Saludos.
Espero se encuentren muy bien estimados lectores, A continuación les comparto el más reciente escrito en Tecnología Eléctrica, un post que trata sobre: Cálculos del Sistema eléctrico.
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Cálculos del Sistema eléctrico (Caso: Laboratorio de Alta Tensión)
INTRODUCCIÓN
Hay quienes piensan o tienen la idea de que no son importantes para un proyecto que este se realice por cualquier persona, o que las instalaciones eléctricas se realicen sin el desarrollo previo de los planos (memoria de cálculos e ingeniería) y que después de terminada la instalación, elaborar los planos y memoria de cálculo una vez, ya que los dueños de negocios lo consideran un gasto, y que con un “buen electricista” la instalación puede quedar supuestamente bien…
Fig. 1.- Cálculos eléctricos.
Es por ello que la ingeniería y diseño de instalaciones eléctricas no se trata de cualquier cosa, en los planos y memorias de cálculo previo a la construcción recae la seguridad de las personas, animales y de los bienes de la propiedad. Este es el objetivo de cualquier Norma oficial para las instalaciones eléctricas, establecer las especificaciones y lineamientos de carácter técnico que deben satisfacer las instalaciones destinadas a la utilización de la energía eléctrica.
Por esto antes mencionado se presenta a continuación un ejemplo de cálculos para una instalación eléctrica dada como ejemplo.
1.- Diseño del circuito de iluminación del área de ensayo.
Para determinar el circuito de iluminación de un ambiente primero se deben determinar las luminarias necesarias y a utilizar considerando lo existente en el mercado que se pueda contar con esas luminarias a la hora de ejecutar la instalación, para el caso del área de ensayo del laboratorio de alta tensión se utilizará el método de los lúmenes tal como se muestra a continuación.
Calculo de iluminación del laboratorio de alta tensión.
Para calcular el valor medio en servicio de la iluminancia de un local iluminado con alumbrado general.
Para este cálculo el flujo luminoso que se necesita en el laboratorio y se puedan visualizar los ensayos sin problemas es necesario calcular el flujo luminoso necesario, el que está dado por:
Donde:
Em = nivel de iluminación medio (en LUX)
Øt = flujo luminoso que un determinado local o zona necesita (en
LÚMENES)
S = superfície a iluminar (en m2).
Cu= Coeficiente de utilización.
Cm= Coeficiente de mantenimiento.
Para determinar el coeficiente de hay que calcular el índice del local (k) que se determina a partir de la geometría del mismo a partir de la ecuación:
Donde:
k = índice del local.
a = 4m (ancho del local).
b = 5,86 m (largo del local).
h= 3,15 m (distancia entre el plano de trabajo y la ubicación de las luminarias.
En el caso del laboratorio la altura del plano de trabajo no está definida pues la misma depende del tipo de ensayo que se realice por lo que se decidió tomar como plano de trabajo el piso ya que entre otros aspectos del trabajo en los laboratorios de alta tensión uno de vital importancia es la correcta puesta a tierra de todos los equipos lo que se hace con cables puestos sobre el piso.
El otro parámetro necesario para determinar el factor de utilización (CU) son los coeficientes de reflexión de las paredes techo y piso. Los valores de los coeficientes de reflexión del techo, las paredes y suelo normados se muestran en la Tabla 1.
Tabla 1.- Coeficientes de reflexión
Para las paredes: 70 %
Para el techo: 80 %
En la selección de las luminarias se determinó que las lámparas fluorescentes tubulares tipo TL-5 (127 V, 54 W) marca: Philips, modelo: Master TL5 High Efficiency Eco con una emisión lumínica de 2875 lm [1], con porta lámparas marca: Gediplast, modelo: LUCS2427, fabricadas bajo las normas UL-94 en el país. Sus características generales se muestran en la Fig. 1 en tanto que en la Tabla 2 se expones sus características.
Fig. 2.- Modelo de luminaria.
Seleccionada el tipo de luminaria a usar, el índice del local (que se aproximó a 1 para poder entra a la Tabla 2) y el coeficiente de reflexión se determina que es Cu = 7.
Tabla 2.- Coeficientes de reflexión.
El coeficiente de mantenimiento dependerá de la conservación de la instalación. Este coeficiente dependerá del grado de suciedad ambiental y de la frecuencia de la limpieza del local. Para una limpieza con periodo quincenal, como se espera en el laboratorio, se puede tomar Cm = 0.6 según la Tabla 3.
Tabla 3.- Coeficientes de mantenimiento.
Ambiente
Factor de Mantenimiento
Limpio
0.8
Sucio
0.6
Entonces la cantidad de luxes (2000) que se necesitan será se calcula a continuación.
El cálculo de Øt da:
Cálculo del número de luminarias.
Donde:
Nl = número de luminarias
Øt = flujo luminoso total necesario en la zona o local
Øl = flujo luminoso de una lámpara (se toma del catálogo)
n = número de lámparas que tiene la luminaria.
Como resultado el número total de luminarias será de 2 para cumplir con las normativas nacionales de iluminación de laboratorios.
La potencia nominal de las luminarias es de: 216 W
Por último, es conveniente determinar la potencia de las luminarias a utilizar en la zona de control y medición del laboratorio de alta tensión, la cual se determinara considerando el área de construcción donde estará ubicada.
Considerando 30 W/m2 entonces, como la zona de control tiene unas longitudes de 3 m x 2 m, el resultado será de 180 W.
Teniendo en definitiva una potencia de diseño del circuito de iluminación de: 396 W
Como el factor de potencia de las lámparas es sumamente alto no es necesario considerarlo en el cálculo de la corriente pues el error es muy pequeño., así se tiene que:
Con este nivel de corriente se selecciona un conductor 14 THW AWG calibre mínimo que se puede usar en un circuito ramal de iluminación según la tabla 210-24 de la norma 200 de COVENIN (CEN), este conductor soporta como máximo una corriente de 15 A [2] y su protección será un interruptor termo-magnético monopolar de 15 A de capacidad y 10 KA de capacidad interruptora.
En definitiva se determinó que se necesitan 2 luminaria de 2 tubos fluorescentes de 54 W, C/U con estas lámparas se cumple entonces con la cantidad de luxes (2000) [3]. Requeridas por las normas COVENIN para áreas de trabajo.
2.- Cálculo del circuito de tomacorrientes de uso general.
Según las normas vigentes en el país para los cálculos de los circuitos ramales se recomienda un máximo de 10 tomacorrientes por circuito y para cada salida de fuerza se considerara 120 V X 1.5 A [4], pero en este caso, por el espacio disponible en el laboratorio, solo se podrán colocar 7 tomacorrientes de uso general, 4 en el área de ensayos y 3 en el área de control y medición. Esto da como resultado una potencia de 1260 W.
Con este nivel de corriente se selecciona un conductor 12 THW AWG calibre mínimo que se puede usar en un circuito ramal de uso general ya que este conductor soporta como máximo una corriente de 20 A [4] y su protección será un interruptor termo-magnético monopolar de 15 A de capacidad y 10 KA de capacidad interruptora [4].
3.- Cálculo del circuito de tomacorrientes especiales.
El laboratorio debe disponer, además de los tomacorrientes de uso general de tomacorrientes de tomacorrientes de 220 V tanto en el área de ensayos como en el área de control previendo la necesidad de conectar cargas de este voltaje por lo que se decidió construir un circuito cableado con 4 conductores 12 THW AWG (Fases, neutro y tierra), con una protección de 20 A [4], y 10 KA de capacidad interruptora; con esto se tiene una potencia de 4400 W
4.- Cálculo del conductor de la acometida.
Eltransformador de prueba se alimenta de un autotransformador de 10 KVA pero como esta capacidad prácticamente no se emplea nunca es que se toma como potencia instalada una cantidad de 10 KW
El sistema eléctrico del laboratorio de alta tensión demandará:
1. Iluminación área de ensayo y control: 396 W
2. Tomacorrientes área de ensayo y control: 5660 W.
3. Sistema de control y regulación de los transformadores de prueba: 10 KVA.
Teniendo una potencia total de: 16056 W.
El método para el cálculo normado en el país se muestra en la Tabla 4
Tabla 4 - Estudio de Cargas del Laboratorio. [5]
Estudio de cargas.
Carga en Vatios
Fase
Neutro
Cargas de iluminación.
396
396
Cargas de tomas de uso general.
1260
1260
Cargas de tomas de uso especial
4400
Transformador de ensayo.
10000
Sub-Total
16056
Primeros 3000 W (100%)
3000
Del resto de la P (35%)
4569,6
Demanda total
7569,6
Conocida la demanda total la corriente por las fases será de:
Para el neutro:
Con estas corrientes se busca en la tabla de conductores y se determina que para las fases debe emplearse un conductor calibre # 8 THW y para el neutro uno calibre # 12 THW.
El conductor calibre # 8 THW seleccionado tiene una resistencia de 0,00206 Ω/m con lo que se tiene una caída de tensión por unidad de longitud para la máxima corriente de carga (35 A) de 0.0721 V/m, que multiplicada por la 100 m del conductor de la acometida da una caída de tensión de 7.21 V, la cual representa 3.41%, mayor que lo estipulado por el código eléctrico nacional, por ello se debe seleccionar el conductor calibre # 6 THW para disminuir la caída de tensión en el conductor de la acometida.
5.- Cálculo de la protección de la acometida
Como el calibre del alimentador es el # 6 entonces:
Ip: (I calculada + I Conductor) / 2 =(35 A + 55 A) / 2 = 45 A
La solución comercial para la protección de la instalación será de un interruptor termo magnético de dos polos 50 A y de 30 KA, tipo THQL de corriente interruptora que es superior a la corriente de cortocircuito del tablero a donde se conecta la acometida. La capacidad del interruptor termo-magnético cumple con el 20% por encima para garantizar su correcto funcionamiento según se plantea en las normas nacionales.
El conductor de la tierra de seguridad que dispone la instalación es de un calibre # 8. Es necesario aclarar que este conductor no se puede conectar al sistema de puesta a tierra del laboratorio pues al mismo se derivaran continuamente altas corrientes durante las descargas de los capacitares de la fuente de corriente directa y del generador de impulso lo que provocará subidas transitorias de su potencia respecto a la tierra lejana.
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Referencias:
1. - Student laboratory practice and the history and philosophy of science, en The student laboratory and the science curriculurn. LAYTON, D. editado por Elizabeth Hegarty- Hazel. Londres: Routledge 1990. [1].
2.- Código Eléctrico Nacional. CODELECTRA, FONDONORMA 200:2004, 7ma revisión. Caracas-Venezuela. [2]
3.- Iluminancias en tares y áreas de trabajo, Norma Venezolana COVENIN 2249-93. 1era Revisión. Caracas 14-04-1993. [3]
4.- Canalizaciones Eléctricas, 7ma Edición, Oswaldo Penissi, Editorial Melvin. Caracas-Venezuela, 2001. [4]
5.- Procesos de la investigación realizados por el autor y revisado por el tutor, Venezuela-Cabimas 2013. [5]
Bibliografía consultada.
Manual de Luminotecnia para interiores, Carlos Laszlo. Disponible en: http://www.laszlo.com.ar/Items/ManLumi/issue/Manual_de_Luminotecnia.PDF
Luminarias Gediplast, división de materiales eléctricos. Disponible en: www.gedisa.com.ve.
Método de cavidades zonales, UMSS-FCyT. Instalaciones Eléctricas I.