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L.CAPITULO 1: Instalaciones Eléctricas: Generalidades

CAPITULO 1

Instalaciones Eléctricas: Generalidades1.0. INTRODUCCIÓN

A partir del descubrimiento de la energía eléctrica y su posible utilización comercial por parte del hombre, esta ha jugado un papel importante en la evolución de la humanidad hasta llegar a constituir las sociedades industrializadas modernas. El desarrollo de grandes fuentes de energía para ejecutar trabajos útiles ha sido la clave del dilatado progreso industrial y parte primordial en la mejora de calidad de vida del hombre. El desarrollo de la electricidad, que escasamente sobrepasa los cien años ha proporcionado una ayuda a la solución de la más básica de las motivaciones humanas, la necesidad de seguridad y confort. De hecho, los adelantos de la tecnología actual se han orientado a brindar al hombre nuevos servicios haciéndolo cada vez más dependiente de su principal fuente energética, la electricidad. Es tal la dependencia humana de la electricidad que es casi imposible imaginar un día de la época actual sin la existencia de la electricidad, seria un completo caos, en la cual se evidenciaría la terrible cantidad de equipos que operan gracias a la electricidad, además de revelar la importancia casi vital de la electricidad en los hogares hasta los sistemas industrializados.

Como ya se ha mencionado, el nivel de vida del hombre de ciudad se ha visto especialmente elevada como consecuencia de la evolución de los sistemas de abastecimiento del servicio eléctrico, pasando de las primitivas funciones de iluminación y calefacción, hasta el actual papel preponderante de recreación, entretenimiento, comunicación, comodidad y lujo, etc., siendo más que evidente la importancia de un sistema que proporcione un servicio eléctrico: económico, confiable y de calidad, en todo lugar donde el hombre se encuentre.

El objetivo principal de este trabajo es brindar un fundamento sencillo y accesible a cualquier lector sobre el diseño de los elementos fundamentales que han de constituir los sistemas eléctricos a escala residencial, comercial e industrial, lo que se conoce con el nombre de instalaciones eléctricas.

En este trabajo sé plantea una serie de criterios y normativas que son comúnmente utilizadas para el diseño e implantación de instalaciones eléctrica, pero este tipo de proyectos rayan en la categoría del arte, en donde además de los principios escritos en ocasiones se hace necesario la experiencia y por sobre todo el ingenio del proyectista.

1.1. GENERALIDADES DE LOS SISTEMAS ELÉCTRICOS

La electricidad es una de las manifestaciones energéticas de mayor frecuencia en la naturaleza y tan antigua como el tiempo y el espacio. Luego que el hombre la descubre y comienza su estudio para tratar de dominarla, comprende la importancia y potencialidades de esta, solo recientemente (quizás tan solo hace cien o ciento cincuenta años) ha comenzado a ser estudiada, pero desde ese momento el hombre se ha visto maravillado por la profundidad de conceptos que la sustenta.

Desde el comienzo de la historia de la electricidad, el hombre ha explotado todas las bondades que esta puede brindar, siendo sin duda el mayor de los artífices del desarrollo comercial de la energía eléctrica el científico norteamericano Thomas Alva Edison (1847-1931), quien luego de la invención de la lámpara incandescente (en octubre de 1869) y la posterior utilización para la iluminación de Pearl Street en New York, EE.UU., marco el comienzo de la explotación comercial de la electricidad para dar lugar a una carrera por la mejora del nivel de vida del hombre.

Desde aquel humilde principio de la electricidad, hasta la actualidad, el desarrollo de los grandes y complejos sistemas eléctricos ha transitado por un camino acelerado; en donde los actuales sistemas eléctricos son extensamente mayores y complejos, y los cuales se le debe distinguir por sus marcadas diferencias de la instalación eléctrica de un hogar o industria.

Los grandes sistemas eléctricos, que proveen de electricidad a las ciudades, estados y países, son los denominados sistemas eléctricos de potencia, que se caracetrizan por su embergadura y complejidad y que además es motivo de estudio exhaustivo en estudios más profundos y detallados fuera del alcance de este trabajo. En forma muy sencilla y a manera de información un sistema de potencia, puede ser visto como una red eléctrica de

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potencia que se encarga de generar, transmitir y distribuir la energía eléctrica, hasta los consumidores.

Ha de entenderse, que al sistema de eléctrico de potencia como el conjunto de elementos que constituyen la red eléctrica de potencia, siendo su función; generar, transmitir y distribuir, la energía eléctrica hasta los usuarios, bajo ciertas condiciones y requerimientos.

Las tareas de un sistema de potencia son realizadas por todas y cada una de las mayores empresas que prestan el servicio de electricidad (Electric-Utility). En el caso particular de Venezuela el servicio eléctrico es suministrado por empresas de naturaleza pública y privada, mientras que en países como Argentina y Perú el capital privado es el que lo realiza en su totalidad.

En Venezuela, existen al menos catorce empresas dedicadas a prestar el servicio eléctrico, todas agrupadas en la Cámara Venezolana de la Industria Eléctrica (CAVEINEL), siendo las mayores empresas: Corporación Venezolana de Guayana (CVG) Electrificación del Caroní (EDELCA), Compañía Anónima de Fomento Eléctrico (CADAFE), Energía Eléctrica de Venezuela (ENELVEN) y C.A. La Electricidad de Caracas (Elecar), siendo las tres primeras propiedad del gobierno nacional a través del Fondo de Inversiones de Venezuela (FIV) y la última de naturaleza privada.

FIGURA 1Estructura del Sistema Interconectado Nacional (SIN)

Fuente: González, F. (1998)Los sistemas de potencia son

estructuras complejas y extensas, y que múltiples factores (estratégicos, económicos, etc.) no operan de manera aislada, sino que por el contrario se encuentran interconectados entre sí, constituyendo lo que se denomina un Sistema Interconectado (Power-Pool), con la finalidad de cooperación ínter empresas que permita al consumidor un servicio confiable, económico y de calidad.

Un sistema de potencia, de acuerdo con las actividades que realiza, básicamente consta de tres partes especificas y diferenciadas que realizan las labores de: generación, transmisión, y distribución, siendo muy común dentro de los sistemas de potencia distinguir cuatro niveles funcionales: generación, transmisión, subtransmisión y distribución.

FIGURA 2Estructura Típica de un Sistema de Potencia

Fuente: González, F. (1998)

El sistema de potencia esta constituido por muchos elementos cada uno de ellos cumple con funciones específicas, de manera que en operación conjunta garanticen un flujo confiable y económico de electricidad a los consumidores.

El sistema de generación, se basa en tomar una fuente de energía primaria y transformar esta en energía eléctrica. En Venezuela para el año de 1995 cerca del 75% de la energía eléctrica se generó a partir de las fuentes hidráulicas (Gurí, Macagua I y Macagua II, etc.) y el restante 25% se repartió entre fuentes térmicas ya sea por hidrocarburos o vapor (Planta Centro, Complejo Oscar Machado Zuluaga,etc.).

El sistema de transmisión por su parte es la estructura constituida por torres, conductores y aislantes que se encarga de transportar los grandes bloques energéticos hasta el sistema de distribución, el cual dividirá y disminuirá los niveles energéticos hasta los centros de consumo y las necesidades del consumidor.

En la estructura compleja de un sistema de potencia, en el último de los elementos son los consumidores, en los cuales se encuentra el objetivo de este trabajo.

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GENERACIÓN

TRANSMISIÓN

SUBTRANSMISIÓN

DISTRIBUCIÓNPRIMARIASECUNDARIA

CONSUMIDORES

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1.2. GENERALIDADES DE SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN

El proceso de producción de energía eléctrica se compone de tres etapas sucesivas: generación, transmisión y distribución.

De estas tres fases, la distribución de energía eléctrica comprende las técnicas y sistemas empleados para la conducción de la energía eléctrica hasta los usuarios dentro del área de consumo. La energía eléctrica es transmitida frecuentemente en bloques de magnitud considerable desde el punto de generación hasta el área donde se pretende distribuirla, de ahí que sea necesario ejecutar uno o más pasos de transformación para llevarla a los niveles de utilización.

El sistema de distribución es el último elementos del sistema de potencia entes de llegar a los consumidores. Esta parte del sistema de potencia esta compuesto de líneas y dispositivos para distribuir la energía eléctrica hasta los usuarios.

Estos pasos de transformación dan lugar a las diferentes etapas del sistema de distribución. Dentro del sistema de distribución se distinguen dos grandes niveles bien diferenciados: Sistema de Distribución Primaria. Sistema de Distribución Secundario. Sistema de Distribución Primario

1.2.1. SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN PRIMARIO

El sistema de distribución primario comienza a la salida de las subestaciones de distribución, de este punto los circuitos de subtransmisión alimentan a los transformadores de distribución.

Las subestaciones de distribución transforman este voltaje al de los denominados alimentadores primarios, el voltaje de los circuitos generalmente se encuentra entre 2.4 y 13.8 KVoltios.

La distribución secundaria trabaja con niveles de tensión y potencia moderados. En Venezuela los niveles de tensión suelen ser:

Niveles Normalizados paraCircuitos Primarios de Distribución en

Venezuela

Empresa Nivel de tensión (KV.)CADAFE y sus filiales 6.9 y 13.8

C.A. La Electricidad de Caracas 4.8, 8.3 y 12.47 KVEmpresas Petroleras 2.4, 4.16 y 6.9 KV.

En este nivel pueden ser alimentados ciertos consumidores especiales como industrias de relativo tamaño y otros.

Los circuitos de distribución primario se caracterizan porque están conectados a un solo punto o subestación de distribución, (Sistemas Radiales), y es muy poco visto solo en casos especiales la conexión a más de una subestación (Sistema en Anillo Múltiple).

Los niveles de potencia manejados en este sistema son modestos (así por ejemplo, para 13.8 KV la capacidad de transporte no supera los 5MVA)

1.2.2. SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN SECUNDARIO

Los transformadores de distribución reducen el voltaje primario al voltaje secundario o de utilización, la energía se distribuye, por último a través de los circuitos secundarios de distribución hasta las acometidas individuales.

Esta parte del sistema corresponde a los menores niveles de potencia y tensión, estando más cerca del consumidor promedio.

En Venezuela es común que las empresas eléctricas suministren potencia en cuatro niveles de tensión básicos y sus combinaciones: 120/240V (1,2), 208V (2,3), 480V y 600V (3).

FIGURA 3Estructura típica de un sistema de distribución

Fuente: González, F. (1998)De acuerdo a su configuración los sistemas

de distribución pueden ser:Radial : Muy económico y utilizado en sitios rurales y de baja carga.Lazo o Anillo: Se usa en cargas medias, con mediana confiabilidad.Netwotks Secundario: Especialmente utiliza para grandes cargas, requiere mayor inversión y es caro.

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1.2.3. CARACTERÍSTICAS DE LOS SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN

Una de las características fundamentales del sistema de distribución, que lo diferencia del resto del sistema de potencia, es que se encuentra constituido por un gran número de elementos que manejan bloques de carga pequeños hasta el extremo de los servicios residenciales, rurales, en donde las demandas no superan unos pocos KVA.

Las inversiones pertinentes en los sistemas de distribución no dejan de ser por lo anterior importante, porque a causa de la ramificación del sistema, la longitud de los tendidos de líneas de distribución, el número de subestaciones de distribución, y transformadores es comparativamente mayor en cantidad que en el resto del sistema de potencia. Se puede afirmar que cerca del 30 al 40% del costo total de un sistema de potencia, lo constituye sus redes de distribución.

Existe una gran variedad de configuraciones más o menos complicadas para los sistemas de distribución, pero dependen de las características y magnitud propias de cada sistema. Entre otras, se señalan, por ejemplo las siguientes: Puede haber más de un nivel o voltaje de

subtransmisión, o puede no existir ninguno en el caso de sistemas de poca importancia.

Puede existir generación local en el área de consumo que inyecta energía en uno o cualquiera de los niveles de tensión.

Generalmente las cargas de magnitud con servidas directamente desde las líneas primarias de distribución o de subtransmisión trasformando directamente al voltaje del servicio, cuando la magnitud o la ubicación así lo elige en áreas de la economía (los denominados consumidores o clientes especiales).

1.3. DEFINICIÓN DE INSTALACIÓN ELÉCTRICA

Una definición muy sencilla de instalación eléctricas es: “conjunto de elementos y equipos que tienen como finalidad llevar la energía eléctrica desde un punto fuente hasta una carga”.

El conjunto de elementos que permiten llevar la energía eléctrica desde un punto fuente hasta la carga es lo que se suele denominar instalación eléctrica.

La modernas instalaciones eléctricas en ocasiones son invisibles o pasan simplemente inadvertidas, pero su trabajo es latente e

importante, ya que permiten la operación de las cargas.NOTA : Carga, es todo equipo o dispositivo, que toma energía eléctrica y la transforma en otro tipo de energía. Es el antónimo literal de generador. Las cargas se dice en lenguaje coloquial “son los aparatos que consumen energía eléctrica”, pero se conoce que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma, por lo que las cargas solo la transforman de energía eléctrica en otro tipo. Por ejemplo: una luminaria (bombillo) transforma la energía eléctrica en luz y calor. Un motor eléctrico transforma de electricidad en energía mecánica, etc.

FIGURA 4Esquema General del Flujo de Energía Eléctrica

Fuente: González, F. (1998)

1.4. CLASIFICACIÓN DE LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS SEGÚN EL TIPO DE CONSUMIDOR

Las instalaciones eléctricas pueden ser clasificadas de acuerdo a la carga a la cual alimentan en tres grandes grupos:

Instalaciones Residenciales. Instalaciones Industriales. Instalaciones Especiales.

Las instalaciones eléctricas residenciales corresponden son las más sencillas de las instalaciones debido a los bajos valores de carga que tienen que servir, son los casos más comunes y abarcan todos los equipos necesarios para el suministro de electricidad a las instalaciones residenciales, unifamiliares o multifamiliares, hasta concretar las áreas comunes de edificios. Por otra parte, las instalaciones industriales, son sumamente importantes, porque se tratan de cargas de valores altos y además en su mayoría constituida por motores, y en el último de los casos se tienen las instalaciones eléctricas que no pertenecen ni a la categoría residencial ni industrial que son las especiales, tal es el caso de las instalaciones eléctricas de hospitales, plantas de comunicación y cualquier caso atípico.

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FUENTE INSTALACIÓN CARGA ELÉCTRICA

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1.5. NORMALIZACIÓN DE PROYECTOS DE INSTALACIONES ELÉCTRICAS

Como ya se ha mencionado los proyectos de instalaciones eléctricas son sumamente importantes ya que involucra los elementos que hacen llegar la electricidad desde la fuente hasta la carga. Con el objetivo que las instalaciones eléctricas que se proyecten y construyan poseen un criterio único, se han diseñado una serie de protocolos o normativas que rigen la esencia del diseño de instalaciones eléctricas. En el ámbito internacional son muy conocidas las normativas IEEE: Institute of Electrical and Electronic Engineer, la ANSI: American National Standard Institute, VDE: Verband Deustsher Elektrotechniker, etc. En Venezuela se ha adoptado algunas normativas norteamericanas e internacionalmente aceptadas, constituyendo lo que se conoce como CODIGO ELÉCTRICO NACIONAL (CEN) que rige los lineamientos a seguir en toda obra eléctrica. Este Código Eléctrico fue editado por primera vez en al año de 1968 pro el Comité de Electricidad (CODELECTRA). Hacia 1974 la Comisión Venezolana de Normas Industriales (COVENIN) establece un convenio con el Ministerio de Fomento y Codelectra, cuyo objetivo fue crear las Normas Venezolanas para el Sector Eléctrico, hasta que finalmente se reconoce el Código Eléctrico Nacional, siendo aprobado por COVENIN en 1981, denominado Conenin 200-81.

En Venezuela desde el 16 de Abril de 1974, por decreto presidencial es obligatorio el uso del Código Eléctrico Nacional en todo tipo de obra eléctrica.

Es sumamente importante dejar claro, que el CEN no es propiamente un manual de diseño, sino que es un manual de seguridad, los valores que se establecen en el son los mínimos aceptados para garantizar la seguridad deseada en las instalaciones eléctricas, vidas y bienes materiales. Por encima de los valores establecidos en el CEN pueden ser aceptados.

En lo sucesivo en este trabajo, debido a la obligatoriedad de la utilización del Código Eléctrico Nacional, se hará severa cantidad de veces referencia y hasta citas textuales de este, para sustentar todas y cada una de las decisiones en el diseño de instalaciones eléctricas.

El CEN en su contenido tan amplio, establece lo siguiente: Las reglas para el diseño de las

instalaciones eléctricas. Las reglas para las especificaciones de

construcción de las instalaciones eléctricas

en general, y todo lo concerniente al montaje de maquinarias y equipos eléctricos.

Las reglas elaboradas específicamente para los fabricantes de materiales, equipos y maquinarias eléctricas que se elabora en Venezuela o bien que son del uso local, aunque sea de importancia. Estas se refieren a dimensiones, proceso de fabricación y controles de calidad que deben tener.Por otra parte además del CEN, existen otras

reglas y normas que suelen establecer otras instituciones que son de gran ayuda en los proyectos de instalaciones eléctricas, reglamentaciones establecidas por organismos como: Ministerio de Desarrollo Urbano, Ministerio del Trabajo y Comunicaciones, CADAFE, CANTV, INOS, etc.

Existen además algunas publicaciones que son de especial uso en los proyectos de instalaciones eléctricas:

Manual para el diseño de Instalaciones Eléctricas en Residencias, C.A. La Electricidad de Caracas.1978.

Canalizaciones Eléctricas Residenciales, Oswaldo Penissi, 1987. Editorial de la Universidad de Carabobo, Venezuela.

1.6. PROPIEDADES QUE DEBE CUMPLIR UNA INSTALACIÓN ELÉCTRICA

Existen una serie de propiedades que debe poseer una instalación eléctrica cualquiera, estas son:

Seguridad. Economía. Previsión a futuro. Simplicidad. Flexibilidad. Confiabilidad. Factibilidad de Mantenimiento.

Seguridad: Una instalación eléctrica, debe proporcionar seguridad, y una salvaguarda real a las personas y propiedades de los peligros que implica el uso de la electricidad.Economía: Se refiere a realizar un balance técnico y de seguridad que permita realizar una inversión que posea el menos costo inicial.Previsión a futuro: Se refiere a que las instalaciones eléctricas deben tener un diseño que permita absorber las ampliaciones a futuro de la carga.Simplicidad: Esto se refiere a que la instalación debe poseer un diseño lo más simple y fácil, que permita concretar el proyecto al menor costo pero con la mayor cantidad de ventajas que se pueda.Flexibilidad: esto implica que la instalación puede sin mayor dificultad aceptar modificaciones o

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alteraciones súbitas que tengan lugar, tales como reubicación de cargas, etc.Confiabilidad: La confiabilidad es un término sumamente delicado de emplear, pero se puede interpretar de forma muy sencilla como el hecho de que se interrumpa en la menor cantidad de veces posible el servicio eléctrico.Facilidad de mantenimiento: Esto implica que la instalación eléctrica en todo momento sea fácilmente accesible, para realizar tareas de mantenimiento.

1.7. CLASIFICACIÓN DE LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS, SEGÚN EL NIVEL DE TENSIÓN

De acuerdo al nivel de tensión de operación de la instalación eléctrica se suelen distinguir los siguientes tipos de instalación: Baja Tensión: Tensión de operación menor

o igual a 600 Voltios. Media Tensión: Tensión de operación

nominal mayor a 1000 voltios y menor a 13800 Voltios.

Alta Tensión: Tensión entre 13800 Voltios y 115Kvoltios.

Extra Alta Tensión: Niveles de tensión hasta los 230 KVoltios.

Ultra Alta Tensión: Niveles de tensión entre 230 y 800 KVoltios.El nivel de baja y media tensión son los más

comunes y pertenecen a los sistemas de distribución primarios y secundarios. Los niveles de Alta, Extra Alta y Ultra Alta Tensión, son mucho más complejos y requieren de estudios teóricos muy minuciosos que van mucho más allá de los alcances que se propone este trabajo.

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OBJETIVO GENERAL: Establecer los principales conceptos relacionados con la estructura y operación de las instalaciones eléctricas

Contenido

INSTALACIONES ELÉCTRICAS: GENERALIDADES1.0. Introducción......................................................................................................................................... 11.1. Generalidades de los Sistemas Eléctricos..........................................................................................11.2. Generalidades de sistemas de distribución.........................................................................................31.2.1. Sistema de Distribución Primario......................................................................................................31.2.2. Sistema de Distribución Secundario.................................................................................................31.2.3. Características de los Sistemas de Distribución...............................................................................41.3. Definición de Instalación eléctrica.......................................................................................................41.4. Clasificación de las Instalaciones Eléctricas según el Tipo de Consumidor........................................41.5. Normalización de Proyectos de Instalaciones Eléctricas.....................................................................51.6. Propiedades que debe cumplir una Instalación Eléctrica....................................................................51.7. Clasificación de las Instalaciones Eléctricas, según el Nivel de Tensión............................................6

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