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Tecnología eléctrica
3.a edición
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Tecnología eléctrica
3.a edición
José Roger Folch
Catedrático
Martín Riera Guasp
Profesor Titular
Carlos Roldán Porta
Profesor Titular
Departamento de Ingeniería Eléctrica
ETS Ingenieros Industriales
Universidad Politécnica de Valencia
EDITORIAL
SINTESIS
Vallehermoso, 34
28015 MADRID
Telf: (91) 593 20 98
Fax: (91) 445 86 96
Tercera edición: marzo 2010
© José Roger, Martín Riera y Carlos Roldán
© EDITORIAL SÍNTESIS, S. A.
Vallehermoso, 34. 28015 Madrid
Teléfono: 91 593 20 98
Depósito legal: M. 8.708-2010
ISBN: 84-7738-767-2
Impreso en España - Printed in Spain
Reservados todos los derechos. Está prohibido, bajo las sanciones
penales y el resarcimiento civil previstos en las leyes, reproducir,
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cualquier sistema de recuperación y por cualquier medio, sea mecánico,
electrónico, magnético, electroóptico, por fotocopia
o cualquier otro, sin la autorización previa por escrito
de Editorial Síntesis, S. A.
Índice
11
Prólogo
1. Generación y distribución de energía eléctrica
1.1.
1.2.
1.3.
1.4.
1.5.
1.6.
Introducción
Centrales generadoras
Transporte de la energía eléctrica
Instalaciones receptoras
Redes de distribución en corriente continua
Simbología. Diagramas unifilares
2. Aparamenta eléctrica de baja tensión
2.1. Introducción
2.1.1. Definiciones y características de la aparamenta eléctrica
2.1.2. Magnitudes de definición comunes a la aparamenta
de conexión
2.2. Interruptores automáticos
2.2.1. Disparadores
2.2.2. Características de los interruptores automáticos
2.3. Pequeños Interruptores Automáticos (PIA)
2.4. Fusibles
2.4.1. Principio de funcionamiento de los fusibles
2.4.2. Denominación de los fusibles
2.4.3. Fusibles limitadores
2.4.4. Aplicaciones de los fusibles
2.5. Contactores
2.5.1. Clases de contactores
2.5.2. Características de los contactores
2.5.3. Contactores con semiconductores
2.5.4. Aplicaciones del contactor
2.6. Interruptores y relés diferenciales
2.6.1. Fundamentos de la protección diferencial
2.6.2. Sistema de detección
2.6.3. Interruptor diferencial
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TECNOLOGÍA ELÉCTRICA
2.6.4.
2.6.5.
Transformador y relé diferencial
Aplicaciones de la protección diferencial
3. Instalaciones de puesta a tierra
3.1. Introducción
3.2. Parámetros que caracterizan una instalación de puesta a tierra
3.3. Finalidad de las puestas a tierra en los sistemas eléctricos
3.3.1. Puesta a tierra del neutro de transformadores y generadores
3.3.2. Puesta a tierra de las masas
3.3.3. Puesta a tierra de elementos de protección
(Puesta a tierra funcional)
3.4. Instalaciones de puesta a tierra a considerar en el diseño
de una planta industrial
3.4.1. Puesta a tierra de las masas de baja tensión (RA)
3.4.2. Puesta a tierra del neutro del transformador (RB)
3.4.3. Puesta a tierra de las masas del centro de transformación (RT)
3.4.4. Puesta a tierra del neutro de la red de alta tensión que alimenta
el centro de transformación (Rn)
3.5. Esquemas de distribución en baja tensión
3.6. Cálculo de la resistencia de una puesta a tierra
3.6.1. Cálculo práctico de la resistencia de puesta a tierra
3.6.2. Estimación de la resistividad del terreno
3.7. Estructura y dimensionado de la instalación de puesta a tierra
de las masas de baja tensión
3.7.1. Toma de tierra
3.7.2. Borne principal de tierra
3.7.3. Conductores de protección (C.P.)
3.7.4. Conductores de tierra o líneas de enlace con tierra
3.7.5. Conductores de equipotencialidad
3.8. Estructura y dimensionado de la puesta a tierra de las masas del centro
de transformación (C.T.)
3.8.1. Líneas de tierra
3.8.2. Electrodos
3.9. Estructura y dimensionado de la puesta a tierra del neutro
del transformador
3.9.1. Línea de enlace con tierra
3.9.2. Electrodos
3.10. Sistemas de puesta a tierra independientes; separación entre las distintas
tomas de tierra de una planta industrial
3.10.1. Separación entre la toma de tierra de las masas del centro
de transformación y la toma de tierra de las masas de BT
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ÍNDICE
3.10.2. Separación entre la toma de tierra de las masas del centro
de transformación y la toma de tierra del neutro
3.10.3. Posibilidad de unir los sistemas de puesta a tierra de las masas
del centro de transformación y del neutro
3.11. Instalaciones de puesta a tierra y corrosión
3.12. Medida de los parámetros básicos de las instalaciones de puesta
a tierra
3.12.1. Medida de la resistencia de puesta a tierra
3.12.2. Medida de la resistividad del terreno
3.12.3. Medida de las tensiones de paso y de contacto aplicadas
4. Protección frente a contactos directos e indirectos
4.1. Introducción
4.2. Peligrosidad de la corriente eléctrica. Reglas de seguridad
4.2.1. Efectos fisiológicos de la corriente
4.2.2. Factores que influyen en la peligrosidad de la corriente
4.2.3. Resistencia (impedancia) del cuerpo humano
4.2.4. Reglas de seguridad
4.3. Concepto de contacto directo e indirecto
4.4. Protección frente a contactos directos
4.4.1. Sistemas que protegen frente a todo contacto directo
(accidental o intencionado)
4.4.2. Sistemas que protegen frente a contactos directos accidentales
4.4.3. Protección complementaria frente a contactos directos
utilizando interruptores diferenciales de alta sensibilidad
4.5. Protección frente a contactos indirectos
4.6. Sistemas de protección frente a contactos indirectos basados en el corte
automático de la alimentación en caso de defecto
4.6.1. Condiciones generales para garantizar la seguridad en
instalaciones protegidas mediante corte automático
de la alimentación
4.6.2. Protección en instalaciones con esquema de distribución TT
4.6.3. Protección en instalaciones con esquema de distribución TN
4.6.4. Protección en instalaciones con esquema de distribución IT
4.6.5. Comparación de los esquemas de distribución
4.7. Otros sistemas de protección frente a contactos indirectos, sin corte
de la alimentación
4.7.1. Protección mediante el empleo de materiales eléctricos
de clase II, o con aislamiento equivalente
4.7.2. Protección en locales o emplazamientos no conductores
4.7.3. Protección por conexiones equipotenciales no conectadas a tierra
4.7.4. Protección por seccionamiento eléctrico
4.7.5. Protección por muy baja tensión de seguridad
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TECNOLOGÍA ELÉCTRICA
5. Canalizaciones eléctricas
5.1. Introducción
5.2. Estructura de los cables aislados
5.2.1. Principales conductores
5.2.2. Aislantes
5.2.3. Armaduras y pantallas
5.2.4. Cubiertas
5.3. Aplicaciones de los cables
5.4. Parámetros eléctricos de los conductores
5.5. Caída de tensión en conductores en corriente alterna
5.6. Calentamiento de los conductores
5.7. Datos de partida para el diseño de una instalación
5.7.1. Características de los receptores
5.7.2. Previsión de la demanda
5.7.3. Características del suministro
5.7.4. Disposición física de los elementos de la instalación
5.8. Diseño inicial. Selección de materiales
5.9. Dimensionamiento de conductores por criterio térmico
5.10. Dimensionamiento de conductores por caída de tensión
5.11. Dimensionamiento por criterio de rendimiento energético
5.12. Dimensionamiento de tubos y canales protectores
6. Protección de instalaciones frente a sobreintensidades y sobretensiones
6.1. Introducción
6.2. Protección contra sobrecargas
6.2.1. Fundamento de la protección frente a sobrecargas.
Dispositivos de protección
6.2.2. Condición práctica de protección frente a sobrecargas;
coordinación entre conductores y dispositivos de protección
6.2.3. Protección del conductor neutro
6.2.4. Situación de los dispositivos de protección frente a sobrecargas
6.3. Protección contra cortocircuitos. Conceptos generales
6.4. Cálculo de corrientes de cortocircuito en instalaciones de baja tensión
6.4.1. Parámetros característicos de las corrientes de cortocircuito
6.4.2. Tipos de cortocircuitos
6.4.3. Cálculo de cortocircuitos tripolares alimentados exclusivamente
desde la red
6.5. Selección de los dispositivos de protección frente a cortocircuitos
6.5.1. Protección mediante interruptor automático
6.5.2. Protección mediante fusible
6.5.3. Protección mediante combinación fusible-interruptor automático
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ÍNDICE
Protección mediante la combinación fusible-relé
térmico-contactor
6.6. Protección frente a sobretensiones
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6.5.4.
7. Instalaciones de alumbrado
7.1. Introducción
7.2. Magnitudes y unidades
7.3. Elementos de las instalaciones de alumbrado
7.3.1. Lámparas
7.3.2. Equipos auxiliares
7.3.3. Luminarias
7.4. Diseño de las instalaciones
7.4.1. Uniformidad
7.4.2. Deslumbramiento
7.4.3. Iluminancia horizontal
7.4.4. Cálculo de la iluminancia vertical
7.5. Alumbrado público
7.6. Alumbrado con proyectores
7.7. Alumbrado con fibra óptica
7.8. Iluminación y ahorro energético
7.9. Medida de iluminancia
7.10. Aplicaciones especiales de las lámparas
8. Compensación de energía reactiva
8.1.
8.2.
8.3.
8.4.
8.5.
8.6.
8.7.
8.8.
Introducción: necesidad de la compensación
El mercado libre de la electricidad y la energía reactiva
Formas de compensación
Demanda de potencia reactiva de los diferentes elementos
consumidores
8.4.1. Máquinas asíncronas
8.4.2. Transformadores
8.4.3. Lámparas para alumbrado
8.4.4. Otros equipos consumidores de energía reactiva
Cálculo de la potencia reactiva a compensar
8.5.1. Instalación en fase de proyecto
8.5.2. Instalación en funcionamiento
Determinación de los condensadores a emplear. Cálculo
de la capacidad
Consideraciones prácticas en las instalaciones con condensadores
Regulación automática de potencia reactiva
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TECNOLOGÍA ELÉCTRICA
9. Centros de transformación
9.1. Introducción
9.2. Centros de transformación de intemperie
9.3. Centros de transformación de interior
9.3.1. Composición general
9.3.2. Tipos de celdas y elementos que las integran
9.4. Diseño de Centros de Transformación
9.4.1. Centros de Transformación con Celdas prefabricadas
9.4.2. Centros de Transformación con Celdas de obra
9.5. Diseño de las canalizaciones: determinación de la sección
de los conductores y cálculo de aisladores
9.5.1. Sección de los conductores
9.5.2. Cálculo de aisladores
9.5.3. Ejemplo de cálculo de un embarrado
9.6. Aparamenta y equipos utilizados en un centro de transformación
9.6.1. Transformadores de potencia
9.6.2. Aparamenta de maniobra y corte
9.6.3. Fusibles
9.6.4. Transformadores de medida y protección
9.6.5. Pararrayos
9.6.6. Accesorios para cables
9.6.7. Envolvente
9.7. Ejemplo 1: Cálculo de un centro de transformación
Anexos
Anexo 1. Estudio de la distribución de potenciales originada por un electrodo
semiesférico
Anexo 2. Relación entre las tensiones de paso y de contacto con las respectivas
tensiones aplicadas. Justificación de los valores admisibles
Anexo 3. Justificación de las expresiones utilizadas en el cálculo
de la corriente de cortocircuito en bornes de un transformador
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Prólogo
El principal objetivo de este libro es servir de texto para los alumnos de la asignatura
troncal Tecnología Eléctrica, de la carrera de Ingeniería Industrial. En consecuencia, cubre
todas las materias especificadas en los descriptores de esta asignatura, pero haciendo énfasis sobre todo en los aspectos relacionados con la operación y diseño de instalaciones eléctricas de plantas industriales de tamaño medio, que es el tipo de instalación que con más
frecuencia van a encontrar los alumnos en el ejercicio profesional.
Asimismo, se ha procurado que el texto resulte de utilidad para los profesionales que
pretendan desarrollar su actividad en el campo de las instalaciones eléctricas, fundamentalmente de baja tensión.
Por estas razones se ha realizado un importante esfuerzo para conseguir un equilibrio
entre los contenidos de tipo conceptual y los aspectos de tipo práctico, que sea adecuado
para los alumnos de escuelas superiores y para el ejercicio profesional.
Los conocimientos de tipo conceptual son imprescindibles para formar Técnicos con
capacidad de análisis y de autoformación. No obstante, también es preciso conocer numerosos aspectos de tipo práctico y normativo para aplicar la tecnología a instalaciones reales. La rápida evolución tecnológica actual haría que estos últimos aspectos quedaran obsoletos en breve tiempo si no se contara con la base conceptual adecuada para facilitar la
adaptación a estos cambios.
Al tratarse de una asignatura troncal, la materia impartida debe proporcionar una formación suficiente para que los alumnos sean capaces de abordar los problemas relacionados con las instalaciones eléctricas que inevitablemente se les van a presentar durante su
actividad laboral, sea cual sea su campo de especialización.
El libro se centra básicamente en el estudio de las instalaciones eléctricas de plantas
industriales con acometida en baja y alta tensión, hasta el nivel denominado en la práctica
media tensión, y pretende que el lector alcance los siguientes objetivos:
– Conocer los elementos que integran las instalaciones eléctricas de edificios y plantas
industriales (aparamenta, conductores, canalizaciones, cuadros...), incluyendo los
parámetros necesarios para su correcta especificación.
– Conocer la estructura de las instalaciones eléctricas citadas y los procedimientos de
cálculo necesarios para el dimensionado y la selección de los equipos, incluyendo las
bases físicas en que se fundamentan tales procedimientos.
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TECNOLOGÍA ELÉCTRICA
El principal inconveniente que encuentran los alumnos en estas clases y, posteriormente, en el desarrollo de proyectos que incluyan instalaciones eléctricas es el desconocimiento de los aparatos que forman parte de esas instalaciones, en cuanto a su funcionamiento, prestaciones, idoneidad para casos concretos, etc. La información disponible sobre
estos temas está muy dispersa en libros, catálogos, informaciones técnicas, revistas, reglamentos y normas, siendo difícilmente abordable por los alumnos que se acercan a ellos por
primera vez.
Con este texto, resultado de la experiencia obtenida por los autores a lo largo de sus
años de docencia, de la realización de gran número de cursos posgrado y de trabajos en la
industria, se ha pretendido concretar esa información de acuerdo con las necesidades y el
nivel de los lectores a los que va dirigido. La concreción de los temas ha sido una premisa
que nos impusimos los autores desde el inicio de la elaboración del libro. No obstante, se
recomienda, a los lectores interesados en aspectos particulares de cada tema, su ampliación
recurriendo a la bibliografía citada, a la información técnica que facilitan los fabricantes,
al estudio de normas y reglamentos (a los que se hace referencia constantemente en el
texto), etc.
En esta tercera edición se mantienen los objetivos y la estructura de las anteriores, si
bien se ha producido una notable actualización de los diferentes capítulos para adaptarlos
al nuevo Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión de 2002, a las nuevas normas UNE
que se han ido publicando durante estos años y a las modificaciones introducidas en las
normas UNE anteriormente existentes (especialmente la UNE 20-460:2004 en sus diferentes partes); asimismo en esta actualización se ha tenido en cuenta la evolución tecnológica
de los diferentes elementos de las instalaciones eléctricas.
Finalmente queremos agradecer al Ingeniero Industrial Ángel Sapena Bañó su colaboración en la tarea de modificación del texto y figuras de esta edición.