Instalaciones eléctricas residenciales E-Book

Júpiter Figuera

• Herausgeber: Marcombo
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Spanisch
• Veröffentlichungsjahr: 2023

Seitenzahl: 1012

Beschreibung

Este libro describe los elementos típicos de una instalación eléctrica para el hogar y los conceptos necesarios para realizar un proyecto de manera segura y confiable. Su ámbito de estudio abarca diversas áreas de la ingeniería eléctrica y sirve de base para variados estudios en esta importante disciplina. El objetivo principal del libro es ofrecer a los ingenieros y a los estudiantes de ingeniería eléctrica o de carreras técnicas en el campo de la electricidad, las herramientas indispensables para optimizar la estructura eléctrica de una vivienda. En este sentido, se estudian los siguientes tópicos: - Principios básicos de las instalaciones eléctricas - Conductores, canalizaciones y cajas eléctricas - Tomacorrientes y luminarias - Protecciones eléctricas - Cálculo de acometidas, alimentadores y sus características - Puesta a tierra y conexión equipotencial - Proyectos eléctricos residenciales e instalaciones telefónicas Los fundamentos teóricos utilizados tienen como soporte las normativas que rigen el diseño y cálculo de las instalaciones eléctricas. Para ello, se consultaron las regulaciones de diversos países y del National Electric Code (NEC) de los Estados Unidos. Además, el libro presenta figuras, tablas, ilustraciones y multitud de ejemplos resueltos que, junto con los ejercicios propuestos y las preguntas realizadas en cada capítulo, permiten al lector reforzar los conocimientos adquiridos. Júpiter Figuera. Profesor Titular de los Departamentos de Ingeniería Eléctrica y de Física de la Universidad de Oriente en Venezuela. Ha realizado cursos de posgrado (Master of Science en Ingeniería Eléctrica) en Kansas University, Lawrence, Kansas, USA, y en Aston University en Birmingham, Reino Unido (Master of Science en Instrumentación Electrónica). Asimismo, llevó a cabo cursos de Sistemas Estocásticos en la Universidad de Chile y de Bioingeniería en la Drexel University (Philadelphia, USA). Juan Guerrero. Ingeniero de amplia experiencia en la industria petrolera venezolana, ha desempeñado cargos de supervisor y gerente en las áreas de ingeniería de proyectos y mantenimiento en PDVSA (Petróleos de Venezuela, S. A.), donde se especializó en el diseño y coordinación del área eléctrica de refinerías petroleras, incluyendo instalaciones de baja y alta tensión. Asimismo, ha participado en la implementación de proyectos para la instalación eléctrica de viviendas unifamiliares y multifamiliares

Leseprobe

Instalaciones eléctricas residenciales

Primera edición, 2020

© 2020 Jú Figuera Yibirín y Juan Guerrero Márquez

© 2020 MARCOMBO, S.L.

      www.marcombo.com

Diseño de la cubierta: ENEDENÚ DISEÑO GRÁFICODibujo y figuras: Júpiter Figuera Yibirín y Carlos Alfonzocomoposició de testos y diagramación: Júpiter Figura Yibirín

Cualquier forma de reproducción, distribución, comnicación pública o transformación de esta obra solo puede ser realizada con la autorización de sus titulares, salvo excepción prevista por la ley. Diríjase a CEDRO (centro Español de Derechos Reprográficos, www.cedro.org) si necesita fotocopiar o escanear algún fragmento de esta obra.

ISBN: 978-84-267-3713-7Producción del ePub: booqlab

Agradecemos la revisión exhaustiva que de los originales de esta obra hizo el Prof. Carlos Lezama; aunque inconclusa por el azar del destino, su laboriosa tarea siempre nos acompañará. Asimismo reconocemos la cuidadosa revisión llevada a cabo por el escritor Ernestos Leal, para perfeccionar su estilo final. Por último, apreciamos altamente la invalorable ayuda prestada por COLEGIAL BOLIVARIANA, C. A. al efectuar su edición.

A Isabel, mi bella esposa.A Karla Andreína y Katherine, quienes me regalan deseos renovados de vivir.A mi madre Josefina Yibirín de Figuera.A la memoria de mi padre Edmundo Figuera.

JÚPITER FIGUERA YIBIRÍN

A Alba, mi querida esposa.A mis amados hijos Ninel Xiomara, Juan Andrés,Libia María y Miriam Yajaira.JUAN ANDRÉS GUERRERO MÁRQUEZ

INTRODUCCIÓN

A QUIÉN ESTÁ DIRIGIDO ESTE LIBRO

Este libro, compuesto por dos tomos, es el resultado de una laboriosa investigación sobre el conocimiento en el área de las instalaciones eléctricas. Aunque trata, fundamentalmente, de los sistemas eléctricos residenciales, su contenido describe una serie de elementos y conceptos que se extienden a diversas áreas de la ingeniería eléctrica y sirven de base para posteriores y diversos estudios en este importante sector. Su objetivo fundamental es dotar al ingeniero de proyectos eléctricos residenciales, así como al estudiante de ingeniería eléctrica, o de las carreras técnicas en el área de la electricidad, con las herramientas fundamentales para garantizar la realización de un diseño esencialmente seguro y apegado a las normas que rigen la especialidad.

CONOCIMIENTOS REQUERIDOS

Para abordar el estudio del presente libro se requieren los elementos básicos de la electricidad y de las operaciones aritméticas fundamentales. Solo en muy pocos casos es necesario conocer operaciones más complejas, como la función exponencial y la representación fasorial de las variables eléctricas (voltaje, corriente e impedancia).

NORMAS EN LAS CUALES SE BASA ESTE LIBRO

A lo largo del texto se menciona el apego del contenido a las normas que rigen el cálculo de las instalaciones eléctricas residenciales. Para ello se consultaron regulaciones de los países latinoamericanos y del National Electrical Code (NEC) de los Estados Unidos. Este último ha servido de base para la redacción de los códigos de varios países de Latinoamérica. En el caso de Venezuela, el National Electrical Code ha sido traducido al idioma español. Este código fue adaptado a las características venezolanas y designado como Código Eléctrico Nacional (CEN), por cuanto «los procedimientos de construcción y los materiales que se utilizan en Venezuela son los mismos en ambos países».

ILUSTRACIONES

En el desarrollo del contenido se hace un uso abundante de las figuras relacionadas con los conceptos teóricos. De esta manera se busca lograr una mayor comprensión del material de estudio. La transformación de las ideas expuestas en hermosas ilustraciones, muy cercanas a lo que la realidad presenta, hace más atractiva la lectura del texto y complementa la aprehensión del conocimiento.

ORGANIZACIÓN

El libro consta de 14 capítulos. Los capítulos, a la vez, están divididos en secciones, y estas, en algunos casos, se dividen en subsecciones. Todos ellos están enumerados en orden correlativo. En cada capítulo se presenta un número apreciable de ejemplos y al final del mismo se proponen preguntas teóricas y problemas en relación con el tema estudiado. Numerosas ilustraciones, referidas a los temas descritos, refuerzan, como ya se dijo, los planteamientos teóricos. Las tablas incluidas en los distintos capítulos aportan datos y particularidades de los elementos que caracterizan a las instalaciones eléctricas y que son útiles para seleccionarlos. Dichas tablas fueron adaptadas, en su mayoría, de los códigos eléctricos que rigen el diseño de las instalaciones. Al final del libro se incluyen apéndices que contienen las tablas mencionadas en el contenido y otros datos de importancia en el estudio y la selección de los componentes eléctricos.

Capítulo 1: Principios básicos

Se estudian los aspectos generales y los constituyentes básicos de una instalación eléctrica, sea aérea o subterránea. Asimismo se presentan los requisitos necesarios para obtener un buen diseño y un sistema eléctrico seguro y confiable. Finalmente se describen los sistemas eléctricos más comunes, tanto monofásicos como trifásicos, y se desarrollan las fórmulas que establecen las caídas de voltaje en los mismos.

Capítulo 2: Conductores eléctricos

Se refiere al estudio de los conductores usados en las instalaciones eléctricas. Se definen lo que son un conductor, un alambre y un cable, y se describen los distintos sistemas (AWG, kcmil, métrico y SWG) para establecer su calibre en mils, circular mils, square mil, pulgadas y mm. Se presentan los distintos tipos de aislantes de los conductores y sus características físicas. La definición de ampacidad, un concepto básico en la caracterización de los conductores, y su dependencia de la temperatura ambiente y del número de conductores en un ducto, son analizadas en todos sus detalles. Se responde a las preguntas relativas a cuándo un conductor neutro es portador de corriente y cuál es el calibre adecuado para el mismo. Se analiza con precisión cómo influye el régimen de temperatura de los distintos componentes de la instalación sobre la selección del conductor. Se deducen fórmulas para determinar la caída de voltaje en los distintos sistemas eléctricos, tanto en corriente continua como en corriente alterna. Teniendo en cuenta esas relaciones, se elaboran tablas que permiten seleccionar el tipo y calibre del conductor a partir de una caída de voltaje determinada, así como determinar la longitud máxima del conductor para esa caída de voltaje. Los distintos tipos de cables utilizados en las instalaciones eléctricas también son objeto de estudio.

Capítulo 3: Canalizaciones eléctricas

Se estudian los diferentes tipos de ductos usados comúnmente (PVC, EMT, RMC, FMC) en las instalaciones eléctricas y se describen: a) los usos permitidos y no permitidos; b) los tamaños mínimo y máximo de los tubos; c) el número máximo de conductores permitidos en un tubo; d) la forma de doblar los tubos y el número máximo de curvas en su recorrido; e) la fijación de los tubos mediante soportes; f) la conexión a cajas y uniones, y g) la puesta a tierra de los tubos.

Capítulo 4: Cajas eléctricas

Se describen las cajas eléctricas, metálicas y no metálicas, de las instalaciones, así como sus tapas y cómo se realiza la conexión a los tubos. Se estudian las conduletas, las cajas de paso o de conexiones y las cajas a prueba de agua. Se explican las normas y el procedimiento para determinar el número máximo de conductores en una caja.

Capítulo 5: Tomacorrientes

Este capítulo trata sobre los tomacorrientes, sus características, su capacidad y cableado, así como la relación de los distintos tipos de tomacorrientes con las normas de seguridad eléctrica. Se estudia el interruptor de corriente por fallas a tierra (GFCI), así como su funcionamiento y cableado, sus limitaciones y tipos. Los circuitos multiconductores son un tema de este capítulo. Se menciona el interruptor contra fallas de arco.

Capítulo 6: Interruptores

A partir de conceptos básicos se presentan los distintos tipos de interruptores (SPST, SPDT), describiendo su funcionamiento y su uso en las instalaciones eléctricas. Se muestran diagramas pictóricos de los cableados utilizados para encender luminarias, desde distintos sitios de una residencia o edificación, mediante el uso de interruptores sencillos (unipolares), de tres vías y de cuatro vías.

Capítulo 7: Ubicación de tomacorrientes y luminarias

Este capítulo se propone establecer cómo se colocarán los tomacorrientes y luminarias en los ambientes de una residencia. Se mencionan los equipos y artefactos eléctricos más comunes en una unidad residencial y se dan indicaciones sobre las distancias que deben mantener los tomacorrientes entre sí y con respecto a los muebles que se encuentran en los distintos espacios de una vivienda. El estudio tiene en cuenta tanto tomacorrientes interiores como exteriores a la residencia.

Capítulo 8: Protección contra sobrecorriente

Está dedicado a la protección contra sobrecorriente en los sistemas eléctricos residenciales. Se definen conceptos como sobrecarga y cortocircuito, y se hace una descripción de los fusibles e interruptores automáticos encontrados en una instalación eléctrica. Asimismo se estudia cómo operan estos componentes. En este capítulo se mencionan las normas eléctricas más relevantes, en relación con los interruptores, que establece el Código Eléctrico Nacional de los Estados Unidos, ilustrando con ejemplos y figuras la aplicación de dichas normas. También, varios ejemplos indican el procedimiento para calcular las protecciones.

Capítulo 9: Circuitos ramales residenciales

Se definen los diferentes circuitos ramales de 15, 20, 30, 40 y 50 amperios, así como los circuitos individuales típicos de una unidad residencial, y se describe cómo calcular el número de circuitos ramales para tomacorrientes e iluminación. Se estudian los circuitos ramales para pequeños artefactos de la cocina y la manera de calcular el número de los mismos. Se presenta la tabla correspondiente a los factores de demanda para cargas de iluminación. Asimismo se describen los circuitos ramales que las normas eléctricas especifican para el lavadero y la sala de baño. Se mencionan detalladamente los circuitos individuales de: las cocinas eléctricas, los calentadores de agua, las secadoras de ropa, las compactadoras de basura, los trituradores de desperdicios, los hornos de microondas y los acondicionadores de aire.

Capítulo 10: Cálculo de acometidad/alimentadores

El procedimiento para calcular los alimentadores y las acometidas de una unidad de vivienda es el objetivo principal de este capítulo. Se mencionan las normas más relevantes que se aplican en estos cálculos. Los métodos estándar y opcional de cálculo se utilizan para determinar los calibres de los conductores de fase y del neutro. Se especifica cuándo un conductor neutro es portador de corriente y cómo la corriente en el neutro se relaciona con el valor de la corrientes de las fases. Varios ejemplos contribuyen a esclarecer los procedimientos de cálculo.

Capítulo 11: Características de la acometida

Se comienza con la definición de la acometida y de los distintos elementos que la conforman. Se considera el número de acometidas y las separaciones verticales y horizontales que deben tener con respecto a una edificación y con respecto al suelo. Se estudian las características de los conductores de la acometida, los elementos de soporte de esta, los medios de desconexión y la protección contra sobrecorriente del equipo de acometida. El capítulo finaliza con el estudio de algunas características de los tableros eléctricos.

Capítulo 12: Puesta a tierra y conexión equipotencial

Los importantes tópicos de la puesta a tierra y de la fusión conductiva (conexión equipotencial o bonding) se tratan en forma detallada. Se dan las definiciones más relevantes en relación con ambos conceptos. Se explica cómo se han de conectar los elementos de una instalación eléctrica para garantizar una buena fusión conductiva. Se describe detalladamente el camino de una corriente de falla a tierra y cómo evitar que la misma constituya una amenaza para los usuarios de la instalación eléctrica. Se dice qué son las corrientes indeseables en un sistema eléctrico. Se da a conocer el concepto de un sistema eléctrico derivado separadamente. Se mencionan los electrodos de puesta a tierra más comúnmente utilizados.

Capítulo 13: El proyecto eléctrico residencial

Tomando como ejemplo una residencia familiar, se desarrolla paso a paso el procedimiento a seguir para el cálculo de una instalación eléctrica.

Capítulo 14: Instalaciones telefónicas

Se establecen las características de las instalaciones telefónicas en residencias unifamiliares y edificios, y se describen la clasificación y las características de cada tipo de instalación.

CONTENIDO

Dedicatorias y agradecimientos

Introducción

1Principios básicos

1.1 Aspectos generales

1.2 Elementos básicos de una instalación eléctrica

1.3 Requisitos de una buena instalación eléctrica

1.3.1 Seguridad

1.3.2 Capacidad

1.3.3 Accesibilidad

1.3.4 Flexibilidad

1.3.5 Economía

1.4 Sistemas eléctricos más comunes

1.4.1 Sistema monofásico de 120 voltios y dos conductores

1.4.2 Sistema monofásico de 120/208 voltios y tres conductores

1.4.3 Sistema monofásico de 120/240 voltios y tres conductores

1.4.4 Sistema trifásico de 120/208 voltios y tres conductores

2Conductores eléctricos

2.1 Definiciones básicas

2.2 Conductores de cobre vs conductores de aluminio

2.3 Protección del conductor de cobre terminado

2.4 Conductor sólido (alambre) vs conductor multifilar (cable)

2.5 Calibre de los conductores

2.5.1American Wire Gauge (AWG)

2.5.2Kilo Circular Mil (kcmil)

2.5.3 Sistema métrico de calibres

2.5.4British Imperial Standard (SWG)

2.6 Aislantes de los conductores

2.7 Ampacidad de un conductor

2.8 Limitaciones térmicas adicionales de los conductores

2.9 Protección de los conductores

2.10 Calibres típicos residenciales

2.11 Limitaciones de carga en conductores

2.12 Calibre del conductor neutro

2.13 Caída de voltaje en conductores

2.14 Resistencia en corriente alterna. Efecto pelicular.

2.15 Caída de voltaje cuando se tiene en cuenta la reactancia de línea y el ángulo de fase en la carga

2.16 Longitudes permisibles de conductores para una caída específica de voltaje

2.17 Diagrama de flujo para calcular el calibre de un conductor

2.18 Identificación de los conductores en una instalación eléctrica

2.19 Cables con cubiertas no metálicas

2.20 Cables con cubiertas metálicas

2.21 Cordones y cables flexibles

2.22 Cables de acometida

3Canalizaciones eléctricas

3.1 Generalidades

3.2 Tubería rígida de PVC

3.2.1 Usos permitidos

3.2.2 Usos no permitidos

3.2.3 Tamaños mínimo y máximo

3.2.4 Máximo número de conductores

3.2.5 Doblado de los tubos. Número de curvas.

3.2.6 Escariado. Fijación y soportes.

3.2.7 Conexión a cajas. Uniones.

3.2.8 Empalmes. Puesta a tierra.

3.3 Tubería eléctrica metálica tipo EMT

3.3.1 Usos permitidos

3.3.2 Usos no permitidos

3.3.3 Tamaños mínimo y máximo

3.3.4 Máximo número de conductores

3.3.5 Doblado de los tubos. Número de curvas.

3.3.6 Escariado y roscado. Fijación y soportes.

3.3.7 Acoples, empalmes y puesta a tierra

3.4 Tubería metálica rígida (RMC)

3.4.1 Usos permitidos y no permitidos

3.4.2 Tamaños mínimo y máximo

3.4.3 Máximo número de conductores

3.4.4 Doblado de los tubos. Número de curvas.

3.4.5 Escariado y roscado. Fijación y soportes.

3.4.6 Acoples. Empalmes y puesta a tierra.

3.5 Tubería metálica intermedia (IMC)

3.6 Tubería metálica flexible (FMC)

3.6.1 Usos permitidos y no permitidos

3.6.2 Tamaños mínimo y máximo. Número de curvas.

3.6.3 Escariado. Fijación y soportes. Acoples y conectores. Puesta a tierra.

4Cajas eléctricas

4.1 Función de las cajas eléctricas

4.2 Cajas no metálicas

4.3 Cajas metálicas

4.4 Montaje de las cajas

4.5 Tapas para cajas eléctricas

4.6 Conexión de tubos a cajas

4.7 Conduletas (conduits bodies)

4.8 Cajas de halado y/o de empalmes

4.9 Cajas a prueba de intemperie

4.10 Referencias adicionales relacionadas con las cajas

4.11 Determinación del número de conductores en una caja

4.12 Cálculo de las cajas cuando los conductores son de calibre igual o mayor que 4 AWG

5Tomacorrientes

5.1 Características de los tomacorrientes

5.2 Tomacorrientes y seguridad eléctrica

5.3 Interruptor de falla a tierra (GFCI)

5.4 Circuito básico de un GFCI

5.5 ¿Dónde se deben usar los GFCI?

5.6 Limitaciones en el uso de los GFCI

5.7 Tipos de GFCI

5.8 Altura y posición de tomacorrientes

5.9 Circuitos ramales multiconductores

5.10 Cableado de tomacorrientes

5.11 Interruptor para fallas de arco

5.12 Protectores contra sobretensiones

5.13 Capacidad de tomacorrientes

5.14 Símbolos utilizados para representar a los tomacorrientes

6Interruptores

6.1 Aspectos generales

6.2 Tipos de interruptores

6.3 Cableado de interruptores. Diagramas pictóricos.

6.4 Especificaciones de interruptores

6.5 Otras consideraciones en relación con los interruptores

6.6 Símbolos eléctricos de interruptores

7Ubicación de tomacorrientes y luminarias

7.1 El proyecto eléctrico. Generalidades.

7.2 Generalidades sobre la ubicación de tomacorrientes, lámparas e interruptores en los diferentes ambientes de una residencia

7.3 Salidas en la cocina y el comedor

7.4 Salidas eléctricas en la sala de baño

7.5 Salidas eléctricas en dormitorios

7.6 Salidas eléctricas en la sala

7.7 Salidas eléctricas en el lavadero

7.8 Salidas eléctricas en pasillos

7.9 Salidas eléctricas en el garaje

7.10 Salidas eléctricas en el porche

7.11 Salidas externas a una residencia

7.12 Salidas eléctricas en escaleras

7.13 Salidas alrededor de cuerpos de agua

8Protección contra sobrecorriente

8.1 Sistemas eléctricos: la necesidad de protegerlos

8.2 Definiciones básicas

8.2.1 Sobrecarga

8.2.2 Cortocircuito

8.2.3 Falla a tierra

8.3 Fusibles

8.3.1 Operación del fusible

8.3.2 Fusibles tipo tapón

8.3.3 Fusibles de cartucho

8.4 Características de los fusibles

8.4.1 Régimen de voltaje o voltaje nominal

8.4.2 Régimen de corriente o corriente nominal

8.4.3 Capacidad de interrupción de corriente

8.4.4 Curvas tiempo vs corriente

8.4.5 Limitación de corriente

8.5 Cálculo de la corriente de cortocircuito

8.6 Clasificación de fusibles

8.7 Interruptores automáticos

8.7.1 Operación de un interruptor

8.7.2 Interruptor magnético

8.7.3 Clasificación de los interruptores

8.8 Características de los interruptores automáticos

8.8.1 Régimen de voltaje

8.8.2 Régimen de corriente

8.8.3 Capacidad de interrupción de corriente

8.8.4 Curvas tiempo vs corriente

8.9 Interruptores tipos GFCI y AFCI

8.10 El Código Eléctrico Nacional y la protección de conductores contra sobrecorriente

8.11 Cálculo de las protecciones

8.12 Resumen de las normas más resaltantes del CEN en cuanto a la protección contra sobrecorriente

9Circuitos ramales residenciales

9.1 Circuitos ramales. Definiciones.

9.2 Requisitos generales de los circuitos ramales

9.3 Clasificación de los circuitos ramales

9.4 Circuitos ramales de uso general de 15 amperios

9.5 Número de circuitos ramales de 15 amperios

9.6 Número de salidas de iluminación y/o tomacorrientes en un circuito ramal de uso general de 15 amperios

9.7 Circuitos ramales de 20 amperios para uso general

9.8 Número de circuitos ramales de 20 amperios

9.9 Número de salidas de iluminación y/o tomacorrientes en un circuito ramal de uso general de 20 A

9.10 Circuitos ramales de 20 amperios para pequeños artefactos

9.11 Cálculo del número de circuitos ramales de 20 amperios para pequeños artefactos

9.12 Carga de los circuitos de pequeños artefactos a tener en cuenta para el cálculo de alimentadores

9.13 Circuitos ramales de 20 A de uso en el lavadero

9.14 Circuitos ramales de 20 A para las salas de baño

9.15 Circuitos ramales de 30 A para uso general

9.16 Circuitos ramales de 40 A y 50 A para uso general

9.17 Circuitos ramales individuales

9.18 Artefactos y equipos especiales conectados a circuitos individuales

9.19 Circuitos ramales para equipos de cocinas eléctricas

9.20 Circuito ramal para calentadores de agua

9.21 Circuito ramal para la secadora eléctrica de ropa

9.22 Circuito ramal para el lavaplatos eléctrico

9.23 Circuito ramal para el compactador de basura

9.24 Circuito ramal para el triturador de desperdicios

9.25 Circuito ramal para el horno de microondas

9.26 Circuito ramal para los equipos de aire acondicionado

9.27 Circuito ramal multiconductor

10Cálculo de acometidas/alimentadores

10.1 Acometidas y alimentadores

10.2 Cálculo de alimentadores. Método estándar

10.3 Método opcional para viviendas unifamiliares

10.4 Cálculo de acometidas en residencias multifamiliares

11Consideraciones sobre la acometida

11.1 La acometida. Generalidades.

11.2 La acometida. Definiciones.

11.3 Número de acometidas

11.4 Acometidas externas a un edificio

11.5 Separación de la acometida aérea de las edificaciones

11.6 Los conductores de la acometida aérea

11.7 Elementos de soporte de la acometida aérea

11.8 Conductores de la acometida subterránea

11.9 Conductores de entrada de la acometida

11.10 Medios de desconexión del equipo de acometida

11.11 Protección contra sobrecorriente del equipo de cometida

11.12 Tableros eléctricos. Generalidades.

11.13 Especificaciones eléctricas de los tableros

12Puesta a tierra y conexión equipotencial

12.1 Aspectos generales. Definiciones.

12.2 Requerimientos generales para la puesta a tierra y la conexión equipotencial

12.3 Corrientes indeseables

12.4 Accesorios para la puesta a tierra

12.5 Puesta a tierra de sistemas y circuitos

12.6 Puesta a tierra de la acometida de sistemas de corriente alterna

12.7 Puesta a tierra en el lado de la carga

12.8 El puente equipotencial principal

12.9 Conductor puesto a tierra (neutro)

12.10 Puesta a tierra de sistemas derivados separadamente

12.11 Sistema de puesta a tierra

12.12 Electrodos de puesta a tierra

12.13 Puentes de conexión equipotencial

12.14 Conductores de puesta a tierra (bonding) de los equipos

12.15 Métodos para la unión equipotencial de equipos (bonding)

12.16 A manera de resumen

13El proyecto eléctrico residencial

13.1 Consideraciones generales

13.2 Partes de un proyecto

13.3 Planos eléctricos

13.4 Cálculo de los circuitos ramales

13.5 Cálculo del alimentador y de la acometida

13.6 Tablas de carga

13.7 Esquemas de los tableros. Símbolos.

13.8 Puesta a tierra. Tanquillas.

13.9 Memoria final del proyecto eléctrico

14Instalaciones telefónicas

14.1 Consideraciones generales

14.2 Teléfonos en viviendas unifamiliares

14.3 Distribución interna de la red telefónica

14.4 Instalaciones telefónicas en edificios

14.5 Elementos principales de un proyecto telefónico en un edificio

Apéndices

CAPÍTULO 1

PRINCIPIOS BÁSICOS

1.1 ASPECTOS GENERALES

Históricamente el hombre utilizó primero los derivados vegetales para satisfacer sus necesidades mínimas de energía. Así, mediante la combustión de la madera, fue capaz de preparar sus alimentos y llevar a cabo manufacturas de tipo artesanal. Posteriormente, utilizó la energía proveniente de combustibles fósiles, como el carbón y el aceite, para sus necesidades cotidianas e industriales. La energía así obtenida fue usada directamente para producir calor y luz, o convertida, mediante las maquinarias adecuadas, en movimiento.

A comienzos del siglo XIX el calor, proveniente de la quema de combustibles fósiles, fue utilizado para generar otra forma de energía: la electricidad. El uso de saltos de agua permitió igualmente la obtención de energía eléctrica mediante el movimiento de grandes turbinas. Las urbes modernas hacen uso extensivo de la energía termoeléctrica generada mediante vapor, gas o diesel y de la hidroeléctrica generada en grandes represas. En ambos casos, la energía eléctrica es transportada y distribuida hacia las subestaciones de los centros poblados y, de allí, a cada una de las edificaciones de una ciudad. El cálculo asociado con las variables que intervienen en esa transferencia de energía es el objeto principal del estudio que ahora iniciamos, ya que de él depende la selección de los componentes que integran las redes eléctricas de viviendas y de edificios comerciales e industriales.

El diseño de instalaciones eléctricas debe partir del conocimiento que se tenga sobre la operación de los distintos elementos que conforman el sistema, así como también de las características eléctricas y físicas de los mismos. De allí la necesidad de establecer los conceptos básicos que rigen la relación voltaje-corriente entre los componentes que integran la instalación, conceptos que abordamos en el presente capítulo. También es necesario conocer la potencia que consumen los artefactos a conectar y su distribución espacial en el ámbito donde serán utilizados.

De fundamental importancia es asimismo la seguridad en las instalaciones eléctricas. La falta de apego a las normas de seguridad y a las regulaciones que rigen el sector eléctrico puede originar consecuencias graves, con posibles pérdidas de bienes y de vidas humanas. Un buen diseño debe tener en cuenta la protección de los circuitos que alimentan a los distintos artefactos conectados al sistema, a fin de evitar incendios causados por la generación de chispas o por el excesivo calor en las partes integrantes de la instalación. También es vital asegurarse de que los usuarios de la red eléctrica estén protegidos en el caso de producirse fallas en la instalación. Para ello existen normas de estricto cumplimiento cuando se diseña y construye una obra eléctrica.

En una instalación eléctrica, sea esta residencial, comercial o industrial, se puede seleccionar al medidor de energía como punto de referencia. A partir de allí se observa que hay unos conductores que proceden de líneas externas de suministro de electricidad, mientras que otros salen del medidor hacia el interior de la edificación a alimentar.

1.2 ELEMENTOS BÁSICOS DE UNA INSTALACIÓN ELÉCTRICA

La energía eléctrica se obtiene a partir de los cables de alto voltaje que provienen de subestaciones ubicadas en diferentes sitios de una ciudad. De allí se distribuyen de acuerdo con los requerimientos de energía de la población. Los tres conductores primarios que salen de estas subestaciones, típicamente a un voltaje de 13.800 voltios, llegan a transformadores de distribución, los cuales reducen el voltaje en su secundario a los valores de utilización en las instalaciones. Esos valores son, comúnmente, 120/240 V monofásicos o 120/208 V monofásicos/trifásicos, según los artefactos y equipos que se utilicen. Los voltajes monofásicos de 120, 208 y 240 V corresponden a sectores de baja demanda de potencia. Cuando la demanda es suficientemente alta, se usa un transformador trifásico o bancos trifásicos de transformadores integrados por tres transformadores monofásicos, conectados en una configuración delta-estrella. En la Fig. 1.1, de los cuatro conductores que salen del transformador, dos fases y el neutro se dirigen hacia la edificación. Al conjunto de los conductores* se le denomina acometida, y como el tendido de ellos es por el aire, a la misma se le llama acometida aérea.

Fig. 1.1 Acometida eléctrica aérea de una edificación residencial, comercial o industrial.

Del transformador, los conductores se dirigen hacia el medidor de energía eléctrica, en forma aérea, hasta la percha en la pared y, luego, a través de un ducto. De allí pasan al tablero principal de la edificación. Este elemento de la instalación, el medidor, marca el límite entre la responsabilidad del proveedor de servicio eléctrico y el usuario del mismo. Lo que está después del medidor es competencia del ocupante de la edificación, mientras que lo que se ubica antes del medidor le corresponde a la compañía de electricidad. Hay que destacar que tanto el neutro como la caja metálica del tablero se conectan a tierra por motivos de seguridad.

El tablero principal es el componente central de la instalación eléctrica. De allí parten los circuitos ramales, conformados por dos o tres conductores según los tipos de artefactos a conectar, que transportan la energía eléctrica hasta los puntos donde se va a utilizar. El tablero principal cumple con las siguientes funciones: a) desconectar completamente la energía en caso de producirse alguna falla en el sistema eléctrico o, de ser necesario, para el mantenimiento global de la instalación; b) distribuir la corriente eléctrica a los circuitos ramales que conforman la red eléctrica, y c) proteger los circuitos ramales contra las sobrecorrientes originadas por cortocircuitos, fallas a tierra y sobrecargas de corriente. Conviene advertir que la acometida puede ser subterránea, en cuyo caso el ducto que lleva los conductores desde el transformador hasta el medidor se coloca debajo de la superficie, tal como se muestra en la Fig. 1.2. La acometida subterránea mejora la apariencia de la instalación eléctrica, sobre todo cuando se trata de grandes núcleos urbanos, donde las acometidas aéreas conforman un enmarañado de cables que, además de antiestético, puede dar origen a cortocircuitos.

Fig. 1.2 Entrada de una instalación eléctrica. La acometida es subterránea.

En las figuras 1.1 y 1.2 el transformador tiene como entrada las tres líneas de alta tensión, y como salida, tres fases y un neutro. Se trata de un transformador trifásico. En la práctica se utilizan con mucha frecuencia tres transformadores monofásicos, conectados de tal manera que se logra el mismo resultado (Fig. 1.3). Otras veces se utilizan transformadores de pedestal o transformadores instalados en sótanos.

Además de la reducción de alta a baja tensión, que ahora se realiza mediante tres transformadores monofásicos, la instalación eléctrica es similar a las representadas hasta ahora, pudiendo ser la acometida aérea o subterránea. Aunque es a partir del medidor de energía donde nos concentraremos en este libro, es importante saber determinar el calibre de los conductores de la acometida a fin de garantizar los voltajes apropiados para el sistema eléctrico interno. Los conductores de la acometida deberán tener suficiente capacidad para alimentar la carga conectada. Aparte de la reducción de alta a baja tensión*, que ahora se realiza mediante tres transformadores monofásicos, la instalación eléctrica es similar a las representadas hasta ahora, pudiendo ser la acometida aérea o subterránea. Aunque es a partir del medidor de energía donde nos concentraremos en este libro, es importante saber determinar el calibre de los conductores de la acometida a fin de garantizar los voltajes apropiados para el sistema eléctrico interno.

Fig. 1.3 Entrada de una instalación eléctrica con tres transformadores monofásicos.

1.3 REQUISITOS DE UNA BUENA INSTALACIÓN ELÉCTRICA

El diseño de un sistema eléctrico de cualquier tipo debe estar sometido a las regulaciones establecidas en las normas que rigen este tipo de instalación. En todos los países existen regulaciones que persiguen garantizar la seguridad de personas y bienes cuando se proyecta y construye una obra eléctrica. En general, podemos mencionar los siguientes requerimientos como características básicas de una buena instalación eléctrica:

1.3.1 Seguridad. Una instalación eléctrica segura es aquella en la que se han minimizado los riesgos a las personas y bienes inmuebles que hacen uso de la electricidad y a los artefactos conectados a los circuitos ramales. En el primer caso se busca preservar la vida de los usuarios del servicio, mientras que en el segundo y el tercero se trata de evitar pérdidas patrimoniales. Los códigos eléctricos de diferentes países establecen los requisitos que caracterizan a una instalación segura. El código define como equipo a un ente que incluye accesorios, materiales, dispositivos, artefactos, luminarias, aparatos y similares usados como partes de o en conexión con una instalación eléctrica. Tales equipos cumplirán, entre otros, con los siguientes aspectos:

a) Deben ser adecuados al uso que se les pretende dar. Así, por ejemplo, en ambientes exteriores se deben utilizar tomacorrientes a prueba de intemperie, que no permitan que el agua dé lugar a fugas indeseadas de corriente.

b) Deben poseer la resistencia mecánica y la durabilidad acordes con la instalación a diseñar y construir. Por ello se deben seleccionar equipos de buena calidad.

c) Los espacios para las conexiones y dobleces de conductores deben ser suficientemente holgados para que no se produzcan tensiones mecánicas extremas en los mismos, de manera que se eviten roturas y posibles cortocircuitos en la instalación.

d) Es importante que los equipos tengan el aislamiento eléctrico adecuado y en buen estado, a fin de evitar incendios por la generación de chispas y cortocircuitos.

e) El calentamiento producido por la corriente eléctrica debe estar dentro de los límites permitidos por el aislamiento de los conductores, a fin de que las temperaturas generadas no sean capaces de iniciar un incendio debido al incremento de calor. Es obligatorio el uso de dispositivos de protección contra sobrecargas para evitar la generación de sobrecalentamientos peligrosos.

f) Los equipos se instalarán siguiendo estrictamente las indicaciones de los fabricantes.

g) Los circuitos deben tener medios de desconexión automáticos, que permitan la interrupción de la corriente eléctrica al producirse un cortocircuito o falla a tierra.

h) Toda instalación eléctrica debe tener una conexión de puesta a tierra que proteja a los usuarios de choques eléctricos.

1.3.2 Capacidad. Cuando se proyecta una instalación eléctrica hay que pensar no solo en la carga inicial de diseño; también se deben prever las necesidades futuras de la misma. Es un mal diseño no tener en cuenta que, después de realizada la obra, habrá necesidad de ampliar los artefactos a conectar al sistema eléctrico. Este error se observa, en forma pronunciada, en el dimensionamiento de los conductores y de los ductos utilizados para albergarlos. Una buena instalación tendrá ductos con capacidad suficiente para alojar a nuevos conductores o para permitir la sustitución de los conductores originales en caso de aumentar las exigencias en la carga a alimentar. Esta previsión permite, pues, la modernización del cableado existente. Todos los elementos del sistema deben ser seleccionados para manejar un aumento adecuado en las exigencias de la carga.

1.3.3 Accesibilidad. Este concepto se refiere a la posibilidad de acceder con relativa facilidad a cualquier punto o equipo de la red eléctrica. De este modo se garantiza que la ampliación, modernización o mantenimiento de la instalación se pueda hacer de una manera rápida y organizada Esto último requiere la disponibilidad de los planos originales, que serán guardados en un sitio seguro y servirán de referencia para las modificaciones posteriores de la obra eléctrica. La falta de accesibilidad a la red eléctrica atenta contra la seguridad de la misma, ya que en caso de presentarse una emergencia, se podrían obstaculizar las medidas a tomar para superarla.

1.3.4. Flexibilidad. El diseñador de una instalación eléctrica debe tener en cuenta los cambios que se podrían presentar en la configuración espacial de los artefactos que se van a conectar a la red. De esta manera, cualquier variación en la disposición de los mismos no producirá modificaciones importantes en la ubicación de salidas para tomacorrientes y lámparas. Es típico el caso de la colocación de los tomacorrientes en los dormitorios, donde, por no haber sido diseñados con criterio flexible, quedan escondidos detrás de las camas. Hay que hacer notar que quien planifica la instalación eléctrica debe tener pleno conocimiento de los detalles arquitectónicos característicos de la edificación, para poder minimizar los conflictos entre la ubicación de los muebles y artefactos y las correspondientes tomas de corriente.

1.3.5 Economía. La selección de los materiales a utilizar en una instalación eléctrica involucra, además de los elementos funcionalmente apropiados y estéticamente satisfactorios, la consideración de sus costos. Puesto que marcas existentes en el mercado pueden llenar los requisitos para una determinada obra eléctrica, se hace necesario el criterio del diseñador para hacer una selección inteligente. También hay que tener en cuenta los costos iniciales de instalación y los costos de operación y mantenimiento del sistema eléctrico. Generalmente, bajos costos iniciales significan costos de energía y mantenimiento mayores y una vida más corta de los equipos. El diseñador y el constructor tendrán en consideración, además, los niveles de ingresos de la población, cuando se trate de desarrollos habitacionales populares, para mantener un equilibrio entre el precio de los materiales y la buena calidad de la obra. Es frecuente encontrar diseños eléctricos de muy baja calidad cuando se trata de viviendas de interés social, tendencia se debe revertir, procurando obtener mejor calidad de vida para todos los estratos sociales.

1.4 SISTEMAS ELÉCTRICOS MÁS COMUNES

Los sistemas de 600 voltios o menos son utilizados para suministrar energía eléctrica destinada a iluminación, tomacorrientes de propósitos generales y equipos de potencia. En hogares pequeños, comercios y pequeñas industrias se usan sistemas monofásicos, mientras que en grandes industrias y edificios se utilizan sistemas trifásicos. A continuación describimos algunas de las configuraciones utilizadas para el suministro eléctrico.

Fig. 1.4 Sistema monofásico de dos conductores y 120 V entre fase y neutro.

1.4.1 Sistema monofásico de 120 voltios y dos conductores

Este sistema está en desuso y no se recomienda para nuevas instalaciones. El esquema se presenta en la Fig. 1.4. La parte (a) corresponde al diagrama esquemático, mientras que la parte (b) se refiere al diagrama unifilar. El voltaje de 120 V se obtiene a partir de una fase de un transformador, uno de cuyos terminales se pone a tierra. El conductor de fase entra al interruptor* principal y de allí va a los interruptores de los circuitos ramales, mientras que el conductor puesto a tierra se dirige hacia la barra del neutro, que es conectada a tierra. La caja del tablero principal se conecta a la barra del neutro. Del tablero principal salen, por cada circuito ramal, un conductor de fase, uno puesto a tierra y uno de puesta a tierra. Tanto el conductor puesto a tierra como el conductor de puesta a tierra están conectados a la barra de puesta a tierra del tablero. El conductor de puesta a tierra tiene como función proteger a los usuarios de choques eléctricos.

La caída de voltaje en los conductores es:

En la relación anterior, ρ es la resistividad del conductor, L su longitud y A es el área de su sección transversal. La caída porcentual de voltaje en los conductores es:

Un buen diseño debe tomar en cuenta el aumento futuro en el consumo de energía que tendrá una instalación eléctrica.

1.4.2 Sistema monofásico de 120/208 voltios y tres conductores

Este sistema se utiliza comúnmente en residencias individuales o en complejos de apartamentos. El sistema puede derivarse a partir de transformador conectado en delta en el primario y en estrella en el secundario. De la configuración en estrella del secundario se utilizan solo dos ramas, y el neutro corresponde al punto donde confluyen las tres ramas de la estrella. El diagrama esquemático y los diagramas unifilares para 120 y 208 voltios se muestran en la Fig. 1.5.

Fig. 1.5 Sistema monofásico de tres conductores a 120/208 V. (a) Diagrama esquemático para circuitos de 120/208 V. (b) Diagramas unifilares para 120 y 208 V.

A partir de esta configuración se pueden alimentar cargas de 120 V, como lámparas de iluminación, computadoras, etc., y cargas de 208 V, como calentadores y acondicionadores de aire. En ambos casos se requiere el uso de un conductor de puesta a tierra para la seguridad de las personas. Como ya se ha dicho, en este sistema eléctrico una de las fases del secundario del transformador se deja libre, sin conexión con el tablero principal. Las fases se conectan a tierra en su punto de unión en el transformador. En el diagrama unifilar para 120 V, la corriente va desde la fuente hacia la carga mediante el conductor activo (fase) y, luego, regresa a la fuente a través del neutro. Para el diagrama unifilar de 208 V, la corriente entra y sale de la carga a través de las dos fases del sistema. En ambos casos, si asumimos que los diámetros de los conductores son los mismos, la caída de voltaje en los conductores de alimentación se puede calcular empleando las fórmulas (1.2) y (1.3), mencionadas para el caso del sistema de alimentación de 120 voltios.

1.4.3 Sistema monofásico de 120/240 voltios y tres conductores

Este sistema se encuentra en residencias y locales comerciales, siendo común su uso en los Estados Unidos y Canadá. Los circuitos de 120 V se utilizan para iluminación, tomacorrientes de uso general y pequeños artefactos, mientras que los circuitos de 240 V alimentan, por lo general, a cocinas y hornos eléctricos, entre otras cargas. En la Fig. 1.6 se presenta este sistema de alimentación. En este sistema, la parte central del secundario del transformador se conecta a tierra, dando origen a los voltajes de 120 voltios entre cada uno de los extremos del secundario del transformador y tierra y a un voltaje de 240 voltios entre dichos terminales. Como en los casos anteriores, los circuitos ramales incluyen un cable de puesta a tierra (en la práctica, de color verde) para cumplir con los requisitos de seguridad dados en los códigos eléctricos, en caso de que la tubería donde se alojan los conductores no sea metálica. El porcentaje de caída de voltaje también está dado por la relación (1.3), dada por:

Fig. 1.6 (a) Sistema monofásico de tres conductores y 120/240 V. (b) Diagrama unifilar para 120 V. (c) Diagrama unifilar para 240 V.

Los códigos eléctricos establecen los requisitos y recomendaciones para minimizar los riesgos en el diseño y construcción de las instalaciones eléctricas.

1.4.4 Sistema trifásico de 120/208 voltios y cuatro conductores

La Fig. 1.7 representa a este sistema. Entre dos fases hay un voltaje de 208 V, mientras que entre fase y neutro el voltaje es de 120 V. Observa que en la figura solo se muestran cargas conectadas entre fase y neutro. Cuando se utilizan tres fases para alimentar a motores trifásicos, la carga es balanceada y la corriente en el neutro es igual a cero. Cuando las fases no están balanceadas hay corriente en el neutro. Este sistema se utiliza en plantas industriales, grandes comercios, residencias de alto consumo y edificios de varios apartamentos y/o de oficinas, entre otras edificaciones.

Fig. 1.7 (a) Sistema trifásico de cuatro conductores con 120 V entre fase y neutro y 208 V entre fase y fase. (b) Diagrama unifilar para circuitos trifásicos. (c) Diagrama unifilar para 120 V.

Aun cuando existen otras posibilidades en los sistemas de suministro de energía distintos a los que hemos mencionado, nos concentraremos en los ya descritos por ser los más frecuentemente encontrados en residencias individuales, complejos habitacionales, industrias y comercios.

Es interesante visualizar, a través de diagramas esquemáticos, cómo las líneas de alimentación son llevadas a un tablero principal y de allí a los sitios de utilización de la energía eléctrica. Si hacemos abstracción de las partes físicas del tablero representado en las últimas figuras, y ponemos nuestra atención en los conductores que llegan a tomacorrientes para conectar equipos y artefactos eléctricos, arribamos a esquemas como el presentado en la Fig. 1.8. En este caso se trata de un sistema monofásico de tres hilos a 120/208 V. A la entrada del tablero se encuentra el interruptor principal y cada uno de los circuitos ramales está protegido por interruptores individuales.

En el diagrama unifilar, los puntos de conexión entre conductores se representan mediante pequeños círculos sólidos de color negro de donde se derivan las fases A y B. Los interruptores están simbolizados por un semicírculo () sobre los conductores. En la parte (b) se presentan tres salidas desde el tablero de servicio: un circuito de 120 V, uno de 120/208 V y uno de 208 V. En todos ellos se incluye un conductor de puesta a tierra. En el circuito de 208 V (como el de un acondicionador de aire) se utilizan dos conductores activos y el de puesta a tierra para protección.

Fig. 1.8 (a) Tablero principal. (b) Diagrama unifilar.

Es muy ilustrativo considerar cómo sería la alimentación a un tomacorriente de 120 V, con el fin de mostrar la conexión al mismo a partir del tablero. Aun cuando más adelante estudiaremos en detalle los tomacorrientes, nos bastará con mencionar ahora que constan de tres terminales para las conexiones a fase, a neutro y a tierra. La Fig. 1.9 presenta este esquema. La corriente I parte de la fuente equivalente, llega al tomacorriente mediante la fase A y, de existir un artefacto conectado al mismo, se devuelve a la fuente a través del neutro (N). El conductor de puesta a tierra (G) no debe tener corriente en condiciones normales de funcionamiento del circuito.

Fig. 1.9 Conexión de un tomacorriente con terminal de puesta a tierra a un circuito de 120 V. El conductor de puesta a tierra, RG, sirve de protección para las personas.

1.1 ¿Cómo se obtiene la energía eléctrica?

1.2 ¿Cuáles son los posibles riesgos que se presentan con el uso de la energía eléctrica?

1.3 ¿Por qué es importante la seguridad en las instalaciones eléctricas?

1.4 Describa los elementos básicos de una instalación eléctrica.

1.5 ¿Cuáles elementos conforman la acometida en una instalación eléctrica residencial? ¿Qué es una acometida aérea? ¿Qué es una acometida subterránea?

1.6 Describa las funciones que tiene el tablero principal en una instalación eléctrica.

1.7 ¿Cuál es el papel de los transformadores en una instalación eléctrica residencial?

1.8 ¿Cuál es el papel del interruptor principal en una instalación residencial?

1.9 ¿Para qué se conectan a tierra la barra del neutro de la acometida y el tablero principal a la entrada de una edificación?

1.10 ¿Qué son circuitos ramales?

1.11 ¿Qué función desempeñan los interruptores de los circuitos ramales?

1.12 ¿Hasta dónde llega la responsabilidad del proveedor del servicio eléctrico en una edificación?

1.13 Investigue cuándo se usan tranformadores monofásicos y trifásicos para suministrar energía eléctrica. ¿Es conveniente usar tres transformadores monofásicos o un solo transformador trifásico?

1.14 ¿En cuáles unidades se mide la energía eléctrica que llega a los hogares? ¿Qué instrumento se utiliza para medirla?

1.15 ¿Qué es una fase en una instalación eléctrica? ¿Qué es un neutro? ¿Qué es un conductor de puesta a tierra?

1.16 ¿Cuáles normas rigen a las instalaciones eléctricas? ¿Hay en en el país donde vive códigos que regulen el cálculo y la selección de equipos y materiales?

1.17 ¿Cuáles requisitos de seguridad deben tener los equipos asociados a una instalación eléctrica?

1.18 Cite algunas de las razones para que en un diseño se tenga en cuenta el aumento de la capacidad de una instalación.

1.19 ¿Qué significan la accesibilidad y la flexibilidad como características de un buen diseño eléctrico?

1.20 En su país de origen, ¿se tienen en cuenta las características de un buen diseño en la implementación de las instalaciones eléctricas?

1.21 ¿Cómo relaciona la pobreza en los países con un buen diseño eléctrico residencial? ¿Cree que debe haber un diseño eléctrico para familias de bajos recursos que, por razones económicas, no cumpla con las normas establecidas? ¿Cómo resolvería este dilema?

1.22 Explique los sistemas eléctricos residenciales más frecuentemente utilizados.

_________________

* El circuito que conecta al medidor con el tablero principal se denomina circuito alimentador.

* En este texto usaremos como sinónimas las palabras tensión y voltaje.

* En este libro, la palabra interruptor se refiere a un interruptor termomagnético automático.

* De acuerdo con las normas, en el caso de un sistema monofásico de 120 V, el conductor conectado a tierra no es un neutro.

CAPÍTULO 2

CONDUCTORES ELÉCTRICOS

2.1 DEFINICIONES BÁSICAS

A fin de esclarecer algunos conceptos relacionados con el transporte de energía eléctrica, conviene formular las siguientes definiciones:

Conductor: Este es un término genérico que se aplica a un material, o medio conductivo, confeccionado en forma de alambre o de cable y utilizado para la transmisión de la corriente entre dos puntos de un sistema eléctrico.

Alambre: Cuerpo cilíndrico, con o sin aislante, utilizado para conducir la electricidad. Su alma conductora está formada por un solo filamento, hilo o hebra (unifilar). Cuando está provisto de aislante tiene una cubierta o chaqueta protectora.

Cable: Un conductor de varios alambres, cubiertos o no por un aislante. Un cable puede estar formado así: a) un conjunto de alambres desnudos retorcidos; b) un conjunto de alambres retorcidos, que están cubiertos con un aislante y con chaqueta protectora; c) un conjunto de alambres aislados, dentro de un aislante común y chaqueta protectora, y d) cables aislados y con chaqueta protectora. Los cordones flexibles que utilizan los artefactos y equipos portátiles son cables con alambres muy finos. Otras veces, al cable lo conforman conductores paralelos, como los cables de las antenas de TV. Ejemplos de diferentes cables, correspondientes a los puntos antes descritos, se presentan en las imágenes siguientes:

También es frecuente el tipo de cable mostrado abajo. Se trata de un conjunto de conductores: normalmente, una fase, un neutro y un alambre de cobre desnudo que sirve como conductor de puesta a tierra. Los tres están cubiertos por una chaqueta aislante, resistente a la humedad y con propiedades retardantes al fuego.

2.2 CONDUCTORES DE COBRE VS CONDUCTORES DE ALUMINIO

Tradicionalmente se han utilizado conductores de cobre y de aluminio para las instalaciones eléctricas. Siempre ha existido alguna controversia en cuanto a la selección del material adecuado; sin embargo, la tendencia a utilizar el cobre se ha ido acentuando con el tiempo debido a sus excelentes características de conductividad y ductibilidad (puede ser fácilmente moldeable). En la Tabla 2.1 se indican las características más resaltantes de los alambres de cobre y aluminio utilizados en la fabricación de conductores. El tipo de cobre utilizado en la fabricación de conductores es el llamado cobre electrolítico de alta pureza (99.99%).

Cobre

Aluminio

Resistividad (Ω-mm2/m)

0.017

0.028

Peso específico (g/cm3)

8.9

2.7

Resistencia a la tracción (kg/mm2)

55

40

Punto de fusión (ºC)

1083

660

Tabla 2.1 Algunas características de los conductores de cobre y aluminio.

En la Tabla 2.1 se puede observar que el cobre es más pesado que el aluminio. El poco peso del aluminio hace que los vanos (distancia entre apoyos en el cableado aéreo) sean mayores que en el caso de los conductores de cobre, y que por ello se usen comúnmente en líneas de distribución, en cuyo caso se refuerza el conductor con un alma de acero para aumentar la resistencia a la tracción del conjunto. Asimismo, en aquellas aplicaciones donde el peso es un factor fundamental, como en las industrias aeroespacial y automotriz, se prefiere el aluminio.

Se nota, además, que la resistencia a la tracción (el máximo esfuerzo que el material puede soportar a lo largo de su longitud sin que se rompa) es mayor en el cobre que en el aluminio. Es importante hacer notar que la conductividad del aluminio es solo el 60% respecto a la del cobre, lo cual acarrea mayores pérdidas de energía para un mismo calibre de conductor.

El costo es otro aspecto a considerar en la selección del material conductor. Siendo el cobre más caro que el aluminio, hay que armonizar esta circunstancia con el tipo de aplicación al cual esté destinado su uso.

Por otro lado, la gran ductilidad y flexibilidad del cobre inclina la balanza a su favor en las instalaciones eléctricas residenciales, comerciales e industriales, donde los conductores son doblados en curvaturas de distintos radios. Estas propiedades también son relevantes en el proceso de fabricación de los alambres y conductores, ya que facilitan las fases de mecanización de los mismos.

El cobre, cuando se fabrica, adquiere tres temples o grados de suavidad: duro, semiduro y blando. Al cobre de grado blando también se le conoce como cobre recocido. El cobre blando presenta la mayor conductividad eléctrica y la mayor flexibilidad, mientras que el duro, si bien es el de mayor resistencia a la tracción, posee menos flexibilidad y menos conductividad. De allí que el primero sea preferido en las aplicaciones eléctricas y, en particular, en la fabricación de conductores.

Los alambres de aluminio son fabricados en diferentes temples y aleaciones, que les confieren distintas características de dureza y conductividad. Entre los productos terminados de aluminio podemos citar la aleación 6201, conocida como arvidal, de amplio uso en líneas de distribución de energía eléctrica. Su conductividad es del 52,5% cuando se la compara con la del cobre electrolítico puro. Su temple es duro.

Las aleaciones de aluminio se corroen en presencia de la humedad o en ambientes salinos, al contrario de lo que sucede con el cobre, donde los efectos de la corrosión son pequeños. Como consecuencia, en la superficie del aluminio se forma una película aislante de óxido que inhibe la realización de buenas soldaduras con los otros componentes de una instalación eléctrica y que afecta al proceso de fabricación de los alambres. Se ha atribuido a los cables de aluminio el potencial de producir incendios debido al sobrecalentamiento de las conexiones entre los conductores y dispositivos como tomacorrientes e interruptores.

Los alambres de cobre y de aluminio se obtienen mediante una técnica llamada trefilación, gracias a la cual son llevados a distintos diámetros en varias etapas de estirado.

2.3 PROTECCIÓN DEL CONDUCTOR DE COBRE TERMINADO

Una vez terminado, y en casos especiales, el alambre de cobre se cubre con una capa metálica para incrementar su resistencia a la corrosión*. Entre los metales más usados destacan el estaño, el níquel y la plata. El estaño y la plata protegen al cobre cuando se aplica la cubierta aislante durante la manufactura. En ese proceso se generan altas temperaturas y el aislante podría, eventualmente, interactuar con el cobre, produciendo ruptura del aislamiento y corrosión del material. El níquel se usa, fundamentalmente, para mejorar el comportamiento del conductor a altas temperaturas.

El estaño previene la corrosión del cobre debido a su propia característica anticorrosiva. Además, por ser un agregado normal de la soldadura usada en aplicaciones eléctricas, mejora la capacidad de conexión con otros componentes del sistema. El uso del estaño está limitado a aplicaciones de baja frecuencia, como las que corresponden a las instalaciones residenciales. Se le utiliza a temperaturas de hasta 150ºC y su costo es relativamente bajo si se compara con el de la plata y el níquel.

La plata se usa en aplicaciones de alta frecuencia, donde su conductividad refuerza la conductividad del cobre. Su presencia es común en cables coaxiales, en cuyo caso el alto costo es compensado por la mejoría en la capacidad de conducción del cobre. La plata se utiliza en combinación con aislamiento de teflón.

El níquel mejora la capacidad de conducción del cobre a altas temperaturas, al impedir la oxidación del material hasta 200ºC. Sin embargo, la capa de níquel tiene efectos adversos sobre la soldadura en los puntos de conexión a componentes externos, razón por la cual hay que usar procesos especiales. El níquel se utiliza principalmente en la industria aeroespacial y en aplicaciones militares.

En ciertos cables de control de sistemas aeroespaciales se utiliza el oro, metal raramente seleccionado para otras aplicaciones debido a su alto costo. En este caso, la alta conductividad del metal es aprovechada en la terminación de los alambres de cobre.

2.4 CONDUCTOR SÓLIDO (ALAMBRE) VS CONDUCTOR MULTIFILAR (CABLE)

Cuando un conductor está formado por un solo hilo sólido, filamento, hebra o trenza es un alambre. Cuando consta de varios alambres retorcidos, constituye un cable y se le conoce como cable trenzado o entorchado. Cada una de estas configuraciones tiene ventajas y limitaciones. El alambre sólido es más barato y tiene una resistencia eléctrica menor que la del cable trenzado. La baja resistencia del alambre sólido, relativa al conductor trenzado, permite una mayor disipación de calor y, por tanto, una mayor capacidad de corriente para un mismo diámetro del alambre. Por otro lado, el alambre sólido tiene una flexibilidad menor y, en consecuencia, está más sujeto a daños por el doblado del alambre y la remoción de la capa aislante cuando se trata de hacer empalmes o uniones. Un rasguño en la superficie de un conductor sólido puede extenderse a toda la sección transversal, ocasionando su ruptura. En el caso del conductor trenzado, el rasguño se reduciría a un solo hilo del mismo, dejando inalterado al resto del alambre.

La ventaja más importante de los conductores trenzados radica en su mayor flexibilidad, lo que constituye una característica notable cuando se trata de cablear una instalación eléctrica. Las configuraciones del trenzado varían, pero en todas ellas los hilos están retorcidos siguiendo cierta dirección. En la Fig. 2.1 se muestran varios arreglos geométricos para cables trenzados.

Fig. 2.1 Formas típicas de trenzado en cables. (a) Cable con trenzado simple. (b) Cable trenzado concéntrico, con conductor central y capas enrolladas en direcciones opuestas. (c) Cable trenzado concéntrico, con conductor central y capas enrolladas en la misma dirección.

2.5 CALIBRE DE LOS CONDUCTORES

Los conductores de las instalaciones eléctricas tienen generalmente forma cilíndrica y se especifican mediante cantidades relacionadas con su diámetro o con su sección transversal. Existen varios sistemas para especificar el calibre de los conductores. En los albores de la fabricación de alambres (1735, en Gran Bretaña) se consolidó un método empírico mediante el cual se asignaba un número a un alambre específico (por ejemplo, el Nº 1) y, de acuerdo con el número de pases que se hacían a una máquina reductora de calibre (máquina trefiladora), se asignaban números a otros alambres. Así, el alambre Nº 10 era pasado diez veces por la trefiladora. Los sistemas de calibre más difundidos son el AWG (American Wire Gauge), el Kilo Circular Mil (kcmil, conocido originalmente como MCM), el Sistema Métrico de Calibres, el British Imperial Standard Wire Gauge (abreviado: SWG). A continuación describimos cada uno de ellos:

2.5.1 American Wire Gauge (AWG): Uno de los primeros intentos para adoptar un sistema geométrico fue hecho por Messrs Brown & Sharpe en 1855. En este sistema, que posteriormente se conoció como el American Wire Gauge (AWG), cada diámetro está dado en pulgadas y es multiplicado por 0.890526 para obtener el próximo menor tamaño. La Tabla 2.2 muestra los calibres para alambres de cobre correspondientes a los tamaños entre 40 y 0000, este último conocido como “4 cero” o 4/0. Los valores de la tabla fueron establecidos por Messrs Brown & Sharpe mediante una progresión geométrica de 39 pasos entre los tamaños 36 AWG y 4/0, de 0.005 y 0.46 pulgadas de diámetro, respectivamente, cuya expresión es:

Tabla 2.2 Calibre de los alambres en el sistema AWG.

En la Tabla 2.2 se observa que a medida que aumenta el número del calibre, disminuye el diámetro del conductor. El calibre más pequeño es el 40 y el más grande el 4/0. Los números de calibres impares no son comunes y, por tanto, comercialmente, se consiguen más fácilmente los calibres 4/0, 2/0, 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, ... , 40.

Es frecuente también expresar los diámetros en milésimas de pulgadas, en lugar de expresarlos en pulgadas. Bajo esta forma de expresión, los diámetros mostrados en la Tabla 2.2 deben multiplicarse por 1000. A las milésimas de pulgadas se les designa como mils. Así, para el calibre 12 el diámetro es de 80.8 mils, y para el calibre 2/0 el diámetro es 364.8 mils.

Ejemplo 2.1

Mediante el uso de la relación (2.1), determine el diámetro en pulgadas de los alambres 10 AWG y 16 AWG.

Solución

Para el alambre 10 AWG:

Para el alambre 16 AWG:

El circular mil (CM) es otra medida estándar para caracterizar un alambre de sección circular según su calibre. Ya establecimos que el mil corresponde a una milésima de pulgada y que, por ejemplo, un alambre calibre 10 tiene un diámetro de 0.1020 pulgadas o, de manera equivalente, 102 mils.

El circular mil de un alambre se obtiene elevando al cuadrado el diámetro del mismo, expresado en mils.

Asi, para un alambre calibre 14 AWG con un diámetro de 64.08 mils, el área de su sección transversal, expresada en circular mils, es igual a:

En general, tenemos:

El circular mil es una unidad de área menor que el square mil. La relación entre circular mils (CM) y square mils (SM) se puede determinar, a partir de los siguientes cálculos, si tomamos como referencia un alambre de un diámetro cualquiera D:

Luego, para determinar el área en square mils se debe multiplicar el área en circular mils por el factor 0.7854.

En el caso de cables, el área total del conductor se determina multiplicando el área en circular mils de un filamento por el número de filamentos en el conductor. El valor obtenido debe estar muy cerca del área del conductor sólido equivalente.

Ejemplo 2.2

Para un alambre 8 AWG, determine su área en circular mils y square mils.

Solución

El diámetro del alambre 8 AWG es, según la Tabla 2.2, 128.5 mils. Entonces:

Ejemplo 2.3

¿Cuál es el área en CM de un conductor trenzado calibre 6 AWG de siete hilos, si cada hilo tiene un diámetro nominal de 1.554 mm?

Solución