Universidad de Chile Facultad de Cs. Físicas y Matemáticas Depto de Ingeniería Eléctrica
Conductores Eléctricos Características y Aplicaciones en Ingeniería Eléctrica
INTEGRANTES - Jorge Dharmawidjaja Dharmawidjaja - Andrés Quezada - Gustavo Soto PROFESOR Nelson Morales Semestre Primavera 2008
INDICE
1.
INTRODUCCIÓN 3
2.
CONDUCTOR ELÉCTRICO 4 2.1
Aluminio y cobre: principales aplicaciones y propiedades 5
2.2 Partes que componen los conductores eléctricos 7 2.2.1 El alma o elemento conductor 7 2.2.2 El aislamiento 8 2.2.3 Cubierta protectora 9 3.
4.
5.
CLASIFICACIÓN DE LOS CONDUCTORES ELÉCTRICOS 10 3.1
De acuerdo a su aislación y número de hebras 10
3.2
De acuerdo a sus condiciones de empleo 12
NORMAS 13 4.1
Transmisión en baja tensión 13
4.2
Transmisión en media tensión: 21
4.3
Transmisión en alta tensión 24
CONCLUSIONES 26
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1. INTRODUCCIÓN
En el presente trabajo, se hará una descripción de los conductores eléctricos usados en transmisión. Se clasificarán según sus características físicas y sus condiciones de empleo. A priori se puede decir que, dependiendo de la tensión utilizada, el conductor deberá tener características particulares, tanto en su composición como en su tamaño o en su recubrimiento aislante, punto importante para asegurar seguridad en el entorno del tendido eléctrico. En la primera parte se definirá brevemente el concepto de conductor eléctrico; se analizarán los distintos tipos de elementos que se utilizan en la industria para este fin. Veremos que el cobre cumple con condiciones que lo hacen el elemento mas idóneo para conducir la electricidad. Se verá que es el metal más usado para este fin en la industria, en desmedro del aluminio y otras alternativas. Posteriormente se describirá físicamente un cable conductor, es decir, las partes que lo constituyen. Luego se mostrarán algunos tipos de clasificación para conductores. Luego se revisarán algunas de las normas utilizadas en la elección de conductores dependiendo de la tensión que se planea transmitir. En este punto es importante decir que la norma a usar dependerá tanto del proyecto como de la empresa y del lugar en que se desarrolle el proyecto . Es así como existen varias instituciones, como IEEE, IEC y UNE en el extranjero con normas para el uso de conductores en alta, media y baja tensión.
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2. CONDUCTOR ELÉCTRICO
Un conductor eléctrico es un cuerpo capaz de conducir o transmitir electricidad. Generalmente son elementos, aleaciones o compuestos con electrones libres que permiten el movimiento de cargas. Los mejores conductores eléctricos son los metales y sus aleaciones. Existen otros materiales, no metálicos, que también poseen la propiedad de conducir la electricidad. Ejemplos de esto son las soluciones salinas (como el agua de mar), el grafito o materiales en estado plasmático. Los llamados superconductores son materiales especiales , generalmente aleaciones cerámicas, que tienen bajo ciertas circunstancias específicas, una conductividad eléctrica casi perfecta. Los superconductores deben ser operados a muy bajas temperaturas (inferiores a - 200º C para algunos materiales). No basta con conducir la electricidad para ser un candidato a “buen” conductor. De ser así podrían usarse básicamente casi todos los metales conocidos. Se debe combinar una conductividad alta (resistividad baja) con algunas características mecánicas importantes. Estas características mecánicas, junto con la imposibilidad de mantener una temperatura tan baja como la que se requiere, hacen que los superconductores sean malos candidatos para la mayoría de las aplicaciones industriales. Se puede pensar por ejemplo, en los miles de kilómetros de cables eléctricos que se tienen en nuestro país, se requeriría una enorme cantidad de energía para mantenerlos a una temperatura tan baja, y suponiendo que eso no fuera problema, la fragilidad que presentan los superconductores hace imposible su utilización. Descartando los superconductores, por la imposibilidad práctica de usarlos y los metales con conductividades no tan buenas, quedan solo 4 metales que destacan por su excelente conductividad: oro, plata, cobre y aluminio. De estos, el oro y la plata en general son malas opciones por su alto costo, por lo que solo quedan el aluminio y el cobre.
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2.1 Aluminio y cobre: principales aplicaciones y propiedades A continuación se muestra una tabla con las principales características físicas del cobre y el aluminio.
Propiedad
Cobre(Cu-ETP)
Aluminio(1350)
Conductividad eléctrica (templada)
101
61
Resistencia eléctrica (templada) *
1.72 397
2.83 230
Fuerza tensora (Templada)
17 x 10-6 200-250
23 x 10-6 50-60
cm/°C N/mm2
Fuerza tensora (medianamente dura)
260-300
85-100
N/mm2
Módulo elástico
116-130
70
N/mm2
Fuerza de fatiga (Templada)
62
35
N/mm2
50
N/mm2
Conductividad termal 20°C Coeficiente de expansión
Fuerza de fatiga (medianamente dura) 117
Unidades
%IACS mOhm-cm W/mK
Calor específico
385
900
J/kgK
Densidad **
8.91
2.70
g/cm3
Punto de derretimiento
1083
660
°C
TABLA 1: Propiedades físicas y mecánicas del cobre y aluminio
Dos diferencias fundamentales que saltan a la vista son que la resistividad del aluminio es 65% mayor a la del cobre, lo que significa que, para conducir la misma corriente, un cable de aluminio necesitará una sección transversal un 65% mayor. En segundo lugar, el aluminio es 3 veces mas liviano que el cobre. Producto de esto, cada uno tiene sus propias áreas de aplicación. A grandes rasgos, se puede decir que para la transmisión aérea, el peso de los cables es un factor decisivo a la hora de decidir qué conductor utilizar. En estos casos, el uso de aluminio es masivo, pese a que se necesitan conductores más gruesos. Para transmisiones subterráneas de alto voltaje, el cobre es el material más idóneo. En este caso, el costo de la aislación es un factor decisivo. Utilizar aluminio supone conductores de mayor área, lo que redunda en mayor cantidad de recubrimiento aislante. Por esto, se prefiere el menor volumen que ofrece el cobre. Otra característica importante del cobre es su alta resistencia a la corrosión, por ello en zonas costeras se prefiere el cobre por sobre el aluminio en líneas aéreas.
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En casas y oficinas, el cobre se utiliza por razones prácticas. Los terminales de conexión para enchufes hechos de aluminio serían mucho más grandes, lo que resultaría muy poco práctico. Los cables también serían más gruesos y se necesitarían ductos o bandejas más grandes. Además, como los cables de cobre son hechos por un número importante de finos hilos de ese material, son altamente flexibles y fáciles de pasar a través de los ductos. Existe otra razón del porqué se prefiere el cobre en los edificios, y es que éste permite que un alambre y un Terminal de prensa puedan ser conexionados sin deformaciones del conductor, situación que es altamente conveniente. Estas conexiones no pueden ser hechas en alambres de aluminio. Bajo la presión del tornillo, el aluminio podría dilatarse, disminuyendo su área activa, lo que deriva en una conexión debilitada, con gran riesgo de sobre temperatura y la probabilidad del fuego asociado. Hay otras características que hacen del cobre un material mas apropiado que el aluminio como conductor. Mecánicamente, es un material más fuerte y consecuentemente más durable. Además, posee un bajo coeficiente de dilatación térmica, que implica una baja expansión cuando se calienta; esto implica proveer menos espacio libre para la expansión del material en los equipos. El cobre, además, tiene una mayor capacidad térmica que el aluminio (cuando se hace referencia a unidad por volumen), lo que significa que se puede disipar más calor durante procesos pasajeros. Los diseños en cobre generalmente derivan en aplicaciones eléctricas más compactas. Esta compactación, además, economiza en los materiales no conductores del aparato. Como resultado, un diseño basado en el uso de cobre puede terminar siendo más liviano que su equivalente en aluminio, a pesar del mayor peso especifico que tiene el cobre.
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2.2 Partes que componen los conductores eléctricos En general, un conductor eléctrico está compuesto por 3 partes: • • •
El alma, o elemento conductor El aislamiento Las cubiertas protectoras
2.2.1 El alma o elemento conductor Se fabrica del elemento conductor a utilizar. Su objetivo único es servir de camino a la energía eléctrica desde las Centrales Generadoras a los centros de distribución (subestaciones, redes y empalmes), para alimentar a los diferentes centros de consumo (industriales, grupos habitacionales, etc.). De la forma cómo esté constituida esta alma depende la clasificación de los conductores eléctricos. Así tenemos: · Según su constitución Alambre: Conductor eléctrico cuya alma conductora está formada por un solo elemento o hilo conductor. Se emplea en líneas aéreas, como conductor desnudo o aislado, en instalaciones eléctricas a la intemperie, en ductos o directamente sobre aisladores.
Cable: Conductor eléctrico cuya alma conductora está formada por una serie de hilos conductores o alambres de baja sección, lo que le otorga una gran flexibilidad.
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- Según número de conductores Monoconductor: Conductor eléctrico con una sola alma conductora, con aislación y con o sin cubierta protectora.
Multiconductor: Conductor de dos o más almas conductoras aisladas entre sí, envuelta cada una por su respectiva capa de aislación y con una o más cubiertas protectoras comunes
2.2.2 El aislamiento El objetivo de la aislación en un conductor es evitar que la energía eléctrica que circula por él, entre en contacto con las personas o con objetos, ya sean éstos ductos, artefactos u otros elementos que forman parte de una instalación. Del mismo modo, la aislación debe evitar que conductores de distinto voltaje puedan hacer contacto entre sí. Los materiales aislantes usados desde sus inicios han sido polímeros, es decir, lo que en química se define como un material o cuerpo químico formado por la unión de muchas moléculas idénticas, para formar una nueva molécula más gruesa. Antiguamente los aislantes fueron de origen natural, gutapercha y papel. Posteriormente la tecnología los cambió por aislantes artificiales actuales de uso común en la fabricación de conductores eléctricos. Los diferentes tipos de aislación de los conductores están dados por su comportamiento térmico y mecánico, considerando el medio ambiente y las condiciones de canalización a que se verán sometidos los conductores que ellos protegen, resistencia a los agentes químicos, a los rayos solares, a la humedad, a altas temperaturas, llamas, etc. Entre los materiales usados para la aislación de conductores podemos mencionar el PVC o cloruro de polivinilo, el polietileno o PE, el caucho, la goma, el neopreno y el nylon. Si el diseño del conductor no considera otro tipo de protección se le denomina aislación integral, porque el aislamiento cumple su función y la de revestimiento a la vez. Cuando los conductores tienen una protección adicional de un polímero sobre la aislación, esta última se llama revestimiento, chaqueta o cubierta.
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2.2.3 Cubierta protectora El objetivo de esta parte de un conductor, es proteger la integridad de la aislación y del alma conductora contra daños mecánicos, tales como raspaduras, golpes, etc. Si las protecciones mecánicas son de acero, latón u otro material resistente, a ésta se le denomina “armadura” La “armadura” puede ser de cinta, alambre o alambres trenzados. Los conductores también pueden estar dotados de una protección de tipo eléctrico formado por cintas de aluminio o cobre. En el caso que la protección, en vez de cinta esté constituida por alambres de cobre, se le denomina “pantalla” o “blindaje”.
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3. CLASIFICACIÓN DE LOS CONDUCTORES ELÉCTRICOS
3.1 De acuerdo a su aislación y número de hebras La parte más importante de un sistema de alimentación eléctrica está constituida por conductores. Al evaluar un proyecto, ya sea de poder, de control o de información, deben respetarse ciertos parámetros imprescindibles para la especificación del cableado: - Voltaje del sistema, tipo (CC o CA), fases y neutro, sistema de potencia. - Corriente o potencia a suministrar. - Temperatura de servicio, temperatura ambiente y resistividad térmica de los conductores. - Tipo de instalación, dimensiones (profundidad, radios de curvaturas, etc.). - Sobrecargas o cargas intermitentes. - Tipo de aislación. - Cubierta protectora.
Todos estos parámetros están íntimamente ligados al tipo de aislación y a las diferencias constructivas de los conductores eléctricos, lo que permite determinar de acuerdo a estos antecedentes la clase de uso que se les dará. De acuerdo a éstos, podemos clasificar los conductores eléctricos según su aislación, construcción y número de hebras en monoconductores y multiconductores.
Tomando en cuenta su tipo, uso, medio ambiente y consumos que servirán, los conductores eléctricos se clasifican en la siguiente forma: Conductores para distribución y poder: · Alambres y cables (N° de hebras: 7 a 61). · Tensiones de servicio: 0.6 a 35 kV (MT) y 46 a 65 kV (AT). · Uso: Instalaciones de fuerza y alumbrado (aéreas, subterráneas e interiores). · Tendido fijo. Cables armados: · Cable (N° de hebras: 7 a 37). · Tensión de servicio: 600 a 35.000 Volts. · Uso: Instalaciones en minas subterráneas para piques y galerías (ductos, bandejas, aéreas y subterráneas). · Tendido fijo.
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Conductores para control e instrumentación: · Cable (N° de hebras: 2 a 27). · Tensión de servicio: 600 Volts. · Uso: Operación e interconexión en zonas de hornos y altas temperaturas (ductos, bandejas, aéreas o directamente bajo tierra). · Tendido fijo. Cordones: · Cables (N° de hebras: 26 a 104). · Tensión de servicio: 300 Volts. · Uso: Para servicio liviano, alimentación a: radios, lámparas, aspiradoras, jugueras, etc. Alimentación a máquinas y equipos eléctricos industriales, aparatos electrodomésticos y calefactores (lavadoras, enceradoras, refrigeradores, estufas, planchas, cocinillas y hornos, etc.). · Tendido portátil. Cables portátiles: · Cables (N° de hebras: 266 a 2.107). · Tensión de servicio: 1.000 a 5.000 Volts. · Uso: En soldaduras eléctricas, locomotoras y máquinas de tracción de minas subterráneas. Grúas, palas y perforadoras de uso minero. · Resistente a: Intemperie, agentes químicos, a la llama y grandes solicitaciones mecánicas como arrastres, cortes e impactos. · Tendido portátil. Cables submarinos: · Cables (N° de hebras: 7 a 37). · Tensión de servicio: 5 y 15 kV. · Uso: En zonas bajo agua o totalmente sumergidos, con protección mecánica que los hacen resistentes a corrientes y fondos marinos. · Tendido fijo. Cables navales: · Cables (N° de hebras: 3 a 37). · Tensión de servicio: 750 Volts. · Uso: Diseñados para ser instalados en barcos en circuitos de poder, distribución y alumbrado. · Tendido fijo. Dentro de la gama de alambres y cables que se fabrican, existen otros tipos, destinados a diferentes usos industriales, como los cables telefónicos, los alambres magnéticos esmaltados para uso en la industria electrónica y en el bobinado de motores de partida y motores de tracción, los cables para conexiones automotrices a baterías y motores de arranque, los cables para parlantes y el alambre para timbres.
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3.2 De acuerdo a sus condiciones de empleo Para tendidos eléctricos de alta y baja tensión, existen diversos tipos de conductores de cobre, desnudos y aislados, diseñados para responder a distintas necesidades de conducción y a las características del medio en que la instalación prestará sus servicios. La selección de un conductor debe asegurar una capacidad de transporte de corriente adecuada , una capacidad de soportar corrientes de cortocircuito apropiadas , una adecuada resistencia mecánica y un comportamiento acorde con las condiciones ambientales en que operará .
3.2.1 Los conductores de cobre desnudos : Estos son alambres o cables y son utilizados para: · Líneas aéreas de redes urbanas y suburbanas. · Tendidos aéreos de alta tensión a la intemperie. · Líneas aéreas de contacto para ferrocarriles.
3.2.2 Alambres y cables de cobre con aislación: Estos son utilizados en: · Líneas aéreas de distribución y poder, empalmes, etc. · Instalaciones interiores de fuerza motriz y alumbrado, ubicadas en ambientes de distintas naturaleza y con diferentes tipos de canalización. · Tendido aéreos en faenas mineras (tronadura, grúas, perforadoras, etc.). · Tendidos directamente bajo tierra, bandejas o ductos. · Minas subterráneas para piques y galerías. · Control y comando de circuitos eléctricos (subestaciones, industriales, etc.). · Tendidos eléctricos en zonas de hornos y altas temperaturas. · Tendidos eléctricos bajo el agua (cable submarino) y en barcos (conductores navales). · Otros que requieren condiciones de seguridad.
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4. NORMAS
En Chile, el organismo encargado de fiscalizar el cumplimiento de las disposiciones legales, reglamentarias y normativas, sobre generación, producción, almacenamiento, transporte y distribución eléctrica, buscando que las operaciones y el uso de este recurso no constituyan peligro para las personas, es la Superintendencia de Electricidad y Combustibles, SEC. De ahí que existan normas que especifiquen ciertas características técnicas y condiciones de seguridad, con el objeto de asegurar una suficiente capacidad de transporte de corriente, una adecuada capacidad de soportar corrientes de cortocircuito, una adecuada resistencia mecánica y un buen comportamiento ante las condiciones ambientales de las instalaciones eléctricas.
4.1 Transmisión en baja tensión Se entenderá por baja tensión aquella que distribuya o genere energía eléctrica con una tensión nominal menor a los 1000 Voltios, en el caso de corriente alterna. En la NCh Elec 4/2003, se especifican las condiciones mínimas de seguridad que deben cumplir las instalaciones electricas de consumo. En esta norma se explicitan claramente todas las características que se deben respetar en instalaciones. En particular, las condiciones de uso de los distintos tipos de conductores se señalan en las tablas adjuntas a continuación:
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Características Letras de Constructivas Identificación Condiciones de Uso
Conductor unipolar, (alambre) aislación de PVC
Conductor unipolar, (alambre o cableado) aislación de PVC
Cable multiconductor con aislación PVC y chaqueta PVC Cable plano multiconductor, dos o tres alambres. Aislación PVC y chaqueta
Máxima Temperatura de Servicio [º C]
Espesores de Tensión Aislación de Chaqueta Sección Servicio Exterior Espesor Nominal [V] [mm] [mm2] 1,5 2,5 4, 6 10, 16 25,35 50,70 1,5 a 6 10, 16 25, 35 50, 70 95, 120 150 185 240 300 400
0,6 0,7 0,8 1,0 1,2 1,4 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8
70
1,5 2,5 4 a 16 25 a 35 50 a 70 95 a 120 150 a 240 300 a 400
0.8 0.9 1.0 1.2 1,4 1,6 2,0 2,6 0,8
70
2x1 a 3x1,5 2x2,5, 3x2,5, 2x4 2x8,37 y 2x10
NYA
Ambientes secos canalizados en tuberías, bandejas, escalerillas, molduras
70
NSYA
Ambientes secos o húmedos, canalizados en tuberías, bandejas, escalerillas, molduras, en tendidos aéreos a la intemperie en líneas de acometida, fuera del alcance de la mano
70
NYY
Ambientes secos, húmedos, intemperie sin exposición a rayos solares. Tendidos subterráneos en ducto o directamente en tierra
NYFY (TPS)
Instalaciones sobrepuestas en ambientes interiores, no necesitan ducto. Se usa también en bajadas de acometidas
0,9
600
No tiene
600
No tiene
600
PVC
600
PVC
1,0
Tabla 2: Características y Condiciones de Uso de Conductores Aislados. Secciones Métricas
14
Características Constructivas
Conductor unipolar; aislación PVC
Conductor unipolar; aislación PVC
Conductor unipolar; aislación PVC
Letras de Condiciones de Uso Identificación
THW
THWN
THHN
Conductor cableado, mono o multipolar. Aislación y chaqueta de etil vinil acetato
EVA
Conductor cableado o alambre, aislación de Polietileno
PW
Conductor unipolar, cableado, aislación Polietileno reticulado chaqueta PVC Conductor multipolar, (2,3 o 4 conductores por cable) aislación PVC, chaqueta PVC
TTU
TTMU
Ambientes secos y húmedos; canalizados en tuberías, bandejas, escalerillas, molduras Ambientes secos y húmedos; canalizados en tuberías, bandejas, escalerillas, molduras. La cubierta lo hace resistente a la acción de aceites, grasas, ácidos y gasolina Ambientes secos y húmedos; canalizados en tuberías, bandejas, escalerillas, molduras. La cubierta lo hace resistente a la acción de aceites, grasas, ácidos y gasolina En interiores, tuberías, bandejas, escalerillas, muy retardante a la llama, autoextinguente, se quema sin emitir gases tóxicos ni corrosivos, libre de materias halógenas. Indicado para uso en ambientes de trabajo cerrados como minas o túneles, o lugares de reunión de personas Líneas aéreas a la intemperie Instalaciones aéreas o subterráneas, en ducto o directamente en tierra o bajo agua, interiores canalizados en ductos, bandejas, o escalerillas. Ambiente secos, húmedos o mojados. Instalaciones aéreas o subterráneas, en ducto o directamente en tierra o bajo agua, interiores canalizados en ductos, bandejas, o escalerillas. Ambiente secos, húmedos o mojados.
Máxima Temperatura de Servicio [º C]
Espesores de Tensión Aislación de Chaqueta Sección Servicio Exterior Espesor Nominal [V] [mm] [mm2]
75
2,08 a 5,26 8,37 a 33,6 42,4 a 107 126,7 a 253 304 a 506
1,14 1,52 2,03 2,41 2,79
600
No tiene
75
2,08 a 3,31 5,26 8,37 a 13,3 21,2 a 33,6 42,4 a ,107 126,7 a 253 304 a 506
0,38 0,51 0,76 1,02 1,27 1,52 1,78
600
Nylon
90
2,08 a 3,31 5,26 8,37 a 13,3 21,2 a 33,6 42,4 a ,107 126,7 a 253 304 a 506
0,38 0,51 0,76 1,02 1,27 1,52 1,78
600
Nylon
90
1,5 a 2,5 4 a 16 25 a 35 50 a 70 95 a 120 150 185 240 300 400 500 a 630
0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8
1000
EVA
75
8,37 a 21,2 33,6 a 42,4 53,5 a 107
0,76 1,14 1,52
600
No tiene
75
8,37 a 33,6 42,4 a 107 126,7 a 253,4 380 a 506,7
1,14 1,40 1,65 2,03
600
PVC
75
2,08 a 5,26 8,37 a 33,6 42,4 a 107 126,7 a 253,4
1,14 1,52 2,03 2,79
600
PVC
TABLA 3: Características y Condiciones de Uso de Conductores Aislados. Secciones AWG 15
Características Constructivas
Conductor unipolar, cableado, aislación Polietileno reticulado chaqueta PVC Conductor multipolar, (2,3 o 4 conductores por cable) aislación Polietileno reticulado, chaqueta PVC Conductor monopolar; alambre o cableado. Aislación polietileno chaqueta PVC Conductor monopolar; alambre o cableado. Aislación etileno propileno chaqueta neopreno Conductor tripolar; alambre o cableado. Aislación etileno propileno chaqueta neopreno Conductor monopolar; alambre o cableado. Aislación etileno propileno chaqueta PVC Conductor monopolar; alambre o cableado. Aislación etileno propileno chaqueta neopreno
Letras de Identificación Condiciones de Uso
XTU
XTMU
PT
USE-RHH
USE-RHHM
ET
EN
Instalaciones aéreas o subterráneas, en ducto o directamente en tierra o bajo agua, interiores canalizados en ductos, bandejas, o escalerillas. Ambiente secos, húmedos o mojados. Instalaciones aéreas o subterráneas, en ducto o directamente en tierra o bajo agua, interiores canalizados en ductos, bandejas, o escalerillas. Ambiente secos, húmedos o mojados. Instalaciones aéreas o subterráneas, en ducto o directamente en tierra o bajo agua, interiores canalizados en ductos, bandejas, o escalerillas. Ambiente secos, húmedos o mojados. Instalaciones aéreas o subterráneas, en ducto o directamente en tierra o bajo agua, interiores canalizados en ductos, bandejas, o escalerillas. Ambiente secos, húmedos o mojados. Instalaciones aéreas o subterráneas, en ducto o directamente en tierra o bajo agua, interiores canalizados en ductos, bandejas, o escalerillas. Ambiente secos, húmedos o mojados. Instalaciones aéreas o subterráneas, en ducto o directamente en tierra o bajo agua, interiores canalizados en ductos, bandejas, o escalerillas. Ambiente secos, húmedos o mojados. Instalaciones aéreas o subterráneas, en ducto o directamente en tierra o bajo agua, interiores canalizados en ductos, bandejas, o escalerillas. Ambiente secos, húmedos o mojados.
Máxima Temperatura de Servicio [º C]
Espesores de Tensión Aislación de Chaqueta Sección Servicio Exterior Espesor Nominal [V] [mm] [mm2] 2,08 a 5,26 8,37 a 33,6 42,4 a 107 126,7 a 253,4 380 a 506,7
0,76 1,14 1,40 1,65 2,03
2,08 a 5,26 8,37 a 33,6 42,4 a 107 126,7 a 253,4
1,14 1,52 2,03 2,79
75
8,37 a 33,6 42,4 a 107 126,7 a 253,4 380 a 506,7
90
600
PVC
600
PVC
1,14 1,40 1,65 2,03
600
PVC
90
3,31 a 5,26 8,37 a 33,6 42,4 a 107 126,7 a 253,4 380 a 506,7
0,76 1,14 1,40 1,65 2,03
600
Neopreno
90
3,31 a 5,26 8,37 a 33,6 42,4 a 107 126,7 a 253,4 380 a 506,7
0,76 1,14 1,40 1,65 2,03
600
Neopreno
90
3,31 a 5,26 8,37 a 33,6 42,4 a 107 126,7 a 253,4 380 a 506,7
0,76 1,14 1,40 1,65 2,03
600
PVC
90
3,31 a 5,26 8,37 a 33,6 42,4 a 107 126,7 a 253,4 380 a 506,7
0,76 1,14 1,40 1,65 2,03
600
Neopreno
90
TABLA 3 (CONTINUACIÓN): Características y Condiciones de Uso de Conductores Aislados. Secciones AWG
16
Corriente Admisible Amperes [A]
Sección Nominal [mm2] Grupo 1
Grupo 2
Grupo 3
0,75 1 1,5 2,5 4
11 15 20 25
12 15 19 25 34
15 19 23 32 42
6 10 16 25 35
33 45 61 83 103
44 61 82 108 134
54 73 98 129 158
50 70 95 120 150
132 164 197 235 -
167 207 249 291 327
197 244 291 343 382
185 240 300 400 500
-
374 442 510 -
436 516 595 708 809
Tabla 4: Intensidad de Corriente Admisible para Conductores Aislados Fabricados según Normas Europeas. Secciones Milimétricas Temperatura de servicio: 70º C Temperatura ambiente: 30º C
Grupo 1:
Conductores monopolares en tuberías.
Grupo 2:
Conductores multipolares con cubierta común; cables planos, cables móviles, portátiles y similares.
Grupo 3:
Conductores monopolares tendidos libremente al aire con un espacio mínimo entre ellos igual al diámetro del conductor.
17
Temperatura de Servicio [ºC] 60 Sección [mm2]
2,08 3,31 5,26 8,37 13,3 21,2 26,7 33,6 42,4 53,5 67,4 85 107,2 126,7 151,8 177,3 202,7 253,2 303,6 354,7 379,5 405,4 456,0 506,7 633,4 750,1 886,7 1.013
Grupo A.-
75
90
Tipos THHN,XTU, XTMU, EVA, USE-RHH, USE-RHHM, ET, EN Grupo A Grupo B Grupo A Grupo B Grupo A Grupo B 20* 25* 20* 30* 25* 35* 25* 30* 25* 35* 30* 40* 30* 40* 35* 50* 40* 55* 40 60 50 70 55 80 55 80 65 95 75 105 70 105 85 125 95 140 85 120 100 145 110 165 95 140 115 170 130 190 110 165 130 195 150 220 125 195 150 230 170 260 145 225 175 265 195 300 165 260 200 310 225 350 195 300 230 360 260 405 215 340 255 405 290 455 240 375 285 445 320 505 250 420 310 505 350 570 280 455 335 545 380 615 320 515 380 620 430 700 355 575 420 690 475 780 385 630 460 755 520 855 400 655 475 785 535 885 410 680 490 815 555 920 435 730 520 870 585 985 455 780 545 935 615 1055 495 890 590 1065 665 1200 520 980 625 1175 705 1325 545 1070 650 1280 735 1455 560 1155 665 1385 750 1560 Tabla 5: Intensidad de Corriente Admisible para Conductores Aislados Fabricados según Normas Norteamericanas. Secciones AWG Sobre la Base de una Temperatura Ambiente de: 30º C Tipos TW, UF
Tipos THW, THWN, TTU, TTMU, PT, PW
Hasta tres conductores en ducto, en cable o directamente enterrados.
Grupo B.Conductor simple al aire libre. Para aplicar esta capacidad, en caso de conductores que corran paralelamente, debe existir entre ellos una separación mínima equivalente a un diámetro del conductor. No obstante lo indicado en la tabla, las protecciones de cortocircuito de los conductores de 2,08 mm 2 , 3,31 mm 2 y 5,26 mm 2 , no deberán exceder de 16, 20 y 32 A, respectivamente
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Conductor
NYA
NSYA
THW
THHN
TTU
Tipo
Sección φ ext Sección φ ext Sección φ ext Sección φ ext Sección aprox aprox aprox aprox aprox aprox aprox aprox aprox aprox φ ext
Sección nominal
[mm]
[mm2]
1
2,40
4,52
1,5
2,60
5,31
[mm]
[mm2]
[mm]
[mm2]
[mm]
[mm2]
[mm]
[mm2]
3,45
9,35 4,28
14,39
2,9
6,61
4,76
17,80
3,4
9,08
5,38
22,73
4,2
13,85
6,95
38,05
5,6
24,63
6,5
33,18
7,91
42,27
6,3
31,17
8,6
50,09
9,13
65,61
8,1
51,53
9,8
75,43
26,7
9,86
76,36
8,8
60,82
10,5
88,24
33,6
10,70
89,92
9,8
75,43
11,4
102,07
12,52
123,11
11,4
102,07
13,7
147,41
53,5
13,54
143,99
12,4
120,76
14,7
169,72
67,4
14,91
174,84
13,6
143,14
15,9
198,56
16,02
201,57
14,8
172,03
17,2
232,35
[mm2]
2,08 2,5
3,20
8,04
3,85
11,65
3,31 4
3,90
11,95
4,35
14,87
5,26 6
4,40
15,21
4,85
18,48
8,37 10
5,60
24,63
6,05
28,75
13,3 16
7,6
45,36
21,2 25
35
9,3
10,5
67,92
86,59
42,4 50
70
12,4
14,1
120,79
156,14
85 19
95
16,3
208,67
107,2
17,48
239,98
16,4
211,24
18,7
274,65
19,50
298,85
18,1
257,31
21,4
359,69
152
20,91
343,40
19,5
298,65
22,8
408,28
177,3
22,20
387,08
20,6
333,29
24,1
450,08
23,40
420,05
21,9
376,79
25,2
502,73
25,56
513,11
24,9
486,96
27,5
593,96
304
28,38
632,58
26,5
551,55
30,3
720,93
380
31,05
757,21
29,1
665,09
33,0
855,30
34,96
959,92
33.0
855,30
36,9
1069,20
120
18,0
254,46
126,7 150
185
21,0
22,2
346,36
387,07
202,7 240
25,1
494,80
253 300
400
29,0
31,7
660,52
789,24
506,7
Tabla 6: Dimensiones de Conductores con Aislación Termoplástica
Importante. Los diámetros y secciones indicadas corresponden al conductor más su aislación; los valores mostrados en la tabla son referenciales, no constituyen norma de fabricación.
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4.2 Transmisión en media tensión:
En zonas urbanas o de alta densidad poblacional, no resulta conveniente instalar lineas aereas de media tensión, tanto por el impacto visual que suponen como por el riesgo inminente que suponen las líneas. Por esto resulta aconsejable instalar líneas subterraneas en dichas zonas. Se debe indicar que las instalaciones subterraneas son mas caras que las aereas, tanto por el costo que implica construir las zanjas como por el costo que debe incurrirse en aislamiento, pues en lineas aereas se usan típicamente conductores desnudos. Los conductores utilizados deben estar debidamente aislados e instalarse enterrados dispuestos en galerias construidas bajo el suelo. Pero, ¿Cómo elegir apropiadamente estos conductores? ¿Qué factores deben tomarse en consideración? Fundamental es tener en cuenta las normas particulares de las empresas distribuidoras. En ella se seleccionan las opciones mas idóneas para cables, tanto subterráneos como aéreos, a modo de simplificar los criterios de elección. Un ejemplo de lo que sugieren normas como UNE-21123 e IEC-754.2 para cables subterraneos aparece en el siguiente dibujo:
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Para la selección apropiada de un conductor se debe tener en cuenta las consideraciones eléctricas, térmicas, mecánicas y químicas. Las principales características de cada una de ellas pueden resumirse de la siguiente forma: -
Consideraciones eléctricas :
tamaño (capacidad de corriente), tipo y espesor de la aislación, nivel de tensión (baja, media o alta), capacidad dieléctrica, resistencia de aislación, factor de potencia.
-
Consideraciones térmicas: compatibilidad con el ambiente, dilatación de
-
Consideraciones mecánicas:
-
Consideraciones químicas: aceites, llamas, ozono, luz solar, ácidos.
la aislación, resistencia térmica.
flexibilidad, tipo de chaqueta exterior, armado, resistencia impacto, abrasión, contaminación.
El problema de la determinación de la capacidad de conducción de corriente es un problema de transferencia de calor. Ya sea en condiciones normales de operación, como en sobrecargas y en cortocircuito. Por tal razón algunos autores definen estas características en conceptos de temperaturas (incremento de temperatura por efecto Joule: I²R )
La verificación del tamaño o sección transversal del conductor se puede efectuar mediante los siguientes criterios: -
En base a la capacidad de corriente :
se deben considerar las características de la carga, efectos térmicos de la corriente de carga, calentamiento, pérdidas por inducción magnética y en el dieléctrico. Cuando la selección del tamaño del cable se hace en base a este criterio, se recurre a tablas normalizadas donde para distintos valores de corriente se especifica la sección mínima del conductor a emplear. Debe tenerse presente cuando los cables van canalizados, o cuando pasan por fuentes de calor. La temperatura permanente no debe exceder del valor especificado por el fabricante, que generalmente está en el rango de 55 a 90 °C.
22
-
En base a sobrecargas de emergencias :
las condiciones de operación nominales de un cable aseguran una vida útil que fluctúa entre 20 y 30 años. Sin embargo, en algunos casos por condiciones de operación especiales se debe sobrepasar el límite de temperaturas de servicio, por tal motivo, en períodos prolongados, disminuye así su vida útil. Las normas han establecido temperaturas máximas de sobrecarga para distintos tipos de aislación. Existen tablas donde, para distintos tipos de aislación, se especifica el factor de sobrecarga para casos de emergencias. Al operar bajo estas condiciones no se disminuye la vida útil del cable porque la temperatura en él se va incrementando paulatinamente hasta alcanzar su nivel máximo de equilibrio térmico, es por esto que los cables admiten la posibilidad de sobrecarga. Este criterio es válido para la selección de cables en media y alta tensión.
-
En base a la corriente de cortocircuito : bajo condiciones de cortocircuito,
la temperatura del cable aumenta rápidamente, y si la falla no es despejada se producirá la rotura permanente del aislante.
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4.3 Transmisión en alta tensión La norma UNE-21.302 caracteriza los cables que pueden utilizarse en alta tensión según la siguiente tabla: Tensión nominal de la red (kV) 20 20 25 25 30 30
Red sistema trifásico Tensión más Tensión soportada elevada de la red a impulsos tipo rayo (kV) (kV) 24 125 24 150 30 150 30 170 36 170 36 250
Categoria de la red A-B C A-B C A-B C
Cable a utilizar Tension nominal del cable UO/U (kV) 12/20 15/25 15/25 18/30 18/30 26/45
Donde: -Tensión nominal : Valor de la tensión entre fase−tierra/fase−fase por el cual se denominan a las líneas, y a los cuales se refieren las características de servicio de la red. -Tensión mas elevada : Valor más elevado de la tensión entre fases, para el cual, el material está especificado en lo que se respecta a su aislamiento, así como a otras características relacionadas con esta tensión en las Normas propuestas para cada tipo de material. -Tensión soportada nominal a los impulsos tipo rayo: Valor de cresta de la
tensión soportada a los impulsos tipo rayo prescrito para un material, el cual caracteriza el aislamiento de este material en lo relativo a los ensayos de tensión soportada. Factores a tener en cuenta son: o
INTENSIDADES ADMISIBLES: Las intensidades máximas admisibles en servicio permanente dependen en cada caso de la temperatura máxima que el aislante pueda soportar sin alteraciones en sus propiedades eléctricas, mecánicas o químicas. Esta temperatura es función del aislamiento y del régimen de carga. En cables con aislamiento de papel impregnado, depende también de la tensión. Para cables sometidos a ciclos de carga, las intensidades máximas admisibles serán superiores a las correspondientes en servicio permanente.
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o
o
TEMPERATURA DE SERVICIO: La temperatura de servicio es aquella a la cual puede estar sometido el cable durante un tiempo indefinido, sin sufrir merma de calidad. Se determina en laboratorio, sobre muestras de materiales y de cables, sometiéndolos en cámaras a diversas temperaturas durante tiempos variables, y midiendo la degradación sufrida en cada caso. Admitir una temperatura de servicio superior a la determinada, equivale a admitir una sobrecarga permanente de mayor o menor cuantía, con lo cual se deja al cable inhábil para resistir razonablemente eventualidades de otras sobrecargas o cortocircuitos imprevistos. Como la vida real de un cable es en general muy dilatada, es muy tentador escoger una temperatura de servicio algo superior a la que resulte de los cálculos teóricos, esto conduce a que cuando comiencen a presentarse los primeros inconvenientes es fácil que haya transcurrido un periodo de tiempo bastante largo y sea por lo tanto difícil establecer la verdadera causa, ya que en realidad habrán intervenido varias, con las que quedará enmascarada la influencia que en el resultado final tenga la temperatura adoptada, induciendo a errores más o menos graves en las medidas a adoptar como solución. CORTOCIRCUITOS: En la práctica, los cortocircuitos se valoran por las intensidades de las corrientes al producirse el mismo; así se hace necesario expresar las cualidades de los cables como intensidades de cortocircuito admitidas en lugar de hacerlo como temperaturas, lo que no constituye incoveniente ya que ambas magnitudes están relacionadas entre sí. Puesto que se trata de un fenómeno prácticamente instantáneo, la elevación de temperatura se produce de un modo súbito sin dar lugar a dispersión de calor, y por lo tanto las condiciones de enfriamiento no influyen y en el cálculo intervienen únicamente la temperatura inicial del cable, la final admitida en relación con los puntos singulares antes mencionados, y el tiempo de duración del cortocircuito.
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5. CONCLUSIONES
Se vio que dentro de la gama de metales conductores y materiales semi conductores, los 2 que son masivamente usados en la industria son el cobre y el aluminio, que presentan características sobresalientes sobre otros elementos. Entre ellos también presentan características que los hacen especialmente buenos en ciertas condiciones: por un lado las buenas propiedades mecánicas y de conductividad del cobre, que lo ponen como primera opción en la mayoria de las instalaciones eléctricas de baja y media tensión y por otro lado, la baja densidad del aluminio, que en el caso de tendidos aéreos de alta tensión lo convierte en una buena alternativa del cobre. Se revisó la estructura típica de un cable conductor, que consta del alma que es el metal por el que circula típicamente la corriente, el aislamiento, que es una medida de seguridad para las personas que manipulan y que utilizan los elementos y una cubierta protectora, que protege el conductor de agentes externos. Se vieron criterios para la elección de conductores en proyectos de baja, media y alta tensión. En general estos establecen tener en consideración factores como la temperatura de operación, la intensidad de corriente previsible, intensidades de falla, etc. Se constató que existen normas internacionales que los establecen y que sugieren estándares para la fabricación de conductores en todos sus calibres.
26
