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INSTALACIÓN ELÉCTRICA Definición Es el conjunto de canalizaciones, cajas de conexión, registros, conductores eléctricos y demás elementos necesarios para conectar o interconectar una o varias fuentes o tomas de energía eléctrica con los receptores. Componentes

- Tuberías (canalizaciones) - Cajas de conexión - Registros - Elementos de unión

- Conductores eléctricos - Accesorios de control - Accesorios de protección - Receptores de energía

eléctrica

Receptores de energía eléctrica Lámparas, radios, televisores, refrigeradores, licuadoras, extractores, tostadores, aspiradoras, planchas, etc., es decir, todos los aparatos y equipos electrodomésticos, de oficinas, de comercios, aparatos y equipos de calefacción, de intercomunicación, señales luminosas, señales audibles, elevadores, montacargas, motores y equipos eléctricos en general.

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Objetivos de una instalación eléctrica

Criterio del proyectista, calculista y ejecutor de la obra Necesidades a cubrir

1. SEGURIDAD Evitar al máximo accidentes e incendios.

2. EFICIENCIA 3. ECONOMÍA

Estudio técnico-económico de la inversión inicial, pagos por consumo de energía eléctrica, gastos de operación y mantenimiento, así como la amortización de material y equipos.

4. MANTENIMIENTO 5. DISTRIBUCIÓN

Buen aspecto y nivel lumínico uniforme.

6. ACCESIBILIDAD Escoger lugares de fácil acceso, procurando colocarlos de tal forma que al paso de las personas no sean operados involuntariamente.

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Tipos de instalaciones eléctricas Tipo de construcción Material utilizado Condiciones ambientales Trabajo a desarrollar en el local de que se trate Acabados

1. TOTALMENTE VISIBLES

Sin protección contra esfuerzos mecánicos ni contra el medio ambiente.

2. VISIBLES ENTUBADAS Por la estructura de las construcciones y el material de los muros.

3. TEMPORALES

Aprovechamiento de la energía eléctrica por temporadas o periodos cortos de tiempo.

4. PARCIALMENTE OCULTAS 5. TOTALMENTE OCULTAS

Sólo quedan los dispositivos de control y protección al exterior de los muros.

6. A PRUEBA DE EXPLOSIÓN

En ambientes corrosivos, con polvos o gases explosivos, materias fácilmente inflamables, etc. Son herméticamente cerradas.

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Elementos de una instalación eléctrica

1. Acometida 2. Equipo de medición 3. Interruptores 4. Conductores 5. Tuberías y canalizaciones 6. Cajas de registro 7. Tableros eléctricos 8. Apartarrayos 9. Sistema de tierra 10. Arrancadores 11. Accesorios

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ACOMETIDA Punto donde se hace la conexión entre la red, propiedad de la compañía suministradora, y el alimentador que abastece al usuario. La acometida también puede entenderse como la línea (aérea o subterránea) que por un lado entronca con la red eléctrica y por el otro tiene conectado el sistema de medición. EQUIPO DE MEDICIÓN Aquel, propiedad de la compañía suministradora, que se coloca en la acometida de cualquier usuario con el propósito de cuantificar el consumo de energía eléctrica de acuerdo con las condiciones del contrato de compra-venta. Este equipo está sellado y debe estar protegido contra agentes externos, colocado en un lugar accesible para su lectura y revisión. INTERRUPTORES Dispositivo diseñado para abrir o cerrar un circuito eléctrico por el cual esta circulando una corriente. Puede utilizarse como medio de desconexión y, si está provisto de los dispositivos necesarios, también puede cubrir la función de protección contra sobrecargas y cortos circuitos. INTERRUPTOR GENERAL Va colocado entre la acometida (después del equipo de medición) y el resto de la instalación, y se utiliza como medio de desconexión y protección del sistema o red suministradora. Este interruptor debe ser de fácil acceso y operación, de tal forma que en caso de emergencia permita desenergizar la instalación rápidamente; debe proteger la instalación y a su equipo, por lo que debe ser capaz de interrumpir las corrientes de cortocircuito que pudieran ocurrir en la instalación del consumidor.

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INTERRUPTOR DERIVADO Los interruptores derivados son aquellos que están colocados para proteger y desconectar alimentadores de circuitos que distribuyen la energía eléctrica a otras secciones de la instalación o que energizan a otros tableros. Interruptor termomagnético Uno de los interruptores más utilizados que sirve para desconectar y proteger contra sobrecargas y cortos circuitos es el termomagnético. Su diseño le permite soportar un gran número de operaciones de conexión y desconexión, lo que lo hace muy útil en el control manual de una instalación. Tiene un elemento electrodinámico con el que puede responder rápidamente ante la presencia de un corto circuito. CONDUCTORES Los conductores eléctricos son aquellos materiales que ofrecen poca oposición o resistencia al paso de la corriente eléctrica a través de ellos. Los mejores conductores eléctricos son los metales, aquí solo mencionaremos los más importantes: - ORO El oro es el mejor conductor de electricidad. Su alto precio adquisitivo limita e impide su empleo. - PLATA Es el segundo mejor conductor de electricidad, pero al igual que el oro su uso se ve reducido por su alto costo.

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- COBRE Después de la plata, el cobre electrolíticamente puro es el mejor conductor eléctrico, se le emplea en mas del 90% en la fabricación de conductores eléctricos. - ALUMINIO Es otro buen conductor eléctrico, pero tiene la desventaja de ser quebradizo. Los conductores pueden ser de dos tipos: a) Alambres: son elementos metálicos de cobre o aluminio con o sin aislamiento formados por un solo hilo. b) Cables: Son elementos metálicos de cobre o aluminio con o sin aislamiento, de varios hilos, empleados para conducir energía eléctrica.

Figura 1.

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TUBERIAS Y CANALIZACIONES Conductos cerrados de sección circular, cuyo objeto es alojar y proteger mecánicamente a los conductores eléctricos, limitar los efectos producidos por una falla eléctrica en los conductores y proporcionar, de ser posible, un blindaje a tierra. TIPOS DE TUBERÍAS

o Tubo conduit de acero esmaltado o galvanizado - pared delgada - pared gruesa

o Tubo conduit flexible de acero

o Tubo conduit de plástico rígido PVC o Ducto cuadrado o Tubo conduit de asbesto-cemento

Tubo conduit de acero Las tuberías conduit deberán ser soportadas por elementos estructurales. La tubería conduit de pared gruesa deberá ser utilizada en los siguientes casos: - Instalaciones visibles - Instalaciones con partes entre losa y falso plano combinadas con partes empotradas en muros o pisos.

Tubo conduit de pared gruesa

Tubo conduit de pared delgada

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En los casos extremos donde se indiquen canalizaciones ahogadas en losas, estas deberán ser reforzadas y estar alejadas de las zonas de máximo esfuerzo estructural (deberán sujetarse firmemente). Colocarlas donde no reciban esfuerzos provenientes de la estructura. En las juntas se utilizarán tuberías flexibles. Espaciamiento máximo entre registros: 40 metros. Queda prohibido el uso de tubería y accesorios hidráulicos para sustituir el tubo conduit y sus accesorios. No se aceptarán por ningún motivo tuberías que al doblarlas hayan sufrido roturas o disminuciones en su diámetro. Tuberia conduit de plástico rígido ( PVC) En instalaciones ocultas, tubería empotrada en losas y muros, también enterrada y recubierta con 5 centímetros de concreto para aumentar su resistencia mecánica. No debe emplearse en falsos plafones, ductos verticales, instalaciones visibles interiores ni exteriores. Ducto cuadrado Se utiliza en instalaciones interiores visibles, limitándose su empleo a circuitos de alimentación gruesos o a concentraciones de interruptores y arrancadores para facilitar las interconexiones. Tubería conduit de asbesto-cemento Deberá ser del tipo II de asbesto cemento, para ser utilizados de preferencia en instalaciones subterráneas de alta resistencia a la corrosión, inmune al ataque del suelo y agentes atmosféricos. Generalmente su uso es provisional. Se emplea en alumbrado exterior, alimentadores de alta tensión y baja tensión.

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CAJAS DE CONEXIÓN De acuerdo al material, existen:

1. Cajas de conexión negras o de acero esmaltado.

2. Cajas de conexión galvanizadas. 3. Cajas de conexión de PVC. Por su forma, dimensiones y usos, se clasifican en: Cajas de conexión tipo chalupa Son rectangulares de aproximadamente 6 x 10 cm de base por 38 mm de profundidad. Se utiliza para instalar en ellas apagadores, contactos, botones, etc., cuando el número de estos dispositivos no exceda de tres. Cajas de conexión redondas Son bastante reducidas de diámetro interior, de aproximadamente 7,5 cm y 38 mm. de profundidad. Por sus reducidas dimensiones, son utilizadas generalmente cuando el número de tuberías, de conductores y empalmes son mínimos.

Cajas de conexión

Caja de conexión redonda

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Cajas de conexión cuadradas Se tienen de diferentes medidas y su clasificación es de acuerdo al mayor diámetro de los tubos que pueden ser sujetos a ellos. Es así como se conocen como cajas de conexión cuadradas de 13, 19, 25, 32, y 38 mm, etc. APARTARRAYOS Son dispositivos formados por una serie de elementos resistivos no lineales, que limitan la amplitud de las sobretensiones originadas por descargas atmosféricas, operación de interruptores o desbalanceo de sistemas. Generalmente se utilizan en instalaciones de alta tensión. SISTEMA DE TIERRA Es una red de conductores eléctricos usada para establecer una unión que garantice la continuidad eléctrica entre las partes metálicas no conductoras de una instalación eléctrica y el terreno sobre o cercano al lugar donde se encuentra. Tratando de lograr un potencial uniforme alrededor de dicha instalación. Objetivo: Proteger de una descarga eléctrica a las personas que operan, utilizan o circulan cerca de estas instalaciones, protegiendo también los elementos que forman la propia instalación. Limitar las sobretensiones debidas a descargas atmosféricas, a fenómenos transitorios del propio circuito y a contactos accidentales con líneas de mayor tensión. Una conexión adecuada a tierra facilita la operación de los dispositivos de protección de sobrecorriente principalmente en el caso de falla a tierra.

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El sistema de tierra de una instalación se diseña en función de: el nivel de voltaje, la corriente de corto circuito, la superficie que ocupa, la instalación, la probabilidad de explosión, y/o incendio, resistencia a tierra, la humedad y la temperatura del suelo. ARRANCADOR Se conoce como arrancador al arreglo compuesto por un interruptor, ya sea termomagnético o de navajas con fusibles, un contactor electromagnético y un relevador bimetálico. El contactor consiste básicamente en una bobina con un núcleo de fierro que cierra o abre un juego de contactos al energizar o desenergizar la bobina. Generalmente se utilizan en instalaciones de alta tensión. ACCESORIOS (apagadores, contactos y placas) Los apagadores son elementos de control para luminarias. Los contactos son elementos de conexión para equipos portátiles usados en las instalaciones eléctricas, con el fin de aprovechar óptimamente el consumo de energía eléctrica y proporcionarles flexibilidad. Las tapas o placas son accesorios que sirven para dar rigidez y presentación a los apagadores y contactos. Todos los accesorios (apagadores y contactos) están provistos de elementos que les permiten fijarse dentro de una caja de conexiones o una caja para accesorios; se instalan de tal manera que pueda colocarse sobre ellos una placa de recubrimiento asegurada en la caja, quedando totalmente firme.

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CIRCUITO ELÉCTRICO ELEMENTAL Está constituido por una fuente de energía, conductores eléctricos que transporten el flujo de electrones, la carga y un dispositivo de control que permita conectar o desconectar el circuito.

Circuito eléctrico elemental (CD)

Circuito eléctrico elemental (CA)

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RESISTENCIA ELÉCTRICA Debido a que los electrones libres adquieren velocidad en su movimiento a lo largo del conductor, la energía potencial de la fuente de voltaje se transforma en energía cinética. Antes de que los electrones se desplacen muy lejos, se producen colisiones con los iones del conductor. Al pasar de un punto a otro en un circuito eléctrico, un electrón libre produce muchas colisiones y, dado que la corriente es el movimiento de electrones libres, las colisiones se oponen a la corriente. Resistencia (R): propiedad de un circuito eléctrico de oponerse a la corriente. Unidad: ohm. Factores que afectan la resistencia de los conductores:

- Longitud - Área o sección transversal - Tipo de material del conductor - Temperatura

LEY DE OHM

IER

CorrienteVoltajearesistenci == ,

REI

aresistenciVoltajeCorriente == ,

IRECorrientearesistenciVoltaje ∗=∗= , POTENCIA

IEP ∗= watts

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TAREA Investigar las expresiones de corriente, resistencia y tensión (incluyendo la 2ª. Ley de Kirchhoff) para circuitos eléctricos en serie y en paralelo. Realizar diagramas ilustrativos de ambos casos e investigar sus aplicaciones más comunes. SÍMBOLOS EN INSTALACIONES ELÉCTRICAS Facilitan la interpretación de los circuitos y sus componentes en los planos.

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Alambrado de una recámara

Representación de los requerimientos eléctricos de una casa-habitación

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Diagramas de conexión

N- Hilo neutro F – Hilo de corriente o de fase R – Hilo de retorno o de regreso P – Hilo de puente o puente común Altura de apagadores: Entre 1.20 y 1.35 metros sobre el N.P.T. Altura de contactos:

- En áreas o locales secos: Entre 30 y 50 cm. - En locales o áreas con pisos y muros húmedos:

o En baños: apagadores y contactos a la misma altura y de preferencia en la misma caja de conexión.

o En cocinas: un contacto en la misma caja de conexión del o los apagadores. Otros contactos a la misma altura y algunos pueden estar a 70 u 80 cm para aparatos eléctricos fijos.

Diagrama típico de conexión de una luminaria.

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Conexión de una lámpara incandescente, controlada con un apagador sencillo (llegada de la línea por el lado izquierdo). Conexión de una lámpara incandescente, controlada con un apagador sencillo (se indica llegada de la línea). Conexión de una lámpara incandescente, controlada con un apagador sencillo y un contacto sencillo al extremo contrario del apagador (se indica llegada y continuación de la línea).

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Conexión de una lámpara incandescente, controlada con un apagador sencillo que se encuentra junto a un contacto también sencillo instalados en la misma caja de conexión (se indica llegada de la línea). Conexión de una lámpara incandescente, controlada con un apagador sencillo, y un contacto también sencillo a través del cual llega la línea por piso. Conexión de dos lámparas incandescentes, controladas con un apagador sencillo localizado junto a un contacto también sencillo (se indica llegada y continuación de la línea)

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SISTEMAS Sistema monofásico a dos hilos (1φ-2H) Se utiliza en instalaciones eléctricas de alumbrado y contactos sencillos (para aparatos pequeños), cuando todas las cargas parciales son monofásicas y la carga total instalada no es mayor de 4000 watts (multiplicada por un factor de demanda). Sistema monofásico a tres hilos (1φ-3H) Se utiliza en instalaciones eléctricas de alumbrado y contactos sencillos (para aparatos pequeños), cuando todas las cargas son monofásicas y la carga total instalada es mayor de 4000 watts pero no sobrepasa los 8000 watts (multiplicada por un factor de demanda). Sistema trifásico a tres hilos (3φ-3H) Se utiliza en

- Instalaciones eléctricas en las que se dispone únicamente de cargas trifásicas, independientemente de la carga total instalada.

- En alimentaciones generales o derivados que proporcionan la energía eléctrica a cargas trifásicas.

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- Para suministrar energía a instalaciones eléctricas con servicio contratado en alta tensión.

- En redes de distribución primaria a tensiones de 13,200 o de 20,000 volts entre fases.

- En líneas de transmisión a tensiones entre fases mayores de 20,000 volts.

Sistema trifásico a cuatro hilos (3φ-4H) Se utiliza en

- Instalaciones eléctricas de alumbrado y contactos sencillos, cuando todas las cargas parciales son monofásicas y la total instalada es mayor de 8000 watts.

- Cuando se tienen tanto cargas monofásicas como cargas trifásicas, independientemente del valor de la carga total instalada.

- En redes de distribución secundaria a tensiones de 220 volts entre fases, 127.5 volts, entre fase y neutro, este último valor comercialmente conocido como de 110 volts.

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CÁLCULO DE LOS CONDUCTORES La selección adecuada de un conductor se hace considerando dos factores:

- La capacidad de conducción de corriente (ampacidad) - La caída de voltaje.

Sistema Por corriente Por caída de tensión

Monofásico a dos hilos φCosEWI

n

= %

4eELIS

n

=

Monofásico a tres hilos φCosEWI

n2=

%2

eELIS

n

=

φCosEWIf3

= Trifásico a tres hilos

NCosEWI

f φ3= %

2eELIS

n

=

φCosEWIf3

= Trifásico a cuatro hilos

NCosEWI

f φ3= %

2eELIS

n

=

Donde W Potencia, carga por alimentar o carga total instalada expresada en

watts.

nE Tensión o voltaje entre fase y neutro volts5.1273

220= , valor

comercialmente conocido como de 110 volts. fE Tensión o voltaje entre fases (en baja tensión 220 volts).

I Corriente en amperes por conductor φCos Factor de potencia o coseno del ángulo formado entre el vector

tensión tomado como plano de referencia y el vector corriente, cuyo valor expresado en centésimas (0.85, 0.90, etc.) en realidad representa el tanto por ciento que se aprovecha de la energía proprcionada por la empresa suministradora del servicio. Se considera el valor de 1.00 ó 100% cuando se tienen conectadas sólo cargas resistivas.

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L Distancia expresada en metros desde la toma de corriente (subestación eléctrica, interruptor general, tablero de control, tablero de distribución, etc.) hasta el centro de carga, conocida como distancia al centro de carga.

S Sección transversal o área de los conductores eléctricos expresada en mm² (área del cobre sin aislamiento).

N Eficiencia promedio de los motores, generalmente es un valor menor a 0.85.

e Caída de tensión entre fase y neutro fe Caída de tensión entre fases %e Caída de tensión en tanto por ciento para sistemas monofásicos o

trifásicos.

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CÁLCULO DE LA CANTIDAD DE CONDUCTORES EN UN TUBO CONDUIT La capacidad de conducción de corriente de los conductores eléctricos está limitada por razones de calentamiento. Factor de relleno

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Derrateo basado en el número de conductores que conducen corriente Si se tiene un número grande de conductores que conducen corriente en una misma canalización, se pueden presentar restricciones para la disipación de calor. Si hay más de tres conductores que conducen corriente en una canalización, se debe aplicar un factor de ajuste o factor de relleno (adicional al factor de corrección por temperatura, si es necesario).

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Factores de demanda Debido a la diversidad en el uso del equipo y a que no todos estarán operando al mismo tiempo, la demanda real de la carga para un área ocupacional en particular, puede ser menor que la suma de todas las cargas conectada. Alumbrado general Centro de carga Es el punto en el cual se considera que están concentradas todas las cargas parciales, es decir, es el punto en donde se considera una carga igual a la suma de todas las cargas parciales, lo que en realidad representa el centro de gravedad si a las cargas eléctricas se les trata como masa.

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Ejemplo en dos dimensiones: CIRCUITOS DERIVADOS Es la parte de la instalación que se extiende después del último dispositivo de protección contra sobrecorriente, es decir, es la parte final de la instalación eléctrica para alimentar a los aparatos receptores. Circuitos derivados para distintas clases de cargas

- Alumbrado y aparatos pequeños como relojes, radios, televisores, etc. - Aparatos de más de 3 amperes como planchas, parrillas,

refrigeradores, etc. Cargas individuales mayores de 50 amperes deben alimentarse por circuitos derivados individuales.

Revisión de la capacidad de conducción

- Por corriente - Por caída de tensión

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Sección mínima según la NOM-001-SEDE-2005: - Alimentadores: calibre #10 - Alumbrado: calibre #12 - Circuitos que alimenten aparatos de más de 3 amperes: calibre #10

Según la NOM-001-SEDE-2005, la capacidad mínima promedio de conducción de los conductores determina la capacidad de los elementos fusibles.

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TAREA

1. Calcular por corriente y caída de tensión el calibre de los conductores para alimentar una carga total de 3800 watts que se considera concentrada a 50 metros. Suponer un factor de potencia del 85% y e%=2.

2. Calcular por corriente y caída de tensión el calibre de los alimentadores principales para una carga total de 18000 watts (cargas de alumbrado y fuerza). Considerar una distancia a la toma de energía de 60 metros.