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Tema 8: CIRCUITOS DERIVADOS Y ALIMENTADORES 8.1 CLASIFICACIÓN DE LOS CIRCUITOS DERIVADOS.

Los circuitos derivados tienen la función de distribuir la energía eléctrica a las cargas de una manera eficiente y segura. El objetivo principal de los circuitos derivados, es dividir la carga total conectada en diferentes circuitos derivados, para que cuando ocurra una falla en un derivado, no se interrumpa el servicio en los restantes circuitos. De forma general, los circuitos derivados se clasifican de acuerdo con la capacidad ó ajuste de su dispositivo de protección contra sobrecorrientes, el cual determina la capacidad nominal del circuito derivado. Generalmente los circuitos derivados se protegen con interruptores termomagnéticos, cuyas calibraciones comerciales para circuitos derivados de instalaciones eléctricas son de: 15, 20, 30, 40 y 50 Amperes, aunque existen de mayor capacidad para aplicaciones específicas.

De acuerdo con lo anterior, se puede decir que un circuito derivado protegido con un interruptor termomagnético de 15 Amperes es un circuito derivado de 15 A. De forma análoga, también se tienen circuitos derivados de 20, 30, 40 y 50 Amperes. Los circuitos derivados también se pueden clasificar de acuerdo al número de cargas que alimenten. Si alimentan a una sóla carga se dice que son circuitos derivados individuales y circuitos derivados para varias cargas ó si alimentan a cargas de alumbrado son llamados circuitos de alumbrado y si alimentan a motores eléctricos son llamados circuitos de fuerza Determinación de la carga en una instalación eléctrica. El diseño de una instalación eléctrica requiere del conocimiento de la potencia ó carga que se va a alimentar. Mientras mayor información se tenga al respecto del consumo y de las condiciones de operación de todos los elementos que estarán conectados a la instalación, mayores serán las posibilidades de un cálculo que cumpla con los requerimientos técnicos y que sea económico. Esta información resulta indispensable para la etapa del proyecto de la instalación eléctrica. Es prácticamente imposible conocer con exactitud la carga de una instalación eléctrica compleja. Se puede hacer un cálculo detallado con la información completa de todos los equipos que serán conectados y obtener un valor más preciso de la carga. La determinación de la carga es una labor que requiere de técnica, pero también de criterio para definir los preparativos que deben dejarse para el futuro. Una reserva excesiva representará una inversión que tal vez nunca se utilice, por el contrario, reservas escasas pueden provocar un problema a corto plazo. En esta unidad se exponen los criterios y metodología sugeridos para la determinación de la carga. De cualquier forma es también recomendable consultar el artículo 220 de la NOM-001-SEDE-2012.

8.2 CARGA ó POTENCIA TOTAL INSTALADA (Pinst). La carga ó potencia total instalada es la sumatoria de los consumos nominales de cada una de las cargas que forman parte de una instalación eléctrica. a) Cargas fijas ó definidas Se entiende por cargas definidas aquellas que se sabe de forma precisa la potencia que van a consumir del circuito bajo condiciones normales de operación. Algunas cargas definidas son: motores, alumbrado fluorescente, alumbrado de alta intensidad de descarga (vapor de mercurio, vapor de sodio, aditivos metálicos, etc.), dispositivos de aire acondicionado y/o ventilación, equipos de calefacción, equipos frigoríficos, etc. En este caso resulta relativamente fácil determinar la potencia que consume cada uno de los dispositivos, ya que el consumo de potencia viene dado por el fabricante. La potencia total instalada será la suma de todas potencias de consumo de las cargas. ¨ En caso de alumbrado fluorescente y de alta intensidad de descarga se debe incrementar por lo menos en un 10% la potencia nominal de la lámpara por consumo de balastro. ¨ Los motores representan una carga definida que más adelante se detallará.

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Generalmente en las instalaciones industriales y comerciales se tiene toda la información necesaria del consumo de potencia de las cargas de la instalación eléctrica. b) Cargas indefinidas. En ocasiones resulta prácticamente imposible para el proyectista determinar que tipo de cargas serán alimentadas por los circuitos derivados, por ejemplo: cargas de alumbrado incandescente, aparatos electrodomésticos, dispositivos electrónicos, etc. En este caso se debe realizar una estimación aproximada de la carga que se va a alimentar de acuerdo con lo siguiente:

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Carga continua: es aquella cuya corriente eléctrica nominal circule durante tres horas ó más. De acuerdo con lo anterior el alumbrado se considera como carga continua, por lo que para cálculos se considerará la corriente nominal del alumbrado más un 25% de su corriente nominal. Por cada salida de contactos sencillos ó múltiples de uso general en viviendas para dispositivos de baja potencia se debe considerar una carga mínima de 180 VA. Por cada salida de contactos en cocina, comedor, desayunador, sala y cuartos de lavado de viviendas se debe considerar una carga mínima de 3 A.

Según la NOM-001-SEDE-2012, los circuitos derivados se pueden clasificar en los siguientes tipos: · Circuitos de alumbrado general. · Circuitos para otras cargas como: aparatos específicos, motores, elementos de alumbrado empotrados, elementos de alumbrado para trabajo pesado, rieles de alumbrado, alumbrado para anuncios y de realce y otras salidas. c) Cargas de alumbrado indefinidas para diversos locales. La carga mínima de alumbrado por metro cuadrado que se debe considerar para diversos tipos de locales. se muestra en la tabla 2203(b) de la NOM-001-SEDE-2012. El cálculo de la superficie del piso es en base a las medidas exteriores del inmueble, apartamento ó local considerado. Para unidades de vivienda, el área calculada no incluye los pórticos descubiertos, estacionamientos ó espacios no utilizados que no puedan ser adaptados para usos futuros.

8.3 NÚMERO DE CIRCUITOS DERIVADOS. El número de circuitos derivados se determina en base a dos factores: Potencia útil del circuito derivado (en Watts). Se determina en base a los datos nominales del circuito a utilizar: Tensión eléctrica (V), Factor de potencia y el valor nominal de la calibración del dispositivo de protección contra sobrecorriente. ¨

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Potencia total instalada (en Watts)

Para determinar el número de circuitos derivados a utilizar, se divide la potencia total instalada entre la potencia útil del circuito derivado:

EJEMPLO: Determinar la potencia útil de un circuito derivado de: a) 15 A b) 20 A c) 30 A Para los tres incisos considere un factor de potencia unitario y una tensión eléctrica nominal de 127 V. SOLUCIÓN: Recuerde que la potencia activa se determina por medio de la siguiente expresión matemática: P = VIcos? Debido a que el factor de potencia es unitario: P = VI De acuerdo con lo anterior, se tiene que la potencia útil de cada circuito es: · 15 A · 20 A · 30 A

Pu = VI = (127 V)(15 A) = 1905 Watts Pu = VI = (127 V)(20 A) = 2540 Watts Pu = VI = (127 V)(30 A) = 3810 Watts

Resulta conveniente memorizar los valores obtenidos en este ejemplo, ya que estos circuitos son demasiado comunes en las instalaciones eléctricas. En caso de que el factor de potencia sea diferente de la unidad, será necesario multiplicar éstas cantidades por el factor de potencia correspondiente.

NOTA: Se recomienda cargar a los circuitos derivados como máximo al 80% de su capacidad. EJEMPLO: Se tienen 80 luminarias fluorescentes de 2X75W a 127 V en un cierto local. Determinar la carga total de éstas luminarias así como el número de circuitos derivados de 20 A necesarios para alimentar a dichas luminarias. Considere un 10% más de la potencia de cada luminaria por concepto de consumo de balastro y un factor de potencia de 0.9. Determine además, la potencia y la corriente real por cada circuito en base al número de circuitos derivados que se hayan determinado y las luminarias asignadas por circuito. SOLUCIÓN: La potencia que consumen las luminarias es: PL = (80)(2)(75 W) = 12000 Watts A esta potencia se debe agregar el 10% por concepto de consumo de balastro, entonces: PT = (1.1)(12000 W) = 13200 Watts La potencia útil de cada circuito derivado de 20 A a 127 V y factor de potencia unitario es de 2540 W. Como el factor de potencia es de 0.9, entonces la potencia útil de cada circuito es de: PU = (0.9)(2540 W) = 2286 W El número de circuitos derivados de 20 A necesarios para alimentar las 80 luminarias se obtiene dividiendo la potencia total de las luminarias entre la potencia útil de cada circuito:

De acuerdo con el resultado anterior, se necesitan como mínimo 6 circuitos derivados de 20 A para alimentar a las 80 luminarias. Como 80 no es divisible exactamente entre 6, no se podrán repartir de forma equilibrada las 80 luminarias entre los 6 circuitos. Es recomendable aumentar el número de circuitos derivados para tratar de repartir la

carga de forma equilibrada entre los circuitos. En este ejemplo sería recomendable aumentar el número de circuitos derivados a 8, de esta forma quedarían equilibrados los circuitos ya que cada circuito tendría 10 luminarias. La potencia real por circuito se determina en base al número de luminarias asignada a cada circuito. En este caso se determinaron 8 circuitos derivados con 10 luminarias cada uno, entonces la potencia real (PR) de cada circuito es: PR = (10)(2)(75 W)(1.1) = 1650 W Por circuito derivado. Como se puede observar del resultado anterior, la potencia real de cada circuito queda por debajo de la capacidad máxima del circuito que es de 2268 W. La corriente real (IR) de cada circuito derivado es:

8.4 CONDUCTORES DE CIRCUITOS DERIVADOS. Los conductores de los circuitos derivados deben tener una capacidad de conducción de corriente no menor que la correspondiente a la carga por servir y deberán cumplir con las disposiciones de caída de tensión y capacidad térmica. La sección de los conductores no deberá ser menor que la correspondiente al calibre 14 AWG. Los conductores de circuitos derivados para alumbrado y aparatos domésticos ó comerciales, ó bien, combinaciones de ambas cargas (instalaciones de alumbrado y contactos), deben ser de un calibre suficiente para conducir la corriente que consuman las cargas y deben ser calculados para tenerse una caída de tensión máxima del 3% desde el tablero de distribución hasta la carga por servir.

Los conductores que alimenten a un circuito derivado, también deben cumplir con los siguientes requisitos mínimos de calibres de acuerdo a la capacidad de protección contra sobrecorrientes del circuito derivado. Tabla 210-24 Requisitos para circuitos derivados (Conductores de tipos RHW-LS, RHH, THHN, THW, THW-LS,THWN Y XHHW en canalización ó cable)

Continuando con el ejemplo, el calibre seleccionado por tablas para la corriente real determinada: IR = 14.436 A es del 14 AWG con aislamiento TW. Pero de acuerdo con la tabla anterior, el calibre para un circuito derivado de 20A no debe ser menor al calibre 12 AWG, por lo cual se tendrá que utilizar éste calibre. Recuerde que si la temperatura ambiente del lugar difiere de 30 oC, ó van más de tres conductores portadores de corriente por la misma canalización, se deben realizar las correcciones correspondientes por

temperatura y/ó agrupación. Aún faltaría determinar si el conductor cumple con los requerimientos de caída de tensión para determinar finalmente cual es el calibre que deberá utilizarse en esta aplicación. Recuerde que la caída máxima de tensión permitida en un circuito derivado es del 3% y que la suma de caída de tensión total considerando el circuito alimentador no deberá ser mayor al 5%.

8.5 CIRCUITOS ALIMENTADORES

La función principal de los circuitos alimentadores es la de llevar la energía eléctrica desde el interruptor principal de la acometida, ó subestación en su caso, hasta los tableros de distribución de la energía eléctrica. De acuerdo con las necesidades de una instalación eléctrica, se pueden tener uno ó más circuitos alimentadores. Los circuitos alimentadores se pueden clasificar de manera general en: a) Alimentadores monofásicos. b) Alimentadores trifásicos a tres y cuatro hilos.

8.6 DETERMINACIÓN DEL CALIBRE DE UN CIRCUITO ALIMENTADOR. Para determinar el calibre de un circuito alimentador se deben tener en cuenta varios factores, entre los más importantes se tienen: a) Carga ó potencia total instalada (Pinst). La carga ó potencia total instalada es la sumatoria de los consumos nominales de cada elemento consumidor de energía eléctrica de

acuerdo a sus datos de placa más la estimación de la potencia total para cargas indefinidas. b) Demanda máxima (Pmax). La demanda máxima es la carga ó potencia máxima que podría ocurrir en una instalación eléctrica. En las tarifas, para fines de facturación, la demanda máxima es la carga máxima que subsiste durante 15 minutos en un lapso de un mes. Se le llama también demanda máxima medida. En ciertos tipos de instalaciones eléctricas, resulta prácticamente imposible que la carga total conectada esté funcionando totalmente al mismo tiempo, por lo que para obtener la demanda máxima de una instalación eléctrica se debe tomar en consideración el factor de demanda estimativo de la instalación. c) Factor de demanda (fd). El factor de demanda es la relación que existe entre la demanda máxima medida (Pmax) y la carga total instalada (Pinst).

despejando la demanda máxima se tiene: Pmax = fd·Pinst En algunos procesos de fabricación, el factor de demanda (fd) se determina eliminando las cargas que no son simultáneas, como son los equipos de respaldo ó de reserva (stand-by). En la siguiente tabla 220-11 de la NOM-001-SEDE, en donde se presentan los factores de demanda típicos para el cálculo de la carga de alumbrado general en algunas aplicaciones no industriales.

A continuación se presentan algunos factores de demanda considerados como típicos (de acuerdo con la experiencia) para comercios e industrias en %. Factores de demanda típicos.

Es importante recalcar que los factores de demanda expresados en las tablas anteriores son una aproximación basada en la experiencia. Resulta sumamente difícil definir con precisión el factor de demanda, ya que se desconoce la capacidad exacta que los equipos demandarán de los motores eléctricos que los mueven, ya que por lo general, la capacidad de los motores es mayor que la necesaria para operar los equipos. En los incisos anteriores, se explicó de forma breve los factores que se deben tener en cuenta en el cálculo de un circuito alimentador. Los

siguientes pasos describen de forma detallada la forma en cómo se debe proceder para determinar el calibre de los conductores de un circuito alimentador. · Se determina la carga total instalada del sistema (Pinst). · Se obtiene la demanda máxima del sistema (Pmax = fd·Pinst). · Se determina la corriente que demandará el sistema considerando la demanda máxima. - Para un alimentador monofásico:

Donde: IA =Corriente en el alimentador en Amperes. Pmax =Demanda máxima del sistema en Watts. Vn =Voltaje nominal del sistema en Volts. cos? =Factor de potencia estimado del sistema. fd = factor de demanda Pins = carga total instalada - Para un alimentador trifásico, únicamente se multiplica el denominador de la ecuación anterior por la raíz de tres.

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El valor de corriente obtenido en el punto anterior deberá corregirse por agrupamiento y/ó temperatura en caso de que las condiciones así lo requieran y selecciona de tablas el calibre del conductor. Se realiza el cálculo correspondiente de caída de tensión y se selecciona el calibre del conductor. Una vez realizados los cálculos correspondientes de corriente y caída de tensión, se determina el calibre que cumpla con ambos requerimientos.

8.7 SECCIÓN TRANSVERSAL MÍNIMA DEL ALIMENTADOR. Todos los conductores de un circuito alimentador deben tener una capacidad de corriente no menor a la demanda máxima por servir, calculada de acuerdo a las expresiones obtenidas en los puntos anteriores. Los calibres mínimos deben cumplir: En base a lo expuesto anteriormente, se puede concluir, que la sección transversal mínima de un circuito alimentador no deberá ser menor a la del calibre 10 AWG. Recuerde que la caída de tensión global desde el medio de desconexión principal hasta la salida más alejada de la instalación, considerando alimentadores y circuitos derivados, no debe ser mayor al 5% con respecto al voltaje nominal de la alimentación, dicha caída de tensión se debe distribuir razonablemente en el circuito derivado y en el circuito alimentador, procurando que en cualquiera de ellos la caída de tensión no exceda del 3%. Una forma práctica de cumplir con este requisito, es considerar una caída de tensión no mayor al 3% para circuitos derivados y una caída de tensión no mayor al 2% para circuitos alimentadores. NOTA: Para información más detallada de las aplicaciones y restricciones de los circuitos derivados y circuitos alimentadores, consulte los artículos 210, 215, 220 y 225 de la NOM-001-SEDE. EJEMPLO: Determinar el calibre del circuito alimentador trifásico de una industria de pinturas, la cual tiene una carga total instalada de 75 KW con un factor de potencia 0.85 en atraso. El sistema de alimentación es de 220 V. La distancia del interruptor principal hasta el tablero de distribución es de 63 m. Temperatura ambiente 30°C. SOLUCIÓN: La demanda máxima (Pmax) de la instalación se obtiene multiplicando la carga total instalada por el factor de demanda, que en este caso se considera del 70%

Pmax = fd·Pinst =(0.7)(75000 W) = 52500 W La corriente que debe conducir el alimentador (IA) bajo condiciones de demanda máxima es:

Como no van a ir más de tres conductores portadores de corriente por la misma canalización, ni la temperatura ambiente difiere de 30°C, esta corriente no se ve afectada por los factores de agrupamiento y/ó temperatura. Por lo tanto con este valor de corriente se selecciona de tablas el calibre del conductor por el método de corriente. El calibre del alimentador por el método de corriente (seleccionado de la tabla que se encuentra en la página 1 del apéndice), es el calibre cero (1/0) AWG con aislamiento tipo THHW-LS 90°C, el cual tiene una capacidad de corriente de 170 A Enseguida se realizará el cálculo por caída de tensión. Para determinar la caída de tensión en el alimentador se utiliza la siguiente expresión:

El valor obtenido anteriormente es la sección transversal mínima que debe tener el alimentador para que la caída de tensión no sea mayor al 2% con respecto al voltaje nominal (220V). De acuerdo con este valor de sección transversal se selecciona de la tabla 310-15(b)(16) de la NOM-001-SEDE-2012 un conductor que tenga una sección transversal inmediata superior a 80.351 mm 2. En este caso se selecciona un conductor calibre tres ceros (3/0) AWG cuya sección transversal es de 85mm2. Una vez realizados los dos cálculos, por corriente y caída de tensión, se determina utilizar el calibre que haya resultado mayor en cualquiera de los dos cálculos. Para nuestro caso se útil izará un conductor calibre 3/0 AWG con aislamiento tipo THHW-LS 90°C....