Catto / Mapa de Temas de Electricidad · Proyecto y Representación Gráfica III 6° año
ElectricidadProyecto y Representación Gráfica III (6°)

El proyecto eléctrico industrial

En una vivienda un error de cálculo se paga con un cable tibio; en una planta se paga con una parada de producción, un transformador quemado o un tablero que explota al cerrar un interruptor. El proyecto industrial es la misma lógica que el de una casa —relevar, calcular, verificar, dibujar— con tres diferencias: las potencias son cientos de veces mayores, el cortocircuito deja de ser una hipótesis y las protecciones tienen que trabajar en equipo. Esta página recorre un solo ejemplo, un taller metalmecánico alimentado por un transformador de 315 kVA, desde la planilla de cargas hasta la batería de capacitores.

Demanda máxima Transformador Caída de tensión Cortocircuito Selectividad cos φ

01La demanda de potencia y el transformador

Todo proyecto empieza por la pregunta «¿cuánta potencia va a pedir esta planta?». La respuesta no es la suma de las chapas de los motores: ni todos los equipos están instalados a plena carga, ni funcionan a la vez. Por eso se distinguen dos potencias:

Potencia instalada

La suma de las potencias eléctricas de todo lo que hay conectado. Sirve para saber qué se compró, no para dimensionar la alimentación.

Demanda máxima

La mayor potencia que la planta pide en algún momento real de su operación, en general promediada en 15 minutos. Es la que dimensiona transformador, barras y alimentadores.

El paso de una a otra se hace con dos factores. El factor de utilización fu dice qué fracción de su potencia usa realmente cada carga cuando trabaja (un puente grúa se mueve poco; un horno trabaja casi siempre). El factor de simultaneidad fs dice qué fracción del total funciona a la vez: la probabilidad de que las diez máquinas arranquen en el mismo minuto es baja. Los valores salen de la experiencia con el tipo de industria, de las guías del fabricante y, en una planta existente, de medirlos (ver la práctica 1). Las potencias activa y reactiva se calculan por separado:

Pmáx=fs·∑(Pi·fu,i)Qmáx=fs·∑(Qi·fu,i)Pᵢ: potencia activa eléctrica instalada de cada carga · fᵤ: factor de utilización de cada carga · fₛ: factor de simultaneidad del conjunto · Qᵢ = Pᵢ · tan φᵢ

El ejemplo que recorre la página

Un taller metalmecánico se alimenta en media tensión (13,2 kV) desde la red de la distribuidora y tiene su propia subestación. Tiene una nave de producción a 120 m de la subestación, un sector de hornos y bombas junto a ella y un edificio de oficinas. Se organiza en un tablero general (TG) y tres tableros seccionales: TS1 (producción), TS2 (hornos, bombas y extracción) y TS3 (iluminación y oficinas). La tabla es el relevamiento de cargas ya resuelto. La potencia instalada de un motor es la que toma de la red, P=Pn/η, y su potencia reactiva sale de su cos φ de trabajo.

CargaPn (eje)P instaladacos φfuP dem. (kW)Q dem. (kvar)Seccional
Compresores de tornillo2 × 37 kW78,7 kW0,840,7559,038,1TS1
Máquinas herramienta10 × 7,5 kW85,2 kW0,740,6051,146,4TS1
Puente grúa1 × 22 kW25,0 kW0,700,307,57,7TS1
Bombas de proceso3 × 15 kW49,5 kW0,800,7034,625,9TS2
Extracción y ventilación4 × 5,5 kW25,3 kW0,760,8020,217,3TS2
Hornos de resistencia2 × 30 kW60,0 kW1,000,7042,00,0TS2
Iluminación—20,0 kW0,921,0020,08,5TS3
Tomacorrientes y oficinas—24,0 kW0,850,5012,07,4TS3
Suma de las demandas367,7 kW246,4151,3
Demanda máxima de la planta0,85fs = 0,85209,4128,6

Cada fila se calculó así: la potencia instalada es n·Pn/η (el compresor: 2 · 37 / 0,94 = 78,7 kW), la demanda activa es esa potencia por fu, y la reactiva es la activa por tan φ. Con los totales se aplica fs = 0,85:

Smáx=Pmáx2+Qmáx2=209,42+128,62kVA=245,8kVA
cosφ=PmáxSmáx=209,4245,8=0,85
Se suman kW y kvar, no kVA

La potencia aparente de cada carga tiene su propio ángulo, así que no se suman aritméticamente. Se suman por separado las potencias activas (kW) y las reactivas (kvar) y recién entonces se calcula la aparente con Pitágoras. Sumar kVA da un número mayor que el real y el transformador sale sobredimensionado (ver Potencia en corriente alterna).

Ejemplo · Elegir el transformador

La demanda máxima es 245,8 kVA con cos φ = 0,85. Un transformador no se elige justo para esa potencia: se deja una reserva del 25 % para ampliaciones y se adopta el escalón normalizado inmediato superior (160, 200, 250, 315, 400, 500, 630 kVA).

Sreq=1,25·245,8kVA=307,2kVA→Sn=315kVA

La corriente nominal del lado de baja tensión y el grado de carga son:

In=Sn3·Uncorriente nominal del secundario del transformador
In=315 000VA3·400V=454,7ASmáxSn=245,8315=78%

El transformador trabaja a 78 % de su potencia en el pico: con un grado de carga entre el 60 y el 80 % tiene buen rendimiento y todavía deja margen. Se adopta un transformador de 315 kVA, 13,2/0,4 kV, grupo de conexión Dyn11 y tensión de cortocircuito uk = 4 %. Verificación por otro camino: a 315 kVA, y con 245,8 kVA de demanda, al transformador le sobran 69 kVA, un 22 % de su potencia, que cubre la reserva prevista.

El transformador, su conexión y su ventilación se estudian en Transformadores; el centro de transformación completo (celdas de MT, puesta a tierra, protecciones) en Subestaciones y líneas de distribución, y su reglamentación (AEA 95401) en La reglamentación de las instalaciones eléctricas.

02El unifilar, las líneas, los circuitos y el ambiente

El esquema unifilar es el mapa de la instalación: una sola línea representa las tres fases y muestra, de la fuente a la carga, qué transformador, qué interruptor, qué barra y qué cable hay en cada tramo. Es el plano que se calcula primero y el que consulta cualquiera que opere o repare la planta. La figura 1 es el unifilar del ejemplo; sus cuatro estados muestran, sobre el mismo dibujo, las corrientes de proyecto, las protecciones, los conductores y las corrientes de cortocircuito.

Red de MT 13,2 kV · 250 MVATransformador 315 kVA13,2/0,4 kV · Dyn11 · uk = 4 %Tablero general (TG)TS1 · ProducciónMCompresores,máquinas, grúaTS2 · HornosMHornos, bombas,extracciónTS3 · OficinasIluminacióny tomasBanco capacitoresS = 245,8 kVAIb = 354,7 AIb = 215,7 A149,4 kVAIb = 153,0 A106,0 kVAIb = 51,6 A35,7 kVAIc = 86,6 A60 kvarEstado 1 · Corriente de proyecto de cada tramoprotección en MT500 A · Icu 25 kA250 A · Icu 25 kAIP 54160 A · Icu 25 kAIP 5563 A · Icu 25 kAIP 31125 A · Icu 25 kAcon reactanciasEstado 2 · Interruptor de cada alimentador y grado IP del tablerobornes de BTbarras Cu 40 × 10 mm4 × 150 mm²120 m4 × 50 mm²35 m4 × 25 mm²80 m3 × 35 mm²5 m+ blindobarraEstado 3 · Conductores de cada alimentador (cobre, XLPE)Icc3 = 11,0 kAIcu ≥ 11,0 kAIcc = 11,0 kAIcc = 11,0 kAIcc = 11,0 kAIcc = 11,0 kAIcc = 6,0 kAEstado 4 · Corriente de cortocircuito trifásica en cada punto
Figura 1. Unifilar del taller metalmecánico, animado. Un mismo dibujo y cuatro lecturas: a qué corriente trabaja cada tramo, qué interruptor lo protege, qué cable lo une y cuánta corriente de falla hay en cada barra. Los números se obtienen en las secciones 01 a 06.

Líneas y circuitos

En un proyecto industrial se llama línea (o alimentador) al conductor que lleva potencia de un tablero a otro, y circuito al que sale de un tablero hacia una carga: un motor, un banco de luminarias, un grupo de tomacorrientes. El criterio para repartir la planta en seccionales es siempre el mismo:

  • Por zona, para que un alimentador no cruce toda la planta y la caída de tensión sea razonable (TS1 está en la nave, junto a las máquinas).
  • Por tipo de carga: los motores con arranque pesado, la iluminación y las oficinas no comparten tablero, porque sus perturbaciones y su criticidad son distintas.
  • Por criticidad: lo que no puede detenerse (iluminación de emergencia, control) tiene su propio circuito, para que una falla en otro sector no lo saque de servicio.
  • Con reserva: cada tablero deja del 20 al 25 % de lugar libre para ampliar sin rehacerlo, y cada alimentador se calcula pensando en esa ampliación.

Los circuitos de comando y señalización (bobinas de contactores, pulsadores, pilotos, sensores) se dibujan aparte, en el esquema funcional: se alimentan por un transformador de comando o una fuente de 24 V, con su propia protección. El proyecto de la vivienda, con sus bocas, tomas y cómputo, está en Proyecto de una instalación; las reglas generales de canalizaciones, tableros y tierra, en Instalaciones eléctricas. Lo que cambia en la industria es el cálculo, que sigue.

Las condiciones ambientales deciden el material

Un tablero que funciona en una oficina limpia se destruye en una nave con polvo metálico y aceite de corte. Antes de elegir envolventes, cables y aparatos se relevan las condiciones ambientales de cada local: temperatura máxima y mínima, polvo (conductor o no), humedad y salpicaduras de agua, agentes químicos o corrosivos, riesgo de golpes y de explosión. El grado de protección de una envolvente se indica con el código IP (IEC 60529): dos cifras, la primera contra sólidos (0 a 6) y la segunda contra líquidos (0 a 8).

CódigoQué protegeDónde se usa en la planta del ejemplo
IP 20Dedos y objetos mayores de 12 mm; nada contra el agua.Tableros dentro de la sala eléctrica limpia y seca de la subestación.
IP 31Objetos de más de 2,5 mm; goteo vertical.Tableros de oficinas con cielorraso, sin riesgo de goteo importante.
IP 54Polvo en cantidad limitada (no entra en cantidad que dañe); salpicaduras de cualquier dirección.TS1 y botoneras en la nave: polvo de mecanizado y neblina de refrigerante.
IP 55Igual protección contra polvo; chorros de agua de baja presión.TS2, junto a los hornos y las bombas, donde se lava el piso con manguera.
IP 65Hermético al polvo; chorros de agua.Botoneras y cajas de bornes de equipos en zonas con lavado frecuente o a la intemperie.
IP 66 / IP 67Hermético al polvo; chorros potentes (66) o inmersión temporal (67).Fines de carrera y luminarias en zonas de lavado intenso o con riesgo de inundación.
Temperatura

Los cables y los interruptores se calibran a una temperatura de referencia. Si la sala o el interior del tablero están más calientes, admiten menos corriente (factor kT de la sección 03). Se ventila, se aleja de los hornos o se sobredimensiona.

Polvo y humedad

El polvo conductor (limaduras) cortocircuita bornes; la humedad condensa y baja la aislación. Se resuelven con el IP adecuado, resistencias calefactoras anticondensación y, en ambientes corrosivos, envolventes de poliéster o acero inoxidable.

Golpes y explosión

El código IK califica la resistencia a impactos. En locales con gases, vapores o polvos inflamables rige una reglamentación específica de atmósferas explosivas (serie IEC 60079), con material certificado; no se improvisa.

03Los conductores: corriente y caída de tensión

Cada alimentador tiene que pasar las mismas verificaciones que en la vivienda (ver Proyecto de una instalación): corriente admisible, caída de tensión, cortocircuito y coordinación con la protección. Se adopta la sección mayor de las que resulten. La novedad industrial es que la corriente admisible se corrige por dos factores que en una vivienda casi no pesan.

Corriente admisible con factores de corrección

La corriente que un cable puede llevar sin superar la temperatura de su aislación depende de cómo está instalado (en bandeja, en caño, enterrado), de la temperatura del ambiente y de cuántos cables vecinos también se calientan. La reglamentación (AEA 90364) y el fabricante publican tablas con la corriente admisible para una instalación de referencia y factores de corrección para apartarse de ella. Los valores de esta página son típicos de la serie IEC 60364-5-52, en la que se basan esas tablas; en un proyecto real se toman siempre de la tabla vigente y de la hoja del fabricante.

Temperatura ambientePVC (70 °C)XLPE (90 °C) Cables agrupados en bandeja perforadakG
30 °C (referencia)1,001,001 circuito1,00
35 °C0,940,962 circuitos0,88
40 °C0,870,913 circuitos0,82
45 °C0,790,874 circuitos≈ 0,80
50 °C0,710,826 circuitos0,73

La condición es que la sección elegida admita, ya corregida, al menos la corriente de la protección (la protección es la que cuida al cable, así que el cable tiene que aguantar lo que ella deja pasar):

Itabla≥InkT·kGIₙ: corriente de la protección · kₜ: factor por temperatura ambiente · k_G: factor por agrupamiento (los valores salen de las tablas de la reglamentación y del fabricante)
Ejemplo · El alimentador de la nave (TG → TS1)

TS1 demanda 149,4 kVA con cos φ = 0,787, es decir una corriente de proyecto Ib = 215,7 A. Se protege con un interruptor de 250 A (el valor normalizado que supera Ib). Los cuatro alimentadores comparten una bandeja perforada en un tramo del recorrido y la nave puede llegar a 40 °C en verano: kT = 0,91 (XLPE) y kG = 0,80.

Itabla≥250A0,91·0,80=250A0,728=343A

La tabla de cables de cobre con aislación XLPE, tres conductores cargados, en bandeja perforada, da 352 A para 95 mm²: alcanza (352 ≥ 343). Por corriente alcanza con 95 mm². Ahora la caída de tensión, a 120 m, con la fórmula trifásica:

ΔV=3·I·L·(r·cosφ+x·sinφ)r = ρ / S: resistencia por metro (ρ ≈ 0,022 Ω·mm²/m para el cobre a 90 °C) · x ≈ 0,08 mΩ/m: reactancia por metro de un cable multipolar · L en metros
r=0,022Ω·mm²/m95mm²=0,232mΩ/mΔV=3·215,7A·120m·(0,232mΩ/m·0,787+0,08mΩ/m·0,617)
ΔV=10,4V→10,4V400V·100%=2,60%>2%

Con 95 mm² la caída es 2,60 % y se pasa del límite de 2 % que se le asigna al alimentador. Con 150 mm²:

ΔV=3·215,7A·120m·(0,147mΩ/m·0,787+0,08mΩ/m·0,617)=7,4V=1,85%

Cumple con 1,85 %. Se adopta 4 × 150 mm² Cu/XLPE: la caída de tensión, y no la corriente, definió la sección. En tramos largos pasa casi siempre.

La caída de tensión total admisible, desde el origen de la instalación hasta el artefacto más lejano, se reparte entre el alimentador, el tablero seccional y el circuito terminal. Como criterio de proyecto se usa del orden de 3 % para iluminación y 5 % para fuerza motriz (verificá el valor vigente en la AEA 90364 y en el pliego del cliente); aquí se asignan 2 % al alimentador, 0,5 % a la blindobarra y el resto al circuito terminal. El motor, además, tiene que poder arrancar: durante el arranque la caída puede llegar a varias unidades por ciento sin que sea un defecto, pero no tanto como para que se suelte el contactor o el motor no logre acelerar.

Los otros dos alimentadores se resuelven igual, y muestran los dos caminos posibles:

AlimentadorIb (A)In (A)Itab req. (A)Por corrienteΔV con esa secciónAdoptadaΔV final
TG → TS1 · producción · 120 m215,725034395 mm²2,60 %4 × 150 mm² (ΔV)1,85 %
TG → TS2 · hornos y bombas · 35 m153,016022050 mm²1,01 %4 × 50 mm²1,01 %
TG → TS3 · iluminación y oficinas · 80 m51,6638716 mm²2,26 %4 × 25 mm² (ΔV)1,47 %

TS2 queda cerca y manda la corriente; TS3 está lejos y manda la caída (16 mm² admitirían la corriente, pero con 2,26 % superan el 2 %). Las secciones del conductor de neutro y de protección (PE) se adoptan aparte, según las tablas de la reglamentación; con cargas no lineales el neutro puede llevar tanto como una fase (ver Calidad del suministro y protección de máquinas).

04Corrientes de cortocircuito, barras y blindobarras

El cortocircuito no es una falla rara: es el caso de diseño que decide si el tablero resiste o explota. Hay que conocerlo en dos valores. La corriente máxima (falla trifásica pegada al tablero) dimensiona el poder de corte de los interruptores y los esfuerzos de las barras. La corriente mínima (falla en el extremo más lejano de la línea) verifica que la protección se entere de la falla y la despeje a tiempo. El método general es la norma IEC 60909; el que sigue es el método de las impedancias, que con una calculadora da el valor máximo con buena aproximación.

La idea: desde la red hasta el punto de falla hay una cadena de impedancias en serie (la red, el transformador, cada tramo de cable). Se las suma —las resistencias entre sí y las reactancias entre sí— y la corriente es la tensión dividida por la impedancia total. Se calcula en 400 V, la tensión de línea del lado de baja.

~400 VRed de MTTransformadorCable TG → TS1, 120 mX = 0,6 mΩR = 7,3 mΩX = 19,0 mΩR = 17,6 mΩX = 9,6 mΩPunto 1Punto 2Icc = 11,0 kAFalla en los bornes del transformador (punto 1)Z = √(7,3² + 19,6²) = 20,9 mΩ → Icc3 = 400 / (√3 · 20,9 mΩ) = 11,0 kAEs el máximo: dimensiona el poder de corte del TG y los esfuerzos en las barras.Icc = 6,0 kAFalla en las barras de TS1 (punto 2), al final del alimentadorZ = √(24,9² + 29,2²) = 38,4 mΩ → Icc3 = 400 / (√3 · 38,4 mΩ) = 6,0 kACada metro de cable suma impedancia: la corriente baja a poco más de la mitad.
Figura 2. Cadena de impedancias hasta la falla, animada. En el punto 1 la corriente de falla es la mayor posible; cada metro de cable que se aleja del transformador suma impedancia y la hace bajar.
Xred=Un2Scc,redimpedancia equivalente de la red de media tensión referida a 400 V; es casi puramente reactiva
ZT=uk·Un2SnRT=PCu·Un2Sn2XT=ZT2−RT2uₖ: tensión de cortocircuito (en por unidad) · P_Cu: pérdidas en el cobre a plena carga · Sₙ en VA
ZT=0,04·400V2315 000VA=20,3mΩRT=4 500W·400V2315 000VA2=7,3mΩ
XT=20,32−7,32mΩ=19,0mΩXred=400V2250 000 000VA=0,6mΩ

La reactancia de la red de media tensión se calcula a partir de su potencia de cortocircuito (dato que informa la distribuidora; aquí 250 MVA), y los datos del transformador, de su placa o catálogo (uk y pérdidas en el cobre; valores típicos: los reales son los de placa). La falla en los bornes de baja tensión del transformador y la falla al final del alimentador de la nave dan:

ElementoR (mΩ)X (mΩ)Z (mΩ)Icc3 (kA)
Red de MT (250 MVA)—0,60,6
Transformador 315 kVA, 4 %7,319,020,3
Punto 1 · bornes de BT del transformador7,319,620,911,0
Cable TG → TS1: 4 × 150 mm², 120 m17,69,620,0
Punto 2 · barras del seccional TS124,929,238,46,0
Icc3=Un3·ZZ = √(R² + X²): impedancia total desde la fuente hasta el punto de falla
Ejemplo · Las dos corrientes de falla

Punto 1, en los bornes del transformador (es donde queda el interruptor general y donde nacen los alimentadores):

Icc3=400V3·20,9mΩ=11,0kA

Punto 2, en las barras de TS1, a 120 m (suma el cable de 4 × 150 mm²: R = 17,6 mΩ, X = 9,6 mΩ). Además de la trifásica se estima la bifásica, que ronda el 87 % de aquélla y es la menor de las fallas entre fases:

Icc3=400V3·38,4mΩ=6,0kAIcc2≈32·6,0kA=5,2kA

Verificación por otro camino: con una red de potencia infinita, la falla en bornes sería In/uk = 11,4 kA; la reactancia de la red real la baja a 11,0 kA, como es de esperar.

Inuk=454,7A0,04=11,4kA

La falla se hace más pequeña cuanto más lejos se está del transformador, pero sigue siendo grande: 6,0 kA al final del alimentador, suficiente para fundir un cable que no esté protegido. Un cálculo formal aplica además un factor c = 1,05 a la tensión (IEC 60909) y daría alrededor de un 5 % más; por eso, al elegir interruptores, se deja siempre un escalón de margen.

La falla de fase a tierra o a neutro depende del esquema de conexión a tierra (TT, TN, IT) y de la impedancia del lazo; se mide en la obra con un instrumento de lazo y es el valor con el que se comprueba que la protección dispara a tiempo (ver Protección eléctrica). Para el interruptor de 250 A de TS1, cuyo disparo magnético está en torno a 10 · In = 2 500 A, la bifásica mínima de 5,2 kA lo supera con amplitud: el interruptor ve la falla del extremo de la línea.

Barras del tablero

Las barras de cobre del TG llevan la corriente de todos los seccionales. Se predimensionan por densidad de corriente —del orden de 1,25 A/mm² como criterio conservador en un tablero con ventilación natural— y se verifican contra la tabla del fabricante, que considera forma, pintura, apilado de barras y temperatura interior del tablero:

Ejemplo · Barras del tablero general

Corriente a transportar: el interruptor general de 500 A (se dimensiona para el transformador, que entrega hasta 454,7 A). Sección necesaria: 500/1,25=400 mm². Se adopta una barra de cobre de 40 × 10 mm (400 mm²) por fase.

Pero la barra debe soportar la falla. Dos esfuerzos: el dinámico, porque las corrientes opuestas de dos barras paralelas se repelen con una fuerza proporcional al cuadrado de la corriente de cresta, y el térmico, porque toda la energía de la falla se convierte en calor antes de que abra el interruptor. La cresta de la primera onda es mayor que el valor eficaz por el factor κ, que depende de la relación R/X:

κ=1,02+0,98·e−3R/XIp=κ·2·Icc3Iₚ: valor de cresta de la primera onda, que es la que produce el esfuerzo mecánico
κ=1,02+0,98·e−3·0,37=1,34Ip=1,34·2·11,0kA=21,0kA

Con apoyos aislantes cada 0,5 m y fases separadas 0,1 m (fórmula conservadora, para dos conductores paralelos largos):

F=2·10−7·Ip2·laF en newton por vano · Iₚ en amperes · l: distancia entre apoyos · a: distancia entre fases (ambas en metros)
F=2·10−7·20 971A2·0,5m0,1m=440N

Cada apoyo y cada aislador tiene que resistir esos 440 N (unos 45 kgf) con margen: el dato de resistencia a flexión lo da el fabricante del aislador. Térmicamente, con el interruptor general retardado 0,2 s (sección siguiente):

Smín≥Icc3·tkk ≈ 140 A·s½/mm² para el cobre desnudo de una barra (valor del fabricante) · t: tiempo que tarda en despejarse la falla
Smín≥11 041A·0,2s140=35mm²

Los 400 mm² elegidos superan largamente los 35 mm² necesarios. Verificación por otro camino: la barra de 400 mm² admite, a 140 A/mm², 56 kA durante 1 s, o 125 kA durante 0,2 s: muy por encima de los 11,0 kA.

Blindobarras

Una blindobarra (canalización eléctrica prefabricada, norma IEC 61439-6) es un conducto metálico que contiene barras de cobre o aluminio aisladas, con tramos rectos, curvas y cajas de derivación que se enchufan en cualquier punto. Reemplaza al cable en dos casos: cuando la potencia es tan alta que harían falta muchos cables en paralelo, y cuando las cargas están repartidas a lo largo de una línea y se necesita poder agregar o mover una derivación sin tocar el resto. Es el recurso típico de una nave de producción.

En el ejemplo, dentro de la nave, TS1 alimenta una blindobarra de 250 A y 40 m, con una caja de derivación cada pocos metros para las máquinas (la corriente de proyecto de TS1 es 215,7 A). Se verifica como un alimentador, con tres diferencias:

  • La caída de tensión se calcula con la resistencia y la reactancia por metro del catálogo del fabricante; con valores ilustrativos de 0,20 y 0,08 mΩ/m, a plena corriente en todo el largo sale 0,77 %.
  • Como las cargas están repartidas a lo largo de la línea, la corriente decrece tramo a tramo y la caída real es aproximadamente la mitad: 0,39 %. Con el alimentador de 1,85 %, el total hasta las máquinas es de 2,24 %, dentro de lo previsto.
  • Hay que mirar su corriente admisible de corta duración (Icw) y el valor de cresta que soporta, datos de placa que tienen que ser mayores que los de la falla en su punto de instalación (6,0 kA en TS1).
Las blindobarras también se corrigen por ambiente

Su corriente nominal está dada para una temperatura ambiente determinada y montaje horizontal. Se corrigen por temperatura como los cables y, si atraviesan muros o pisos cortafuego, hay que usar los tramos con barrera cortafuego del fabricante. Y como cualquier envolvente, se las elige con el IP que corresponde al local (IP 54 o 55 en la nave del ejemplo).

05Maniobra, protección y selectividad

Cada circuito necesita tres funciones, que pueden estar en un solo aparato o en varios: seccionar (aislar para trabajar sin tensión), maniobrar (conectar y desconectar en servicio) y proteger contra sobrecarga y cortocircuito. Los criterios generales de protección están en Protección eléctrica; acá se aplican al ejemplo.

El interruptor automático y su poder de corte

Un interruptor automático tiene un disparo térmico (sobrecarga, con retardo que depende de cuánto se excede la corriente) y un disparo magnético (cortocircuito, instantáneo). En los interruptores de potencia ambos son regulables: Ir (largo retardo), Isd (corto retardo, con su tiempo) e Ii (instantáneo). Además tiene dos poderes de corte:

Icu · poder de corte último

La mayor corriente que puede interrumpir, una vez. Después puede quedar inutilizable. Debe ser mayor o igual que la corriente de cortocircuito en el punto donde está instalado.

Ics · poder de corte de servicio

Un porcentaje de Icu (25, 50, 75 o 100 %) tras el cual el interruptor sigue en condiciones de servir. En instalaciones donde no se puede quedar sin servicio se exige que sea alta.

El punto clave es dónde se mide la corriente: el interruptor ve la falla en sus propios bornes. Por eso los interruptores del TG (general y alimentadores) enfrentan 11,0 kA, y los que están dentro de TS1, 6,0 kA:

InterruptorUbicaciónIcc en sus bornesInIcu elegido
GeneralTG11,0 kA500 A25 kA
Alimentador TS1TG11,0 kA250 A25 kA
Alimentador TS2 / TS3TG11,0 kA160 A / 63 A25 kA
Cabecera de TS1TS16,0 kA250 A≥ 10 kA

El valor normalizado de Icu inmediato superior a 11,0 kA es 16 kA; se adoptan 25 kA para tener margen ante un transformador mayor. En TS1 existe la posibilidad de aprovechar la limitación de corriente del interruptor de cabecera (filiación o cascading): el fabricante garantiza, con tablas, que dos interruptores en serie soportan una falla mayor que la de uno solo. Es una solución económica, pero tiene que respaldarse con la tabla del fabricante, no con una suposición.

El circuito de un motor

Un motor necesita un conjunto de aparatos con funciones distintas: protección contra cortocircuito (fusibles aM o interruptor magnético), maniobra (contactor) y protección contra sobrecarga (relé térmico). Los detalles de los motores están en Motores de CA monofásicos y trifásicos, y los de los aparatos en Mantenimiento de componentes eléctricos. Con el compresor de 37 kW del ejemplo:

In=Peje3·Un·η·cosφcorriente nominal de un motor trifásico a partir de su potencia en el eje
In=37 000W3·400V·0,94·0,84=67,6AIarr≈7·67,6A≈473A
ElementoFunciónElección para el compresor
Fusibles aMCortocircuito. Soportan el arranque sin fundirse.80 A (calibre que no actúa con la punta de arranque; la tabla de coordinación del fabricante lo confirma).
ContactorManiobra del motor, categoría de empleo AC-3 (jaula de ardilla).80 A en AC-3 (escalón normalizado ≥ 67,6 A), con tensión de bobina de comando.
Relé térmicoSobrecarga y pérdida de fase.Regulado en 67,6 A, clase 10 (arranque corto) o 20 (arranque prolongado).

La coordinación entre estos tres elementos es de tipo 1 (tras una falla grave el arrancador puede quedar dañado, aunque sin riesgo) o de tipo 2 (queda utilizable, sólo pueden soldarse levemente los contactos). Para un compresor que no puede quedar parado se prefiere el tipo 2. Y hay una verificación específica de la industria: el arranque. Directo, el compresor tomaría unas 473 A, prácticamente la corriente nominal de todo el transformador (454,7 A): provocaría un hueco de tensión en toda la planta. Con arranque estrella-triángulo la corriente baja a un tercio, unos 158 A, y con un arrancador suave o un variador (ver Variadores de velocidad) queda aún más controlada.

Coordinar las protecciones: la selectividad

Una instalación bien protegida no es la que tiene muchos interruptores, sino la que, ante una falla, abre solamente el que está inmediatamente aguas arriba de la falla. Eso se llama selectividad (o discriminación). Si el interruptor general se abre porque falló una máquina de la nave, toda la planta se queda a oscuras. Hay tres maneras de lograrla:

  • Amperométrica: el de aguas arriba tiene un umbral de disparo magnético mayor que la máxima falla aguas abajo. Simple, pero sólo sirve donde la falla cae con la distancia.
  • Cronométrica: el de aguas arriba espera un instante regulable (retardo de corto circuito) para darle tiempo al de aguas abajo a despejar la falla. Exige que el de aguas arriba soporte el cortocircuito durante ese tiempo.
  • Por tablas del fabricante: para combinaciones de interruptores de una misma línea, el fabricante garantiza la selectividad hasta cierta corriente. Es lo habitual en baja tensión.

La figura 3 muestra las curvas de dos interruptores del ejemplo, el general de 500 A del TG y el de 250 A que protege a TS1. Son curvas típicas del tipo de interruptor (no de una marca), dibujadas en escala logarítmica: en el eje horizontal, la corriente; en el vertical, el tiempo que tarda cada uno en disparar.

1002005001 k2 k5 k10 k20 k0,01 s0,1 s1 s10 s100 s1000 scorriente de falla (A)tiempo de disparo250 A · TS1500 A · generalCurvas típicas e ilustrativas: las de un modelo real las da el fabricante.55 s440 sSobrecarga de 700 A en TS1El de 250 A abre por el térmicoen unos 55 s.El general esperaría unos 440 s.Abre solo el de 250 A: selectivo.< 0,01 s0,2 sCortocircuito de 6,0 kAal final del alimentadorEl de 250 A despeja en menosde 0,01 s; el general todavíaespera sus 0,2 s.Abre solo el de 250 A: selectivo.< 0,01 s0,2 sCortocircuito de 11,0 kAen la salida del de 250 AIgual resultado, pero el generaldebe soportar 11,0 kA durante0,2 s (corriente Icw de placa).Abre solo el de 250 A: selectivo.< 0,01 s0,02 sSin retardo en el general(instantáneo a 5 kA)Con 6,0 kA abren los dos:toda la planta queda sin energía.Línea punteada: curva del generalsin retardo. Selectividad perdida.
Figura 3. Selectividad entre el interruptor general (500 A) y el del alimentador de TS1 (250 A), animada. Con el retardo de 0,2 s en el general, el de 250 A siempre despeja primero; si el general tuviera sólo disparo instantáneo, ante una falla fuerte abrirían los dos y la planta se quedaría sin energía.
Ejemplo · ¿Quién abre ante cada falla?

Se ajusta el general a Ir = 500 A, Isd = 6 · Ir = 3 000 A con retardo de 0,2 s, y sin disparo instantáneo; el interruptor de TS1 (250 A) tiene disparo magnético a 10 · In = 2 500 A, que actúa en menos de 0,01 s.

  • Sobrecarga de 700 A en TS1: el de 250 A dispara por el térmico en unos 55 s; el general tardaría unos 440 s. Abre sólo el de 250 A.
  • Cortocircuito de 6,0 kA al final del alimentador: el de 250 A despeja en menos de 0,01 s; el general todavía está esperando sus 0,2 s. Abre sólo el de 250 A.
  • Cortocircuito de 11,0 kA justo en la salida del interruptor de 250 A: ídem, siempre que el general soporte 11,0 kA durante 0,2 s (su corriente admisible de corta duración Icw tiene que ser mayor).
  • Sin retardo (si el general disparara instantáneo a 5 kA): ante 6,0 kA abrirían ambos y la selectividad se pierde.

Hay un precio: mientras el general espera 0,2 s la falla sigue circulando. Esa energía la tienen que aguantar el cable y las barras. Para el cable de 25 mm² de TS3, protegido a su propia salida, el tiempo máximo con la falla del TG es:

t≤(k·SI)2k = 143 para cobre aislado con XLPE · S: sección del conductor en mm² · I: corriente de falla en A
t≤(143·25mm²11 041A)2=0,105s

El cable de TS3 depende de que su propio interruptor (instantáneo) despeje en una fracción de ciclo: si dependiera del general, sus 0,2 s lo destruirían. Por eso la coordinación se verifica siempre con el cable y con las barras, no sólo entre interruptores.

06Potencia reactiva y corrección del factor de potencia

Los motores, los transformadores y las lámparas con balasto necesitan potencia reactiva para magnetizarse: va y viene entre la red y la carga sin hacer trabajo, pero circula por los cables y el transformador como si lo hiciera (ver Potencia en corriente alterna y Circuitos trifásicos). La planta del ejemplo tiene cos φ = 0,85: de cada 100 amperes que circulan, sólo 85 hacen trabajo. Corregirlo tiene tres beneficios:

  • Menos corriente por el transformador y los alimentadores: menos pérdidas, menos caída de tensión y más potencia disponible para ampliar.
  • Sin penalización: las distribuidoras recargan la factura por debajo de un cos φ de referencia (del orden de 0,85; el valor y el recargo figuran en el cuadro tarifario vigente aprobado por el ente regulador provincial).
  • Mejor aprovechamiento de la inversión en cobre y en transformador.

La reactiva se compensa con capacitores, que la entregan en el mismo lugar donde se consume. La potencia del banco se calcula con los ángulos antes y después:

Qc=P·(tanφ1−tanφ2)P: potencia activa de demanda · φ₁: ángulo antes de la corrección · φ₂: ángulo buscado (cos φ₂ = 0,95)
Ejemplo · La batería de capacitores

La planta demanda P = 209,4 kW y Q = 128,6 kvar (tan φ₁ = 0,614, cos φ₁ = 0,85). Se busca llevar el cos φ a 0,95 (tan φ₂ = 0,329):

Qc=209,4kW·(0,614−0,329)=209,4kW·0,285=59,8kvar→60kvar

Se adopta un banco automático de 60 kvar en pasos (por ejemplo 6 × 10 kvar) con un regulador que conecta y desconecta capacitores según el cos φ medido. Resultado:

Qfin=128,6−60=68,6kvarSfin=209,42+68,62kVA=220,4kVAcosφ=209,4220,4=0,95

La corriente del lado de baja baja de 354,7 A a 318,1 A (10 % menos) y el transformador queda al 70 % de su potencia. Los datos del banco:

C=Qc3·ω·Un2capacidad de cada fase con los capacitores conectados en triángulo (U = tensión de línea)
C=60 000var3·314,2rad/s·400V2=398µF
Ic=60 000var3·400V=86,6A→1,43·86,6A=123,8A→125A

El interruptor del banco se elige con al menos 1,43 veces la corriente nominal de los capacitores, porque soportan en forma permanente hasta un 30 % más de corriente por armónicos y sobretensión, y su capacidad real puede superar en un 10 % a la nominal (1,3 · 1,1 = 1,43); 125 A es el escalón normalizado. Cable de 35 mm² (tabla: 185 A · 0,728 = 135 A ≥ 125 A).

P = 209,4 kWTriángulo de potencias de la planta (a demanda máxima)φ₁ = 31,6°Q = 128,6 kvarS = 245,8 kVASin correcciónP = 209,4 kW · Q = 128,6 kvarS = 245,8 kVAcos φ = 0,85I = 354,7 ATransformador al 78 %S₁φ₂ = 18,1°Qc = 60 kvarQ = 68,6 kvarS₂Con 60 kvar de capacitoresQ = 128,6 − 60 = 68,6 kvarS = 220,4 kVAcos φ = 0,95I = 318,1 A (−10 %)Transformador al 70 %
Figura 4. Triángulo de potencias antes y después de corregir, animado. El banco de capacitores quita reactiva de la red; la potencia activa no cambia, y la aparente (la que debe entregar el transformador) disminuye.

Dónde se instala

  • Compensación fija en cada motor grande: un capacitor en paralelo con el motor, conectado y desconectado con él. Sólo corrige lo que ese motor necesita y evita transportar la reactiva por la línea.
  • Compensación centralizada en el TG: un banco automático que se adapta a la demanda. Es el caso del ejemplo.
  • Mixta: fija en los motores grandes y automática en el TG para el resto.
Armónicos: el enemigo de los capacitores

Un capacitor presenta una impedancia que baja cuanto mayor es la frecuencia; con variadores, rectificadores y luminarias electrónicas puede entrar en resonancia con el transformador, amplificar un armónico y quemarse. Si más de aproximadamente el 20–25 % de la carga es no lineal, el banco se instala con una reactancia de desintonía (por ejemplo del 7 %) en serie con cada paso; ver Calidad del suministro y protección de máquinas.

Un capacitor desconectado sigue cargado

Un capacitor retiene la carga después de abrir el interruptor. El banco lleva resistencias de descarga, pero antes de tocarlo hay que esperar el tiempo que indica el fabricante (de uno a varios minutos), verificar la ausencia de tensión con instrumento en los bornes y, recién entonces, cortocircuitarlos y ponerlos a tierra. Nunca se cortocircuita un capacitor «por las dudas» sin haber abierto antes. Ver Higiene y seguridad laboral.

El proyecto es un solo cálculo en cadena

La demanda fija el transformador; el transformador fija la corriente de cortocircuito; ésta fija el poder de corte y la resistencia de barras y cables; el cos φ vuelve sobre la demanda. Cambiar un dato (otro transformador, otra longitud, un motor más) obliga a recorrer de nuevo la cadena. Por eso se calcula en planilla de cálculo y se documenta en una memoria de cálculo que acompaña a los planos (ver Dibujo técnico y diseño asistido).

07En el taller

Práctica 1 · Relevar las cargas de un tablero y medir sus factores

Materiales: un tablero seccional de la escuela, pinza amperométrica de verdadero valor eficaz (si hay, analizador de redes), planilla de cálculo. Pasos: con la instalación en servicio, anotar de cada salida la corriente de línea en tres momentos de la jornada, la tensión y el cos φ; completar la planilla con P, Q y S de cada carga. Qué se mide: la corriente real contra la nominal de cada carga (fu) y la corriente del alimentador contra la suma de las corrientes de las salidas (fs). Criterio de aceptación: la suma vectorial de P y Q de las salidas coincide con la medida en el alimentador con una diferencia menor al 10 %; los fu y fs obtenidos quedan registrados para usarlos en proyectos futuros.

Práctica 2 · El cálculo del ejemplo en una planilla

Materiales: planilla de cálculo y las tablas de cables del fabricante. Pasos: cargar la tabla de cargas de esta página (con las fórmulas, no con los números), obtener la demanda y el transformador; luego los tres alimentadores con corriente y caída de tensión; luego Icc en los dos puntos; luego la batería. Cambiar la longitud de TS1 de 120 a 60 m y el cos φ buscado a 0,98. Criterio de aceptación: la planilla reproduce los valores del texto (315 kVA, 4 × 150 mm², 11,0 y 6,0 kA, 60 kvar) y, con los cambios, los resultados se mueven en el sentido esperado, que el estudiante explica por escrito.

Práctica 3 · Medir la impedancia de lazo y estimar la corriente de falla

Materiales: medidor de impedancia de lazo (o telurómetro con esa función), tablero seccional didáctico. Pasos: con el docente y con el circuito en servicio normal, medir en el borne más lejano la impedancia del lazo fase-neutro y fase-tierra; calcular I=U/Z; compararla con la que el cálculo del proyecto prevé. Qué se mide: la impedancia del lazo y la corriente de falla estimada. Criterio de aceptación: la corriente estimada supera con amplitud el umbral magnético del interruptor, de modo que dispararía instantáneamente. Un valor insuficiente indica un cable demasiado largo o una conexión floja.

Práctica 4 · Dibujar el unifilar y la planilla de cargas

Materiales: programa de CAD y la tabla de esta página. Pasos: dibujar el unifilar del ejemplo con la simbología normalizada, rotulando en cada tramo la sección, la longitud, la protección y las corrientes calculadas; agregar la planilla de cargas y el rótulo con la revisión. Criterio de aceptación: un compañero que no vio el cálculo puede reproducir la sección de TS1 usando sólo el plano (ver Dibujo técnico y diseño asistido).

Medir en un tablero no es mirar

Toda medición con el tablero en servicio la hace una persona capacitada y autorizada, con calzado y guantes dieléctricos, protección facial y herramienta aislada; se usa un instrumento con categoría de medición adecuada (CAT III o IV) y no se abre ni se toca nada que no haya indicado el docente. Los trabajos con tensión siguen la Resolución SRT 592/2004 y la Ley 19.587 con su Decreto 351/79.

08Errores frecuentes

ErrorConsecuencia
Dimensionar con la potencia instalada o sumar kVA aritméticamenteTransformador, barras y alimentadores sobredimensionados, con el costo que eso implica. La demanda se calcula con fu, fs y sumando kW y kvar por separado.
Adoptar fu y fs sin criterio, para «que dé»Una planta subdimensionada se descubre cuando el interruptor general salta en el pico. Si hay duda, se mide en una instalación parecida.
Elegir el cable sólo por corriente en un tramo largoCae la tensión en el extremo: los motores arrancan mal y se calientan. Siempre se verifica la caída.
Olvidar los factores de temperatura y agrupamientoEl cable se calienta por encima de lo que soporta su aislación; la vida del cable se acorta o se produce un incendio.
Elegir el poder de corte con la corriente del final de la líneaUn interruptor se dimensiona con la falla en sus propios bornes. Con el valor del extremo queda corto y puede explotar al despejar.
Tomar el Icc de un tablero y usarlo en todosLa corriente de falla cambia con la distancia al transformador: cada tablero tiene la suya.
Instalar interruptores «de más amperes» para que no saltenSe pierde la protección del cable y la selectividad: ante una falla abre el general y toda la planta queda sin energía.
Ignorar el arranque de los motores grandesUn arranque directo de 37 kW toma tanto como todo el transformador: hueco de tensión en toda la planta. Se usa estrella-triángulo, arrancador suave o variador.
Instalar capacitores sin conocer los armónicosResonancia con el transformador y capacitores quemados. Si hay cargas no lineales, el banco lleva reactancias de desintonía.
Un envolvente IP 20 en un ambiente con polvo conductor o humedadCortocircuitos y fallas de aislación a los pocos meses.

09Autoevaluación

¿Por qué la demanda máxima es menor que la potencia instalada y cómo se obtiene?

Porque no todas las cargas están a plena carga ni funcionan a la vez. Se aplica a cada carga el factor de utilización fu, se suman por separado kW y kvar, y al total se le aplica el factor de simultaneidad fs. Luego la aparente sale con Pitágoras. En el ejemplo, 367,7 kW instalados dan 209,4 kW de demanda.

Un alimentador de 90 m lleva 120 A a 400 V trifásico, con cos φ = 0,85 (sen φ = 0,527). ¿Cumple con 35 mm² si el límite es 2 %? (r = 0,022/S, x = 0,08 mΩ/m)

r = 0,022/35 = 0,629 mΩ/m → R = 56,6 mΩ; X = 7,2 mΩ. ΔV = √3 · 120 · (0,0566 · 0,85 + 0,0072 · 0,527) = 207,8 · (0,0481 + 0,0038) = 10,8 V, es decir 2,7 %: no cumple. Con 50 mm²: R = 39,6 mΩ, ΔV = 207,8 · (0,0337 + 0,0038) = 7,8 V = 1,95 %: cumple. Aunque 35 mm² puede ser suficiente por corriente, la caída de tensión define la sección.

¿Por qué el poder de corte de un interruptor se elige con la corriente de cortocircuito en sus bornes y no con la del final de la línea que protege?

Porque el peor caso para el interruptor es una falla justo después de él, donde la impedancia aguas abajo es mínima y la corriente máxima. La falla del extremo es menor y sirve para otra verificación: que el disparo magnético la detecte.

Un transformador de 400 kVA, 4 %, alimentado por una red de potencia infinita. ¿Qué corriente de cortocircuito hay en bornes de 400 V?

In = 400 000/(√3 · 400) = 577,4 A; Icc = In/uk = 577,4/0,04 = 14,4 kA. Con una red real, un poco menos; y en la práctica se elige el siguiente escalón de poder de corte normalizado.

¿Qué significa que dos interruptores sean selectivos y cómo se logra por retardo?

Que ante una falla abre sólo el que está inmediatamente aguas arriba de ella. Por retardo, el de aguas arriba espera un tiempo regulable (por ejemplo 0,2 s) antes de disparar en cortocircuito, y le da tiempo al de aguas abajo, que es instantáneo, de despejar. Hay que verificar que soporte la falla durante ese tiempo (Icw) y que el cable y las barras lo aguanten.

Una planta consume P = 150 kW con cos φ = 0,80. ¿Qué banco de capacitores la lleva a cos φ = 0,95?

tan φ₁ = 0,75 (cos 0,80) y tan φ₂ = 0,329 (cos 0,95). Qc = 150 · (0,75 − 0,329) = 150 · 0,421 = 63 kvar; se adopta un banco de 60 o 70 kvar. La corriente se reduce de 150/(√3 · 0,4 · 0,80) = 270,6 A a 150/(√3 · 0,4 · 0,95) = 227,9 A.

¿Qué condiciones del ambiente se relevan antes de elegir el tablero y qué se hace con ellas?

Temperatura (corrige la corriente admisible de cables y aparatos), polvo (IP de la envolvente, primera cifra), humedad y agua (segunda cifra, resistencias anticondensación), agentes químicos (material de la envolvente), golpes (IK) y riesgo de explosión (reglamentación específica). En una nave con polvo de mecanizado y refrigerante se adopta IP 54 o 55.

Desarrollo del eje «Proyecto eléctrico» de Proyecto y Representación Gráfica III (6° año), según la «Propuesta Curricular – Segundo Ciclo de la Modalidad Técnico Profesional, Educación Secundaria – Electricidad», Ministerio de Educación de la Provincia de Córdoba, DGETyFP. Volver al Mapa de Temas de Electricidad · catto.ar