1. Introducción:
Los conductores eléctricos son normalmente hilos metálicos de cobre blando o endurecido, de aluminio u otro material metálico. Se encuentran en forma de alambre o de cable1, los cuales se usan para conducir la corriente eléctrica desde la fuente de energía hasta la carga.
Los conductores normalmente son de baja resistencia eléctrica y deben ser fuertes y flexibles; se emplean en instalaciones eléctricas residenciales, comerciales e industriales.
Los sistemas eléctricos usan materiales conductores tales como el cobre, el aluminio y la plata, por su alta conductividad eléctrica, bajo costo, peso reducido, bajo coeficiente de oxidación, alta resistencia a la corrosión y alta conductividad térmica; es decir, son buenos conductores de calor.
1
Un alambre está formado por un solo hilo conductor, mientras que un cable esta formado por varios hilos conductores
En instalaciones internas se usa el cobre por su alta conductividad eléctrica, mientras que en redes aéreas se usa el aluminio, ya que tiene menor peso específico y menor costo que el cobre.
2. Tipos de conductores
Los conductores eléctricos se encuentran en diferentes formas:
j Alambres j Cables j Cordones
j Conductores con cubierta protectoras
2.1 Alambres:
Los alambres son conductores constituidos por un solo hilo metálico y pueden ser desnudos o aislados.
Los alambres aislados son recubiertos por una o más capas de plástico o goma aislante y son usados en las instalaciones eléctricas.
Figura 1: Alambre sólido 2
2.2 Cables:
Los cables son conductores constituidos por un conjunto de alambres retorcidos no aislados entre sí y pueden ser desnudos o revestidos por una o varias capas de material aislante. Los aislantes son de plástico, goma o tela. Además son más flexibles que los alambres
2
Para obtener una sección circular los cables tienen normalmente el número de conductores que se mencionan a continuación:
j 7 conductores j 19 conductores j 37 conductores j 61 conductores j 91 conductores j 127 conductores
Figura 1.1: Cable de 7 hilos 3
Los alambres y los cables delgados se obtienen comercialmente en rollos de 100 metros dentro de cajas especiales, mientras que los cables gruesos se suministran en carretas de tamaño adecuado.
Cuando se presentan en cajas, éstas traen una etiqueta donde se indica el color, el tipo de aislante, el tipo de material conductor, la cantidad en metros y el calibre4
3
Procobrecolombia Artículo técnico: “c-condelect.pdf”
4
Calibre: La dependencia del diámetro y el área del conductor permiten establecer un método de clasificación para los cables. A determinados diámetros se les asigna un número en una escala arbitraria, al que se conoce como el calibre del conductor. Ver la sección 4 de este documento, CALIBRACIÓN
ó sección transversal5, especificado en un sistema normalizado de medida: A.W.G. (American Wire Gauge) “que es el sistema de calibración Americano”.
Por norma, los conductores también deben llevar impreso sobre su aislante la marca del fabricante, el tipo de aislamiento, el calibre y la tensión máxima de utilización.
Tanto dimensional como eléctricamente el conductor debe cumple con lo requerido por el RETIE, en la Norma NTC-ICONTEC 2050 (Código Eléctrico Colombiano) y con la Norma NTC-ICONTEC 1332 (UL 83).
Nota: La mayoría de los cables o alambres usados en instalaciones eléctricas tienen una sección transversal circular.
Figura 1.2: Abajo: dos conductores marcados. Arriba: Ampliación con el detalle de la marcación,6
5
2.3 Cordones:
La constitución de los cordones es similar a la de los cables, con la diferencia es que los alambres de los cordones son más finos, lo que da una mayor flexibilidad al conjunto; en otras palabras los cordones son conductores eléctricos flexibles. Generalmente los cordones están formados por 2, 3 ó 4 conductores flexibles aislados entre sí y se presentan en forma trenzada o paralelos.
Figura 1.3: Arriba: Cordón trenzado, abajo: cordón paralelo7
Existen cordones recubiertos, además, con capas delgadas de algodón o seda.
Los cordones se emplean especialmente para conexión de artefactos portátiles tales como: planchas, taladros, lámparas decorativas y en aquellos casos en las que las conexiones estén sometidas a movimiento o vibraciones.
Comercialmente los cordones se presentan en rollos de 100 metros y llevan estampados sobre la capa aislante, la sección en mm2 o calibre del conductor, marca del fabricante y tensión máxima de utilización. Los rollos llevan además una etiqueta con los datos referidos y el color del aislante.
6
Boletín técnico Junio de 2004 de CENTELSA. www.centelsa.com.co
7
Se identifican por la cantidad de conductores aislados y por la sección de cada conductor.
Existen diferentes tipos de cordones, a saber:
2.3.1 Cordón torcido tipo “C:
Tiene una espiral de algodón sobre cada conductor, luego lleva otro aislante de caucho y una cubierta exterior también de algodón. Son usados para la conexión de aparatos de alumbrado, de calefacción y para pequeñas instalaciones a la vista, en lugares secos.
Se fabrica con 2 o más conductores de calibre comprendidos entre No. 18 y No. 12.
Figura 2: Cordón trenzado, tipo “C” 8
2.3.2 Cable paralelo o duplex “SP”:
Está formado por dos cables o cordones, los cuales se encuentran unidos por sus aislamientos. El aislante puede ser de caucho termoestable; se fabrican en calibres que pueden ir desde No. 22 hasta No. 12. Se usan en la conexión de electrodomésticos, e instalaciones a la vista en lugares húmedos.
Cortando el aislamiento por la mitad se puede separar los dos conductores.
Figura 3: Cordón paralelo, duplex “SP” 9
8
Revista conductores eléctricos
2.4 Conductores con cubierta protectora:
Son conductores (alambres o cables) que además de su aislante tienen otra capa protectora contra humedad, ácidos, temperaturas elevadas y contra el ataque de roedores. Las cubiertas protectoras pueden ser de plástico especial, plomo, o de goma. Éstos conductores pueden estar formados por 1, 2, 3, 4, 5 conductores aislados entre sí y su forma puede ser redonda o achatada.
Figura 4: Conductor con cubierta protectora 10
Los conductores con cubierta protectora se fijan directamente sobre las superficies con grapas de sujeción y se emplean también en instalaciones aéreas colgantes.
Cuando deban pasar sobre otros cables o tuberías, se debe dejar una distancia entre el cable y el objeto.
En el tendido recto de estos conductores, las grapas de sujeción pueden quedar separadas entre si, como máximo 0,40 m (40 centímetros).
Se presentan en rollos de 100 metros y llevan estampado sobre la cubiertas protectoras: La sección o calibre de los conductores; la marca del fabricante y el tipo de metal, cobre (Cu) o aluminio (Al).
9
Colección “Instalaciones eléctricas del SENA”
10
Se identifican por la cantidad de conductores y por la sección calibre de cada conductor. Ejemplo:
CABLE: 3 x 2 mm2
CABLE: 3 x 12 (CALIBRE AWG)
Los rollos llevan además una etiqueta con las características comerciales.
Figura 5: Diferentes tipos de cables 11
2.5 Conductor encauchetado:
Están formados por dos o más alambres o cables aislados entre si, y además vienen dentro de otro aislamiento común.
Figura 6: Conductor encauchetado 12
11
Procobre Perú.
12
2.5.1 Telefónico:
Conductores usados en líneas telefónicas, formados por pares retorcidos de calibre delgado normalmente de calibre 22
2.6 Coaxial:
Cables especialmente fabricados para conectar las antenas de los televisores
Figura 7: Conductor coaxial 13
3. La resistencia eléctrica de los conductores
Todo material, incluso los conductores eléctricos presentan alguna oposición al paso de la corriente eléctrica, esta oposición se llama resistencia eléctrica. Se representa con la letra R y su unidad de medida se llama omhio, la cual se representa con la letra Griega
[ ]
ΩLa resistencia de un conductor depende de varios factores: j El material (
ρ
)L
ρ
j La temperatura (Tº)
j La sección transversal (A) j La longitud (L)
j El tipo de corriente
A
13
3.1. Dependencia de la resistencia de un conductor con su material:
Todo material conductor como el Cobre, Oro, Plata, Aluminio, tiene una resistencia específica llamada coeficiente de resistividad.
3.1.1. Resistividad de un conductor:
Es la pérdida de potencia que sufre una corriente eléctrica de un amperio de intensidad al atravesar un conductor de 1 metro de longitud y 1 mm2 de sección transversal. Se expresa como un valor constante que es directamente proporcional a la resistencia del conductor. Se representa por la letra Griega Rho
[ ]
ρ
, y la unidad de medida es 2 mm m ⎡Ω − ⎤ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦La resistividad es una característica intrínseca del material, como podría ser la densidad, y depende de su pureza, estructura molecular y cristalina, así como de la temperatura. Al concepto inverso, esto es, la facilidad que presenta un material al paso de la corriente eléctrica se le denomina conductividad.
La resistividad nominal, a la temperatura de 20 ºC es:
Para el cobre de 0.017241 2 mm m ⎡Ω − ⎤ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ Para el aluminio de 0.028264 2 mm m ⎡Ω − ⎤ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦
Figura 8: Resistividad eléctrica de un conductor
Para determinar la resistividad de un material, se mide la resistencia eléctrica de un conductor de un metro de longitud y una sección transversal de un milímetro cuadrado.
3.1.2. Resistencia del conductor:
Lo mismo que ocurre con el agua que atraviesa una tubería, al aumentar la longitud aumenta el rozamiento y se pierde presión, y al aumentar la sección del la tubería fluye el líquido con mayor facilidad, igual ocurre con la corriente eléctrica: por un conductor fluye corriente eléctrica, si aumentamos su longitud la corriente circula con más dificultad, ocasionando una caída de voltaje (pérdidas) y si aumentamos la sección transversal del conductor, la corriente fluye con mayor facilidad.
Las pérdidas que se producen cuando un cable es atravesado por una corriente eléctrica son directamente proporcionales a su longitud e inversamente
La resistencia eléctrica de un tramo como este, se llama la RESISVIDAD
El coeficiente de resistividad eléctrica de un material se representa por la letra griega
ρ
, y se mide en:2 mm m ⎡Ω − ⎤ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦
A
L= 1 metro
ρ
Resistividad
A= 1 mm
2proporcionales a la sección, por lo que se calcula multiplicando la resistividad nominal, antes citada, por la longitud en [m] y se divide el producto por la sección en [mm2]. El resultado se expresa en ohmios
[ ]
Ω y como antes, sería la potencia disipada en el cable en forma de calor, al ser recorrido por una corriente de un amperio.En la práctica, se especifican siempre a la temperatura de 20 ºC y en corriente continua. Por consiguiente, es preciso referir la resistencia de las muestras a la citada temperatura de 20 ºC y a la longitud de un metro a través de las fórmulas correspondientes
Matemáticamente, la resistencia eléctrica de un material conductor está dada por la siguiente expresión:
L
R
A
ρ
=
(1.1) Donde:( )
rho
:
ρ
Es la resistividad del material,2 mm m ⎡Ω − ⎤ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦
L: es el largo del conductor en metros
[ ]
mA: es el área de la sección transversal del conductor 2
mm
⎡ ⎤ ⎣ ⎦
La expresión anterior indica la resistencia eléctrica del conductor es directamente proporcional a su longitud y a su coeficiente de resistividad e inversamente proporcional a su área.
Por ejemplo, para un material conductor determinado y para una temperatura dada si el valor del área A permanece constante, el valor de la resistencia aumenta si su longitud (L) aumenta.
De igual manera se puede deducir que si la resistividad
( )
y la longitud (L) permanecen constantes, la resistencia del conductor se reduce si el área de su sección transversal aumenta.La tabla 1, muestra el coeficiente de resistividad de algunos materiales usados en sistemas eléctricos
TABLA 1: RESISTIVIDAD DE ALGUNOS MATERIALES PARA UNA TEMPERATURA DE 20 °C MATERIAL RESITIVIDAD 2 mm m ⎡Ω − ⎤ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ TEMPERATURA DE FUSION
[ ]
º C PLATA 0.016 960.0 COBRE 0.01724 1,083.0 ORO 0.023 1,063.0 ALUMINIO 0.02826 660.0 TUNGSTENO 0.050 3,410.0 ZINC 0.058 419.4 LATON 0.06 a 0.08 - NIQUEL 0.075 1,455.0 PLATINO 0.096 1,769.0 HIERRO 0.1 a 0.15 1,535.0 ESTAÑO 0.13 232.0 PLOMO 0.21 327.4 MANGANINA 0.42 1,020.0 MERCURIO 0.92 - 38.87 CROMO-NIQUEL 1.06 -Entre más baja sea la resistividad, mejor será el conductor eléctrico. De acuerdo con este razonamiento, se puede afirmar que el mejor conductor es la plata, le sigue el cobre y luego el oro, y así sucesivamente. El más malo de los
conductores de la tabla es la aleación de Cromo-Niquel, que se utiliza para fabricar resistencias industriales.
Nótese que en la tabla por ejemplo el cobre tiene una resistividad de 0.01724, esto significa que un trozo de cobre de 1 metro de longitud y 1 milímetro cuadrado (mm2) de sección transversal tiene una resistencia de 0.01724 ohmios.
Problema 1: ¿Cuál será la resistencia eléctrica de un conductor de cobre que tiene una longitud de 100 m., de longitud y una sección transversal de 0.5 mm2?
Solución. Suponiendo que el conductor se encuentra a una temperatura aproximada de 20 ºC, y observando la tabla 1, determinamos su resistividad, así:
2 0.01724 COBRE mm m
ρ
= ⎡⎢Ω − ⎤⎥ ⎣ ⎦Reemplazando los datos en la ecuación (1.1) se tiene:
(
)
2 2 20.01724
100
0.5
1.724
0.5
mm
m
m
L
R
A
mm
mm
R
ρ
⎛
Ω −
⎞
⎜
⎟
⎝
⎠
=
=
Ω −
=
(
)
( )
m
m
( )
2mm
( )
=
3.5
Ω
El oro, por ser el metal más dúctil (se deja partir en hilos muy delgados) y más maleable (se deja partir en láminas muy delgadas) se utiliza en electrónica para la conexión de circuitos integrados; la plata por ser el segundo mejor conductor de
utiliza en la fabricación de contactor eléctricos (disminuye la resistencia de conexión); el cobre y el aluminio se emplean en la fabricación de conductores eléctricos por su bajo costo.
3.1.3. Ventajas de los conductores de cobre sobre los de aluminio en las redes de distribución en baja tensión
j El conductor de cobre es más eficiente que un conductor de aluminio, porque posee menor resistividad.
j El cobre presenta una mayor capacidad de conducción. Si tomamos como ejemplo un conductor de cobre y otro de aluminio del mismo calibre; el primero tendrá una capacidad de conducción 28% superior a la del segundo.
j En un conductor de cobre, las pérdidas por calentamiento (efecto Joule) son un 58% menores con respeto al aluminio.
j La presencia de cobre garantiza la eliminación de probables fallas originadas por falsos contactos debido a óxido no conductivo.
j La utilización de conductores de cobre proporciona una mayor facilidad en el empleo de soldaduras terminales y empalmes.
3.1.4. Equivalencia eléctrica entre conductores de cobre (Cu) y aluminio (Al):
Se entiende por secciones equivalentes las que admiten la misma intensidad de corriente ocasionando las mismas pérdidas. Consecuentemente existe una
proporcionalidad directa entre las resistividades y las secciones, ya que es preciso compensar con una mayor sección una mayor resistividad.
Como la relación entre las resistividades del cobre y del aluminio es de 1.64, un conductor de aluminio será equivalente a otro de cobre si tiene una sección 1.64 veces superior.
3.2. Dependencia de la resistencia de un conductor con la temperatura:
La resistencia de los materiales depende de la temperatura; Al aumentar la temperatura, la resistencia eléctrica presenta los siguientes cambios:
j En los conductores metálicos y en algunos semiconductores aumenta la resistencia aumenta cuando aumenta la temperatura.
j En los líquidos, los aislantes, el carbón y en algunos semiconductores disminuye la resistencia cuando aumenta la temperatura.
j En algunas aleaciones como la manganina y el constatan permanece casi constante.
La relación entre la resistencia (R) de un conductor y la temperatura esta dada por la siguiente expresión: F 20 F
R = R [1 + (T - 20 ºC)]
α
(1.3) Donde:R
F Es la resistencia final[ ]
ΩR
20 Es la resistencia medida a 20 ºC.[ ]
ΩEs el coeficiente de temperatura que es positivo para los metales y negativo para el carbón y algunos semiconductores como el germanio. ⎡⎣Ωº C⎤⎦
20 = 0.00393 coeficiente de temperatura para el cobre a 20 ºC
20 = 0.01785 ( . mm2 / m)
Problema 2: La resistencia del bobinado de un motor fabricado en hilo de cobre es de 30 omhios a 20 ºC. ¿Cuál será su resistencia a 95 ºC?
Solución: Empleando la expresión (1.3), se tiene:
[ ]
(
[ ]
[ ]
)
[ ]
80 20 F 80 80R =R [1 + (T - 20 ºC)]
R =30
1 0.00393
95 º
20 º
º
R
30
1 0.00393
º
C
C
C
C
α
⎡
⎡
Ω
⎤
Ω
⎢
+
⎢
⎥
−
⎥
⎣
⎦
⎣
⎦
Ω
=
Ω
+
⎤
[ ]
75 º C
⎡
⎤
⎢
⎥
⎣
⎦
(
)
[ ]
80R
38.84
⎡
⎤
⎢
⎥
⎣
⎦
=
Ω
TABLA 2: COEFICIENTES DE TEMPERATURA DE ALGUNOS METALES A 0 oC
METAL COEFICIENTE DE TEMPERATURA º C α⎡⎢ Ω⎤⎥ ⎣ ⎦ PLATA 0.004 COBRE 0.0043 ORO 0.0037 ALUMINIO 0.0042 TUNSTENO 0.0051 NIQUEL 0.0044 ESTAÑO 0.0047 HIERRO 0.0042 PLOMO 0.0041 MERCURIO 0.0009
3.3. Dependencia de la resistencia de un conductor con su sección
transversal:
Si se corta perpendicularmente un alambre en cualquier punto, obtendrá una superficie que la llamamos SECCION TRANSVERSAL.
La forma de la sección puede ser circular, rectangular o cuadrada.
La sección transversal de un conductor eléctrico se
representa por la letra A y se mide en
⎡
⎣
mm
2⎤
⎦
A mayor sección transversal menor resistencia y a menor sección mayor resistencia.
A mayor sección transversal del conductor existe mayor capacidad de conducir corriente eléctrica
EL cálculo de la sección de un conductor depende de la forma geométrica, que tenga el corte transversal del mismo, como se ilustra a continuación:
3.3.1. Conductor cilíndrico
D es el diámetro del conductor A es el área de la sección transversal
2 2
,
D
ÁREA DEL CÍRCULO A
=
π
R
=
π
D
A
Figura 9: Sección transversal de un conductor cilíndrico
De donde:
R es el radio de círculo D es el diámetro del círculo
π
es la constante 3.14159… .3.3.2. Conductor rectangular
H es la altura del conductor B es la base del conductor
A es el área de la sección rectangular
B
H
A
,
*
ÁREA DEL RECTÁNGULO A
=
B H
Figura 10: Sección transversal de un conductor rectangular
3.3.3. Conductor cuadrado
L es la longitud de cada lado del conductor A es el área de la sección cuadrada
L L 2
,
*
ÁREA DEL CUADRADO A
=
L L
=
L
Figura 11: Sección transversal de un conductor cuadrado
Problema 3: Calcular la sección en mm2 de un conductor eléctrico cuyo corte transversal es cuadrado, si uno de los lados del corte mide 0,3 cm.
Solución:
Como la longitud (L) esta dada en centímetros, debemos reducirla a milímetros:
0.3
3
.
L
=
cm
=
mm
LuegoA
=
L
2=
(
3
mm
)
=
9
m
m
2 0.3 cm. 0.3 cm.Dados dos alambres de igual longitud y del mismo tipo de material, cobre por ejemplo, pero de tal manera que uno de ellos tenga el doble de la sección
transversal del otro, se puede comprobar que el conductor de menor sección tiene el doble de resistencia que el conductor grueso.
La tabla 3 muestra la sección transversal y el diámetro los conductores más utilizados en instalaciones eléctricas de baja tensión.
TABLA 3: DIAMETRO Y SECCION TRANSVERSAL DE CONDUCTORES
CALIBRE ( AWG) Diámetro [mm] Área [mm2]
20 0.8118 0.5176 19 0.9116 0.6527 18 1.024 0.8231 17 1.150 1.038 16 1.291 1.309 15 1.450 1.650 14 1.628 2.081 13 1.828 2.624 12 2.053 3.309 11 2.305 4.172 10 2.59 5.261 9 2.906 6.634 8 3.26 8.366 7 3.666 10.55 6 4.11 13.300 5 4.621 16.77 4 5.19 21.15 3 5.827 26.67 2 6.54 33.63 1 7.348 42.41 0 8.251 53.48
3.4. Dependencia de la resistencia de un conductor con su longitud:
L
Menor resistencia por tener mayor sección
Mayor resistencia por tener menor sección NO CONFUNDIR SECCIÓN TRANSVERSAL CON DIÁMETRO
ADVERTENCIA
Figura 12: Dependencia de la resistencia de un conductor con su longitud
A mayor longitud del conductor, mayor será la resistencia que se presenta al paso de la corriente.
Si tomamos tres conductores de un mismo material y con la misma sección transversal, de tal manera que sus longitudes estén en proporción 1:2:3 es decir, la longitud del conductor 3 es el triple de la longitud del conductor 1, y la longitud del conductor 2 es el doble de la longitud del conductor 1, entonces es fácil comprobar que el conductor 3 tiene tres veces la resistencia del conductor 1, y el conductor 2 tiene dos veces la resistencia del conductor 1.
Por ejemplo: supongamos que el conductor 1 tiene una longitud de 1 metro y una resistencia de 5 , que la longitud del segundo conductor es de dos metros y la del tercero es de tres metros, se puede comprobar, que la resistencia del segundo conductor es de 10 Ω , y la del tercero es de 15
Ω
Ω , siempre que sean del mismo material y tengan la misma sección transversal.
R=5
5 m 5 m 5 m
R=10 R=15
Figura 13: Comparación de la resistencia de tres conductores de diferente longitud
Como se observó en el ejemplo anterior, si la longitud de un conductor se duplica entonces la resistencia también se duplica; si la longitud del conductor se triplica, la resistencia también se triplica y así sucesivamente.
TABLA 4: RESISTENCIA ELECTRICA PARA CABLES DE COBRE
CALIBRE RESISTENCIA A LA CORRIENTE ALTERNA R
Km Ω
⎡ ⎤
⎣ ⎦
AWG KCMIL CONDUIT DE PVC CONDUIT ALUMINIO CONDUIT ACERO
14 10.17 10.17 10.17 12 6.56 6.56 6.56 10 3.94 3.94 3.94 8 2.56 2.56 2.56 6 1.61 1.61 1.61 4 1.02 1.02 1.02 2 0.623 0.656 0.656 0 0.394 0.427 0.394 00 0.328 0.328 0.328 000 0.253 0.269 0.259 0000 0.203 0.219 0.207 250 0.171 0.187 0.177 350 0.125 0.141 0.128 500 0.089 0.105 0.095
La tabla suministra valores de resistencia para diferentes calibres con una longitud de 1 Km. (1,000 metros).
Problema 4: Hallar la resistencia de un conductor AWG No. 14, con una longitud de 200 metros dentro de un tubo Conduit de PVC.
Solución: Aplicando una regla de tres simple
1000
10.17
200
mx
Ω→
→
200 m
x
=
(
)
(
10.17
)
1000 m
Ω
2.034
=
Ω
TABLA 5: REQUISITOS PARA EL ALAMBRE DE COBRE SUAVE
CALIBRE
AWG KCMIL AREA NOMINAL
RNCC 20 O C ( /KM.) * 24 0.404 0.2 84.1 22 0.64 0.32 53.2 20 1.02 0.52 33.3 18 1.62 0.82 21.0 16 2.58 1.31 13.2 14 4.11 2.08 8.29 12 6.53 3.31 5.21 10 10.38 5.26 3.28 8 16.51 8.37 2.06 6 26.24 13.3 1.3 4 41.74 21.15 0.817 2 66.36 33.63 0.513 1 83.69 42.41 0.407 0 105.6 53.51 0.322 00 133.1 67.44 0.256 000 167.8 85.03 0.203 0000 211.6 107.22 0.161
TABLA 6: REQUISITOS PAR CABLES DE COBRE SUAVE
CALIBRE
AWG KCMIL AREA NOMINAL
RNCC 20 O C ( /KM.) * 24 0.404 0.2 85.6 22 0.64 0.32 53.8 20 1.02 0.52 33.8 18 1.62 0.82 21.4 16 2.58 1.31 13.4 14 4.11 2.08 8.46 12 6.53 3.31 5.35 10 10.38 5.26 3.35 8 16.51 8.37 2.10 6 26.24 13.3 1.32 4 41.74 21.15 0.83 2 66.36 33.63 0.522 1 83.69 42.41 0.417 0 105.6 53.51 0.328 00 133.1 67.44 0.261 000 167.8 85.03 0.207 0000 211.6 107.22 0.164
* RNCC = Resistencia nominal en corriente continua
3.5. Dependencia de la resistencia de un conductor con el tipo de corriente:
La resistencia que presenta un conductor al paso de la corriente continua es diferente a la resistencia que presenta el mismo conductor al paso de la corriente alterna por el efecto piel14 o efecto Skín, por este motivo cuando un conductor eléctrico se encuentra en un circuito de corriente alterna se debe tener en cuenta este fenómeno.
R
cc Es la resistencia de corriente continuaR
ac Es la resistencia de corriente alterna,
14
La corriente alterna tiende a fluir hacia la superficie externa de un conductor (“Efecto Piel”), efecto que es más pronunciado a altas frecuencias, lo que ocasiona pérdidas adicionales en el transporte de la energía eléctrica por los conductores, y produce sobre calentamiento.
1.15
AC
C
R
=
R
C
(1.4)4. Calibración
Para medir el calibre de los conductores se ha introducido el sistema denominado A.W.G. (American Standard Wire Gauge), que consiste en expresar la sección transversal del conductor en Milésimas Circulares (Circular Mils o CM)
Una Milésima circular es el área de un círculo cuyo diámetro es una milésima de pulgada.
1 MC = 0
.
0005067 mm
2Cuanto mayor es el número de la galga menor es el diámetro del conductor, por ejemplo, un conductor calibre No. 16 es más delgado otro calibre No. 14, mientras que el No. 12 es más grueso que el No. 14.
Figura 14: Galga para la medida del calibre de los conductores 15
Cada tres números de la galga en orden ascendente, la resistencia es aproximadamente el doble y la sección es la mitad:
Por ejemplo: si tenemos un alambre calibre No. 12 cuya sección es de 3.3 mm2 podemos conocer la sección de un alambre calibre No. 15, la cual será la mitad de la del calibre No. 12, es decir 1.65 mm2.
Para medir el diámetro de un conductor se introduce la punta desnuda en una ranura de la galga o calibrador y el número de aquella en donde entre sin ningún esfuerzo, indica el calibres del conductor. En al otra cara de la galga aparece el diámetro del conductor en pulgadas. Por ejemplo: en el otro lado de la galga del No. 14 aparece su diámetro en pulgadas que es de 0.064 pulgadas.
15
DIAMETRO No. GALGA
B.S.
A.W.G. PULGADAS MILÍMETROS 12 0.080 2.03 14 0.064 1.62 16 0.050 1.27 18 0.040 1.01
20 0.031 0.78
Figura 15: Procedimiento de medida del calibre de un conductor 16
Problema No. 5: ¿Cual será el diámetro en mm., del alambre No. 14 sabiendo que tiene un diámetro de 0.064 pulgadas y que una pulgada equivale a 25.4 mm.?
Solución: Aplicando una regla de tres simple
lg
1
25.4
0.064
pu mmx
→
→
0.064
pu
lg
x
=
(
)
(
25.4
)
1
lg
mm
pu
=
1.625 mm
5. Cables para alta temperatura:
5.1. Glosario de términos de cables de alta temperatura
16
El tipo de aislante y el material conductor incorporados al cable dictan la clasificación de temperatura para los cables de alta temperatura. Todo producto de alta temperatura está diseñado para operar dentro de un ambiente de “temperatura continua” por un periodo indefinido. Este tipo de producto también está diseñado con múltiples capas de aislante para que, en el caso de una exposición a “temperaturas extremas”, el material de la sobrecubierta se queme por capas, lo que retarda el deterioro del producto, pero no lo detiene.
Esta característica permite al producto sobrevivir temperaturas extremas intermitentes sin presentar una falla de inmediato.
Al tratar con productos de alambres de Alta Temperatura, es importante contar con conocimientos prácticos sobre los diferentes tipos de aislantes y conductores que están disponibles, así como tener un conocimiento general de la terminología.
5.2. Terminología
5.2.1. Temperatura de uso continuo:
El producto puede sobrevivir por un periodo indefinido: años.
5.2.2. Temperatura de uso a largo plazo:
El producto puede sobrevivir una breve exposición a esta temperatura (de varios días a varias semanas) antes de requerir un reemplazo.
5.2.3. Uso a temperaturas extremas:
El producto puede sobrevivir en este ambiente sólo unos cuantos minutos, después de los cuales se tiene que reemplazar.
Casi todos los productos de alta temperatura usan diferentes combinaciones de sólo unos cuantos materiales para las sobrecubiertas y aislantes. Estos materiales son:
j Vidrio
j Silicón y hule de silicón j Teflón y cintas de Teflón j Mica
j Aramida, Kevlar, Nomex (son lo mismo)
La manera en que estos materiales aislantes se combinan y se usan dicta las propiedades de alta temperatura del producto.
5.3.1. Vidrio
El vidrio se usa en muchos cables de alta temperatura como sobrecubierta y como refuerzo. Debido a que el vidrio tiene una baja resistencia a la abrasión, por lo general se le impregna con material de silicón o Teflón. El vidrio no es un gran aislante y sus usos están por lo general limitados a la sobrecubierta. El vidrio se funde a alrededor de 1800 °F. Cuando se enfría, el vidrio pierde su flexibilidad y se vuelve quebradizo. Por tanto, cuando se alcanza el punto de fusión, lo más probable es que el cable no se pueda flexionar aunque haya sobrevivido. Además las trenzas de vidrio son porosas, por lo que habitualmente se les da un acabado con un componente de Teflón, Silicón o Aramida para una mejor resistencia a la humedad, las sustancias químicas y al calor.
5.3.2. Silicón (Silicona)
El hule de silicón se usa como un aislante resistente al calor y para dar acabado a las trenzas de vidrio. El silicón tiene una vida de 40 años a 125 °C, una vida de 5 años a 150 °C, y puede sobrevivir temperaturas a corto plazo de 200 °C. Debido al precio relativamente bajo del silicón y a sus características favorables de alta temperatura, es uno de los materiales aislantes más usados para aplicaciones
inferiores a los 200 °C. El silicón es en extremo resistente a la humedad y a las sustancias químicas, pero tiene una muy baja resistencia a la abrasión mecánica. Por esta razón, el silicón por lo general se usa como un acabado para la trenza de vidrio o cubierto con un material de trenza de vidrio.
5.3.3. Fluoropolímeros (comúnmente conocidos como Teflón®).
Tres fluoropolímeros son de uso común en la fabricación de cables: el tetrafluoroetileno (TFE) y dos materiales de extrusión convencional, el propileno etilénico fluorinado (FEP) y el perfluoroalcoxi (PFA). Debido a que es difícil hilar el TFE en longitudes largas continuas, con frecuencia se aplica en forma de cinta o como una dispersión de fluido usada para impregnar trenzas de fibra de vidrio. Debido a las excelentes propiedades aislantes del Teflón®, los cables guía hechos con este material pueden ser de la mitad del tamaño de los cables convencionales para aplicaciones similares. El Teflón también cuenta con la aprobación de la FDA para estar en contacto con alimentos. FEP – 200° C PFA – 250° C TFE – 250° C
5.3.4. Mica
La mica es un elemento con propiedades cristalinas únicas que permiten realizar desbarbados muy delgados. La mica con la más alta clasificación tiene una resistencia al calor a largo plazo de 1800° F y se funde a los 2200° F. Debido a que se descascara, por lo general la mica se une con una trenza de vidrio. La Mica tiene buenas propiedades eléctricas y se usa en los cables como aislante y como una barrera contra el calor.
5.3.5. Aramida
Las fibras de Aramida son una poliamida que produce DuPont. Las dos versiones más comunes se conocen como Kevlar y Nomex. Ambos materiales son muy fuertes y por lo general se usan como material para sobrecubiertas o refuerzo en aplicaciones para temperaturas más bajas (180° C - 220° C) en lugar de la
sobrecubierta de trenza de vidrio. Cuando se aplica como trenza, Kevlar ofrece una protección a la abrasión superior a la de cualquier otro material para altas temperaturas.
5.3.6. Cerámica
La cerámica es un material duro, resistente al calor y a la corrosión, que se hace quemando barro u otros minerales consistentes en uno o más metales en combinación con minerales no metálicos, por lo general oxígeno. Las Cerámicas pueden soportar temperaturas continuas de 2600° F y exposición de corto plazo a 3000° F sin perder su flexibilidad.
5.4 Conductores
5.4.1. Cobre
Casi todo el cobre usado en aplicaciones de alta temperatura es cobre OFHC (Oxygen Free High Conductivity) en contraposición al ETP (Electrolytic Tough Pitch) que es más común. El OFHC no se oxida en ambientes a alta temperatura y, por lo tanto, ofrece una mejor capacidad de transportación de señal. Super-Trex® está fabricado con cobre ETP. Thermo-Super-Trex® está fabricado con cobre OFHC.
5.4.2. Níquel
Se usa por lo general en cables para altas temperaturas como un recubrimiento sobre filamentos de cobre. El níquel tiene un punto de fusión de 2400° F y actúa como aislante, además de proporcionar un contenedor para el cobre. En temperaturas extremas, es posible que el cobre dentro del recubrimiento de níquel sólido se funda, sin perder su conductividad. Dependiendo de la cantidad de protección requerida, la cantidad de recubrimiento de níquel puede variar entre 2% y 27%. En muy raras ocasiones se usa Níquel de Grado A (100% Níquel). Es muy
caro, y sin embargo no tiene un rendimiento mejor que un producto estándar niquelado al 27%.
Algunos cables de alta
Figura 14.1: Cable de alta temperatura Termo-Trex 500 17
Figura 14.2: Cable de alta temperatura Termo-Trex 850 18
17
Documento técnico “tpc196spw.pdf” dewww.tpcwirw.com 18
Figura 14.3: Cable de alta temperatura Termo-Trex 2000 19
Figura 14.4: Cable de alta temperatura Termo-Trex 2800 20
19
Documento técnico “tpc196spw.pdf” dewww.tpcwirw.com 20
Figura 14.5: Cable de alta temperatura Chem - Gard 21
6. Materiales aislantes:
Los materiales aislantes presentan una resistencia muy alta al paso de la corriente eléctrica, y son necesarios para aislar conductores que llevan corriente eléctrica. Entre los materiales aislantes (también llamados materiales dieléctricos) se pueden mencionar algunos: papel prespán, papel pescado, papel impregnado, barniz dieléctrico, mica, baquelita, PVC, porcelana, poliester.
Los forros, cubiertas o en definitiva el aislamiento de los conductor eléctricos, se fabrican en diferentes materiales.
Las condiciones que debe cumplir un aislamiento óptimo son los siguientes:
j Tener buenas características eléctricas
j Tener buenas propiedades mecánicas (resistencia, flexibilidad) j Tener buena resistencia a la temperatura
j Resistencia a los agentes atmosféricos
21
j Resistencia a los agentes químicos (humedad, ácidos, sales, etc.). j Resistencia a la abrasión
j Finalmente, interesan su duración y economía.
Los tipos de aislamiento más frecuentes son:
j Polietileno (PE)
j Cloruro de Polivilino (PVC) j Barniz cambray
j Papel impregnado
j Caucho (caucho sintético, caucho butílico, Neopreno).
5.1. Aislamiento de polietileno (PE):
Es el plástico que presenta mejores propiedades eléctricas:
j Excelentes propiedades eléctricas
j Gran resistencia a la humedad (mejor que el PVC).
j Gran resistencia a los agentes químicos (a temperatura normal) j Resistencia a los aceites y grasas
j Es el aislamiento más estable (sumergido en agua) j Con pigmento negro resiste la acción del sol j No es resistente al fuego (inflamable)
j Temperatura critica de reblandecimiento 105 0C j Económico
5.2. Aislamiento de cloruro de polivinilo (PVC):
Conocido como “plástico” en el comercio.
j Gran resistencia a la humedad, aceites y a la mayoría de las sustancias químicas.
j Resistente al fuego
j Pigmentaciones diferentes j Económico
Se emplea comúnmente en la fabricación de: j Alambres y cables tipo TW
j Alambres dúplex y cable dúplex STP (garantizados para una temperatura de operación de 60 0C)
j También el tipo THW.
5.3. Aislamiento de papel impregnado:
Se hace enrollado helicoidalmente capas de papel de celulosa pura sobre el conductor de cobre. El papel se seca al vacío y se impregna con un compuesto especial. Se coloca una capa externa de plomo como protección contra la humedad.
j Muy buenas propiedades eléctricas. j Gran resistencia a las sobrecargas.
j Conserva sus características eléctricas dentro un amplio rango de temperatura.
j Se limita su posición vertical en máximo de 9 m., de altura para evitar el escurrimiento del impregnante.
j Adecuada para instalaciones subterráneas (con tal que sea armado).
j Todo cable con aislamiento de papel, instalado directamente bajo tierra, debe ser armado. Igualmente debe armarse cuando esta sometido a acciones mecánicas. En el general se arma con cintas de acero (puede ser
galvanizado) dispuestos helicoidalmente, aplicando después yute impregnado con asfalto.
5.4. Aislamiento de barniz cambray (VAR_CAM):
Este aislamiento esta formado de una tela de algodón cubierta por ambas caras con un barniz negro resistente al calor y muy durable. Sobre el conductor se aplican helicoidalmente capas (según el calibre del conductor y el voltaje de operación).
j Buenas propiedades eléctricas.
j Menor limitación para la colocación vertical que el anterior. j Baja resistencia a la humedad.
j Por las capas de aire entre capas sucesivas presenta tendencia a altas perdidas eléctricas.
j Con cubierta de fibra textil se puede emplear en líneas aéreas o en tuberías libres de humedad o sustancias corrosivas.
j En caso de instalarse directamente bajo tierra, debe ser armado.
5.5. Tipo de aislamiento para conductores: Ver la tabla 8
El aislamiento de los conductores se fabrica con materiales plásticos, aunque para usos especiales se usan aislamientos de Asbesto, Nylon, o Silicona (para elementos calefactores), que evitan los cortocircuitos y las fugas de corriente ocasionados por el calor.
Los tipos de aislamiento más usados son los termoplásticos que se mencionan a continuación:
j TW: Cubierta termoplástica resistente a la humedad 60 ºC
j THW: Cubierta termoplástica resistente al calor y a la humedad 75 ºC
j THHN: Cubierta termoplástica de Nylon resistente al calor y a la abrasión puede trabajar con temperaturas hasta 90 oC
Los conductores que se usan en instalaciones eléctricas deben ser rotulados en alto relieve o impreso con tinta indeleble. También se acepta en bajo relieve siempre y cuando no se reduzca el espesor del aislamiento por debajo del mínimo establecido por el RETIE.
5.6. La información que se debe rotular
j Calibre del conductor en AWG, en mm2, ó en KCMIL j Material del que está hecho el conductor
j Tipo de aislamiento (TW, THW, THHN,… ) j Tensión nominal: (300 V, 600 V)
j Nombre del fabricante j Tipo de conductor
Según el RETIE los conductores se clasifican en:
CLASE A: Usado para conductores a ser recubiertos con materiales
impermeables, retardantes al calor y para conductores desnudos donde se requiere mayor flexibilidad que la proporcionada por los conductores de la clase AA.
CLASE AA: Usado para conductores desnudos en redes aéreas
CLASE B: Usado para conductores que van a ser aislados con materiales tales
La clase A, pero que requieren mayor flexibilidad que la proporcionada por los conductores de clase A.
CLASE C y D: Para conductores donde se requiere mayor flexibilidad que la
proporcionada por la clase B.
Según esta clasificación, podemos decir que los conductores más usados en instalaciones eléctricas domiciliarias son los de clase A y B.
TABLA 7: DIAMETRO Y SECCION TRANSVERSAL DE CONDUCTORES
ESPESOR PROMEDIO DEL AISLAMIENTO en mm. CALIBRE (AWG) DIÁMETRO
en mm. SECCIÓN en mm2 THW - TW THHN 14 1.63 2.08 0.76 0.38 12 2.05 3.31 0.76 0.38 10 2.59 5.26 0.76 0.51 8 3.26 8.37 1.14 0.76 6 4.11 13.3 1.52 0.76 4 5.19 21.15 1.52 1.02 3 5.83 26.7 1.52 1.02 2 6.54 33.63 1.52 1.02 1 7.33 42.41 2.03 1.27 0 8.25 53.51 2.03 1.27
7. Código de colores de los conductores:
Se establece un código de colores para identificar los conductores en los sistemas eléctricos de acuerdo al RETIE y la norma NTC “Norma técnica Colombiana” y las normas ICONTEC “Instituto Colombiano de Normas Técnicas”.
6.1. El neutro puesto a tierra:
6.1.1. Fases o líneas vivas en un sistema monofásico: En sistemas
monofásicos a 120 voltios la línea viva es de color negro
6.1.2. Fases en un sistema trifásico tetrafilar 208v/ 120v: Los colores de las
líneas vivas son el amarillo, azul y el rojo.
6.1.3. Puesta a tierra: El color de la puesta a tierra debe ser de color verde
continuo o un color verde continuo con una o más bandas amarillas. Aunque se puede usar el conductor de puesta a tierra desnudo.
Cuando no se encuentren conductores con los colores antes mencionados se deben marcar en partes visibles del conductor normalmente en los extremos, empleando pintura, cinta, rótulos adhesivos del color respectivos. Esto también se debe cumplir con conductores desnudos.
Los conductores de altos calibres vienen en un color negro por lo que se deben marcar.
Es interesante en estos momentos, conocer el significado de algunas siglas empleadas en la identificación de los conductores según el tipo de aislamiento. Salvo cuando se especifique lo contrario, los siguientes aislamientos son apropiados para 600 Voltios.
TABLA 8: AISLAMIENTO DE LOS CONDUCTORES ELECTRICOS TIPO DECRIPCION TEMP. MAX. DE OPERACIÓN APLICACIONES
RF _ 2 Alambre dúplex con forro de
caucho. (sólido o de 7 hilos) 60 ºC Para implementos RFH _ 2
Alambre dúplex con forro de caucho resistente al calor. (sólido o de 7 hilos)
75 ºC Para implementos R Forrado en caucho 60 ºC Uso general RH Forrado en caucho resistente al
calor 75 ºC Uso general RW Forrado en caucho resistente a la
humedad 60 ºC
Uso general en lugares húmedos RH _ R _ W Forrado en caucho resistente a el
calor y a la humedad
60 ºC 75 ºC
Uso general en lugares húmedos R U Forrado en caucho látex 60 ºC Uso general R U H Forrado en caucho látex
resistente al calor 60 ºC Uso general R U W Forrado en caucho látex
resistente a la humedad 60 ºC
Uso general y en lugares húmedos T F Cubierta termoplástica
(Sólido o en hilos) 60 ºC Para implementos T Termoplástico 60 ºC Uso general
TW Cubierta termoplástica resistente
a la humedad 60 ºC
Uso general y en lugares húmedos T A Cubierta termoplástica y asbesto 90 ºC Para tableros de
interruptores V “CAMBRIC” barnizado 85 ºC
En lugares secos únicamente. Calibre
mínimo No. 6 THW Cubierta termoplástica resistente
al calor y a la humedad 75 ºC a 90 ºC Acometidas comunes
La siguiente tabla, muestra la capacidad de conducción de corriente de los conductores teniendo en cuenta el tipo de aislamiento
TABLA 9: CAPACIDAD DE CONDUCCIÓN DE CORRIENTE DE LOS CONDUCTORES
POR DUCTO AL AIRE LIBRE CALIBRE ( AWG) TW THW THHW TW THW THHW 14 20 20 25 25 30 35 12 25 25 30 30 35 40 10 30 35 40 40 50 55 8 40 50 55 60 70 80 6 55 65 75 80 95 105 4 70 85 95 105 125 140 2 95 115 130 140 170 190 0 125 150 170 195 230 260 00 145 175 195 225 265 300 000 165 200 225 260 310 350 0000 195 230 260 300 360 405
8. Notas sobre el uso de los calibres de los conductores
j En el sistema A.W.G. cuanto mayor es el número menor es la sección transversal.
j El calibre más delgado comercialmente es No. 40 AWG
j Del No. 40 AWG hasta el No. 20 AWG se utilizan en bobinados de aparatos eléctricos
j Del No. 18 AWG hasta el No. 16 AWG Se utilizan en cordones flexibles, en control y señalización
j El conductor No. 14 AWG es el conductor más utilizado en instalaciones eléctricas residenciales, además es el mínimo calibre permitido para instalaciones eléctricas interiores.
j Los conductores hasta el número 10 AWG son alambres j Del número 6 en adelante corresponde a cables
j El conductor número 8 AWG puede ser en alambre o en cable
j Del No. 14 AWG hasta el No. 2 AWG Son los calibres más utilizados en instalaciones eléctricas residenciales, comerciales e industriales
j Del No. 2 AWG en adelante se usan en instalaciones eléctricas industriales j Las lámparas y electrodomésticos menores: Las lámparas portátiles,
esquineras, radios, equipos de sonido… Pueden emplear una sección transversal No. 18 AWG o superior.
9. Pérdidas de energía en el transporte de la corriente eléctrica.
De acuerdo a la ley de Joule22, todo conductor metálico por el cual circula corriente eléctrica se calienta, ocasionando pérdidas de energía.
La sección necesaria para una línea eléctrica está determinada por las limitaciones de calentamiento y caída de tensión en el conductor.
La función de un conductor eléctrico es distribuir la energía eléctrica, desde una fuente, hasta un punto de utilización. Pero cuando la energía fluye por los cables, un porcentaje de dicha energía se disipa en forma de calor, lo que reduce los niveles de eficiencia.
Cuando el área del conductor aumenta, también lo hace su diámetro. Por lo tanto, para una longitud determinada, un aumento en el diámetro significa una menor resistencia (Ver sección 3.3.) y por tal motivo menor caída de voltaje en el alambre (menores pérdidas de energía), aunque un mayor costo (más volumen por unidad de longitud).
8.1. Notas sobre las pérdidas de energía:
22
Matemáticamente la ley de Joule se expresa como:
(
)
2 2
*( )
Potencia Tensión Corriente V
P VI I R
R =
j El mejor momento para planificar la eficiencia en la distribución de la energía eléctrica es en la etapa de diseño del proyecto; después será mucho más difícil y costoso.
j En las operaciones comerciales e industriales, el costo de la energía es un factor importante. Desde el inicio se hacen esfuerzos para evitar gastos innecesarios en el futuro. Así por ejemplo, en las redes de suministro público, la proyección de costos debe hacerse para un horizonte de 20 o 30 años.
j La energía pérdida en un conductor siempre se convierte en calor, que no se puede recuperar y se convierte en un sobre costo. El usuario finalmente es el que asume el pago de este sobre costo.
j El consumo de energía eléctrica siempre tiende a incrementarse, Por este motivo si se incrementa la sección transversal de los conductores, las pérdidas de energía pueden reducirse a valores aceptables.
Figura 16: Conductores eléctricos23
8.2. Como y hasta donde dimensionar un conductor
Para dimensionar adecuadamente un conductor debemos tener en consideración lo siguiente:
j La capacidad de corriente del conductor debe ser por lo menos igual a la exigida por el circuito en las condiciones extremas.
j La caída de tensión en los extremos de la carga varía entre 3% y el 5% en función de la carga o sobrecargas temporales; se recomienda que el valor sea cercano a 3%.
23
j Se debe realizar el calculo de las pérdidas de energía con diferentes conductores; es decir calcular la potencia pérdida al variar la menor resistencia.
j Se debe hacer un análisis técnico y económico cuando se selecciona el calibre del conductor.
j Es importante notar que al incrementar la sección de un conductor estamos ampliando el soporte de carga. Pero, ¿hasta donde dimensionar? La respuesta es: hasta que el ahorro en pérdidas justifique la mayor inversión inicial en un calibre de mayor sección.
j Cuando dimensionamos adecuadamente los conductores eléctricos, ahorramos energía y todos salimos ganando.
[
]
2
P
=
I R vatios
P = Potencia en vatios I = Corriente en amperios R = Resistencia en OhmiosObsérvese en la expresión anterior, que las pérdidas de potencia son proporcionales al cuadrado de la corriente eléctrica, por lo tanto, si disminuimos la corriente, automáticamente disminuyen las pérdidas.
8.3. Caída de tensión en un conductor
Cuando una fuente de energía eléctrica alimenta una carga, se presentan caídas de tensión en el conductor provocadas por la circulación de la corriente.
Figura 17: Circuito eléctrico sencillo
Donde:
UAB = Caída de tensión en el conductor entre los puntos A y B (Ley de Ohm) UCD = Caída de tensión en el conductor entre los puntos C y D
I = Corriente en amperios
RAB = Resistencia en Ohmios del conductor AB RCD = Resistencia en Ohmios del conductor CD
La caída de tensión en ambos conductores es la misma, cuando los conductores son iguales, es decir, RAB =RAD
(
)( ) (
)( )
(
)( ) (
)( )
(
) (
AD AB CD AD AB CD AD AB CD AD AB CD ABU
=U
+U
U
= R
I + R
U
= R
I + R
U
= I R
R
2 R
I
I
)( )
I
+
=
10. Cálculo de la sección de un conductor
Datos de partida:
j Potencia del receptor
j Corriente absorbida por el receptor
j Factor de potencia en el receptor (Cos ) j Voltaje del receptor U
j Longitud de la línea (l)
j Caída de tensión máxima permitida UAB j Resistividad del conductor empleado j Aislamiento de los conductores j Temperatura ambiente
j Sistema de distribución monofásico o trifásico
9.1. Cálculo de la sección de un conductor en una red monofásica bifilar
9.1.1. Cuando el receptor es resistivo puro (Cos
= 1)
La tensión del receptor U está en fase con la corriente I.
Para redes de baja tensión, el cálculo solo se tiene en cuenta la resistencia, es decir se desprecia la reactancia inductiva entre los conductores.
AD
2 LI
U
=
A
ρ
(1.5)AD
2 LI
A=
U
ρ
(1.6)Nota: En redes eléctricas muy extensas se debe tener en cuenta la reactancia inductiva
Es frecuente que el dato que tenemos del receptor sea su potencia en vez de la intensidad, en este caso basta expresar a la intensidad en términos de la potencia.
( )
cos
P
=
UI
ϕ
(1.7) Donde: P = Potencia en vatios U = Tensión en la carga I = Corriente de la cargaCos = Factor de potencia, que es el valor del coseno del ángulo entre el voltaje y la corriente
( )
cos
P
I
U
ϕ
=
(1.8)(
AD)
[
]
2 LP
A=
cos( )
U
U
ρ
ϕ
(1.9)Problema 6: Para alimentar una placa calefactora a 220 Voltios, 7,200 Vatios de
potencia, que se encuentra situada a 20 metros de la fuente, se dispone de un
conductor de cobre que tiene una resistividad de:
2
0.0178 mm
m
ρ
= ⎡⎢Ω − ⎤⎥⎣ ⎦
Calcular la sección del conductor, de tal forma que cumpla con la caída de tensión máxima de 1%. Solución:
100%
220
1%
Si
voltios
x
→
→
( )(
1% 220
)
2.2
100%
voltios
x
=
=
voltios
La placa calefactora es una resistencia pura
, por lo tanto
cos
( )
ϕ
=
1
7, 200
32.72
.
220
vatios
I
A
voltios
=
=
mp
Empleando la fórmula (1.6) y reemplazando valores, se tiene 2 AD 2 0.0178 2 LI A= U mm m
ρ
Ω − = 20 m ⎛ ⎞ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠(
)
(
32.72 .)
2.2 . 10.59 Amp voltios Amp A voltios Ω − = 2 2 10.59 mm A mm ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ =De la tabla 7, se obtiene el calibre comercial más próximo por encima es 13.3 mm2 que corresponde a un calibre AWG No. 6:
9.1.2. Cuando el receptor es una carga inductiva + resistiva
Cuando la carga es (RL) se cumple la siguiente fórmula
( )
2
AD ABU
=
R Icos
ϕ
(1.10)( )
2
ADLIcos
U
A
ϕ
=
(1.11)2
ADLI
A
U
ρ
=
(1.12)Problema 7: Se desea alimentar un motor monofásico de 2,200 Vatios a 220
Voltios, con un factor de potencia de 0.6, la distancia entre la fuente y el motor es de 120 metros. El conductor usado es de cobre y la caída de tensión máxima permitida es de 5%. Hallar la caída de tensión y la sección de conductor
100%
220
5%
Si
voltios
x
→
→
( )(
5% 220
)
11
100%
voltios
x
=
=
voltios
Empleando la expresión (1.8), se tiene:
( ) (
2, 200
)( )
16.67
.
cos
220
0.6
P
vatios
I
A
U
ϕ
voltios
=
=
=
mp
Empleando la expresión (1.12) se tiene:
2 0.178
2
ADLI
A
U
ρ
Ω
=
=
2mm
m
−
120 m
⎛
⎞
⎜
⎟
⎝
⎠
(
)
(
16.67 Amp
. 0.6
)
( )
11 voltios
23.88
A
=
mm
De la tabla 7, se obtiene el calibre del conductor más próximo a este resultado: calibre No. 10 AWG, con área de 5.25 mm2 (El calibre No. 12 AWG no cumple porque está por debajo de este resultado con un área de 3.31 mm2)
11. Empalmes
Los empalmes tienen mucha importancia en las instalaciones eléctricas, debido a que en gran parte determinan el buen funcionamiento, la calidad y presentación de una instalación.
Un empalme mal realizado, puede dar origen a contacto deficiente que ocasiona calentamiento entre los conductores y si la instalación esta en mal estado o hay gases en el ambiente puede ocasionar un incendio.
Por esta razón, usted como electricista deberá conocer muy bien las diversas clases de empalmes y la manera correcta de ejecutarlos.
Empalme: Es la unión entre conductores (alambres, cables) ya sea para prolongar
o derivar líneas.
10.1. Empalmes entre alambres
10.1.1. Unión Western:
Se usan para unir dos conductores de hasta 6 mm2, cuando se requiere prolongar uno de ellos. Se practica en instalaciones a la vista y es particularmente resistente a las acciones mecánicas. Los conductores se deben pelar en una longitud igual a 50 veces el diámetro
Figura 18: Unión Western24
10.1.2. Unión toma sencilla o derivación en “T”:
24
Se emplea para conductores de hasta 6 mm2 cuando es necesario unir el extremo de un conductor, llamado derivado, a un sitio intermedio de otro, llamado principal. Es decir que se utiliza para suministrar energía eléctrica a un circuito ramal desde uno principal. Los conductores se deben pelar en una longitud igual a 50 y 10 veces su diámetro. Se practica en instalaciones al a vista.
Figura 19: Derivación en “T” 25
10.1.3. Unión cola de rata:
Se realiza con dos o más conductores y se utiliza para prolongar o derivar líneas en las instalaciones eléctricas. No soporta tensiones mecánicas, por eso se efectúa principalmente dentro de cajas metálicas en instalaciones en conductos. Los conductores se deben pelar en una longitud igual a 20 veces su diámetro.
25
10.1.4. Unión toma doble:
Este empalme es utilizado para derivar dos conductores de un mismo punto de uno principal.
10.1.5. Unión toma anudada:
Se usa lo mismo que la unión toma sencilla, la deferencia esta en que la derivación es más segura. Se la llama también toma de seguridad. Se utiliza cuando es necesario que el empalme tenga una gran resistencia a la tensión mecánica.
Figura 20: Derivación en “T” anudada 26 10.1.6. Unión toma doblada:
Esta unión se utiliza cuando al final de una línea necesitamos hacer una última derivación. Esta unión realiza un buen contacto eléctrico y presenta buena resistencia a la tensión mecánica. También es muy utilizado cuando se desea unir dos cables de diferente sección, por ejemplo un alambre No. 8 A.W.G y otro No. 16 A.W.G. Donde el alambre grueso va doblado sobre el arrollamiento delgado.
10.2. Empalmes entre cables
10.2.1. Unión para prolongación de cables gruesos:
Para prologar cables gruesos se entrelazan los conductores. Cuando la prolongación se realiza en cables dúplex se efectúan dos uniones Western separadas un espacio entre si.
Esta unión consiste en prolongar una línea cuando no alcanza un solo cable a cubrir una distancia entre dos puntos a conectar. Tiene la característica de soportar fuerte tracción mecánica y asegurar un buen contacto eléctrico.
En las siguientes figuras se ilustran los pasos a seguir para la realización de esta prolongación, hasta llegar al empalme definitivo, como se muestra en la figura. Cuando se debe efectuar un empalme con cables gruesos los pasos a seguir son:
Paso 1: Pelar las puntas en una
longitud igual a 20 veces su diámetro. Luego se ata un alambre fino en la longitud pelada de cada cable a una distancia del aislante igual a10 o 15 veces el diámetro del cable. Luego se abren y enderezan los alambres y se corta el alambre central de cada uno de los cables, junto a la atadura
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SENA- Formación abierta y a distancia, electricidad básica
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Paso 2: Arrolle los alambres; quite la atadura de uno de los cables, enfrente los
cables entrecruzando los alambres abiertos y se arrolla en espiras en sentido contrario al del cableado del conductor del que se quitó la atadura.
Paso 3: A continuación se quita la otra atadura y se enrollan los alambres del otro
lado, igual que en el paso anterior
Paso 4: Se afirman los arrollamientos son alicates y se rematan los extremos,
hasta que queden como en la figura siguiente, evitando que queden puntas que puedan perjudicar el aislamiento con cinta
Figura 22: Prolongación de cables gruesos pasos 1, 2 y 3 28
10.2.2. Unión para prolongación de cables delgados:
La unión de estos alambres debe efectuarse en forma escalonada para evitar cortocircuitos. Para derivar cable dúplex se realizan dos empalmes toma sencilla, separados uno del otro.
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Figura 23: Prolongación de cables delgados 29
10.2.3. Derivación entre cables gruesos:
Se utiliza cuando se desea derivar un cable grueso de otro principal, los pasos se describen a continuación
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