Instalaciones Electricas

1.1 ¿Qué es una instalación eléctrica? 

Conjunto de elementos necesarios para conducir y transformar, de manera segura, la energía eléctrica requerida para el funcionamiento de los diferentes equipos existentes. Las instalaciones eléctricas pueden ser abiertas (conductores visibles), aparentes (en ductos o tubos), ocultas (dentro de paneles o falsos plafones) o enterradas (en muros, techos o pisos). Entendiendo por conjunto de elementos a aquellos que intervienen desde el punto de alimentación o acometida de la compañía suministradora (CFE), hasta el último punto de una casa habitación, comercio, bodega o industria en donde se requiere el servicio eléctrico, constituyen lo que se conoce como los componentes de la instalación eléctrica.

1.1.1 Elementos que conforman una instalación eléctrica

a) Conductores eléctricos.

b) Canalizaciones (accesorios como conectores, coples, cajas registro, etc.).

c) Dispositivos de Protección.

d) Tableros.

e) Equipos de consumo (Luminarias, bombas, motores, contactos).

f) Transformadores.

g) Planta de emergencia.

h) Sistema de Energía Ininterrumpible (UPS).

i) Subestaciones.

Todos estos elementos se identifican en los planos o diagramas eléctricos correspondientes por medio de símbolos. Todos los elementos usados en las instalaciones eléctricas deben cumplir con ciertos requisitos, no solo técnicos, también de uso y presentación, para lo cual deben acatar las disposiciones que establece la Norma Oficial de Instalaciones Eléctricas NOM-001 SEDE 2012. 

1.2 Objetivos de una instalación eléctrica

Una instalación eléctrica debe distribuir la energía eléctrica a los equipos conectados de una manera segura y eficiente, además debe ser económica, flexible y de fácil acceso. Los objetivos a considerar en una instalación eléctrica, están de acuerdo al criterio de todas y cada una de las personas que intervienen en el proyecto, cálculo y ejecución de la obra y de acuerdo además con las necesidades a cubrir, a continuación se describen cada uno de los objetivos necesarios de cumplir en una instalación eléctrica. 

1.2.1 Segura

Una instalación segura es aquella que no presenta riesgos para los operarios en una industria, usuarios en una casa habitación, ni para los equipos que alimenta o que están cerca. Los pilares en que se basa la seguridad son: el empleo de materiales normalizados, el cumplimiento de las reglamentaciones, el control de los proyectos, la idoneidad de quien la ejecuta y sobre todo el control de las obras. Existen muchos elementos que pueden utilizarse para proteger a las personas que trabajan cerca de una instalación eléctrica, entre otros: la conexión a tierra de todas las partes metálicas que están accesibles, la inclusión de mecanismo que impidan que la puerta de un tablero pueda abrirse 9 mientras éste se encuentre energizado, la colocación de tarimas de madera y hule en los lugares donde se operen interruptores y, en general elementos que impiden el paso (letreros, candados, alambradas, etc.). En relación con la seguridad de los equipos, debe hacerse un análisis técnico económico para determinar la inversión en protecciones para cada equipo. 

1.2.2 Eficiente 

El diseño de una instalación debe hacerse cuidadosamente para evitar consumos innecesarios, ya sea por perdidas en los elementos que la constituyen o por la imposibilidad para desconectar equipos o secciones de alambrado mientras éstos no se estén utilizando. 

 1.2.3 Flexible. 

Se entiende por instalación flexible aquélla que puede adaptarse a cambios pequeños. Tomar previsiones sobre futuras ampliaciones o expansiones de las instalaciones, con objeto de garantizar la seguridad en las instalaciones eléctricas. Por ejemplo, una instalación aparente en tubos metálicos o charolas es mucho más flexible que una instalación enterrada en el piso. 

 1.2.4 Accesible 

Una instalación bien diseñada debe tener las previsiones necesarias para permitir el acceso a todas aquellas partes que pueden requerir mantenimiento. Por ejemplo, espacios para montar y desmontar equipos grandes y pasillos en la parte posterior de los tableros entere otros. También se entiende por accesibilidad el que se cuente con todos los elementos que permitan entender el diseño de la instalación, es decir, la especificación completa de todos los planos y diagramas necesarios. 

 1.2.5 Económica 

Los proyectos de ingeniería tienen que considerar las implicaciones económicas. Esto quiere decir que el ingeniero frente a cualquier proyecto, debe pensar en su realización con la mayor dedicación posible. 

 1.2.6 Mediciones y ensayos de la instalación

En esta etapa de la supervisión se recurre al uso de instrumentos para verificar, entre otros detalles, el estado de las aislaciones y puestas a tierra, factores de gran importancia para la seguridad de los usuarios de la instalación eléctrica. Las Normas prescriben los ensayos indicados a seguir y recomiendan la manera cómo proceder en su aplicación. Dentro de los ensayos y mediciones se recomienda considerar las siguientes: 

• Continuidad de los conductores de las tierras de servicio y de protección y de las conexiones equipotenciales. 
• Separación eléctrica de los circuitos. 
• Medición de la resistencia de los electrodos de la tierra de protección. 
• Verificación de las características de los dispositivos de protección contra contactos indirectos y directos. 
• Verificación de las características de los dispositivos contra cortocircuito y sobrecargas.
• Ensayos de tensión. 
• Ensayos de funcionamiento.  

1.2.7 Cumplir con los requisitos de la normatividad vigente NOM-001-SEDE-2012

1.3 Clasificación de las instalaciones eléctricas

Las instalaciones eléctricas se clasifican de diferentes formas, a continuación se detallan las relativas al nivel de voltaje y el ambiente de lugar de instalación, aunque podrían señalarse otras: por su duración (temporales y definitivas), por su modo de operación (normal o de emergencia) o por su construcción (abierta, aparente y oculta). 

 1.3.1 Niveles de voltaje 

De acuerdo con el nivel de voltaje se pueden tener los siguientes tipos de instalación: 

a) Instalaciones no peligrosas. Cuando su voltaje es igual o menor que 12 volts. 

b) Instalaciones en baja tensión. Cuando el voltaje con respecto a tierra no excede los 600 volts. 

c) Instalaciones de media tensión. Se encuentra en un rango de 1000 volts hasta 34.5 kV. 

d) Instalaciones de alta tensión. Cuando los voltajes son superiores a los mencionados anteriormente, 

1.3.2 Lugar de instalación 

Las instalaciones eléctricas también pueden clasificarse en comunes y especiales, según el lugar donde se ubiquen: 

a) Las instalaciones comunes pueden ser interiores o exteriores. Las que están a la intemperie deben tener los accesorios necesarios (cubiertas, empaques, sellos, cajas, tuberías y dispositivos de unión) para evitar daños mecánicos y del medio ambiente. 

b) Se consideran instalaciones especiales aquéllas que se encuentran en áreas con ambiente peligroso, se construyen principalmente en fábricas y laboratorios en donde se tiene ambientes corrosivos, polvos o gases explosivos, materias fácilmente inflamables, etc. 

1.4 Normas y Reglamentos 

El diseño de instalaciones eléctricas debe hacerse dentro de un marco legal. Un buen proyecto de ingeniería es una respuesta técnica y económicamente adecuada, que respeta los requerimientos de las normas y códigos aplicables. 

En México la NOM-001 SEDE 2012, editada por la Secretaria de Energía, constituye el marco legal para el proyecto y construcción de instalaciones eléctricas en baja tensión. 

El objetivo de la NOM-001 SEDE 2012, es el de establecer las disposiciones y especificaciones de carácter técnico que deben satisfacer las instalaciones destinadas a la utilización de la energía eléctrica, a fin de que ofrezcan condiciones adecuadas de seguridad para las personas y sus propiedades: protección contra choque eléctrico, efectos térmicos, sobrecorrientes, corrientes de falla, sobretensiones, fenómenos atmosféricos e incendios, entre otros. El cumplimiento de las disposiciones indicadas en esta NOM garantizará el uso de la energía eléctrica en forma segura.

Nota: La Ley de servicio público de energía eléctrica, en su artículo 28, establece que “Corresponde al solicitante del servicio, realizar a su costa y bajo su responsabilidad, las obras e instalaciones destinadas al uso de la energía eléctrica, mismas que deberán satisfacer los requisitos técnicos y de seguridad que fijen las Normas Oficiales Mexicanas”. 

Existen además normas para la fabricación de equipo eléctrico que también deben ser consideras por el proyectistas ya que proporcionan información relativa a las características del equipo, así como los requisitos en una instalación. 

a) En México todo el equipo eléctrico debe cumplir con las normas NMX (Normas Mexicanas), como productos certificados. 

b) Los equipos importados deben cumplir con las normas nacionales, pero conviene conocer las normas de país de origen. El equipo eléctrico importado de EUA está fabricado de acuerdo con las normas NEMA (National Electrical Manufacturers Association o Asociación Nacional de Fabricantes de Equipo Eléctrico de Estados Unidos de América).

1.4.1 El sistema eléctrico de seguridad 

Es así que el marco normativo actual da lugar al sistema eléctrico de seguridad, partiendo de productos seguros (certificados) e instalaciones seguras (verificadas), ha lo cual se deberá sumar el mantenimiento y uso adecuado de las instalaciones (ver figura 1). 

Figura 1.- Sistema de seguridad.

1.5 Especificaciones 

Se conoce como especificaciones al conjunto de dimensiones y características técnicas que definen completamente a una instalación y a todos los elementos que la componen. Las especificaciones deben cumplir con las normas respectivas y no deben dar lugar a confusiones o a interpretaciones múltiples. 

Es una instalación eléctrica, las especificaciones deben contemplar los objetivos para los que fue propuesta. Debido a que las normas son de carácter general, las especificaciones pueden ser más exigentes, ya que se trata de un objetivo determinado. 

Hay usuarios que requieren que su instalación sea diseñada con factores de seguridad muy altos: que nunca falle. Sin embargo, debe procurarse convencerlos de que es suficiente con aplicar correctamente las normas y tomar las previsiones adecuadas. 

1.6 Vida de una instalación eléctrica 

Es fácil entender que la vida de una instalación es el tiempo que transcurre desde su construcción hasta que se vuelve inservible; conocer esta información resulta muy útil porque permite saber cuánto durará la inversión. Sin embargo, es complejo precisar la vida de una instalación ya que influyen muchos factores. Entre otros están: el proyecto, la ejecución, las condiciones de uso, el mantenimiento y el medio ambiente. 

 1.6.1 Proyecto y construcción 

Es indudable que la vida de una instalación se alarga cuando el proyecto contempla previsiones adecuadas para posibles ampliaciones e incluye un sistema confiable de protecciones. 

Por otra parte, después de un buen proyecto se requiere de una construcción correcta (de acuerdo con las especificaciones del proyecto), que impida que la instalación se vuelva inservible prematuramente, una instalación oculta protege mejor los materiales y por tanto tiene mayor duración que una visible, pero esta última es más accesibles cuando se presenta la necesidad de hacer modificaciones. 

Toda instalación se ejecuta conforme un proyecto y cualquier modificación debe estar asentada en los planos para mantenerlos vigentes; de lo contrario resultara cada vez más difícil de localizar el origen de los problemas que se presenten. De hecho puede presentarse el caso que resulte necesario desechar por completo una instalación que ha sufrido modificaciones que no han sido registradas por escrito. 

1.6.2 Materiales Aislantes 

Aunque los elementos de arriba citados tienen impacto sobre la vida de la instalación normalmente se entiende que la duración depende del envejecimiento de los materiales utilizados, principalmente de los materiales aislantes. Estos últimos se utilizan como forros de conductores, cintas de aislar, soportes de varias clases y tipos, cubiertas protectoras y barnices. 

Los materiales aislantes se clasifican en función del grado de estabilidad térmica. Para ellos se define el termino clase de aislamiento que se refiere a la temperatura máxima que puede soportar el material antes de que se presenten cambios irreversibles en su estructura molecular, la mayoría de los aislantes son de naturaleza orgánica y su vida depende del número de recombinaciones moleculares irreversibles, de naturaleza química, que se producen en función del tiempo y de la temperatura. 

Las sobrecargas eléctricas producen alzas de temperatura que de acuerdo con lo mencionado anteriormente tienen un efecto directo en la vida de los materiales aislantes. Las sobrecargas pueden entenderse como demandas de energía mayores a las de diseño, o como cortocircuitos acumulados. 

 1.6.3 Mantenimiento 

Respecto al mantenimiento se puede decir que las instalaciones sencillas prácticamente no lo requieren mientras no haya modificaciones o mal trato. En aquellas instalaciones donde sí se requiere consiste básicamente, en limpieza, renovación de pintura, apriete de uniones, ajuste de contactos y revisión de los elementos de protección. En los transformadores es muy importante revisar periódicamente las características dieléctricas del aceite; en motores y generadores, mantener engrasados los rodamientos y cambiar carbones cuando sea necesario. Por otra parte debe protegerse a los equipos contra los malos tratos que, por ignorancia o descuido, puedan darle los operarios. Es claro que un mantenimiento adecuado y el buen trato alargan la vida de una instalación. 

Los motores, así como otros equipos eléctricos caracterizados por movimientos mecánicos y/o elementos de contacto electromecánico, tienen una vida bastante más corta que las instalaciones entubadas o fijas. 

 1.6.4 Medio Ambiente 

El medio ambiente donde se encuentra una instalación tiene una influencia importante en la de vida de ésta. Las condiciones de humedad, salinidad y contaminación deben ser consideradas en el proyecto. A manera de conclusión se puede decir que una instalación eléctrica producto de un buen proyecto, de una buena construcción y con el mantenimiento adecuado, puede durar tanto como el inmueble donde presta el servicio. 

1.7 Factores de Calidad 

La compañía suministradora de energía eléctrica debe garantizar un servicio que cumpla con ciertos requerimientos mínimos, de tal forma que los usuarios puedan tener la certeza de que sus equipos no sufrirán daños y funcionaran correctamente. 

 1.7.1 Continuidad en el Servicio 

El consumo de energía eléctrica ha adquirido tal importancia en la sociedad moderna que una interrupción del servicio puede causar trastornos importantes y pérdidas económicos cuantiosas. Por esta razón la preocupación primordial del responsable del suministro es evitar interrupciones; aun así algunos requieren de la instalación de plantas eléctricas para cubrir emergencias. 

 1.7.2 Regulación de voltaje 

Los artefactos que utilizan la energía eléctrica están diseñados para operar a un voltaje específico y su funcionamiento será satisfactorio siempre que el voltaje aplicado no varíe más allá de ciertos límites. Existen equipos sensibles a las variaciones de voltaje, entre otros están: lámparas incandescentes, lámparas fluorescentes, equipos electrónicos y calefactores de resistencia. Los motores de inducción son menos sensibles, y pueden operar (con algunas consecuencias) con voltajes 10 % arriba o abajo del valor nominal. 

En algunos caso la compañía suministradora tiene sistemas de regulación automática se voltaje, ya sea con transformadores provistos con cambiadores automáticos de derivaciones (que modifican la relación de transformación) o mediante la conexión y desconexión de banco de capacitores. El problema de la regulación de voltaje no es trivial, ya que requiere de gran habilidad del ingeniero para obtener un diseño que contemple dos situaciones diferentes: la primera cuando todas las cargas demanden su potencia nominal (hora pico de carga) y la segunda cuando la carga conectada es mínima. 

 1.7.3 Control de la Frecuencia 

En Europa, Asia, Oceanía, África y gran parte de América del Sur, la frecuencia de corriente alterna para uso doméstico (en electrodomésticos, etc.) es de 50 Hz. En cambio en América del Norte de 60 Hz. Todos los elementos diseñados para operar a cierta frecuencia pueden verse afectados por la variación de este parámetro. De hecho, una red eléctrica no puede tener variaciones de más de 1% en su frecuencia porque sus plantas generadoras pueden salirse de sincronismo. Este rango de variación es perfectamente aceptable para los consumidores. 

1.7.4 Contenido de Armónicas 

La tensión que se suministra a los usuarios y la corriente resultante de sus equipos deberían se ondas senoidales perfectas de 60 Hz, sin embargo, las no linealidades presentes en el sistema y en las cargas de los usuarios, causan distorsión en las formas de onda de tensión y corriente. Las cargas no lineales producen corrientes no senoidales (alto contenido de armónicas) a pesar de que se alimenten de una tensión senoidal pura. La distorsión de la corriente provoca la distorsión de la tensión cuando fluye por las impedancias de la red eléctrica. 

Las principales causas de la producción de armónicas son las siguientes 

• Distorsión debida a la saturación magnética de materiales. 
• Comportamiento no-lineal de las cargas, es decir, comportamiento de interrupción periódica repetitiva en circuitos eléctricos. 

 Efectos de las armónicas en la red eléctrica desde el punto de vista técnico. 

Desde el punto de vista técnico, las armónicas producen una serie de efectos negativos, que se resumen en lo siguiente: 

• Incremento de pérdidas en la red eléctrica y equipos. 
• Disminución de la vida útil de los equipos. 
• Pérdida de la calidad y de la confiabilidad del sistema eléctrico. 

 Técnicas para mitigar las armónicas en redes eléctricas 

• Utilizar filtros sintonizados 
• Filtros activos 
• Filtros pasivos 

 1.7.5 Desbalance del Voltaje 

En la actualidad la generación y transmisión de la energía eléctrica se hace en tres fases. Esto se debe a las ventajas económicas que un sistema trifásico tiene frente a uno monofásico (una sola fase). De esta manera se generan tres voltajes de la misma magnitud desfasadas 120° en el tiempo, lo que constituye un sistema equilibrado. 

Las cargas trifásicas producen corrientes de la misma magnitud en las tres fases. Este no es el caso de las cargas monofásicas que pueden producir desequilibrios entre las corrientes que circulan por las líneas. Estas cargas que desequilibran el sistema pueden provocar que los voltajes ya no sean iguales en magnitud, y que los ángulos entre ellos cambien. A este fenómeno se le conoce como desbalance de voltaje. 

Un sistema desbalanceado puede ser causa de sobrecalentamiento en los generadores y crear problemas en los equipos de los consumidores (especialmente motores síncronos. Por esta razón las compañías del suministro limitan a los consumidores para que eviten que el desbalance de sus cargas vaya más allá de un 5%. 

Para el estudio de un sistema trifásico desequilibrado se utiliza la teoría de las componentes simétricas, que proporciona las herramientas necesarias para descomponerlo en tres sistemas equilibrados denominados: secuencia directa, secuencia inversa y secuencia cero u homopolar.



Bibliográfia.

Millán, O., & Ramírez, J. (2014). Diseño de laboratorio y elaboración de practicas para la materia de instalaciones eléctricas industriales (Tesis de pregrado). UNAM, CDMX, México.