Caso de estudio 3: Dimensionamiento de un sistema trifásico 2F-3H

Introducción

En el tercer caso de estudio, se realiza un análisis sobre el dimensionamiento de conductores eléctricos cuando se tienen dos cargas balanceadas. Por consiguiente, mediante el paquete ElectricalWireSizes, se propone el conductor y la protección para un circuito derivado destinado a un sistema de dos fases tres hilos (2F-3H). Respecto al conductor de puesta a tierra, se hace la propuesta conforme a lo establecido en la Tabla 250-122 de la NOM-001-SEDE-2012.

Caso de estudio, vivienda con alimentador de 2F y neutro

Para obtener el conductor de acometida adecuado para proporcionar el servicio de energía, es necesario seguir las especificaciones de la NOM-001-SEDE-2012 y considerar las cargas indicadas en la Tabla 19-1. Se recomienda revisar detalladamente los requisitos de la normativa y utilizar los cálculos apropiados para determinar el tamaño y el tipo de conductor de acometida necesario para cumplir con las demandas de la residencia.

Considere la siguiente información adicional para la instalación eléctrica:

Temperatura ambiente máxima anual de 30 °C.
Tubería Conduit de PVC.
Tensión de fase de 240 V y línea de 416 V.
Factor de agrupamiento de 1.0.
Sistema de 2F-3H.
Pérdida de tensión de diseño de 2%.
La distancia del medidor al centro de carga es de 15 metros.
Considere el material conductor cobre y aluminio con aislamiento de 75 °C.
Desprecie la continuidad del conductor al 100%.

**Tabla 19-1 Cargas de una vivienda**
Carga	Potencia	Consideraciones	Fase A	Fase B	Neutro
Iluminación	2520W
Circuitos especiales, dos	3000W
Subtotal	5520W	Los primeros 3kW se consideran al 100%. El resto al 35% hasta 120kW.	3000	3000	3000
Resto de carga	2520W	5520W-3000W = 2520W (0.35) = 882W	882	882	882
Horno	12000W	Demanda máxima 8kW	8000	8000
	8000W	La corriente en el neutro es: 8kW (0.7) = 5.6kW			5600
Calentador, 240V	4000W		4000	4000
Lavaplatos, 120V	840W		840		840
Triturador de basura, 120V	600W			600	600
Calentador Eléctrico, 240V	2500W		2500	2500
Total			19.222kW	18.982kW	10.922kW
Tensión			240V	240V	240V
Corriente			80A	79A	46A

Procedimiento

En la Tabla 19-1 se muestra la distribución de cargas para un sistema de 2F-3H, y es posible deducir a simple vista que la tensión de fase es de 240V. Por lo tanto, entre un conductor de fase y el neutro existe una tensión de 240V. Dado que se trata de un centro de carga de dos fases, es necesario que las cargas entre cada fase estén lo más balanceadas posible, ya que las fórmulas utilizadas en el dimensionamiento requieren esta condición.

La corriente en la fase A se calcula mediante la siguiente operación:

I_{fa}=\frac{19.222kW}{240}=80.09A

La corriente en la fase B se calcula mediante la siguiente operación:

I_{fb}=\frac{18.982kW}{240}=79.09A

Al existir cargas de fase y línea, se observa una corriente en el neutro de 46A, la cual es menor que las corrientes principales. Por ende, el conductor neutro se dimensiona con la mayor corriente de fase.

Dimensionamiento para material conductor cobre y aluminio

El siguiente bloque de código ejemplifica cómo se realiza el llamado y llenado del bloque mbtcu con la información proporcionada en el tercer caso de estudio:

from electricalwiresizes import mbtcu
mbtcu(240,416,80,1,15,1.0,1,30,3,2,0.9,1,1.0,75,1.25,1.00)

Al ejecutar el código en Colaboratory, se determina que el conductor adecuado de material cobre para esta instalación es el calibre #4 AWG. Por lo tanto, se requiere un conductor del calibre #4 AWG por fase y un conductor similar para el neutro. Se recomienda consultar la Figura 19-1 para obtener más detalles sobre la instalación.

**Figura 19-1** Dimensionamiento de un conductor de un sistema de 2F-3H

En la Figura 19-1, se puede apreciar que el calibre #4 AWG es adecuado para la instalación planteada en este caso de estudio. No obstante, hay información adicional que podría ser útil para determinar si el conductor propuesto es el adecuado. Esto incluye:

La ampacidad del conductor a 75°C es de 85 A, mayor a la corriente calculada.
La pérdida de tensión (%Vd/2F) es de 0.737 %, menor a la pérdida de diseño.

La relación entre el conductor y la ampacidad (85 A / 80 A) es de 1.063, menor al solicitado cuando se trabaja con cargas continuas. Si se presenta una carga continua, la relación debería ser superior a 1.25. Por lo tanto, el calibre adecuado del conductor debería ser del calibre #2 AWG.

Esto se puede comprobar mediante el siguiente bloque de instrucciones:

from electricalwiresizes import mbtcu
mbtcu(240,416,80,1,15,1.0,1,30,3,2,0.9,1,1.0,75,1.25,1.25)

Al implementar la información proporcionada en Colaboratory y obtener la Figura 19-2, se confirma que el calibre adecuado de material cobre es el calibre #2 AWG, tanto para las fases como para el neutro.

**Figura 19-2** Dimensionamiento de un conductor de un sistema de 2F-3H, carga continua.

Si se considera utilizar un conductor de material aluminio, se seguiría la misma estructura de los bloques anteriores, pero se utilizaría un módulo específico para el dimensionamiento de conductores de aluminio.

Cuando se tiene en cuenta una carga continua, el conductor adecuado es el calibre #2 AWG. Para obtenerlo, use el bloque de código siguiente:

from electricalwiresizes import mbtal
mbtal(240,416,80,1,15,1.0,1,30,3,2,0.9,1,1.0,75,1.25,1.00)

En caso de tratarse de una carga continua, el conductor adecuado es el calibre #1/0 AWG. Para obtenerlo, use el siguiente bloque de código:

from electricalwiresizes import mbtal
mbtal(240,416,80,1,15,1.0,1,30,3,2,0.9,1,1.0,75,1.25,1.25)

Finalmente, se observa que los conductores pueden dimensionarse utilizando diversos criterios, lo que puede resultar en un aumento o disminución de la sección del conductor. Por lo tanto, en este caso de estudio, el conductor adecuado para el sistema de 2F-3H es el calibre #4 AWG en material de cobre y el calibre #2 AWG en material de aluminio.

Otros aspectos importantes en el dimensionamiento

Si cambian la temperatura ambiente y la distancia del centro de carga, esto afectará el dimensionamiento del conductor eléctrico. Para un caso de carga no continua y un conductor de material cobre, los aspectos nuevos a considerar serían los siguientes:

Temperatura ambiente de 12°C y 50°C:

A temperaturas más altas, la resistencia del conductor aumenta, lo que puede resultar en una pérdida de tensión mayor y una necesidad de un calibre de conductor más grande para mantener las pérdidas dentro de los límites aceptables.
A temperaturas más bajas, la resistencia del conductor disminuye, lo que podría permitir el uso de un calibre de conductor más pequeño. Sin embargo, es importante verificar si esto cumple con los criterios de seguridad y pérdida de tensión.

Distancia del centro de carga de 5 metros y 40 metros:

A distancias mayores, la resistencia del conductor aumenta debido a la longitud adicional, lo que puede requerir un calibre de conductor más grande para compensar las pérdidas adicionales.
A distancias más cortas, la resistencia del conductor disminuye, lo que podría permitir el uso de un calibre de conductor más pequeño. Sin embargo, nuevamente, es importante asegurarse de que esto cumpla con los requisitos de seguridad y pérdida de tensión.

12°C, 5m

Al considerar una temperatura de 12°C y una distancia de 5 metros, el nuevo bloque de instrucciones se estructura de la siguiente manera:

from electricalwiresizes import mbtcu
mbtcu(240,416,80,1,5,1.0,1,12,2,2,0.9,1,1.0,75,1.25,1.00)

El conductor adecuado para esta condición es el calibre #4 AWG.

50°C, 5m

Al considerar una temperatura de 50°C y una distancia de 5 metros, el nuevo bloque de instrucciones se estructura de la siguiente manera:

from electricalwiresizes import mbtcu
mbtcu(240,416,80,1,5,1.0,1,50,2,2,0.9,1,1.0,75,1.25,1.00)

El conductor adecuado para esta condición es el calibre #2 AWG.

12°C, 40m

Al considerar una temperatura de 12°C y una distancia de 40 metros, el nuevo bloque de instrucciones se estructura de la siguiente manera:

from electricalwiresizes import mbtcu
mbtcu(240,416,80,1,40,1.0,1,12,2,2,0.9,1,1.0,75,1.25,1.00)

El conductor adecuado para esta condición es el calibre #4 AWG.

50°C, 40m

Al considerar una temperatura de 50 °C y una distancia de 40 metros, el nuevo bloque de instrucciones queda estructurado de la siguiente forma:

from electricalwiresizes import mbtcu
mbtcu(240,416,80,1,40,1.0,1,50,2,2,0.9,1,1.0,75,1.25,1.00)

El conductor adecuado para esta condición es el calibre #2 AWG.