Selección y cálculo de calibres, Factores a considerar durante el cálculo del calibre mínimo

Indice
3.
Selección y cálculo de calibres
Factores a considerar durante el cálculo del calibre mínimo
Datos necesarios para el cálculo
Procedimiento general de cálculo
Métodos de cálculo
3.
Selección y cálculo de calibres
Una vez que se ha elegido un producto, y habiendo tomado en cuenta la norma vigente durante el diseño
eléctrico de la instalación, el siguiente paso es el cálculo del calibre mínimo del conductor, considerando
dicho diseño. Con respecto a esto, únicamente analizaremos el cálculo del calibre mínimo para
conductores de baja tensión.
Factores a considerar durante el cálculo del calibre mínimo
En primer lugar, es necesario aclarar que el calibre mínimo para una instalación no es siempre el más
económico.
Los principales factores que se deben considerar al calcular el calibre mínimo para un conductor de baja
tensión son:
B.
Que la temperatura del
conductor no dañe el aislamiento
C. Que la caída de tensión esté
dentro de las normas
A. Que la sección del conductor pueda
transportar la corriente necesaria
Es vital considerar los tres aspectos a la vez, porque en caso contrario se podrían ocasionar los siguientes
problemas:
A. Si la sección de cobre es menor:
• El conductor tendrá mayor resistencia eléctrica, aumentando las pérdidas de energía.
• El conductor tendrá mayor temperatura de operación, aumentando la resistencia eléctrica y
deteriorando el aislamiento.
• La caída de tensión en la línea será mayor a la permitida, lo cual puede afectar la operación en
el punto de carga y dañar los equipos.
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B. Si no se protege el aislamiento:
• El aislamiento sufrirá deterioro por alta temperatura, aumentando el riesgo de fugas de corriente
y cortocircuitos.
• Disminuirá la vida útil del conductor.
C. Si no se cuida que la caída de tensión sea correcta:
• El circuito y los conductores trabajarán fuera de norma.
• Pueden dañarse los equipos alimentados, o no dar el servicio requerido.
Datos necesarios para el cálculo
Existen personas que tienen una vasta experiencia en instalaciones eléctricas, y que con los años se han
acostumbrado a calcular los calibres conociendo únicamente la potencia, o la corriente y el voltaje.
Algunos también preguntan la longitud del circuito, y aunque es cierto que muchas veces aciertan en
el cálculo del calibre correcto, es también innegable que en otras ocasiones fallan en éste, por no haber
tomado en consideración todos los datos necesarios.
Los datos que se presentan a continuación son, en principio, suficientes para que el cálculo mencionado
no tenga posibilidad de error:
Datos necesarios
Factar de
potencia
Cálculo
del
calibre
mínimo
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Como se observa en la tabla circular, estos datos tienen relación directa con los factores anotados
anteriormente: conducción de corriente, protección al aislamiento y caída de tensión. Para evitar
confusiones, se aclarará un poco cada uno de los datos presentados.
•
•
•
•
•
•
•
Factor de potencia: del equipo a alimentar.
Eficiencia: del equipo a alimentar.
Potencia en H.P. o kW: del equipo a alimentar.
Voltaje de alimentación: 127, 220, 440 Volts, etcétera.
Tipo de corriente: directa, alterna, 1Ø, 2Ø, 3Ø.
Longitud de la instalación: para calcular la caída de tensión.
Tipo de circuito: alimentador o derivado; la norma NOM-001-SEMP permite 3 por ciento de caída
de tensión para derivados, y 5 por ciento para el conjunto del alimentador más el derivado.
• Temperatura ambiente: la más caliente en verano, o la de la recámara, si se tiene alguna máquina
que disipe mucho calor.
• Tipo de servicio: 24 horas al día, arranque y paro continuo, servicio nocturno, etcétera.
• Tipo de instalación: al aire libre, en tubo conduit, en charola, directamente enterrado, etcétera.
Procedimiento general de cálculo
La forma en que deben manejarse los datos anteriores, para obtener un cálculo correcto del calibre
del conductor, se resume en el siguiente diagrama:
Pasos para calcular calibres mínimos
Escoja el producto
de acuerdo con su aplicación
Calcule la caída de tensión
con ayuda de la longitud
Corrija le corriente
con el factor por temperatura amb.
Corrija la corriente
Determine la corriente
nominal a partir de la potencia
con el lector por agrupamiento
Seleccione el calibre tomando
en cuenta el tipo de instalación
No
Corrija la corriente nominal
con el factor de arranque
Caída de tensión
Protección al aislamiento
Conducción de corriente
Conviene comentar que en la parte inferior de este diagrama de flujo, se distinguen una vez más los
tres factores básicos en el cálculo del calibre. Para facilitar el entendimiento de este diagrama, siga el
sentido de las flechas.
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Métodos de cálculo
El diagrama del punto anterior es genérico, pero son varios los métodos que se utilizan en la práctica
para calcular calibres mínimos. Aquí se comentarán únicamente tres de ellos:
• Método largo a partir de fórmulas.
• Calculador de calibres para baja tensión.
• Tanteo (este método no siempre es seguro, como se comentará más adelante).
Método largo a partir de fórmulas
Sin duda es muy seguro, pero requiere de tablas, calculadora, etcétera, y de una cantidad de tiempo
considerable. Es muy utilizado por diseñadores y proyectistas de obras eléctricas; sin embargo, para
baja tensión pueden utilizarse otros métodos tan seguros como éste, pero más ágiles.
A continuación se presenta una guía con los pasos que incluye este método.
Guía para determinar el calibre del conductor en baja tensión
1. Seleccionar el tipo de conductor adecuado de acuerdo con el uso específico de la instalación (véase
el catálogo de Condumex); además se deberá saber si la instalación se efectuará en tubo conduit,
al aire libre o en charola.
2. Calcular la corriente que va a transportar el conductor con la fórmula adecuada que aparece en
las tablas de fórmulas eléctricas más usuales. En el caso de motores, es posible calcular la corriente
con dichas fórmulas, o consultarlas directamente en las tablas de valores de corriente a plena carga
para motores. Es necesario aumentar a la corriente de plena carga en los motores un 25 por ciento
adicional para cumplir con la norma NOM-001-SEMP; en el caso de dos o más motores, hay que sumar
las corrientes nominales de éstos y aumentar solamente 25 por ciento del valor de la corriente del
motor
más grande.
3. Es necesario afectar este valor de corriente por los factores de corrección por temperatura y
agrupamiento (tablas 5.7, 5.8 y 5.9). Este nuevo valor de corriente no circulará realmente por el
conductor, su utilidad radica en simular las condiciones adversas en las que se estará trabajando.
4. Con este nuevo valor de corriente afectada por los factores de corrección, se debe localizar el calibre
adecuado, según el tipo de conductor y de instalación elegidos.
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5. Una vez localizado el calibre del conductor, será necesario verificar la caída de tensión que sufrirá
la instalación, utilizando para esto la fórmula de caída de tensión, que es:
%∆V =
Fc x L x I
10 Ve
donde:
%∆ V =
L =
I =
Ve =
Fc =
Caída de tensión (porcentaje)
Longitud del circuito (m)
Corriente que circula (amperes)
Voltaje de alimentación
Factor de caída de tensión unitaria
milivolts
( amper-m
) núm. 5.13)
(véase tabla
Es importante recalcar que, en esta fórmula, la corriente que se utilizará será la que resulte en el
segundo paso, es decir, que aquí la corriente no debe ser afectada por los factores de corrección
por agrupamiento y temperatura.
6. Si la caída de tensión es mayor a 3 por ciento para circuitos alimentadores o derivados, o de 5 por
ciento para la suma de alimentador más derivado, es necesario calcular un calibre superior. Esto se
puede hacer despejando el factor de caída unitaria (Fc) de la fórmula anterior, que quedaría como
sigue:
Fc = %∆V x 10 x Ve
LxI
donde:
%∆ V = 3% máx., según la norma NOM-001-SEMP
I = Corriente que circula en el circuito sin ser afectada por los factores de agrupamiento y
temperatura ambiente
L = Longitud del circuito (m)
Ve = Voltaje de alimentación
milivolts
Fc = Factor de caída de tensión unitaria
( amper-m
Conociendo Fc, se buscará y escogerá en la tabla)núm. 5.13 el calibre que da igual o menor factor
de caída de tensión.
Se debe tener cuidado al escoger en la tabla el factor de caída de tensión (Fc), ya que el sistema
sobre el que se está haciendo el cálculo puede ser monofásico o trifásico.
7. Cálculo de corriente de cortocircuito: este cálculo sirve para determinar cuánto tiempo soportará sin
dañarse el aislamiento de un conductor al producirse un cortocircuito. Es importante conocer este
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tiempo para escoger adecuadamente las protecciones de la línea. Para conocer el tiempo máximo
en el que deberá operar la protección, véanse las gráficas de corriente de cortocircuito, donde en
el eje horizontal se exhiben los calibres, y en el vertical, la corriente en miles de amperes. La intensidad
de corriente que podrá soportar el conductor, dependerá del tiempo en que operen la protección
y el calibre.
Para ilustrar un poco más este método, se presenta un ejemplo sencillo de aplicación, aclarando que
las tablas citadas se localizan en la sección 5 de este manual.
Ejemplo de selección de calibre
Seleccionar el calibre más adecuado de la línea Vinanel 2000MR para alimentar el siguiente circuito.
Calibre=?
L = 135 m
Temperatura ambiente= 45ºC
Datos:
Motor núm
1
2
3
4
5
6
7
H.P.
Voltaje
5
5
3
3
1 0
1 0
10
440 V
"
"
"
"
"
"
Fases
Factor de Poten
F.P.
Eficienci
ηN(1)
85%
"
"
"
78%
"
"
73%
"
69%
"
84%
"
"
3
"
"
"
"
"
"
(1) Tomadas de la placa del motor.
Solución: para calcular la corriente que consume cada motor, se puede consultar:
• La placa de datos del motor.
• La tabla de corriente a plena carga de motores trifásicos, donde se indica el amperaje para cada uno.
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Consultando las fórmulas, tenemos:
I =
Cada motor de 3 H.P. tomará:
H.P. x 746
1.732 x E x η x F.P.
I =
Cada motor de 5 H.P. tomará:
I =
3 x 746
= 5 amperes
1.732 x 440 x 0.69 x 0.85
Cada motor de 10 H.P. tomará:
5 x 746
= 7.9 amperes
1.732 x 440 x 0.73 x 0.85
I =
10 x 746
= 15 amperes
1.732 x 440 x 0.84 x 0.78
Se obtiene la corriente total del circuito In (corriente nominal):
In = 7.9 x 2 + 5 x 2 + 15 x 3
In = 15.8 + 10 + 45
In = 70.8 amperes
Como la norma señala aumentar 25 por ciento del motor más grande del circuito, tendremos que la
corriente resultante (Ir) será:
Ir = 70.8 + (0.25 x 15)
Ir = 70.8 + 3.75
Ir = 74.55 amperes
Esta corriente se afectará enseguida por los factores de corrección debidos al agrupamiento y a la
temperatura ambiente, según las tablas 5.8 y 5.9.
• Para una temperatura ambiente de 45°C y una temperatura en el conductor de 90°C, el factor es
0.87.
• Para una instalación de tres cables en charola dispuestos horizontalmente, el factor es de 0.87.
Calculando con estos factores, la nueva corriente I∆ (corriente afectada):
74.55
I∆ = 0.87 x 0.87 = 98.5 amperes
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Esta corriente afectada (I∆ ) no existe realmente, es sólo una manera de considerar las condiciones
adversas en las que trabajará el conductor.
Al consultar en la tabla núm. 5.1 (Vinanel 2000MR) el calibre necesario para transportar 98.5 amperes,
el 6 AWG es el que puede transportar hasta 105 amperes al aire libre.
La caída de tensión (%∆ V) se analiza aplicando la fórmula del punto 5 de la guía para selección del
calibre en baja tensión:
%∆ V = Fc x L x Ir
10 Ve
%∆ V =
Fc puede obtenerse de la tabla núm. 5.13,
los demás valores son datos del problema.
2.92 x 135 x
74.55 10 (440)
%∆ V = 6.67%
La caída de tensión sobrepasa el 3 por ciento que marca la norma NOM-001-SEMP; por lo tanto, será
necesario buscar un calibre superior.
Para esto, despejamos de la fórmula Fc y nos queda:
Fc = %∆V x 10 x Ve
Considerando %∆ V = 3
L x Ir
Y substituyendo, tenemos:
Fc =
3 x 10 x 440
= 1.3115
135 x 74.55
En la tabla núm. 5.13 se observa que el calibre 2 AWG tiene un factor de caída de tensión unitaria menor
a 1.3115; por lo tanto, el cable Vinanel 2000MR calibre 2 AWG es el indicado para la instalación. Véase
trifásico en tubo conduit metálico.
Calculador de calibres para baja tensión
La intención de este calculador es simplificar el cálculo del calibre del conductor, ya que éste puede
determinarse rápidamente con los datos del circuito y una calculadora.
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El calculador tiene dos caras:
Frente
I•
H.P.x746
I•
kWx1000
V
v,,
I=
CONDUIT * VINANEL 2000
CHAROLA * VINANEL NYLON
THWYTHWN
(Temp. OP 75ºC)
TW
(Temp. OP 60ºC)
~:;.~~O
CD - CORRIENTE DIRECTA
CA - CORRIENTE AL TERNA
0 - FASES
1 - CORRIENTE V - VOL TAJE
H.P. • POTENCIA
(En caballos de fuerza)
TJ. - EFICIENCIA DEL MOTOR
(Normal 0.9)
Reverso
1. Calcule su corriente con la fórmula adecuada del cuadro.
2. Multiplique su corriente por los dos factores de correción que
le corresponde (ver cuadro 4).
3. Según su conductor y sistema elegido, encuentre su corriente
en el cuadro 3 y localice el calibre adecuado en el cuadro 2.
4. Haga coincidir el calibre con la corriente en el cuadro 5 y encuentre su factor de caída de tensión en (%/m) donde indique la
flecha de voltaje de trabajo.
5. Multiplique este factor por la longitud en metros de su línea, y el
resultado será la caída de tensión directamente en porcentaje (%).
6. Si la calda de tensión es mayor del 3% en un circuito derivado
o mayor de 5% en el conjunto (alimentador y derivado) elija un
calibre superior y recalcule.
Para facilitar la explicación del calculador, primero se describirá cada uno de los cuadros que éste
contiene, y luego se concluirá la explicación con un ejemplo.
A. Cuadro 1
Contiene las fórmulas de cálculo de corriente. Es importante señalar que, al seleccionar la fórmula, se
necesita tomar en cuenta el tipo de corriente (CD, CA 1Ø o CA 3Ø) y el valor de la potencia (H.P. o
kW). Después de escoger la fórmula adecuada, se sustituyen los datos y se obtiene la corriente. Por
último, si el circuito es de fuerza, será necesario corregir esta corriente con un factor de arranque, como
se apunta en la parte derecha del cuadro 1.
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Para calcular el calibre requerido para alimentar
un motor, se toma la corriente nominal y se
multiplica por 1.25 (por el efecto de arranque),
siempre y cuando se conozca la eficiencia y F.P.
Ahora bien, para obtener los factores de
corrección para el Vinanel 2000MR y el Vinanel
NylonMR adecuados para una temperatura de
operación de 90°C, se debe desplazar la regleta
de la posición normal hacia la izquierda, haciendo
que coincidan las flechas.
Otra opción es utilizar la corriente a plena carga
del motor y multiplicarla por el mismo factor.
El objetivo es que el conductor esté protegido de
los sobrecalentamientos que se presentan con
cada arranque.
Los factores de corrección que se obtengan se
multiplican por la corriente calculada en el
cuadro 1. El valor resultante será la corriente
del cuadro 4.
Este valor de corriente corregida es lo que
llamaremos corriente del cuadro 1.
C. Cuadro 3
En primera instancia, se selecciona el producto
(TW 60°C, THW, THWN 75°C, Vinanel 2000MR
o Vinanel NylonMR 90°C). Luego se selecciona el
renglón "conduit" o "charola", dependiendo del
tipo de instalación que se realice. Finalmente, una
vez que se ha seleccionado correctamente el
renglón, se desplaza la costilla hacia la izquierda,
hasta encontrar un valor de corriente mayor o
igual al calculado en el cuadro 4.
B. Cuadro 4
Contiene los factores de corrección por
agrupamiento y por temperatura ambiente. Estos
factores son muy importantes, ya que si no se
toma en cuenta el número de conductores que irán
juntos en una canalización, ni la temperatura en
el lugar de la instalación, se corre el riesgo de
calcular un calibre mínimo, que puede causar que
el conductor alcance su temperatura máxima de
operación únicamente con la corriente nominal.
Esto ocasiona que el conductor reciba más calor
al estar junto a otros o en un lugar cálido,
sobrepasando así la temperatura máxima de
operación y provocando desgaste prematuro.
D. Cuadro 2
Aquí se indica el calibre capaz de transportar la
corriente calculada en el cuadro 4.
E. Cuadro 5
Para obtener estos factores, debe observarse lo
siguiente: cuando la costilla del calculador está
en posición normal (frente de regleta), se obtienen
los factores para productos THW, adecuados
para una temperatura máxima de operación de
75°C. Es importante mencionar que las flechas de
1 a 3 (por agrupamiento) y de 40°C (por
temperatura) deben coincidir con las flechas de
la costilla.
Se emplea para establecer la caída de tensión de
acuerdo con el calibre calculado y la corriente.
Tiene cuatro renglones: la corriente, los calibres,
las caídas de tensión y el voltaje de trabajo.
La forma de manejo para caída de tensión es
sencilla: se desplaza la costilla del calculador, de
forma que el valor de corriente del cuadro 1 (que
genera la caída de tensión, a diferencia de la
indicada en el cuadro 4) coincida con el calibre
obtenido en el cuadro 2. Una vez que hayan
coincidido estos valores, no deberá moverse la
costilla; sólo tendrá que seleccionarse la flecha
Para obtener los factores de los productos TW
60°C, se debe desplazar la costilla del calculador
hacia la derecha, haciendo que coincidan las
flechas.
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correspondiente a su voltaje de trabajo (127, 220 ó 440 Volts) y localizarse el valor de caída de tensión
sobre la flecha escogida. Es importante observar que esta escala de caídas de tensión crece
logarítmicamente de derecha a izquierda.
El valor obtenido con esta escala se multiplica por la longitud del circuito, obteniéndose así la caída
de tensión. Si la caída calculada es menor o igual a 3 por ciento (en circuitos derivados) o menor o
igual a 5 por ciento (en el conjunto alimentador más derivado), el calibre calculado en el cuadro 4 es
el correcto. Si su caída de tensión es mayor, será necesario tomar el calibre superior y repetir el cálculo.
F. Cuadro 6
Aunque permite calcular la tubería necesaria, conviene comentar que el resultado no coincide con lo
que la práctica demuestra.
Para redondear la explicación del manejo del calculador de calibres, se utilizará el siguiente ejemplo:
Ejemplo del manejo del calculador
í
Cable TW (60'C)
[rrrM
!
60m _ _ _ ___.__
2
3
Datos:
Motor núm
1
2
3
cables
H.P
Voltaje
10
5
2
440 V
"
"
Fases
3
"
"
*
La charola ya tiene tres
- Temperatura ambiente: 45°C
- Operación continua
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Solución:
1. Fórmula seleccionada:
M
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L
I =
D
E
H.P. x 746
3 x V x η x F.P.
L
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I
(cuadro 1)
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Es importante recordar que, en 1993, la autoridad competente estableció el nuevo valor de factor de
potencia mínimo para una instalación eléctrica, que es 0.9(-). Por tal motivo, la consideración que se haga
para cálculos eléctricos que involucren el factor de potencia, es tomar el valor 0.9. En la sección de tablas
de este manual, puede encontrarse información sobre cómo corregir un factor de potencia bajo por medio
de capacitores.
Por lo tanto, el producto adecuado para este circuito es el cable TW (60°C) calibre núm. 8 AWG.
C.T. = 0.026 x 60 m = 1.56%
7. Para un calibre núm. 8 con 30.25 amperes efectivos, la caída de tensión por metro a 440 Volts es
de 0.026 por ciento (cuadro 5).
6. Para un producto TW (60°C) instalado en charola, el calibre núm. 8 AWG conduce 55 amperes
(cuadros 3 y 4).
Ic = 30.25 x 1.41 x 1.25 = 53.31 amperes
5. La corriente corregida es:
• Por agrupamiento: 1.25.
• Para 45°C: 1.41.
4. Los factores de corrección por agrupamiento y por temperatura ambiente para el producto TW (60°C)
son:
Como puede notarse, para incluir el factor de arranque debió multiplicarse por 1.25 la corriente del
motor de 10 H.P., que es el más grande.
I = 1.25 x 15 + 7.9 + 3.6 = 30.25 amperes
3. El valor de la corriente es:
La segunda opción es posiblemente la más sencilla, por lo que se incluyen estas tablas para utilizarlas
en caso de desconocer la eficiencia o el factor de potencia.
• Obtener la corriente de las tablas de corrientes nominales a plena carga.
• Suponer que h = 0.9 y F.P. = 0.85; posteriormente sustituir en la fórmula.
2. Como no se conoce la eficiencia h ni el factor de potencia F.P., se tienen dos opciones:
J
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