro decontrol de motores en mediana tensin.Sistema de distribucin en baja tensin

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La tensin de 480 V se deber obtener mediante la transformacin de un arreglo desubestacin propia.

El sistema de distribucin a 127/220 volts, 3 fases, 4 hilos, 60 Hz, con neutro a tierrasern para servicios de alumbrado y motores fraccionarios.

Podrn usarse canalizaciones subterrneas o areas para alimentadores de fuerza,alimentadores para distribucin de alumbrado y estaciones de botones de control demotores.

Los conduits subterrneos debern ser instalados recubrindolos con una envolventerectangular de concreto armado, deber colorearse de rojo para identificacin. Laparte superior de los bancos de concreto debern ir a un mnimo de 50cm bajo nivelde piso terminado y debern tener el menor nmero de cruces posibles.

Los bancos que contengan uno y dos conduits debern ser localizados a escala. Losbancos de 3 ms conduits debern ser localizados en planta y elevacin.Dimensiones extremas debern indicar el tamao del banco en planta; en laelevacin deber indicarse el tamao del banco desde la parte superior hasta lainferior.

Los conductores que operen en temperaturas ambientes de 45C o menores, debentener un aislamiento termoplstico de PVC con cubierta de nylon y temperatura deoperacin de 75C, para 600 V, tipo THWN.

Deber proveerse un conduit separado para los hilos de control. La distancia mximaentre registros ser de 60m, siempre y cuando no existan deflexiones apreciables de

direccin.En general se utilizarn conductores de cobre para alimentadores de fuerza y control.

Alumbrado

Los sistemas de alumbrado en unidades de proceso y edificios debern seralimentados mediante transformadores trifsicos. Estos transformadores debernlocalizarse de preferencia cerca de los tableros. Los transformadores sern tipo seco.Los tableros de alumbrado sern de 220/127 volts equipados, con interruptores paracircuitos derivados y estarn localizados cerca del centro de carga.

Deben usarse luminarios fluorescentes en oficinas, vestidores, talleres, almacenes,cuartos de control, etc. Tambin podrn usarse en reas exteriores de procesosiempre y cuando renan caractersticas adecuadas.

Se deber instalar contactos para lmparas porttiles en reas de proceso. Loscontactos debern localizarse de manera que las reas de trabajo puedan alcanzarse

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con una extensin de 15 m En otras localidades los contactos debern colocarsesegn las necesidades de estas reas.

Se usar alumbrado localizado en equipos que contengan instrumentos u otrosdispositivos que sea necesaria su iluminacin debido a las condiciones de proceso.

Para la iluminacin de reas de almacenamiento se usarn reflectores de altaeficiencia luminosa.

Se debern usar luces de aviso para los aviones y luces de obstruccin en lasestructuras altas, en conformidad con el reglamento de Aeronutica Civil.

Se deber proyectar un sistema de alumbrado de emergencia en los cuartos decontrol elctrico e instrumentos en donde se localizarn luminarios estratgicamente,de tal manera que los tableros elctricos e instrumentos, etc., queden iluminados, ascomo tambin los accesos, salidas y escaleras.

Sistema de conexin a tierra

El profesionista debe tener como un objetivo principal en el diseo de un sistemageneral de tierras el lograr la proteccin de personas, equipos, aparatos einstalaciones en general, contra descargas atmosfricas, cargas estticas, o choqueselctricos, producidos por diferencias de potencial, originados por el contacto deconductores vivos con partes metlicas o bien por el paso de las corrientes de falla.

En el captulo 5 del Manual de Procedimientos se detalla todo lo referente al sistemageneral de tierras.

1.4 DETERMINACIN DE CENTROS DE CARGAUn centro de carga es el lugar donde se encuentran las demandas de mayorpotencia dentro de una instalacin, pero dependiendo del tipo de instalacin, algunasveces las cargas se encuentran localizadas en reas diversas, por lo que esrecomendable situarlo en el centro de gravedad de las cargas.

La importancia de determinar los centros de carga, consiste en contar con un slogrupo de alimentadores principales, alimentadores secundarios cortos y tener loselementos de control cerca de los equipos.

Clasificacin de cargasLa cantidad, capacidad, localizacin y tipo de cargas es un factor determinante en eldiseo de un sistema elctrico. El estudio de cargas consiste en una recopilacin yclasificacin de cargas.

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Por su magnitud

En algunas instalaciones, las cargas requieren un voltaje de operacin diferente, porconsecuencia la instalacin tendr diferentes niveles de voltaje. Cuando esto sucedelas cargas deben agruparse de acuerdo a estos niveles.

Por su localizacin (densidad de carga)

De acuerdo al arreglo de cargas que se tenga, stas deben agruparse tambin porzonas, de tal forma que no se tenga altos costos de la instalacin debido a lasdistancias que se tenga de los centros de cargas a las cargas.

Por su importancia de continuidad

Considerando que tan necesario es el servicio, se puede saber cuales son las cargasprioritarias en caso de utilizar un sistema de respaldo y as clasificar tambin comocargas en el sistema normal y cargas con respaldo de emergencia, o bien con unasegunda alimentacin normal alternativa.

Por su naturaleza o tipo de carga

En el diseo de los sistemas elctricos, es necesario considerar una variedad detipos de cargas que intervienen y que generalmente se pueden agrupar enalumbrado, motores, contactos y aplicaciones especiales. Estas ltimas tienen unagran variedad dependiendo de cada instalacin.

1.5 SELECCIN DE TENSIONES

1.5.1 Tensiones normalizadasLas tensiones de acuerdo a la clasificacin de la norma ANSI-141-1986 se tienecomo:

Baja tensin: A los sistemas de voltaje nominal de menos de 1000 V.

Media tensin: A los sistemas con voltaje nominal igual a 1000 V y de menos de100,000 V.

Alta tensin: A los sistemas con voltaje nominal igual o ms de 100 000 Volts.

1.5.2 Tensiones de utilizacin por parte de la compaa suministradoraLos valores utilizados para el suministro de energa por la ca. suministradora son:

en baja tensin *440/220/127 V

en media tensin

13 800 V23 000 V34 500 V

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*Tensin de utilizacin por subestacin propia

Las tensiones iguales y mayores a 34 500 V se utilizan para subtransmisin otransmisin. En algunos casos pueden ser tensiones de suministro.

1.6 SISTEMAS DE DISTRIBUCIN1.6.1 Descripcin de los sistemas ms utilizados para el suministro de energaelctrica en plantas industrialesLa tensin para la distribucin de una instalacin depende principalmente de la cargainstalada y de la caracterstica de los equipos que se instalarn.

En la siguiente tabla se presenta una gua general para determinar el voltaje msconveniente a utilizar en una instalacin de acuerdo a la carga total instalada.

Tabla 1.1 Tensiones sugeridas de alimentacin a una instalacin elctrica

Carga en kvaVoltaje de alimentacin

(tres fases)0-112.5 kva* 220/127 V0-2000 kva 480 V

0-3000 kva (1) 2400 4160 V10000-20000 kva (2) 4160 13 800 Vms de - 20000 kva 13 800 V, 23 000 V,34 500V

* Se utilizar 220/127 V para alumbrado, motores fraccionarios cuando no se tenganmotores mayores a los 15 HP, si no se emplear 480 V preferentemente.

(1) Por ser ms econmico es preferible utilizar cuando sea posible el voltaje en 4160V.

(2) Cuando se tengan cargas de esta magnitud hay que realizar un estudio tcnico-econmico contemplando posibles ampliaciones ya que a futuro podra resultar latensin ms adecuada la de 13 800 V.

En sistema en 480 V es menos costoso que el de 220 V ya que maneja corrientesmenores, repercutiendo esto en calibres de conductores ms delgados y menorcapacidad en las protecciones. En ste sistema se pueden manejar transformadoresauxiliares para el alumbrado con secundario en 220/127 V.

Efecto de la variacin de la tensin en un sistema

Los principales efectos de la variacin de la tensin en los equipos que conformanlas instalaciones son: fluctuaciones en la velocidad de los motores de induccin yaumento en la temperatura (Tabla 1.2), otros efectos importantes sobre los motoresde induccin son: el tener un bajo voltaje causa la disminucin del par de arranque yel aumento de temperatura a plena carga, lo que produce un mayor tiempo en laaceleracin y menor vida en los aislamientos del motor.

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Por otro lado un alto voltaje produce un incremento en el par y la corriente dearranque, disminucin del factor de potencia, lo que puede causar dao en losacoplamientos, aumenta la cada de tensin en el sistema y obliga a corregir el factorde potencia para evitar las penalizaciones respectivas, por lo que se puede concluirque un motor de induccin es afectado en mayor grado por bajos voltajes.

Tabla 1.2 Efectos de la variacin de voltaje en los motores de induccin

Caractersticas delMotor

Variacin del voltaje nominal

90% del voltaje 110% de voltajePar de arranque y par mximode trabajo Velocidad sincrona decrece 19%

no variaaumenta 21%

no variaPor ciento de

deslizamiento Velocidad aplena carga Eficiencia a:

100%75%50%

aumenta 23%decrece 1.5 %

decrece 2 %casi no vara

aumenta 1 - 2%

decrece 17%aumenta 1 %

aumenta 0.5 -1%casi no varia

decrece 1 - 2%

Factor de potencia a: 100%75%50%

aumenta 1 %aumenta 2 - 3%aumenta 4 - 5%

decrece 3 %decrece 4 %

decrece 5 - 6%

Corriente a plena carga aumenta 11% decrece 7%

Corriente de arranque decrece 10 -12%

aumenta 10 -12%

Aumento de temperatura aplena carga aumenta 6 - 7% decrece 1 - 2%

En las lmparas incandescentes se tiene con una disminucin del voltaje, una bajaen la emisin luminosa y con el aumento del voltaje el decremento de la vida til delas lmparas (ver Tabla 1.2).

Las lmparas fluorescentes son afectadas en menor grado por las variaciones devoltaje que las incandescentes, ya que pueden operar en un rango de 10% del

voltaje nominal. En general, una variacin del voltaje en 1% afecta la emisinlumnica en 1%.

En lmparas de alta intensidad de descarga, si no se usan balastras reguladas, unadisminucin del 10% en el voltaje nominal, producir una disminucin del 30% de laemisin lumnica. Si se usan balastras de potencia constante una reduccin del 10%en la tensin bajar la iluminacin un 2%.

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Si existen reducciones del voltaje alrededor del 20% el arco se extinguir y lalmpara requiere de un cierto intervalo de tiempo para volver a encender.

Tabla 1.3 Efectos de la variacin de voltaje en lmparas incandescentesVoltaje

aplicado (volts)

% del voltaje

nominal % de vida

% de emisin

lumnica105 87.5 575 64110 91.7 310 74115 95.8 175 87120 100.0 100 100125 104.2 55 118130 108.3 34 132

En la prctica se puede recurrir a: la utilizacin de alimentadores lo ms cortosposibles (uso de centros de cargas), la reduccin de impedancias, sin que ellorepercuta en corrientes de corto circuito altas, el uso de capacitores en paralelo, lautilizacin de cambiadores de derivacin bajo carga, reguladores de voltaje,autotransformadores, etc.

Perfil de cada de tensin

Para evitar los efectos que pudieran presentarse por tener una cada de tensinexcesiva, es recomendable tratar de mantener el valor de voltaje dentro de lmitesaceptables en las terminales de los equipos. Cuidando que la cada de tensinproducida por la corriente que fluye a travs de las impedancias (de los equipos ymateriales) no rebase dichos lmites conociendo la regulacin de tensin, como semuestra en la Figura 1.1.

cada enel cto.derivado

cada en lared secundaria

cada en el transformador

cada del voltaje primario (en base a 480 V)

voltaje sin carga

cadatotal

440

450

460

470

480

Figura 1.1 Perfil de cada de tensin

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Cada de tensin en el sistema

Para conocer la cada de voltaje de un circuito en condiciones estables (sintransitorios como efectos por arranque de motores) es necesario conocer laimpedancia del circuito y la corriente en el mismo.

Guas de seleccin de tensiones

Conociendo las tensiones comnmente empleadas en la Repblica Mexicana,empleadas por la Comisin Federal de Electricidad y la industria en general, tanto enmedia como en baja tensin (Tabla 1.4), se puede seleccionar el voltaje mseconmico en funcin de la carga conectada.

Tabla 1.4 Tensiones utilizadas en la Repblica Mexicana

De transmisin

C F E

De distribucin

primaria

De distribucin

secundariaExtra AltaTensin Tensin media Baja tensin

400,000 C F E Industria C F E Industria

(1) 34,500 23,000 220/127 480/277Alta Tensin 23,000 13,800 (2)440/254

13,800 (2)6,000 220/1274,160

231,000 2,400115,000

85,00069,000Notas: (1) Tensin de subtransmisin. Se usa poco como tensin de

alimentacin en industrias(2) Tiende a desaparecer

En la Tabla 1.5 se muestran los valores recomendados y posibles no recomendadosde tensin de alimentacin para motores de induccin de acuerdo a su potencia.

Tabla 1.5 Valores recomendados y posibles no recomendados de tensin paramotores de induccin

C.P.Volts.100 200 300 400 500 1000 2000 3000 4000 7000 10000 20000

440 X X X Y Y2300 X X X X X X Y4000 Y Y X X X X X Y6600 X X X X X X X Y

13.200 X Y Y X X XX: Voltaje recomendado

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Y: Voltaje posible no recomendado(Referencia: Informacin de fabricante)

En instalaciones de gran capacidad es posible tener que seleccionar varios nivelesde tensin, aplicando cada uno para diferente utilidad, por ejemplo:

Del nivel mayor al menor se puede utilizar una tensin para los equipos de bombeoprincipales de 4160 V.

Una tensin de 480 V para bombas auxiliares, gras, mecanismos de apertura decompuertas, etc. y finalmente una tensin de 220/127 V para cargas de alumbrado yotras cargas pequeas.

1.6.1.1 Procedimiento para la determinacin de centros de carga y descripcin deparmetrosEn instalaciones grandes en donde la carga se encuentra concentrada en

determinados lugares es conveniente la distribucin del sistema en centros de carga.

Para ubicar los centros de carga de una instalacin y realizar un anlisis paraidentificar la alternativa ms adecuada a un buen diseo es necesario conocerprincipalmente los siguientes parmetros:

a) Levantamiento de cargas

Obtenga una distribucin de la carga de la instalacin en general con la localizacinde los equipos y sus caractersticas elctricas (potencia, tensin, fases, etc.).

En la mayor parte de las veces lo anterior no es posible por lo que deber de estimarla carga en funcin de instalaciones similares, elaborando sus propios ndices dewatts VA por m2 para las diferentes reas.

b) Determinacin de la demanda total

La suma de watts VA nominales de las cargas proporciona la carga conectadatotal. Dado que algunos equipos trabajan en forma intermitente y otros a menos desu capacidad plena, la demanda resultante es menor que la carga conectada.

c) Localizacin del centro de carga

En general, entre ms cerca se localicen los equipos de transformacin (cuando serequieran) del centro de carga del rea servida, menor sern los costos del sistemade distribucin. En caso de tener duda, es necesario realizar una evaluacin tcnico-econmica.

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d) Arreglo fsico

El arreglo fsico depende del proceso y complejidad de la instalacin por lo que esconveniente conocer las ventajas y desventajas de cada uno de stos como seindicarn en el captulo 3 (sistemas de distribucin) de este manual, para seleccionar

el adecuado.e) Seleccin de tensiones

Seleccione las mejores tensiones en cada uno de los niveles (baja y media tensin).Las tensiones del sistema son de los que influyen ms que ningn otro factor en laeconoma.

f) Expansiones futuras

Si la instalacin que se est proyectando prev expansiones futuras, cuide que losequipos soporten la carga adicional y verifique la utilizacin de equipo normalizadoestudiando la manera de conectar la nueva carga con un mnimo de costo.

g) Otros requerimientos

Tan pronto sea posible, debe de efectuarse una reunin con la empresasuministradora de energa elctrica para determinar los requerimientos del servicio,para poder analizar sus redes y proporcionar la informacin requerida para iniciar losclculos del proyecto.

h) Diagrama unificar

La realizacin de este diagrama nos permitir identificar en forma conjunta lascaractersticas de nuestra instalacin, o centros de carga.

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1.6.2 Arreglos bsicos (diagramas)

2

1 Interruptor general lado primario (A.T.)2 Transformador3 Interruptores secundarios (B.T.)

Figura 1.2 Radial simple

Sistema radial simple

Es el sistema sencillo por ocupar solamente un alimentador primario, un solotransformador o banco de transformacin, el transformador alimenta solo un bussecundario. Es el sistema ms empleado, su operacin y expansin en casonecesario son simples, se utiliza donde no es necesario una continuidad en elservicio, debido a que en caso de falla o mantenimiento el sistema quedacompletamente fuera (ver figura 1.2).

Ventajas y usos

Es el ms econmico de todos los sistemas, de fcil operacin y expansin simple;se emplea en pequeas industrias, donde el proceso puede interrumpirse y la plantapuede alimentarse con un slo transformador (ver figura 1).

Sistema radial expandido

Es un sistema similar al anterior con un solo alimentador primario con dos o mstransformadores que alimentan cada uno a un bus secundario, su operacin yexpansin es sencilla, en caso de falla de uno de los secundarios se aisla el rea

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afectada pero en caso de falla del alimentador primario queda fuera por completo elsistema (ver fig. 1.3 en pg.20).

Las ventajas que se tiene sobre el sistema anterior es el tener alimentadores mscortos y bajas corrientes de corto circuito. Se utiliza cuando la magnitud de la carga

requiere utilizar ms transformadores.Tiene las mismas desventajas del sistema anterior y su costo es ms elevado 25 a30% comparado con el sistema anterior.

Sistema primario selectivo

Este sistema tiene la caracterstica que dos alimentadores primarios llegan a cadabanco de transformacin. Se tienen el nmero de transformadores necesarios deacuerdo a la instalacin y normalmente se conecta la mitad de los transformadores acada uno de los alimentadores y solamente en caso de falla se conectan todos lostransformadores a un solo alimentador por lo que este debe tener la capacidadsuficiente para soportar la carga total, los seccionadores deben tener un bloqueopara impedir el cierre de los dos a la vez (ver fig.1.3).

Una ventaja es que se cuenta con dos fuentes distintas de alimentacin en elprimario. Otra ventaja es poder dar un mejor mantenimiento al equipo primario deseccionadores y buses. Como desventajas tiene que en caso de falla untransformador o tablero secundario que fuera por completo esa zona y su costo essuperior a los sistemas radiales, mayor entre 50 a 75% comparado con el radialsimple y 20 a 30% con el radial expandido, estos rangos son debido al nmero detransformadores empleados debido a qu tan compleja se quiera una instalacin conla misma carga instalada.

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4

2

3

2

3

4

1

4 Seccionadores bajo carga con fusibles (A.T.)

Figura 1.3 Radial expandido

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3 3

2 2

4 4 4 4

Figura 1.4 Radial selectivo en el primario

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1.7 RECOMENDACIONES1.7.1 Suministro de energa elctricaConociendo los principales datos de la instalacin elctrica, el usuario deberproporcionar a la ca. suministradora la siguiente relacin de datos:

1 Nombre del proyecto2 Localizacin de la instalacin3 Giro o tipo de proyecto4 Demanda mxima requerida5 Capacidad instalada6 Fecha programada para recibir el servicio elctrico7 Continuidad de servicio8 Caractersticas principales del equipo (nmero y capacidad de motores,

tipo de arranque, voltaje de utilizacin, etc.)

Posteriormente la compaa suministradora deber proporcionar al usuario la

siguiente relacin de datos:

1 Tensin de suministro2 Tolerancia de variacin de la tensin3 Tipo de acometida (area subterrnea)4 Frecuencia5 Tolerancia de la variacin de la frecuencia6 Nmero de fases y nmero de hilos7 Capacidad de corto circuito mxima y mnima8 Continuidad del servicio (estadsticas de fallas indicando el tiempo y nmero deinterrupciones, as como la frecuencia de maniobras por mantenimiento)

9 Programa y presupuesto de obras necesarias para el suministro

1.7.2 Coordinacin con otras reas de ingenieraAl disear la instalacin elctrica, deber ser con la participacin del personal que seindica a continuacin, el cual nos puede indicar con mayor certeza los siguientescriterios:

Ingeniera mecnica, hidrulica y proceso

Informacin referente a potencia requerida en equipos de bombeo, gras,compresores, etc. As como establecer la lgica de control, proteccin y medicin en

electrovlvulas, torres de oscilacin, paros y arranques de equipos, etc.

Las necesidades de continuidad del proceso de sectores, grupos, unidades, etc.

Equipos y mquinas que por su importancia puedan quedar fuera o en servicio en uncaso de emergencia.

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Requerimientos de automatizacin: control bajo nivel, bloqueo mecnico, alto nivel,turbidez, P.H., etc.

Alimentacin elctrica especial para la operacin de electrovlvulas, medicin degasto, indicadores sonoros o luminosos (lmparas de obstruccin), etc.

La necesidad de ampliaciones o cambios futuros

Arreglo general de la planta (definicin de la localizacin de equipos, edificios demquinas, crcamo de bombeo, vas de acceso, zonas de maniobra, etc.).

Ingeniera civil

Definicin de las preparaciones de la obra civil como son bases, huecos,acondicionamiento de locales, etc., de acuerdo a las dimensiones y pesos de losequipos.

rea de mantenimiento y operacin:

Procedimiento para la instalacin de tal forma que su mantenimiento sea sin riesgosy con facilidad.

Procedimiento para el arreglo de equipo de tal suerte que en caso de mantenimientopreventivo la instalacin conserve cierta continuidad del servicio.

Seguimiento del anlisis de alternativas

Se tiene la posibilidad que en el desarrollo de un proyecto elctrico se encuentrenfallas que no se contemplaron desde el inicio, o que por necesidad de las otras reasde ingeniera se tengan que ajustar algunos datos o variables del proyecto, por lo queproporcionar una metodologa de ajuste resultara inapropiada, lo que se recomienda,es apegarse a los parmetros enunciados en el anlisis de alternativas y procurartener buena comunicacin con las otras reas para evitar estas modificaciones.

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BIBLIOGRAFA

Instalaciones Elctricas IndustrialesGILBERTO ENRIQUEZ HARPER

Recommended Practice for Electric PowerDistribution for Industrial PlantsANSI/IEEE std 141-1986

Manual del Montador Electricista.JOHN H. WATT

Normas Tcnicas Para InstalacionesElctricasSECOFI

Instalaciones Elctricas IndustrialesPEDRO CAMARENA M

Norma Oficial MexicanaNOM-001-SEMP-1994

Instalaciones Elctricas PrcticasONSIMO BECERRIL

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CONTENIDO

2. MTODOS DE CLCULO DEL SISTEMA DE FUERZA .....................................21

2.1. INTRODUCCIN ...............................................................................................21

2.2. CLCULO DE CORTO CIRCUITO ....................................................................212.2.1. Corto circuito trifsico......................................................................................212.2.2. Corto circuito monofsico................................................................................242.2.3. Ejemplo de aplicacin......................................................................................25

2.3. CLCULO Y SELECCIN DE CONDUCTORES ELCTRICOS.......................302.3.1. Cables de energa...........................................................................................302.3.2. Cables de baja tensin....................................................................................342.3.3. Ejemplo de aplicacin para cables de baja tensin.........................................372.3.4. Ejemplo de aplicacin para cables de media tensin......................................40

2.4. CADA DE TENSIN AL ARRANQUE DE MOTORES......................................432.4.1. Mtodos de arranque ......................................................................................432.4.2. Procedimiento de clculo ................................................................................432.4.3. Ejemplo de aplicacin......................................................................................46

2.5. FACTOR DE POTENCIA ...................................................................................492.5.1. Introduccin.....................................................................................................492.5.2. Determinacin del factor de potencia ..............................................................502.5.3. Procedimiento de clculo para correccin del factor de potencia porcapacitores................................................................................................................552.5.4. Ejemplo de aplicacin......................................................................................57

2.6. CLCULO Y SELECCIN DE REACTORES LIMITADORES DE CORRIENTE612.6.1. Criterios bsicos de seleccin.........................................................................612.6.2. Mtodo de clculo ...........................................................................................622.6.3. Ejemplo de aplicacin......................................................................................65

2.7. TABLAS..............................................................................................................66

2.8. FIGURAS .........................................................................................................103

2.9. BIBLIOGRAFIA ................................................................................................111

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2. MTODOS DE CLCULO DEL SISTEMA DE FUERZA2.1. INTRODUCCINEste captulo comprende los procedimientos del clculo de: corto circuito, clculo yseleccin de conductores, cada de tensin al arranque de motores, correccin defactor de potencia y seleccin de reactores limitadores de corriente.

En el procedimiento de clculo de corto circuito se establecen dos casos, uno cuandoocurre una falla trifsica, la cual produce la mxima corriente de corto circuito y otrocuando se origina un corto circuito monofsico, que es el ms comn. En ambos seproporcionarn las bases necesarias para la determinacin de los valores de cortocircuito, utilizando para este fin el mtodo de por "unidad", que constituye un medioaproximado para determinar el valor de las corrientes de corto circuito, el cual seconsidera prctico, sencillo y confiable, adems de ser uno de los ms utilizados.

En cuanto al procedimiento para la seleccin de conductores se consideran losclculos por ampacidad, cada de tensin, regulacin de tensin (para cables de

energa) y la comprobacin por corto circuito, as mismo se muestra el procedimientopara la seleccin de la tubera.

Considerando que para el arranque, los motores de c.a. para uso general, tanto jaulade ardilla como sncronos necesitan una corriente a tensin plena de cinco a diezveces la corriente nominal y que tales aumentos sbitos de corriente, tomada delsistema de alimentacin, causan cadas de tensin considerables en el sistema, porlo que se establecen los mtodos de arranque, el procedimiento de clculo y semencionan algunas recomendaciones para tratar de reducir las cadas de tensinexcesivas.

Por otra parte se proporcionan las consideraciones generales para la correccin defactor de potencia, donde se mencionan algunos mtodos de compensacin y sedesarrollan los procedimientos de clculo, mencionando recomendaciones decarcter general.

Por ltimo se muestra el procedimiento de clculo para la seleccin de reactoreslimitadores de corriente, en el cual se establecen criterios de carcter general.

2.2. CLCULO DE CORTO CIRCUITO2.2.1. Corto circuito trifsico2.2.1.1. Diagrama unifilarEl procedimiento de clculo se inicia preparando un diagrama unifilar en el cual seindican los elementos y parmetros que influyen en el clculo como son las fuentesde energa y elementos pasivos.

Los elementos y parmetros que intervienen en el clculo de corto circuito son:

a) Acometida elctrica: Potencia o corriente de corto circuito.

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b) Generadores: Capacidad (MVA) y reactancia subtransitoria (xd).

c) Motores: Capacidad (C.P.) y reactancia subtransitoria (xd).

d) Transformadores: Capacidad (KVA), reactancia (Z%) y tensin primaria y

secundaria.e) Reactores: Capacidad (KVA), reactancia (Z%).

f) Cables: reactancia, longitud y tensin de operacin.

2.2.1.2. Diagrama de reactanciasEl diagrama de reactancias se forma a partir del diagrama unifilar, cada uno de loselementos pasivos sustituyendo por sus impedancias correspondientes, todas lasfuentes generadoras de tensin (donde aplique) desaparecen y en su lugar secolocan las impedancias propias o internas.

Para determinar el comportamiento de la red en el corto circuito en un mododeterminado, se dibuja una red equivalente y mediante aritmtica simple,transformacin en serie, paralelo y delta estrella, y se determina el valor de laimpedancia y equivalente.

Se deber obtener del fabricante los valores especficos (reactancias, resistencias,potencia, tensin, etc.) de los diferentes equipos y elementos del sistema, cuando nosea posible obtenerlos se emplearn los valores que se dan en las tablas 2.1, 2.2,2.3, 2.4, 2.5 y 2.6.

Los motores con tensin nominal de 600 volts e inferiores, se agrupan indicando sureactancia equivalente, de acuerdo a lo indicado en la tabla 2.2 (ANSI/IEEE-C37.13-1981 y IEEE std-141-1993).

2.2.1.3. Conversin de reactancias a una potencia baseTodas las reactancias de los diferentes elementos debern convertirse a su potenciade aportacin al corto circuito de acuerdo con las siguientes frmulas:

a) Para el sistema de suministro:

Conociendo la potencia de corto circuito trifsico:

CC

b0 kVA

kVAX =1 (2.1)

Conociendo la corriente de corto circuito trifsico:

bcc

b0

kVI3

kVAX =1 (2.2)

R

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23

Conociendo la reactancia equivalente del sistema en por unidad ( X'0/1 ) adeterminada potencia base en kVA':

=

kVAkVA

XX b0/10/1 (2.3)

b) Para un transformador:

t

b0/1t0/1 kVA

kVAXX = (2.4)

c) Para los conductores:

b2

b0/1 1000kV

kVARR = (2.5)

X

Z

0/1b

2b

0/1 0/1 0/1

XkVA

1000kV

R JX

=

= +

(2.6)

d) Para los motores:

X X % /100kVA

kVA0/1 mb

m

= (2.7)

Para generadores usar X"ddonde:

X0/1 Reactancia por unidad

kVAb Potencia base

Z0/1 Impedancia por unidad

kVb Tensin entre fases

ICC Corriente de corto circuito

kVA' Potencia base (Suministro por C.F.E.)

R0/1 Resistencia por unidad

Xm% Reactancia del motor en porciento

kVAt Potencia del transformadorCon estos valores se elabora el diagrama de reactancias equivalente de la red.

R

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24

2.2.1.4. Clculo de la corriente de falla:Para calcular la corriente de corto circuito en el punto de falla se aplicar laexpresin:

Iccb

eqtot b

kVA

3 Z kV= (2.8)

donde:Zeqtot = Impedancia equivalente total de secuencia positiva

Para la determinacin de la corriente de corto circuito asimtrico se deber utilizar elfactor de asimetra (K) que est en funcin de la relacin X/R de la instalacin y quepara fines prcticos se considerar de un valor de 1.25.

La expresin ser la siguiente:Iccasim = I Kcc (2.9)

2.2.2. Corto circuito monofsicoEn este clculo la corriente se ve afectada por la forma que se encuentranconectados los neutros de los equipos al sistema de tierras, ya que presentan retornode corriente de secuencia cero, por lo que es necesario considerar este aspecto en ladenominada red de secuencia cero, ver figura. 2.1 y 2.2.

2.2.2.1. Diagrama unifilarSe procede igual que el punto 2.2.1.1 y se considera la forma de conexin del neutroa tierra.

2.2.2.2. Diagrama de reactanciasProceda igual que en el punto 2.2.1.2.

2.2.2.3. Conversin de reactancias a una potencia baseSe procede igual que en el punto 2.2.1.3.Con estos valores por unidad se elaboran los diagramas de secuencia positiva (+),negativa (-) y cero (0).Las tres mallas de secuencia se debern conectar en serie

2.2.2.4. Simplificacin de diagrama de reactanciasEsta simplificacin se realiza para obtener el diagrama de reactancias equivalente enel punto de falla de las tres redes de secuencia, positiva, negativa y cero tomando enconsideracin que estas dependen de la conexin a tierra de los neutros detransformadores, generadores, motores y sistema.

Se interconectan las tres redes de secuencia y se combinan las reactancias hastaobtener la reactancia total equivalente.

R

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25

2.2.2.5. Clculo de la corriente de fallaPara calcular la corriente de corto circuito de falla a tierra o monofsica, se aplicanLas siguientes expresiones:

ccsimccasim

021

N-Lccsim

base

2p.u.

ohm

kII

X+X+X

3VI

kVA

1000kVXX

=

=

=

(2.10)

El clculo de la potencia de corto circuito se efecta por medio de la expresinsiguiente:

P

kV

Zccsim eqtot= (2.11)donde:Xohm Reactancia equivalente en ohmsXp.u Reactancia equivalente de secuencia positiva o negativa o cero en p.u.Xeq mot Reactancia equivalente del motor en ohmsX1 Reactancia equivalente de secuencia positiva en ohmsX2 Reactancia equivalente de secuencia negativa en ohmsX0 Reactancia equivalente de secuencia cero en ohmskV Tensin de lnea en el punto de falla, en kVkVAbase Potencia base en kVA

V

L-N

Tensin de fase a neutro en VoltsIccsim Corriente de corto circuito monofsica simtrica en amperesIccasim Corriente de corto circuito monofsica asimtrica en amperes

k Factor de asimetraZeqtot Impedancia equivalente total

2.2.3. Ejemplo de aplicacinCalcular el valor de la corriente de falla trifsica (simtrica y asimtrica) y monofsicaen el bus de 4160 volts, de acuerdo al siguiente diagrama unifilar.

R

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a) Diagrama unifilar.

b) Clculo de la falla trifsica.Potencia base.

kVABASE = 10,000

Sistema de suministro.

X =10,000500,000

= 0.02R

Transformadores.

0.8=1000x100

10,000x8

=X

0.217=3000x100

10,000x6.5=X

T2

T1

480 V

kVsistema = 23MVACC= 500 MVA

3000 kVA23/4.16 kVZ%=6.5

T1

1000 kVA4.16/0.48 kVZ%=8

3/C, 4/0 122m, x = .0153/C, 300MCM183m, x=0.023

4.16 kV

4.16 kV

*600 C.P. *600 C.P.motorsncrono

motores de induccin1000 kVA,Xequimot = 25 %

*motores deinduccin

Xd = 16.7 %

500 C.P.Xd = 16 %Xd = 27 %

falla

T2

R

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Motores de induccin.

X16.7 x 10,000

100 x 600= 2.783

X =

25 x 10,000

100 x 1000 = 2.5

4.16 kV

480V

=

Motor sncrono.

X =16 x 10,000100 x 500

= 3.2S

Cables.

0.009=4.16x1000

10,000x0.015=X

0.013=4.16x1000

10,000x0.023=X

24/0

2300MCM

c) Diagrama de reactancias equivalente

Para la reduccin de las reactancias del diagrama mostrado se procede de la formasiguiente:

1.- Las reactancias en serie se encontrar su equivalente como la suma algebraicade cada una de las reactancias involucradas.

Xeqs = X1 + X2 +.......+ Xn (2.12)

2.- Las reactancias en paralelo se encontrar su equivalente como la sumaalgebraica de los recprocos de cada una de las reactancias involucradas.

FALL

XR= 0.02

XT1=

X300MCM= X4/O= 0.009

X480V= 2.5

XT2= 0.8

X4160 kV= X4.16kV= 2.78 XS= 3.2

R

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28

1

X

11

X

1

X.......

1

Xeqp

1 2 n

=+ + +

(1)(2) (3)

(1) Xeqs = 0.02 + 0.217 = 0.237

( )21

32

1

X= 0.013 +

11

2.783+

12.783

= 0.983eqp

+.

(3) Xeqs = 2.5 + 0.8 + 0.009 = 3.309

(1) (2) (3)

1

X = 0.181eqp = + +

1

1

0237

1

0 983

1

3309. . .

=10000

3 x0.181x4.16= 7667.742 A

= 1.25x7667.742 = 9584.677 A

I

I

ccsim

ccasim

XR=0.02

XS=3.2

XT1=0.217

X300 MCM=0.013

X4.16kV= X480V=2.5

XT2=0.8

X4/0=0.009

falla

2.783

X4.16kV=

2.783

0.237 0.983 3.309

falla

R

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Clculo de la falla monofsica

El diagrama de reactancia de secuencia positiva es igual al de la falla trifsica, por lotanto, la reactancia de secuencia positiva es X1 = 0.181 p.u.

El valor de la reactancia de Sec (-) es igual a la Sec (+) X2 = 0.181 p.u.Diagrama de Sec (0)

La reactancia de Sec (0) es igual a reactancia del transformador 1.

X0 = XT1 = 0.217 p.u.

Todos los motores tienen conexin delta.

sim.A.7,194.313=0.376+0.313+0.313

3

41603

=I

0.376=10000

x10000.217x4.16=X

0.313=10000

x10000.181x4.16=X=X

cc1

2

0

2

21

Referencia

falla 1

XT1

XR XT2

P S

0.181 p.u

0.181 p.u

0.217 p.u

R

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2.3. CLCULO Y SELECCIN DE CONDUCTORES ELCTRICOS2.3.1. Cables de energaEstos cables tienen como funcin primordial la de transportar energa elctrica desdelas fuentes de generacin hasta los puntos de consumo, para su utilizacin, por locual es de vital importancia su adecuada seleccin.

2.3.1.1. Consideraciones generalesa) Caractersticas fsicas del conductor

Tipo de instalacin (al aire libre o subterrnea)

Tipo de canalizacin (en conduit, charola, directamente enterrado o en banco deductos)

Temperatura (ambiente y del terreno), humedad relativa, explosiva

Trayectoria (longitud y profundidad)

b) Seleccin de cables de energa

Utilice "EP" en locales hmedos y secos y directamente enterrados

Utilice "EP" dentro de edificios, subestaciones y en general, en cualquier trayectoriade instalacin con una longitud hasta de 150 metros

Utilice "XLP" para trayectorias de instalacin con longitudes mayores a los 150metros

c) Niveles de aislamiento:

Si los cables de energa se instalan en sistemas protegidos con relevadores queliberen fallas a tierra lo ms rpido posible, en un tiempo no mayor a un minuto, o siel sistema tiene neutro a tierra utilice un nivel de aislamiento del 100% (NMX-J-142-1994-ANCE)

Si los cables de energa se instalan en sistemas con neutro aislado o si el tiempo deliberacin de falla no excede en ms de una hora utilice un nivel de aislamiento del133% (NMX-J-142-1994-ANCE)

2.3.1.2. Clculo del calibre mnimo.Clculo por corriente

a) Calcule el valor de la corriente nominal ( In ) de los equipos

Recabe caractersticas elctricas de los equipos a alimentar y aplique las frmulascorrespondientes de acuerdo a las indicadas en la tabla 2.7.

R

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31

b) Determine los factores de correccin de acuerdo al tipo y forma de instalacin

Factor de correccin por temperatura ( FCT ), aplicar tablas 2.8 y/ 2.9.Considerar la temperatura de operacin del conductor de 90 C.

Factor de correccin por profundidad (FCP), aplicar tabla 2.10.Factor de correccin por agrupamiento (FCA), aplicar tablas 2.11, 2.12, 2.13.

c) Correccin del valor de corriente nominal

Considerando los factores indicados en el punto 2.3.1.2 inciso b.

Aplicar la siguiente frmula:

II

cn=

( )( )( )FCA FCT FCP(2.12)

donde:Ic Corriente corregida en AmperesIn Corriente nominal del equipo en amperesFCA Factor de correccin por agrupamientoFCT Factor de correccin por temperaturaFCP = Factor de correccin por profundidad

En caso de motores de servicio continuo aplique un factor del 125% de la corrientenominal del motor a plena carga. Segn Art. 430-22 y Art. 430-23 NOM-001-SEMP-1994.

En caso de motores de servicio no continuo vertabla 2.14 segn articulo 430-23(b)NOM-001-SEMP-1994.

Cuando se alimenten varios motores o motor y otras cargas debern tener unacapacidad de conduccin de corriente, igual a la suma de las corrientes a plenacarga nominales de todos los motores, ms el 25% de la corriente nominal del motormayor del grupo, ms la corriente nominal de otras cargas, segn artculo 430-24,NOM-001-SEMP-1994.

En caso de capacitores aplique un factor del 135% de la corriente nominal decondensador, segn artculo 460-8. NOM-001-SEMP-1994.

d) Determinacin del calibre del conductor por corriente

Con el valor de corriente calculado en el paso "c" y catlogos de fabricante,seleccione el calibre del conductor que conduzca una corriente superior a lacalculada.

R

squeda por palabra


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32

Para elegir el calibre emplee las curvas o datos del fabricante a un factor de cargadel 75%. Considere que el factor de carga est definido como la corriente de cargapromedio dividida entre la mxima corriente de carga para un perodo dado. Consultemanual tcnico de cables de energa condumex, o curvas de algn otro fabricante.

Si el valor de la corriente corregida es superior a la capacidad permisible deconduccin del cable de energa calibre 750 kCM (en cualquier forma de instalacin).Utilice conductores en paralelo del calibre resultante, verifique que el factor decorreccin por agrupamiento (FCA) sea adecuado a esta nueva situacin, si no lo es,repita este procedimiento, segn el punto 2.3.1.2 inciso (b).

2.3.1.3. Clculo por regulacin de tensina) Verificar calibre por regulacin de tensinAplicar la siguiente expresin:

Regulacin (% )RV

Vn=

100% (2.13)

donde:V= Cada de tensin al neutro en kVVn= Tensin al neutro en kV

b) Para calcular (V) Realice lo siguiente:

Determine el valor de resistencia (R) en c.a. del conductor seleccionado en el inciso"d" del punto 2.3.1.2. Aplique tabla 2.15 y la temperatura de operacin del conductora 90 C.

Calcule el radio medio geomtrico (RMG) del conductor. Utilice tablas 2.16 y 2.17.

Calcule la distancia media geomtrica (DMG) e inductancia (L) del conductor. Apliquetabla 2.18.

Calcule la reactancia inductiva (XL) del conductor.Aplicar formula:

XL FL= 2 (2.14)donde:

XL Reactancia inductiva del cable en ohms/KmF Frecuencia en Hz (aplique el valor de 60 Hz)L Inductancia en H/Km

Calcule el valor de impedancia ( Z ) del conductor.Aplicar frmula:

Z R jXL= ( )l (2.15)

donde:Z = Impedancia del cable en ohmsR = Resistencia en CA: del cable en ohms/Km

R

squeda por palabra


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33

XL= Reactancia inductiva del cable en ohms/Kml = Longitud del cable en Km

Obtenga el valor de cada de tensin al neutro (V).Aplicar frmula:

D

V = (Z)( In)donde:DV = Cada de tensin al neutro en voltsZ = ZL Impedancia del cable en ohmsIn = In L = Corriente nominal del equipo a alimentar (utilizar el valorobtenido en el inciso (a) del punto 2.3.1.2., en amperes). = Arc. cos (FP), para efectos de clculo en este procedimientoFP = 0.9(-) y = -25.84 = Arc. tag (XL/R)

Si desea puede utilizar los valores absolutos de In y Z.

Obtenga el valor de tensin al neutro (V n ).

Aplicar la frmula:

VTensin de

n =lnea en volts

3

(2.16)

c) Determine el valor del % de regulacin, si este valor excede del 3% (en un circuitoderivado) verifique el calibre del conductor y repita el paso 2.1.3.

2.3.1.4. Clculo por corto circuitoa) Verificar calibre del conductor por corto circuito.Determine la mxima corriente de falla que deber soportar el conductor antes deque operen los dispositivos de proteccin.

Aplicar Frmula:

I =MVA 1000

Ecccc

3(2.17)

donde:Icc =Mxima corriente de falla en amperes.

MVAcc

=Potencia de corto circuito en MVA

Para efectos de clculo en este procedimiento considere:Para 4.16 KV - 250 MVAPara 13.8 KV - 750 MVA

E = Tensin de lnea donde se conectar el conductor en kV

R

squeda por palabra


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34

Con el valor de Icc y el tiempo de operacin del dispositivo de proteccin, determineen las figuras 2.3 y 2.4 el calibre del conductor.

2.3.1.5. Seleccin del dimetro de tuberaa) Calcule el rea que ocupar el alimentador.

Aplicar Frmula:A M dt( ) ( / )=

2 4 (2.18)

donde:A( )t = rea total del alimentador en mm

2

d = Dimetro exterior nominal del conductor, obtener de catlogos defabricante incluyendo aislamiento, en mm

M = Nmero de conductores que forman el alimentador

b) Calcule el rea de la tubera.

Aplicar Frmula:

A =A

tub

(t) 100

40(2.19)

donde:Atub = rea de la tubera en mm2

Determine el dimetro de la tubera

Aplicar frmula:

d =4 A

tub tub

(2.20)

donde:dtub= Dimetro de la tubera en mm

c) Seleccin del ancho de charola

Aplique tabla 2.13.

2.3.1.6. ObservacionesEste procedimiento aplica para cables de energa desde 5 hasta 34.5 kV.

Para la determinacin del calibre apropiado del conductor, elija el calibre que hayaresultado mayor de los diferentes mtodos de clculo realizados.

2.3.2. Cables de baja tensinSe puede considerar como conductor para baja tensin a todo aquel que tenga unaislamiento que le permita operar en voltajes de hasta 1000 volts en condiciones deseguridad apropiadas. De la adecuada seleccin del conductor depende lacontinuidad de servicio en una instalacin, previniendo posibles fallas.

R

squeda por palabra


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35

2.3.2.1. Consideraciones generalesa) Caractersticas fsicas de instalaciones del conductor.

Tipo (al aire libre o subterrneo)Forma (en tubo, charola, o en banco de ductos)

Temperatura (ambiente y del terreno)Trayectoria (longitud y profundidad)

b) Seleccionar cable de baja tensin.

Considere: Cable tipo RHW, THW o THWN (para locales secos y hmedos).

2.3.2.2. Clculo por CorrienteConsidere los factores siguientes:

a) Calcule el valor de la corriente nominal (In) de los equipos.

Recabe las caractersticas elctricas de los equipos a alimentar y aplique la tabla 2.7.

b) Determine factores de correccin de acuerdo a forma y tipo de instalacin.

Aplicar los factores de correccin siguientes:

Factor de correccin por temperatura (FCT).

Aplicar tabla 2.19.

Considerar la temperatura de operacin del conductor a 75C (ambiente hmedo).

FCT = 1.0 si la temperatura ambiente es igual o menor a 30 C.

Factor de correccin por agrupamiento (FCA).

Aplicar las tablas 2.20 y 2.13.

FCA = 1.0 si el nmero de conductores es igual a 3 o menor.

c) Correccin del valor de la corriente nominal

La corriente nominal se afecta considerando los factores de correccin determinadosen el punto 2.3.2.2., inciso (b).

Aplicar Frmula:

ICnI

(FCT)(FCA)= (2.21)

R

squeda por palabra


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36

donde:Ic = Corriente corregida en ampersIn = Corriente nominal del equipo en ampers

En caso de motores de servicio continuo aplique un factor del 125% de la corriente

nominal del motor a plena carga. Segn artculo 430-22 y artculo 430-23 NOM-001-SEMP-1994.

En caso de motores de servicio no continuo ver tabla 2.7. Segn artculo 430-23(b)NOM-001-SEMP-1994.

Cuando se alimenten varios motores o motor y otras cargas debern tener unacapacidad de conduccin de corriente, igual a la suma de las corrientes a plenacarga nominales de todos los motores y/o equipos ms el 25% de la corrientenominal del motor mayor del grupo. Segn artculo 430-24 NOM-001-SEMP-1994.

d) Determine el calibre del conductor por corriente:

Con el valor de la corriente calculado en el inciso c de este punto y columna a 75Cde la tabla 2.21, seleccione el calibre del conductor adecuado (que conduzca unacorriente superior a la calculada).

Si el valor de la corriente corregida es superior a la capacidad permisible deconduccin de corriente, del cable con calibre 750 KCM (de cualquier forma deinstalacin), utilice dos o ms conductores por fase del calibre resultante, verificandosi el (FCA) es el adecuado, a esta nueva condicin, si no lo es, repita elprocedimiento desde el punto 2.3.2.2. inciso (b).

2.3.2.3. Clculo por cada de tensina) Verificar calibre por cada de tensin.Aplicar tablas 2.7 y 2.21.

Considere los factores siguientes:

Utilice la seccin transversal del conductor seleccionado en el punto 2.3.2.2., inciso(b).

La cada de tensin (e%) total del circuito alimentador y derivado no debe exceder

del 5%, referirse a los artculos 210-19 y 215-2. de la NOM-001-SEMP-1994.Para efectos de clculo en este procedimiento considere:

Para circuitos alimentadores e% = 3%Para circuitos derivados e% = 2%

R

squeda por palabra


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37

Si el valor de la cada de tensin (e%) excede el valor considerado, verifique elcalibre del conductor y repita el paso indicado en el punto 2.3.2.3.

2.3.2.4. Clculo por corto circuitoVerificar el calibre del conductor por corto circuito.

Realice este paso solamente para alimentadores a CCM en 480 volts.Determine la mxima corriente de falla que deber soportar el conductor antes deque opere el dispositivo de proteccin.

Aplicar Frmula:

ICC =

MVA

ECC 1000

3(2.22)

donde:ICC Mxima corriente de falla en amperes

MVACC Potencia de corto circuito en MVAE Tensin de lnea en kV

Para efectos de clculo en este procedimiento considere:Para 480 volts una ICC= 25000 amperes simtricos.

Con el valor de ICC y tiempo de liberacin de falla, determine de la figura 2.4 elcalibre del conductor.

2.3.2.5. Seleccin del dimetro de la tuberaAplique la tabla 2.22.

2.3.2.6. Observaciones.Este procedimiento aplica para conductores en baja tensin (600 volts o menos) enc.a. y c.d.

Para la determinacin del calibre apropiado del conductor, elija el calibre que hayaresultado mayor de los diferentes clculos realizados.

2.3.3. Ejemplo de aplicacin para cables de baja tensinCalcular el calibre mnimo de un alimentador de un motor de induccin jaula ardillatrifsico, 60 Hz 6a C:P: (45 kW), 440 V., cuya trayectoria del CCM al motor es de lasiguiente forma.

a) Canalizacin por medio de charola de aluminio libre de cobre dentro del cuarto decontrol (aproximadamente 6 metros con tolerancia para curvas).

b) Canalizacin por medio de tubera conduit de fierro galvanizado desde el cuarto decontrol hasta el motor (59 m), sta condicin regir para fines de clculo.

Por lo tanto la longitud total del circuito ser de 65 m.

R

squeda por palabra


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38

1) Clculo de la corriente nominal, aplique la tabla 2.7.

=3(440 )(0.90)(0.82)

In746 60 44760

562 437958

= =

.. A

Para el caso de la eficiencia y factor de potencia (FP) aplique la tabla 2.23 para unmotor a 1800 RPM o bien para obtener la corriente nominal del motor aplique la tabla2.25 (tabla 430-150 NOM-001-SEMP-1994).

De donde se obtiene In=80 A

Determinacin de los factores de correccin

La temperatura ambiente mxima puede llegar a ms de 40C para casas demquinas por lo cual el factor de correccin por temperatura de la tabla 2.19 entre41C y 45C para un aislamiento THW, 75 C es 0.82.

FCT = 0.82

Las condiciones en la charola corresponden al aire y con separacin entre conductory conductor.

En tubo irn 3 conductores, de manera que el factor de correccin por agrupamientoes:

FCA = 1

Correccin del valor de la corriente nominal (tomando el valor mayor)I =

I

(FCT)(FCA)Cn (2.23)

I =80

(0.82)(1)97.56 AC =

Aplicando el 125% segn, el punto 2.3.2.2 inciso (c)

Donde la corriente corregida es:

Ic = 97.56 AMP (1.25) = 121.95 A

Determinacin del calibre del conductor

De acuerdo con la tabla 2.21 se usar un conductor calibre 1/0 AWG, con unaseccin transversal de 53.48 mm2.

R

squeda por palabra


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39

b) Comprobacin por cada de tensin

e% =2 3

E S

l In (2.24)

e

m A

V mm% =

( . )( )( )

( . )

2 1732050 65 80

440 5348 0762 = .

Est cada es inferior al 3%, por lo tanto el conductor de calibre 1/0 AWG esapropiado.

c) Clculo por corto circuito.

I =MVA 1000

3cc

CC

0440.(2.25)

Este valor es obtenido del clculo de corto circuito, en donde se tiene una potenciade corto circuito de 9.7274 MVA y para la cual la

CCes:

ICC=12764 A en las barras

Con est ICC y el tiempo mximo de duracin en falla, que se estimaconservadoramente en 8 ciclos (0.1333s), se obtiene la CC permisible en elconductor, ver figura 2.4.

O bien aplique la frmula:

t

234

234Tlog0.0297

A=1

2

+

+

T

I (2.26)donde:

I Corriente de corto circuito permisible en amperesT1 Temperatura mxima de operacin a 90CT2 Temperatura mxima de corto circuito 150C

A rea del conductor en circular Mils

t Tiempo (de liberacin de falla) de corto circuito en segundos

El rea en circular mils es 105560, para cal 1/0 AWG.

0.1333

23490

234150log0.0297

105560=

++

I

I=13534.74 A, ( permisible en el conductor).Con lo cual se comprueba que el conductor es el adecuado.

R

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40

d) Seleccin del dimetro de la tubera.

Para tres conductores con aislamiento THW a 75C, en la parte en que estos sealojen en tubera se aplica la tabla 2.22 con un porcentaje de relleno del 40 %.La tubera seleccionada es de 51 mm.

2.3.4. Ejemplo de aplicacin para cables de media tensinCalcular el calibre mnimo del alimentador de una subestacin que tiene 5transformadores de 300 kVA y 5 de 500 kVA, 13200/440-220 volts, desde una casetade medicin a cien metros de distancia. La instalacin deber ser subterrnea, conuna temperatura media del terreno de 25 C. El factor de carga considerado es de 75%.

Como informacin adicional, se dispone de equipo de proteccin especial, perocualquier falla a tierra ser disipada en menos de 1 hora. Por lo tanto los cables aemplear debern ser de categora 133 % nivel de aislamiento.

El factor de potencia del sistema es de 0.90.

En este ejemplo se pueden usar cables XLP o EP.

Se decide usar cable polycon EP 15 kV, catlogo de cables de energa 1a 69 kV-cat003 conductores Monterrey 133 % nivel de aislamiento, conductor de cobre, enconstruccin monopolar.

a) Clculo de la corriente nominal

Carga = 300 (5) + 500 (5) = 4000 kVA

In =kVA

3kV

4000

1.73 13.2175 A=

=

Los datos de instalacin son los siguientes:

Un ducto subterrneo formado por un tubo con tres conductores, monopolares,temperatura del terreno mximo de 30C.

Longitud de la lnea 100 m

Factor de potencia igual a 0.90

Factores de correccin

Conductor de cobre, instalacin subterrnea en ductoFCT = 0.97FCA= 1.00

R

squeda por palabra


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FCP = 1.00

Ver tablas 2.8, 2.10 y 2.11

I =175

1(1)(0.97)Ac = 18041.

Seleccin del conductor.

Considerando un 75% factor de carga, aplicando datos de fabricante, para obtener lacapacidad de corriente para cables Polycon EP, 8001-15,000 volts, conductor decobre, se encuentra que el calibre 1/0 AWG puede conducir 220 amperes.

b) Clculo por cada de tensin

%REG =V

Vn

100 (2.27)

R20 = 0.329 ohms/km

R90 = 0.329 (1+ 0.00393 X 70) = 0.41 ohms/km.; Que es la resistencia de cable enohms/km

DMG = 3 a b c D = 3 (2.28)

D

D=26.2 mm de dimetro exterior del conductor aislado proporcionado en la tabla dedimensiones y pesos para los cables polycon-R90, conductores Monterrey.

De la tabla de dimensiones y caractersticas del cable sin aislamiento, se obtiene queel radio del conductor desnudo es 4.74 mm Catlogo conductores Monterrey paracables polycon EPR-8001-15,000 volts.

RMG = 0.758 r

RMG = 0.758(4.74) = 3.59 mm

ohms/km1499.0)1059.3

2.26log605.4)(601420.32(X 4L ==

V V = 0.07%= + =1751001000

04195 08 01499 06 745( . . . . ) .

R

squeda por palabra


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Que es la cada de tensin al neutro ( V)

V =13,200

3Vn = 762102.

% Reg = 7.45762102

100 0098.

. =

Determinndose que el calibre 1/0 AWG Polycon EPR es adecuado.

c) Clculo por corto circuito.

A31376.8113.83

1000MVA750=Icc =

Con est corriente y el tiempo de liberacin de falla de 8 ciclos (0.1333), sedetermina el calibre del conductor, segn la figura 7.8.3.

Donde el calibre adecuado es: 2/0 AWG.

Con un rea igual a 67.40 mm2 y un dimetro de 27.30 mm.

d) Seleccin del dimetro de la tubera.

4

30.271416.33=

2

)(tA

2)( 052.1756= mmA t

40

100052.1756 =TUBA

24390 mmATUB =

1416.3

43904 2mmdTUB

=

dTUB = 75 mm Por lo tanto el dimetro de la tubera comercial ms prxima ser 76 mm (3 pulg).

R

squeda por palabra


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43

2.4. CADA DE TENSIN AL ARRANQUE DE MOTORES2.4.1. Mtodos de arranqueNormalmente se prefiere un arranque a tensin plena, puesto que permite obtener elmayor par a rotor bloqueado y de aceleracin, aunque este mtodo es el mssencillo, barato y confiable tambin es el que demanda las mayores corrientes

durante el perodo de arranque. Cuando se utilice algn mtodo de arranque atensin reducida con parte de los devanados del motor o combinando conexionescon la finalidad de reducir, los pares transitorios en la flecha del motor en operacin,la corriente de arranque, la cada excesiva de voltaje que puede evitar la aceleracinde la transmisin a la velocidad normal y provocar el mal funcionamiento de otrosdispositivos como relevadores y contactores, y evitar parpadeos en sistemas dealumbrado; debe de asegurarse de que las necesidades del par de la carga sesatisfagan, ya que este tipo de mtodos tambin reducen el par del motor.

2.4.1.1. Datos principales de los mtodos de arranque a tensin reducidaVer tabla 2.26.

2.4.2. Procedimiento de clculo2.4.2.1. Generalidades

El nivel de tensin en las barras principales de los tableros de las instalaciones sedetermina utilizando alguno de los siguientes mtodos:

Flujos de potenciaCada de tensin considerando reactanciasCada de tensin considerando impedancias

Reactancia proporcionalImpedancia proporcional

2.4.2.2. Impedancias por unidad del sistemaa) Elaborar el diagrama unifilar del sistema en estudio, mostrando los elementos consus datos respectivos.

Se desprecia la impedancia de los conductores, en longitudes pequeas; o bien seaplica la tabla 2.28 para longitudes grandes.

b) Obtener el dato de la capacidad interruptiva de la lnea de alimentacin en MVA,

dato proporcionado por la compaa de suministro (potencia de corto circuito mnimadisponible).

c) Seleccin de los kVA base, se recomienda usar los kVA del transformadorreductor.

d) Referir todos los valores de impedancias a la potencia base, seleccionada en elpaso anterior.

R

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Impedancia del sistema.

Z =S

SS(0/1)BASE

CC

(2.29)

donde:ZS( / )0 1 = Impedancia por unidad del sistema elctrico externo

SBASE =Potencia base, igual a la potencia nominal del transformadorSCC =Potencia de corto circuito mnima disponible, del sistema del suministro

Impedancia por unidad del transformador.

Para calcular, la impedancia por unidad del transformador se utiliza la siguientefrmula, considerando que la potencia base es igual a la capacidad deltransformador.

( )100

%Z=Z 10T (2.30)

Si no se tomar la potencia del transformador como valor base, la frmula sera lasiguiente:

(100)S

)%Z(S=Z

TRANS

TBASET (2.31)

donde:Z ( )T 0 1 = Impedancia por unidad del transformador

Z%T = Impedancia del transformador en %STRANS = Potencia del transformador

Impedancia en por unidad de los motores.Impedancia del motor a plena carga

(ohms)V

=Zn-f

mpnI

(2.32)

Impedancia del motor al arranque

s)(=-

ohmV

Znf

ma

arranqueI(2.33)

Transformando los valores de ohms a valores en por unidad.

Impedancia del motor a plena carga en por unidad

(1000)KV

)(ZS=Z

mpBASE

mp(0/1) (2.34)

R

squeda por palabra


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Impedancia del motor al arranque en por unidad

)KV(1000

)(ZS=Z

maBASE

ma(0/1) (2.35)

donde:

Zmp : Impedancia del motor a plena carga en ohmsZmp( / )0 1 : Impedancia del motor a plena carga en por unidadZma : Impedancia del motor al arranque en omhsZma( / )0 1 : Impedancia del motor al arranque en por unidad

In : Corriente nominal del motor, en ampersIarranque : Corriente de arranque (considere un valor aceptable entre 5.5 y

6 veces la corriente nominal para efectos de clculo o consulte los valores decorriente de rotor bloqueado y sus factores, en las tabla 2.29kV : Tensin nominal en las terminales del motor en kV.

e) Elaboracin y reduccin del diagrama de impedancias.

Proceda igual que en el punto 2.2.1.2.

El porcentaje de la cada de tensin en la barra expresado en por unidad es:

)Z(ZI1V

)Z(ZIVV

TST1

TSTo1

+=

+=

bien (2.36)

donde:

V1 Cada de voltaje momentnea en la barra, expresada en por unidadVo Tensin nominal al 100% expresada en por unidad

IT Corriente total al arranque, a voltaje nominal, en por unidadZs Impedancia del sistemaZT Impedancia del transformador

f) Clculo de la cada de tensin.

% e =V - V

V100

nom 1

,

nom

(2.37)

donde:% e = Cada momentnea de voltaje en el motor en porcientoVnom= Tensin nominal en volts

V 1,

=Cada de voltaje momentnea en la barra expresada en volts

g) Conclusin.

Con los clculos realizados determine el tipo de arranque a utilizar.

R

squeda por palabra


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46

1) Con tensin plena.

Para fines prcticos se recomienda tener una cada de tensin mxima al arranqueigual al 20 %.

Despus del arranque, los motores deben funcionar independientemente y en formapermanente an al ocurrir las siguientes variaciones.

+/- 10 % de la tensin nominal+/- 5 % de la frecuencia nominal10% de la variacin combinada en valor absoluto de tensin y frecuencia

2) Con tensin reducida.

Una vez realizado el punto anterior, si el valor sobre pasa los valores considerados,es necesario utilizar alguno de los mtodos de arranque a tensin reducida indicadosen la tabla 2.26.

2.4.3. Ejemplo de aplicacin.En una planta se tienen 3 motores de operacin continua, se desea calcular la cadade tensin en el CCM al arranque de los motores considerando la condicin mscrtica, el arranque del motor mayor y los dems a plena carga.

a) Diagrama unifilar.

10 CP11 A

50 CP68 A

50 CP68 A

3 , 440V

CCM

50 MVA

23 kV/440 V150 kVA; 3 , 60 Hz

Z% = 3.7 %

b) Potencia de corto circuito mnima disponible.PCC = 50 MVA

c) Seleccin de kVA Base.kVABASE = 150 kVA

R

squeda por palabra


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47

d) Refiriendo los valores de las impedancias a la potencia base se tiene:

Z =SS

=150

50000= 0.003 p.u.S(0/1)

BASE

CC

Para la ZMOTOR de 50 C.P.

Z = VI

440 / 368

= 3.73 ohmsmpf-n

n

=

Z =V

I=

440 / 3

5.5 x 68= 0.67 ohmsma

f-n

arranque

Para la ZMOTOR de 10 C.P.

ohms23=11

3440/=Zmp

Z = 440 / 35.5 11

= 4.18 ohmsma

Transformando los valores obtenidos en ohms a valores en por unidad

Para el transformador.

Z =Z% S100 S

3.7(150)100(150)

= 0.037T(0/1)T BASE

TRANS

=

Para motor 50 C.P.

( )( )

Z =S

KV 1000

150(3.73)

(0.440) (1000)= 2.88 p.u.mp(0/1)

BASE

2

Zmp=

( )( )

p.u.0.51=(1000)(0.440)

)67.0(150

1000KV

S=Z

2

BASE

(0/1)ma =maZ

Para motor 10 C.P.

Z =150(23)

(0.440) (1000)= 17.82 p.u.mp (0/1)

Z =150(4.180)

(0.440)p.u.ma (0/1) 2( )

.1000

324=

R

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48

e) Elaboracin y simplificacin del diagrama de impedancias.

Zs(0/1) = 0.003

ZT(0/1) = 0.037

Zmp(0/1)=17.82

Zma(0/1)=0.51

Zmp(0/1)=2.88

Reduciendo:ZS +ZT =0.003 + 0.037 = 0.040 p.u.

Zs(0/1) +ZT(0/1)=0.40

17.82 0.51 2.88

Zx

Z Z

Z Z

mp ma

mp ma= + =

( )( / )

( / )

0 1

0 1

17.82(0.51)

17.82 + 0.51 = 0.485 p.u

0.04

Zx=0.485 Zmp=2.88

Z Z

Z Z

x mp

x mp

( )

+=

0.485(2.88)

0.485 + 2.88= 0.415

R

squeda por palabra


56/409

49

0.04

0.415

ZT =0.04 + 0.415 = 0.454

1

0.455= 2.197I =T

V1 = 1 - [2.197 (0.04)]

V1 = 0.912 p.u.V1 = 440 (0.912)V1 = 401.28 voltsf) Clculo de la cada de tensin.

% e =440 - 401.28

440100

% e = 8.8 %

g) De acuerdo a los valores tolerables es posible el arranque de los motores atensin plena.

2.5. FACTOR DE POTENCIA2.5.1. IntroduccinEsta seccin indica el procedimiento de clculo para la correccin del factor depotencia en una instalacin elctrica que produce un factor de potencia bajo. Lacorreccin se hace a travs de capacitores ya que este mtodo resulta ms simple yeconmico.

2.5.1.1. Problemas por el bajo factor de potenciaUna instalacin elctrica que opera con un factor de potencia bajo presenta los

problemas siguientes:a) Reduce la capacidad del sistema y su rendimiento debido a cables ytransformadores sobrecargados.b) Aumenta las prdidas debido a la resistencia en los conductores.c) Reduce el nivel de voltaje, afectando en forma adversa la eficiencia de operacinde los motores.d) Reduce la iluminacin de las lmparas incandescentes.e) Aumenta el costo de la energa cuando la compaa de suministro impone las

R

squeda por palabra


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50

condiciones del factor de potencia.

2.5.1.2. Cargas que intervienen en el factor de potenciaLas cargas inductivas tales como:Motores de induccin

TransformadoresSoldadoras de arcoLmparas fluorescentesEquipo electrnicoOtras cargas

Los motores, son las cargas ms significativas, esto se debe principalmente a losiguiente:

Son las cargas que tienen el factor de potencia ms bajo.La mayora de las cargas son motores.

Las causas de que los motores operen con un factor de potencia ms bajo que el dediseo propio son:

Variacin del voltaje.

La operacin de los motores por debajo de su capacidad nominal.

En la tabla 2.28se indican los efectos de las variaciones de voltaje sobre el FP y latabla 2.31 los valores especficos del FP en relacin a la variacin de la potencia yvelocidad del motor.

2.5.2. Determinacin del factor de

disenodeinstalacioneselectricas

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