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Cuaderno Teacutecnico n983226 145
Estudio teacutermico de los
Tableros Eleacutectricos de BT
C Kilindjian
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La Biblioteca Teacutecnica constituye una coleccioacuten de tiacutetulos que recogen las novedades electroteacutecnicasy electroacutenicas Estaacuten destinados a Ingenieros y Teacutecnicos que precisen una informacioacuten especiacutefica omaacutes amplia que complemente la de los cataacutelogos guiacuteas de producto o noticias teacutecnicas
Estos documentos ayudan a conocer mejor los fenoacutemenos que se presentan en las instalaciones lossistemas y equipos eleacutectricos Cada uno trata en profundidad un tema concreto del campo de lasredes eleacutectricas protecciones control y mando y de los automatismos industriales
Puede accederse a estas publicaciones en Internet
httpwwwschneider-electriccomar
La coleccioacuten de Cuadernos Teacutecnicos forma parte de la laquoBiblioteca Teacutecnicaraquo del Grupo Schneider
Advertencia
Los autores declinan toda responsabilidad derivada de la incorrecta utilizacioacuten de las informaciones y esquemasreproducidos en la presente obra y no seraacuten responsables de eventuales errores u omisiones ni de las consecuencias dela aplicacioacuten de las informaciones o esquemas contenidos en la presente edicioacuten
La reproduccioacuten total o parcial de este Cuaderno Teacutecnico estaacute autorizada haciendo la mencioacuten obligatoria laquoReproduccioacutendel Cuaderno Teacutecnico n983226 145 de Schneider Electricraquo
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Cuaderno Teacutecnico no 145
Estudio teacutermico de los tableros eleacutectricos BT
C KILINDJIAN
Ingeniero diplomado en 1986 de la laquoEcole Supeacuterieured983079Energie et Mateacuteriauxraquo de Orleans se incorpora esemismo antildeo a Merlin Gerin en el equipo de ServicioTeacutecnico de la Unidad de Tableros de BT
Como responsable de los estudios teoacutericos de base seocupoacute especialmente de los problemas de transferenciateacutermica y del comportamiento electrodinaacutemico de losequipos de BT
Despueacutes de haber seguido el desarrollo teacutecnico de loscomplementos teacutermicos para envolventes de BT engeneral colabora como experto en temas de temperaturaen el desarrollo de proyectos de la Divisioacuten de Potenciaen BT de Schneider
Trad E Milagrave
Original franceacutes julio 1998
Versioacuten espantildeola febrero 2000Versioacuten argentina mayo 2003
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Terminologiacutea
BT Baja Tensioacuten
IEC Comisioacuten Electroteacutecnica Internacional
CGBT Cuadro General de Baja Tensioacuten
Coeficiente de desclasificacioacuten Para undeterminado aparato razoacuten entre la intensidadteacutermica convencional bajo la envolvente (Ithe) y suintensidad asignada de empleo (Ie o In) Su valordepende de la forma de instalar y de la utilizacioacutendel aparato y de su entorno
Coeficiente de diversidad o de esponjamientoRazoacuten entre la intensidad asignada del interruptorautomaacutetico de entrada y la suma de lasintensidades asignadas de las salidas Estecoeficiente se denomina tambieacuten factor dediversidad
Conjunto de dispositivos de BT Combinacioacuten deuno o maacutes aparatos de conexioacuten a BT con loselementos asociados de comando medicioacutensentildealizacioacuten proteccioacuten regulacioacuten etccompletamente montados bajo la responsabilidaddel fabricante con todas las uniones internasmecaacutenicas y eleacutectricas y sus correspondienteselementos de construccioacuten
CSCDS Conjunto de serie y conjunto derivado deserie (EDS) de equipos de BT definidos por lasnormas las cuales imponen diversas caracteriacutesticasteacutecnicas critetios de disentildeo y de realizacioacuten de losensayos
Envolvente de BT Expresioacuten geneacuterica que designa
los gabinetes tableros de BT Abarca tambieacutenla estructura que permite asegurar la proteccioacuten delos diversos componentes y de los dispositivos en BTcontra ciertas influencias externas y la proteccioacutencontra contactos directos
Grado Celsius oC (antes centiacutegrado)Temperatura con su referencia de 0 oC en latemperatura del hielo fundente y con 100 oC en latemperatura del agua hirviendo a presioacutenatmosfeacuterica normal
Grado Fahrenheit oF Unidad utilizadaparticularmente en el aacuterea de influencia de lospaiacuteses de lengua inglesa Sus puntos de referenciason 32 oF para la temperatura del hielo fundente y212 oF para la temperatura del agua hirviendo apresioacuten atmosfeacuterica normal Para obtener laexpresioacuten de la temperatura Fahrenheit a partir delos grados Celsius debe multiplicarse latemperatura en oC por 9 dividir el resultado por 5 ysumarle 32
Grado Kelvin K Unidad de temperatura del
sistema internacional (SI) Escala absoluta porquesu definicioacuten se deduce de datos fiacutesicos precisosSu graduacioacuten es la misma que la escala Celsiuspero con origen decalado 273 grados la temperaturadel hielo fundente corresponde a 273 K
Intensidad asignada de empleo (Ie oacute In) Para undispositivo dado es la especificada por el fabricante ytiene en cuenta la tensioacuten asignada de empleo lafrecuencia asignada el servicio asignado
Intensidad teacutermica convencional al aire libre(Ith) Es el valor maacuteximo de la intensidad de pruebaa utilizar para los ensayos de calentamiento de uncomponente al aire libre Su valor debe ser almenos igual al valor maacuteximo de la corrienteasignada de empleo para el componente sinenvolvente en servicio durante 8 h
Intensidad teacutermica convencional bajoenvolvente (Ithe) Es el valor de la intensidadfijada por el fabricante que hay que utilizar para losensayos de calentamiento de los componentescuando estaacuten montados bajo una envolventeespecifica Si el material estaacute destinadonormalmente a utilizarse bajo envolvente noespecifica este ensayo no es obligatorio ya quequeda sustituido por el de intensidad teacutermicaconvencional al aire libre (Ith) En este caso elfabricante debe estar en condiciones de suministrarlos valores de intensidad teacutermica bajo envolvente obien el valor del factor de desclasificacioacuten
Juego de barras Expresioacuten geneacutericaque designa el conjunto de conductores riacutegidos de
distribucioacuten de corriente eleacutectrica en el interior deuna envolvente de BT no incluyendo losconductores situados aguas abajo de los dispositivosde maniobra y proteccioacuten
Sistema En el sentido teacutermico de la expresioacuten esla regioacuten del espacio que se toma en consideracioacuteny en la que se estudian los procesos teacutermicos y suevolucioacuten Estaacute limitado por las fronteras reales oficticias que seguacuten el tipo de intercambio que seproduzca en su interior nos permite distinguir entrelos sistemas aislados (sin ninguacuten intercambio deenergiacutea ni de materia a traveacutes de su frontera)sistemas cerrados (uacutenicamente se intercambiaenergiacutea a traveacutes de su frontera por ejemploenvolvente de BT estanca) y sistemas abiertos(eventual intercambio de materia y energiacutea a traveacutes
de su frontera por ejemplo envolvente BTventilada)
Termodinaacutemica Parte de la Fiacutesica que trata de lageneracioacuten transmisioacuten y utilizacioacuten del calor Aquiacutese considera el aspecto de la transmisioacutenexponiendo sucintamente las leyes de transferencia(conduccioacuten conveccioacuten y radiacioacuten) y de lasnociones sobre los meacutetodos para su evaluacioacuten
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Estudio teacutermico de los tableros eleacutectricos de BT
El objetivo de este Cuaderno Teacutecnico es aportar una contribucioacuten a la comprensioacuteny dominio de los problemas teacutermicos que aparecen en un tablero eleacutectrico BT
Empezando por un repaso de las normas y los fenoacutemenos teacutermicos conduccioacuten-radiacioacuten-conveccioacuten se sigue mostrando coacutemo a partir de las teacutecnicas demodelizacioacuten generalmente reservadas a otros dominios es posible realizar unamodelizacioacuten en los tableros de BT
La modelizacioacuten alimenta naturalmente los programas informaacuteticos de ayuda aldisentildeo de gabinetes para equipamiento eleacutectrico
Los resultados obtenidos se comparan con las mediciones reales de temperatura
Finalmente se resalta la metodologiacutea y las posibilidades de la guiacutea IEC 60890
Iacutendice
1 Introduccioacuten 11 Control teacutermico de los tableros eleacutectricos de BT p 6
2 Los problemas teacutermicos en un tablero 21 Causas efectos y soluciones p 7
22 Detalle sobre las normas p 8
3 Comportamiento teacutermico de un 31 Repaso sobre los principales fenoacutemenos teacutermicos p 11
tablero eleacutectrico BT 32 Intercambios al nivel de un tabler o p 14
4 Presentacioacuten de la modelizacioacuten 41 Principio p 15
42 Modelizacioacuten de la conveccioacuten p 16
43 Aplicacioacuten a las envolventes de BT p 17
5 Comportamiento de las fuentes de 51 Los juegos de barras p 18de calor 52 Los dispositivos p 19
6 Meacutetodo de caacutelculo de la temperatura 61 Principio p 21
en el interior de las envolventes 62 Descripcioacuten de los datos a suministrar y de los datos obtenidos p 2163 Configuraciones modelizadas p 22
64 Resultados p 22
65 Resultados experimentales p 25
7 Meacutetodo propuesto por la guiacutea IEC 60890 p 26
8 Conclusioacuten p 28
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1 Introduccioacuten
11 Control teacutermico de los tableros eleacutectricos de BT
Los nuevos meacutetodos de fabricacioacutendesarrollados por la industria en el transcursode los uacuteltimos antildeos (tendencias flujos) hanpuesto en evidencia una nueva nocioacuten laseguridad industrial Este concepto queengloba dos aspectos diferentes la seguridadde las personas y de los bienes y ladisponibilidad de la energiacutea eleacutectrica muestracuando se aplica a procesos complejos lospuntos criacuteticos en los que el funcionamiento
debe estar perfectamente normalizadoEl tablero eleacutectrico es uno de estos puntoscriacuteticos
Hay que destacar que el problema es similar aldel sector terciario
Considerado no hace mucho como un simplepunto de paso se ha convertido en el verdaderocentro neuraacutelgico de las instalaciones eleacutectricasDe su seguridad depende la seguridad delconjunto de la instalacioacuten y con ello de toda laactividad industrial o terciaria
El dominio de su funcionamiento precisaconocer y controlar no soacutelo el funcionamiento desus constituyentes sino tambieacuten las influenciasexternas a las que se ven sometidos
Un tablero eleacutectrico responde a la asociacioacuten de4 elementos fundamentales
la envolvente los dispositivos las conexiones
las funciones que garantizan la sentildealizacioacutenel comando y el tratamiento de la informacioacuten
El tablero eleacutectrico es cada vez maacutes teacutecnicoNecesita unos estudios de base para controlarya desde el disentildeo las condiciones defuncionamiento de sus componentes en unentorno determiando
Estos estudios se refieren entre otros a losaspectos teacutermicos que son el objeto delpresente Cuaderno Teacutecnico
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2 Los problemas teacutermicos de un tablero
El control de los fenoacutemenos teacutermicos es detodos el maacutes importante principalmente por tresrazones
por la tendencia a instalar el materialeleacutectrico bajo envolventes (seguridad) quesuelen ser de material aislante (poco eficacespara disipar el calor)n por la evolucioacuten del equipamiento que
integra cada vez en mayor medida laelectroacutenica cuyas dimensiones se vanreduciendo sistemaacuteticamente
por la tendencia a ocupar el volumen del
tablero al maacuteximo y aumentar el coeficiente dediversidad
21 Causas efectos y soluciones
La temperatura de un material eleacutectrico es elresultado
del efecto Joule (P = I2R) es decir de suresistencia al paso de la corriente de la temperatura ambiente
Los elementos del tablero se disentildea respetandolas normas de fabricacioacuten que definen lastemperaturas maacuteximas que no debenrebasarse para la seguridad de las personastemperatura de la caja y de los oacuterganos demaniobra diferencia maacutexima de temperatura enlos bornes
Todo ello se verifica por ensayos decertificacioacuten de los productos
En un tablero eleacutectrico el material estaacutesometido a condiciones de empleo muydiversas y las causas de sobretemperatura sonmuacuteltiples
La tabla de la figura 1 presenta las causasprincipales sus efectos y las posiblessoluciones
Todo el problema consiste en asegurarse en el
momento del disentildeo del tablero de que todossus componentes funcionaraacuten en unascondiciones de temperatura menos severas quelas liacutemites previstas en las normas deconstruccioacuten Los elementos tales como(interruptores automaacuteticos contactores etc)deberaacuten poder ser atravesados por la corrienteprevista sin ninguacuten problema
Esto puede ocasionar un problema decalentamiento que se manifestaraacute contemperaturas localizadas en diversos puntos deun aparato o de un equipo de BT superiores alos valores limite fijados por las normas odependientes del comportamiento de ciertoscomponentes Un estudio teacutermico de unaenvolvente BT tiene por objetivo principal eldeterminar la intensidad admisible para cadaaparato compatible con sus caracteriacutesticasteniendo en cuenta su entorno defuncionamiento
El otro objetivo de seguridad para las personasy los bienes no debe perderse de vista desdelas dos condicionantes adicionales
disponibilidad de la energiacutea eleacutectrica (sinfuncionamiento intempestivo o nofuncionamiento)
tiempo de vida de los componentes
En definitiva el objetivo a alcanzar consiste enprever con alta fiabilidad el estado defuncionamiento teacutermico del tablero
Para conseguirlo nos apoyaremos en tres tiposde soluciones
n la experiencia del fabricanten los ensayos reales para los tablerosrepetitivos la utilizacioacuten de programas informaacuteticos conlos que es posible determinar en funcioacuten de lascaracteriacutesticas de la envolvente el parintensidad-temperatura para cada una de lasfuentes de calor dispositivos conductores)(capiacutetulo 4) y todo ello en funcioacuten de suposicioacuten y de la temperatura del aire que los
envuelve Es evidente que un programainformaacutetico amparado por la experiencia y losensayos es muy uacutetil ya que permite estudiarcomparativamente las numerosasconfiguraciones de instalaciones posibles yoptimizar el cuadro a realizar desde el punto devista teacutermico y del costo
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Causas Efectos
Proteccioacuten Soluciones
Solucionesaleatoriasposibles conun disentildeoconforme albuen saberhacer delprofesional
NormaIEC 60439
NormaIEC 60634
Conexiones
Destruccioacuten de los conductores
Disparo aleatorio
Verificacioacuten de lasdefectuosas de los dispositivos aguas arriba conexiones
Deteccioacuten decalentamientos
Seccioacuten
Destruccioacuten de los
Ninguna
Dimensionamientoinsuficiente de los conductores correcto de losconductores conductores
Problemas demontaje y demantenimiento
Defecto dedisentildeo de lainstalacioacuten
NormaIEC 60898
Temperatura externa Temperatura interna Alarma Mejorar la ventilacioacutendemasiado elevada del tablero demasiado elevada n Puesta en march del local o del cuadro
Disparo de los releacutes teacutermicos de alguna ventilacioacuten
Envejecimiento de la parte
electroacutenica
Temperatura de las paredesexternas del tablero
excesivamente alta
Coeficiente de Disparo de la proteccioacuten Desconexioacuten Dimensionardiversidad de cabecera del tablero adecuadamente el tablero
elevado
Temperatura internaDesbordamiento del tablero excesiva
de las posibilidades Temperatura de las paredesde la instalacioacuten externas del tablero excesivamente
alta
Cortocircuito Deterioro de los conductores Desconexioacuten de Dimensionar adecuada-o sobrecarga Deterioro de los soportes seguridad mente los conductores
aislantes de las barras
Buena capacidad electro-dinaacutemica de los soportesa temperatura elevada
Eleccioacuten o usoinadecuado dedispositivos
NormaIEC 60947
Error de escalonado
Funcionamiento anormal
Disparo o
Revisar la eleccioacuten de losde las protecciones (disparos) sentildealizacioacuten componentes y su distribucioacuten
o mala disposicioacuten Envejecimiento prematuro Ventilacioacutenfiacutesica
10485731114109917501 Problemas teacutermicos y relacioacuten causaefecto
22 Detalle sobre las normas
Son muchas las normas que abarcan el ampliocampo de la BT por ejemplo la Reglamentacioacuten AEA02 define las reglas a respetar para todas lasinstalaciones de baja tensioacutenen inmuebles
Para los aspectos de definicioacuten y de concepcioacutende los aparatos y conjuntos de BT podemosreferirnos respectivamente
n a las normas de dispositivos por ejemplo laIEC 60947
n a la norma IEC 60439 para los tableros (y
sus montaje) en BT
La norma internacional IEC 60439 se divide en
cinco partes
n IEC 604391 (nov 1992) que reuacutene las reglaspara los conjuntos de serie (CS) y los conjuntosderivados de serie (CDS)
n IEC 604392 (1997) que define las reglaspara las canalizaciones prefabricadas
n IEC 604393 (dic 1990) que comprende la
instalacioacuten de los dispositivos de BT en zonasaccesibles a personas no advertidas
n IEC 604394 (dic 1990) que define las reglas
para las instalaciones en canteras
n IEC 604395 (mar 1996) que se refiere almontaje de redes de distribucioacuten instaladas enel exterior (por ejemplo tableros para aceras o
andenes)
La parte que afecta particularmente a los
tableros de BT es la IEC 604391 editada en 1992
En el aacutembito europeo esta uacuteltima es la base dela mayor parte de normas nacionales (BritishStandard NFC VDE UNE ) En efecto sus
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contenidos transcriben fielmente el texto de lanorma IEC las diferencias corresponden maacutes a
costumbres propias de cada paiacutes que adiferencias causadas por puntos fundamentalesde la norma IEC
El aporte esencial de esta norma ha sido el
definir de forma precisa dos nociones
encaminadas ambas hacia un aumento de laseguridad Eacutestas son
la nocioacuten de conjuntos totalmente ensayadosCS (conjuntos de serie) o parcialmenteensayados CDS (conjuntos derivados de serie)
la nocioacuten de las formas (figura 2)
forma 1 forma 2b
forma 3b forma 4b
Fig 2 Diversas laquoformasraquo seguacuten la norma IEC 60439
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Sin entrar en el detalle podemos decir que losCS corresponden a productos perfectamentedefinidos y fijados tanto a nivel de componentes(planos precisos de cada uno de susconstituyentes) como de su fabricacioacuten (guiacutea de
montaje) y deben satisfacer los ensayos detipo (calentamiento cortocircuito continuidadde masa) definidos por la norma
Los CDS corresponden a conjuntos en los quela estructura de base es un CS con una o variasmodificaciones modificaciones que deben deestar validadas por el caacutelculo o por un ensayoespeciacutefico
La nocioacuten de forma corresponde a unadefinicioacuten precisa de los grados de separacioacutenque pueden encontrarse en un tablero y queaumentan la proteccioacuten de las personas por unano accesibilidad a las partes activas (juegos debarras) Se distinguen 4 tipos de formas quevan desde una ausencia total de separacioacuten(forma 1) hasta un cierre completo de losdiferentes elementos del tablero (forma 4)
Hay que advertir que este encierro incidemuchiacutesimo sobre la componente teacutermica deestos conjuntos
La norma IEC define igualmente el ensayo decalentamiento que debe satisfacer un conjunto
Esta norma precisa las condiciones y los liacutemitesde calentamiento (821 de la norma) que nodeben superar los diferentes componentes delconjunto
Condiciones de ensayo
1048573El conjunto debe estar dispuesto para el usonormal
1048573
La corriente correspondiente al valorasignado se reparte entre los diferenteselementos teniendo en cuenta un factor dediversidad (Kd) variable seguacuten el nuacutemero decircuitos principales
2 le n983226 de circuitos principales le 3 Kd = 09
4 le n983226 de circuitos principales le 5 Kd = 08
6 le n983226 de circuitos principales le 9 Kd = 07
nuacutemero de circuitos principales ge 10 Kd = 06
1048573
Se consigue realmente la estabilizacioacutenteacutermica cuando la variacioacuten de temperatura noexcede de 1oCh Los conductores conectadosa los aparatos deben tener su seccioacutenconforme a las directrices de la norma
1048573Las mediciones de temperatura se efectuacuteancon ayuda de termocuplas
1048573La temperatura ambiente de referencia es de35oC
Con relacioacuten a la temperatura ambiente nodeben excederse los calentamientos
70 K para los bornes de conexioacuten de losconductores exteriores 25 K para los oacuterganos de mando manual de
material aislante 30 K oacute 40 K para las superficies metaacutelicasexternas accesibles o no
valores especiacuteficos particulares para losconstituyentes incorporados y tambieacuten para losaislantes en contacto con los conductores
Hay que sentildealar todaviacutea un tema denormalizacioacuten la existencia de una guiacutea teacutecnicade predeterminacioacuten de los calentamientos (IEC60890) Ha estado validada por numerososensayos ya que no tiene la categoriacutea de norma
La guiacutea da resultados correctos para unasconfiguraciones simples (envolvente pococompartimentada fuentes de caloruniformemente repartidas) En el capiacutetulo 7
se hace una presentacioacuten de este meacutetodo asiacutecomo una comparacioacuten con nuestro meacutetodo deproyectista de laquotablerosraquo
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3 Comportamiento teacutermico de un tablero eleacutectrico en BT
Un tablero eleacutectrico es un sistema compuestode un fluido (el aire) y de cuerpos soacutelidos en losque el paso de corriente eleacutectrica vaacompantildeada de peacuterdidas de energiacutea queprovocan una elevacioacuten de temperatura
31 Repaso sobre los principales fenoacutemenos teacutermicos
Los intercambios teacutermicos permiten describir elcomportamiento de un sistema cualquiera en elque el sistema es un tablero eleacutectrico
Contemplan tres tipos de fenoacutemenos diferentes
Fenoacutemeno de conduccioacuten que corresponde auna transferencia de calor al interior de cuerpossoacutelidos (figura 3) Se distinguen
por una parte los fenoacutemenos de conduccioacutensimple para los que el cuerpo considerado noes la base de ninguacuten fenoacutemeno teacutermico porejemplo conduccioacuten al interior de un muro
por otra parte los fenoacutemenos de conduccioacutenviva donde el cuerpo estudiado es la base deuna creacioacuten de calor por ejemplo barra decobre recorrida por una corriente eleacutectrica
Los caacutelculos relativos a la transmisioacuten de calorpor conduccioacuten se basan en la ley de Fourierque para las geometriacuteas simples se reduce a larelacioacuten
917501ij 1114109 1048573S Ti
T j 1048573d
La evolucioacuten hacia el equilibrio teacutermico serealiza por transferencia del calor desde laspartes activas dispositivos conductores)donde se genera dicho calor hacia las partesen contacto con el exterior que lo transmiten asu alrededor al medio que los rodea
siendoΦij = flujo caloacuterico transmitido entre dos puntos i y j enW λ = conductividad teacutermica en Wm oC S = superficie de transmisioacuten en m2 Ti T j = temperaturas de los dos puntos en oC d = distancia entre los dos puntos en m λ es una caracteriacutestica del medio laquoconductorraquo Su valor es funcioacuten de la temperatura pero a
menudo se considera como una constante
Por ejemplo algunos valores de λ en Wm oC
Plata λ = 420
Cobre λ = 385
Aluminio λ = 203
Acero λ = 45
Materiales plaacutesticos λ = 02
Asfalto λ = 0935
Piedra λ = 0657
Lana de vidrio λ = 0055
Aire (30 oC) λ = 0026
10485731114109917501 Impedancia de las conexiones
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Fenoacutemeno de radiacioacuten corresponde a latransferencia de calor entre cuerpos soacutelidosseparados por un medio maacutes o menostransparente (figura 4)
Estos intercambios que se establecen entre lassuperficies de cuerpos cualesquiera dispuestosuno frente a otro se representan por relacionesbastante complejas en las que intervienen
la emisioacuten del soacutelido que si es consideradocomo un cuerpo negro no es funcioacuten de sutemperatura
los estados de superficie representado pormedio del coeficiente de emisividad e quecaracteriza el grado de las superficies de estoscuerpos con referencia al cuerpo negro
los fenoacutemenos de reflexioacuten y de absorcioacuten
la disposicioacuten de las superficies unasrespecto a las otras por la intermediacioacuten de losfactores de forma
Sin embargo en el caso particular de unasuperficie (por ejemplo j) que envuelvecompletamente a la otra (i) y tal que la razoacutenSiS j sea de valor bajo estas expresiones sesimplifican y se llega a
Φi = εi σ Si (Ti4 - T j
4)
siendo
Φi = flujo de calor transmitido a traveacutes de la
superficie Si en W εi = coeficiente de emisividad en la superficie S i
σ = constante de Stefan-Boltzmann
(567032 x 10-8 W m-2 K-4) Si = superficie en m2 Ti T j = temperatura de las superficies en
transmisioacuten en K
Fenoacutemenos de conveccioacuten bajo el teacutermino
general de conveccioacuten se funden de hecho dos
fenoacutemenos diferentes que a menudo se auacutenan
el fenoacutemeno de conveccioacuten propiamentedicho que corresponde a una transferencia decalor entre un cuerpo soacutelido y un fluido enmovimiento Seguacuten el origen del movimiento delfluido se distingue la conveccioacuten natural y laconveccioacuten forzada (figura 5)
Estas transferencias se caracterizan por loscoeficientes de intercambio hi
Φi = hi Si (Tf - Ti)
siendo
Φi = flujo de calor transferido a la superficie Si
en W hi = coeficiente de intercambio en Wm2 oC Tf Ti = temperaturas del fluido y de la superficie
de transferencia en oC
Desde un punto de vista fiacutesico el problema de
intercambio de calor por conveccioacuten estaacute
fuertemente relacionado a un problema de
mecaacutenica de fluidos
10485731114109917501 Fenoacutemenos de radiacioacuten
10485731114109917501 Fenoacutemenos de conveccioacuten
Desde un punto de vista praacutectico el problemapuede abordarse simplemente por utilizacioacuten decoeficientes de intercambio donde la expresioacutenhace intervenir
1048573 los paraacutemetros que describen la
transferencia de flujo del fluido (velocidad)1048573 las propiedades fiacutesicas del fluido(conductividad teacutermica viscosidad dinaacutemicacapacidad caloriacutefica masa volumeacutetrica)asociadas a menudo bajo forma de nombressin dimensioacuten o caracteriacutesticas (como NusseltPrandtl Reynolds Grasshof)
Por ejemplo expresioacuten del coeficiente deintercambio en conveccioacuten natural para unageometriacutea simple placa plana vertical de alturaL a una temperatura uniforme
Nu h =
Dh
siendo
Nu = nuacutemero de Nusselt 053(GrPr)025 dondeGr y Pr son respectivamente los nuacutemeros deGrasshof y de Prandtl funcioacuten de laspropiedades fiacutesicas del fluido y del salto detemperatura entre el fluido y la superficie detransmisioacuten
λ = conductividad teacutermica del fluido (Wm oC)Dh = dimensioacuten caracteriacutestica (m)
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Habitualmente esta magnitud corresponde a lamayor dimensioacuten del cuerpo soacutelido en contactocon el fluido en movimiento aquiacute L
Importante Es interesante notar que elcoeficiente de intercambio depende del salto detemperatura solamente a la potencia 025 Portanto h = K(∆t)025
el fenoacutemeno de movimientos convectivosque corresponde a la transferencia de calor enel seno de un fluido por medio de los bucles deconveccioacuten que explican por ejemplo elgradiente de temperatura observado entre laspartes baja y alta de un volumen de fluidocerrado sede de fenoacutemenos teacutermicos
Los movimientos de aire entre dos voluacutemenes iy j se caracterizan por las diferencias de masafuncioacuten de las secciones de paso y de lavelocidad de circulacioacuten (figura 6)
La transferencia de calor se representa por
Φij = M cp (Ti - T j)
siendo
Φij flujo de calor transferido entre i y j en W
M circulacioacuten maacutesica en kgs
cp capacidad caloriacutefica del fluido en Jkg oCTi T j temperatura del fluido en los voluacutemenes iy j en oC
Nota la transferencia de calor viene impuestapor el sentido de circulacioacuten
Expresioacuten de la velocidad del fluido en el casode la conveccioacuten natural el fluido se pone enmovimiento entre los puntos i y j por susvariaciones de masa volumeacutetrica con la
temperatura La velocidad se supone seraacute proporcional a las
citadas variaciones funcioacuten de la diferencia de
temperatura entre i y j
V 1114109Cste g Dij ij
siendo
∆ρ ρ variacioacuten relativa de masa volumeacutetricag aceleracioacuten de la gravedad en ms2Dij distancia entre los dos puntos i y j en m
Ademaacutes si se supone que el fluido consideradotiene un comportamiento de gas perfectoentonces
∆ρρ = β (Ti T j) de donde
Vij 1114109
Cste Ti
T j 1048573
g Dij
1siendo 1114109
(en caso de un gasTi T j 1048573 2
perfecto)
Ti T j temperatura del fluido en ordmK
Estas foacutermulas corresponden a movimientos de
voluacutemenes de fluidos ascendentes o
descendentes En el caso de movimiento de
fluido junto a una pared se trata de un
problema doble teacutermico-hidraacuteulico que puede
resolverse en algunos casos de forma analiacutetica
(desplazamiento laminar a lo largo de una
pared)
En este caso la velocidad del fluido a lo largo de
la pared presenta una expresioacuten similar es
decir es proporcional a una diferencia de
temperaturas (fluido-pared)
Ver en la terminologiacutea como repaso la
definicioacuten grado Celsius Kelvin y Fahrenheit
10485731114109917501 Fenoacutemenos del movimiento de conveccioacuten
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32 intercambios al nivel de un Tablero
En el esquema de la figura 7 se presentan loselementos que constituyen el sistema
estudiado aire ambiente envolvente aireinterno y las diferentes fuentes de calor Estadescripcioacuten del estado teacutermico del tablero nos
muestra que todos los fenoacutemenos deintercambios descritos hasta aquiacute debentenerse en cuenta y estaacuten fuertementeinterrelacionados
Por ejemplo
la temperatura del aire interno resulta
1048573de los intercambios por conveccioacuten entre elaire interno y las superficies de los diferentesdispositivos de los conductores y de las paredes
1048573del calor transportado por los movimientosconvectivos del aire
Al nivel de la dispositivos el calor generadopor efecto Joule es intercambiado
1048573por conveccioacuten entre su superficie deintercambio y el aire interno
1048573por conduccioacuten entre las barras y los cables
1048573por radiacioacuten con las paredes de laenvolvente y las superficies de los otrosdispositivos
Los fenoacutemenos maacutes importantes que
intervienen en el comportamiento del conjuntoson los fenoacutemenos de conveccioacuten
Temp ambiental
Paredes del local
s
Envolvente
Conduccioacuten
Radiacioacuten
Conveccioacuten
Movimientos de conveccioacuten
s
Temp interior
Conductores
JdB horizvert Dispositivos
t( (
t
10485731114109917501 Comportamiento teacutermico de una emvolvente
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4 Presentacioacuten de la modelizacioacuten
41 Principio
Todos los meacutetodos de resolucioacuten se basan en eldesarrollo de un sistema de modelizar enbloques elementales que es un meacutetodo deMonte-Carlo de diferencias finitas o deelementos finitos
El meacutetodo empleado el anaacutelisis nodal estaacutededucido de una aproximacioacuten a las diferenciasfinitas Esta teacutecnica si bien claacutesica presenta elintereacutes de poder representar el comportamientoteacutermico de un sistema complejo teniendo encuenta las interacciones entre las diferentespartes o componentes que lo constituyen
Por ejemplo puede utilizarse en dominios muydiversos para describir el comportamiento de unsateacutelite artificial de un motor eleacutectrico lascondiciones climaacuteticas en el interior de uncentro de transformacioacuten o de un edificio devarias viviendas
En principio este meacutetodo consiste endescomponer el sistema estudiado endiferentes voluacutemenes isoteacutermicosdenominados nudos A cada nudo se asociandiferentes paraacutemetros entre otros unatemperatura y eventualmente un aporte decalor independiente de los intercambiosteacutermicos Seguidamente se efectuacutean unosacoplamientos entre nudos es decir losdiferentes intercambios entre los voluacutemenesque nos permiten escribir unas ecuaciones debalance (conservacioacuten de la energiacutea y demateria en el elemento de volumen unido a unnudo determinado) Este meacutetodo quecorresponde de hecho a una discretizacioacutenespacial del sistema nos conduce a definir unared teacutermica con sus nudos sus capacidades
Magnitudes teacutermicas Magnitudes eleacutectricas
Temperatura Potencial
Resisteacutencia teacutermica Resistencia eleacutectrica
sus fuentes de calor sus conductancias quetraducen los diferentes acoplamientos entrenudos (analogiacutea entre los fenoacutemenos eleacutectricosy teacutermicos) (figura 8)
Se llega asiacute a un sistema de ecuacionesemparejadas eventualmente no lineales quenos permitiraacuten definir una matriz la matriz deadmitancia teacutermica Soacutelo falta entoncesprecisar los valores numeacutericos de los elementosde esta matriz que corresponden a lasconductancias teacutermicas
Expresioacuten de las conductancias por tipo deintercambio
Conduccioacuten Gij = λ i Sij Dij
Radiacioacuten Gij = α σ ε S Fij (Ti + T j)(Ti2 + T j
2)
Conveccioacuten Gij = hi Sij
Movimiento convectivo Gij = M cp
Expresioacuten del flujo teacutermico equivalente de laintensidad eleacutectrica
1I1114109 1048573U
R
1 2 3 4
Nudo 1 aire interiorNudos 2 y 3 paredes interiores y exterioresNudo 4 aire ambiente exterior
representa los intercambiospor conduccioacuten
representa los intercambios
por conveccioacuten
representa los intercambiosFlujo de calor Corrientepor desplazamiento del aire
U representa el aporte de calorΦ = G (T2 - T1) I1114109
1 1048573R en el nudo 1
repesenta la capacidad caloriacuteficaCapacidad teacutermica Capacidad eleacutectricaasociada a cada nudo
10485731114109917501 Correspondencia entre magnitudes teacutermicas y 10485731114109917501 Representacioacuten nodal simplificada -modelizacioacuten
eleacutectricas de una pieza
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Φij = Gij (Ti + T j)
siendo
Φij = flujo energeacutetico intercambiado entre los
nudos i y j
Gij = conductancia entre i y j funcioacuten del tipo de
intercambio considerado
Ti T j = temperaturas asociadas a los nudos i y j respectivamente
Tomamos como ejemplo la modelizacioacuten de
una pieza en la que hay una fuente de calor
Se ha descompuesto este sistema en 4 nudos
1 para el aire interno 2 para las paredes (interna y externa) 1 para el aire ambiente exterior
Representacioacuten nodal (simplificada) en lafigura 9
Ecuaciones que traducen los flujos teacutermicospara este sistema simple
nudo 1
Q1 - h12 S12 (T1 - T2) + M41cp (T4 - T1)
- M14cp (T1 - T4) = 1 V1 cp1 T1
nudo 2
2 S23- (T2 - T3) =
d23
h12 S12 (T1 - T2)
= 2 V2 cp2 T2
42 Modelizacioacuten de la conveccioacuten
Como se ha indicado anteriormente en elcapiacutetulo 2 en el teacutermino de conveccioacuten seemparejan a menudo dos fenoacutemenos(intercambios cuerpo-fluido e intercambios en elmismo fluido)
nudo 3
2 S23- (T2 - T3) - h34 S34 (T3 - T4) =
d23
= 2 V2 cp2 T2
nudo 4
h34 S34 (T3 - T4) + M14cp (T1 - T4)
- M41cp (T4 - T1) = 4 V4 cp4 T4
Importante los teacuterminos T i que corresponden adTidtla expresioacuten Estos teacuterminos no se toman
en consideracioacuten ya que soacutelo interesa elreacutegimen permanente es decir con lastemperaturas estabilizadas
A partir de estas ecuaciones se deduce elsistema de ecuaciones [G] [T] = [R]correspondiente seguro a
Φij = Gij (Ti - T j)
donde
G la matriz de admitancia teacutermicaT el vector de temperaturas desconocidasR el vector de las solicitaciones impuestas(fuentes de calor Q1 temperatura )
Este tipo de proceso ha permitido elaborar loscoacutedigos de caacutelculo y las reglas propias a losproblemas teacutermicos de los edificios
La modelizacioacuten de los intercambios porconveccioacuten debe dividirse en dos partes unadescribiendo las peacuterdidas maacutesicas (movimientosde aire) y otra describiendo los intercambiosteacutermicos (coeficientes de intercambio) con unadependencia mutua entre ellos por transferenciamaacutesicateacutermica ((figura 10)
Movimientos del aire Esquema nodal correspondiente que muestralos dos aspectos de la conveccioacuten
10485731114109917501 Modelizacioacuten maacutesica y teacutermica de la conveccioacuten
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43 Aplicacioacuten a las envolventes en BT
Distinguimos para la modelizacioacuten dos grandesgrupos de envolventes
Envolventes no compartimentadasEn este caso el esquema nodalcomo se muestra en la figura 11 es semejanteal del esquema de la figura 10 integrando lasfuentes de calor
Envolventes fuertemente compartimentadoscon o sin ventilacioacuten natural
A nivel de modelizacioacuten son posibles dosplanteamientos
n bien modelizando cada zona del tablerocomo se ha visto anteriormente asociando enconjunto los diferentes voluacutemenes Este sistemaconduce a matices demasiado complicadoscuando como es normal aparecen una decena
de zonas a asociar
aireambiente
10485731114109917501 Envolvente no-cerrada
o bien tratando el sistema globalmente sinmodelizar los bucles de conveccioacuten en el
interior de los diferentes voluacutemenes y noteniendo en cuenta la circulacioacuten de aire entrezonas (figura 12)
Estas modelizaciones nos han conducido aelaborar programas informaacuteticos adaptados acada tipo de envolvente Todos estosprogramas estaacuten estructurados de la mismaforma
Antes de entrar maacutes en detalle en la utilizacioacutende un programa (capiacutetulo 6) conviene conocermejor las fuentes de calor (juegos de barrasaparatos ) para determinar el nivel defuncionamiento real de un cuadro
abertura
aireambiente
zona A zona B
zona A zona B
10485731114109917501 Caso de una envolvente cerrada
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5 Comportamiento de las fuentes de calor Caracteriacutesticas
Las fuentes de calor consideradas en lamodelizacioacuten son los juegos de barras losconductores de interconexioacuten y los aparatoseleacutectricos
Referente a estos uacuteltimos los consideramoscomo laquolas cajas negrasraquo disipando caloriacuteas y
51 Los juegos de barras
Los juegos de barras se calculan de forma queverifiquen dos condiciones poder soportar el paso de la corrientenominal necesaria sin provocar uncalentamiento de las barras que pueda provocarun deterioro de los aislantes que soportan lasbarras Por ejemplo las barras pueden estardimensionadas de forma que no superen enreacutegimen permanente una temperatura de110983226C valor este que es enteramentedependiente de la naturaleza de los materialesaislantes en contacto con las barras porejemplo los soportes La tabla de la figura 13da para una temperatura ambiente de 50983226C y65983226C unos valores de temperatura para los
juegos de barras poder soportar una corriente de cortocircuitosin provocar deformaciones notables en lasbarras rotura de los soportes aislantes ocalentamiento excesivo
no como nudos de la modelizacioacuten Es decirque no se calcula su temperatura defuncionamiento sino la intensidad maacutexima quepueden soportar para una configuracioacuten deinstalacioacuten determinada con el fin de no exceder
su temperatura liacutemite de utilizacioacuten
La segunda condicioacuten corresponde a unproblema de esfuerzos electrodinaacutemicos ypuede estudiarse separadamente aunque laprimera necesita conocer el nivel defuncionamiento del conjunto
En particular hay que tener en cuenta latemperatura del aire que envuelve las barraspara dimensionarlas de forma precisa y evitarque sobrepasen una temperatura criacutetica que esfuncioacuten principalmente de la naturaleza delmaterial utilizado para los soportes
Asiacute conociendo la temperatura del aire en lasdiferentes zonas del tablero podemosdeterminar la temperatura delas barras en funcioacuten de sus caracteriacutesticas(dimensiones forma disposicioacuten) y validar eldimensionamiento
Importante En referencia a los caacutelculos de flujoteacutermico se considera que las barras disipan elcalor principalmente por conveccioacuten y radiacioacutenal aire interno
Temperatura Seccioacuten Intensidad Potencia Temperaturaaprox de las barras disipada (A) de las barras (W) (oC)
50 1 barra 100 x 5 1000 45 79
50 1 barra 100 x 5 1500 107 109
50 3 barras 100 x 5 1500 10 65
50 3 barras 100 x 5 3400 61 110
65 1 barra 100 x 5 1000 45 92
65 3 barras 100 x 5 1500 11 80
10485731114109917501 Valores teacutermicos relativos a un juego de barras de una longitud de 1 m situados en un ambiente dado
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52 Los Dispositivos
En los tableros de distribucioacuten eleacutectrica los
interruptores automaacuteticos constituyen el nuacutecleoprincipal de los dispositivos de potencia Ellos ylos demaacutes componentes como por ejemplo loscontactores disipan
Examinemos con maacutes detalle los interruptores
automaacuteticos frente a los problemas teacutermicos La potencia disipada es proporcional alcuadrado de la intensidad que los recorre
2sus caloriacuteas cuando son recorridos por la IPW PNcorriente eleacutectrica In
La tabla de la figura 14 nos facilita a tiacutetuloindicativo algunos valores de potencia disipadapor fase (por polo)
Interruptores automaacuteticosPotencia medida con watiacutemetro y no calculada a partirde la medida de la resistencia
In (A) 250 400 630 800
Pw - versioacuten fija 141 19 40 416
con In en 197 30 52 58versioacuten desenchufable
Contactores
I
n (A) 265 400 630 780Pw con In 22 45 48 60
10485731114109917501 Potencia disipada por polo a In en la
aparamenta claacutesica
Electroacutenico
Desplazamientovoluntario
compensado
Bimetal simple
donde PN representa la potencia disipada a laintensidad nominal de empleo In
La intensidad nominal de empleo (In) de uninterruptor automaacutetico corresponde a unatemperatura ambiente determinada por ejemplo40oC fijada por la norma de construccioacuten Dehecho para ciertos interruptores automaacuteticos latemperatura ambiente correspondiente a Inpuede alcanzar e incluso sobrepasar los 50ordmC dato
que debe dar una seguridad por ejemplo enlos paiacuteses caacutelidos
la intensidad de funcionamiento (Ith o Ithe)puede variar en funcioacuten de la temperaturaambiente y seguacuten el tipo de releacute teacutermico simpleteacutermico compensado electroacutenico (figura 15) loque puede permitir definir una corriente maacuteximade empleo diferente de In
Los paraacutemetros que intervienen en ladeterminacioacuten de desplazamiento portemperatura tienen en cuenta ademaacutes de latemperatura del aire alrededor del dispositivo (T i)
la temperatura liacutemite (TL) de los
componentes internos del interruptorautomaacutetico
1048573 temperatura maacutexima de funcionamiento delbimetal para un interruptor automaacutetico con releacutetermomagneacutetico
1048573 temperatura de los componenteselectroacutenicos para interruptores automaacuteticos conreleacute electroacutenico incorporado
1048573 la temperatura no debe transmitirse a losmateriales plaacutesticos los maacutes sensibles en uninterruptor automaacutetico con electroacutenicaintercambiable (releacute exteriorinterruptor abierto)Estas temperaturas liacutemite estaacuten comprendiasentre 100 y 150oC
la razoacuten entre la Ir del releacute y la corriente realde disparo cuando eacuteste estaacute a la temperatura
Bimetal
T TN
TN temperatura nominal de funcionamiento
T L temperatura liacutemite de funcionamiento
de definicioacuten de In K1Ir (figura 16)In
T ambiente
L
las secciones de los cables o las barras deconexioacuten que juegan un papel de radiador Suinfluencia se toma en cuenta para un coeficiente10485731114109917501 Curvas de desplazamiento tipo de los releacutes enK2funcioacuten de la temperatura
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Importante Debe tenerse en cuenta que laseccioacuten de los conductores utilizados esraramente igual a la que se emplea para losensayos de certificacioacuten de los interruptoresautomaacuteticos
El desplazamiento que tiene en cuenta estosdiversos criterios puede expresarsematemaacuteticamente
Foacutermula de desplazamiento
El interruptor automaacutetico y sus conductores deconexioacuten disipan esencialmente por conveccioacuten
Aparece por ello la relacioacuten
W1 = h S (TL - Ti)
siendo
W1 potencia disipada en W para un aparatoconectado dentro de una envolvente con unvolumen de aire a la temperatura T i
h = coeficiente de intercambio en Wm2 983226C
S superficie de intercambio en m2TL temperatura del punto caliente en 983226C (porejemplo el bimetal)
Ti temperatura del aire interno alrededor delaparato en 983226C
h = Cste S (TL - Ti)α
de donde W1 = Cste S (TL - Ti)1+α
Cuando el aparato se halla al aire libre a 40983226Cse tiene una relacioacuten similar
W2 = Cste S (TL - 40)1+α
de donde
1
1 L i W T
T
W T
402
L
Ademaacutes se sabe que1 = RIthe
2 y que W2 = RIr 2
W TL -T
y por tanto Ithe 1114109Ir
i
TL - 40
siendo Ithe la intensidad que recorre el aparato
Id = K1 x In y β = (1 + α)2
β coeficiente que caracteriza el tipo de dispositivoSe determina experimentalmente o por unanaacutelisis maacutes fino del comportamiento teacutermicodel elemento Su valor estaacute comprendido entre02 y 07
Relacioacuten final integrando ademaacutes el efecto
de las secciones (coeficiente K2)
TL
T iI 1114109
I K K
the n 1 2 TL
40
Los datos que corresponden alcomportamiento del interruptor automaacutetico y queintervienen en esta foacutermula estaacuten en losficheros que utiliza el programa informaacutetico alcalcular las temperaturas en el interior deltablero
tteacutermico
magneacutetico
curvaliacutemitedel cable
CR
LR
t
curvaliacutemitedel cable
retardocorto
retardolargo
Ir Irm Icu I Ir Irm Iins Icu I
ILR ICRIr = ajuste del releacute teacutermicoIrm = ajuste del releacute magneacutetico
zona
zona de
zona desobre-Icu = poder de corte uacuteltimo normal cortocircuitoscarga
10485731114109917501 Curvas de disparo de un interruptor automaacutetico
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6 Meacutetodo de caacutelculo de la temperatura en las envolventes
La modelizacioacuten presentada hasta ahora debeservir de base al desarrollo de nuestro meacutetodode caacutelculo que debe permitirnos determinar elfuncionamiento real del tablero (intensidadmaacutexima en cada derivacioacuten) y con ello utilizarel conjunto al maacuteximo con una seguridadgarantizada
61 Principio
El programa se desarrolla con dos bucles deiteraciones imbricadas con el fin de determinarel nivel permanente El primero concierne a laresolucioacuten del problema teacutermico el otro a loscoeficientes de desplazamiento
El esquema de caacutelculo se presenta en la figura17
1983210 etapa descripcioacuten de la configuracioacuten esdecir tipo de envolvente utilizado nuacutemero dedispositivos y su posicioacuten relativa A este nivel elprograma utiliza el fichero de aparatos pararecuperar los datos descritos con anterioridad
2983210 etapa descomposicioacuten de la envolvente ensus voluacutemenes isotermos (nudos de lamodelizacioacuten nodal)
3983210 etapa inicio de los nuacutecleos de iteracioacuten concaacutelculo
de la potencia disipada (en la primeraiteracioacuten los coeficientes de desplazamiento setoman igual a 1)
de los coeficientes de la matriz de admitanciaa partir de las ecuaciones de balance
de las temperaturas internas (resolucioacuten delproblema teacutermico)
Como acostumbra a suceder en teacutermica lasnumerosas relaciones entre paraacutemetrosprecisan de una definicioacuten iterativa con laelaboracioacuten de un programa del que vamos apresentar el principio
de los nuevos coeficientes dedesplazamiento comparaacutendolos con losanteriores Si el salto se juzga poco importante(prueba de paro de la iteracioacuten) se procede a unnuevo bucle calculando las nuevasintensidades que atraviesan cada aparato denuevo la potencia disipada
4983210 etapa salida de los resultados
Descripcioacuten de la configuracioacutenestudiada
Intensidad
Potencia disipadadentro de la envolvente
Coeficientes dedesplazamiento
Temperaturasiinteriores
10485731114109917501 Principio de funcionamiento de los programas
62 Descripcioacuten de los datos a suministrar y de los resultados obtenidos
Datos
tipo de envolvente ymaterial
iacutendice de proteccioacuten
temperatura ambiente alrededor de laenvolvente
nuacutemero de filas de dispositivos
denominacioacuten de los aparatos que permitensu localizacioacuten en el fichero
configuracioacuten del tablero y posicioacuten de los
dispositivos
Resultados
eleccioacuten de un juego de barras horizontal yvertical (seccioacuten) e intensidad en estas barras
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potencia teacutermica total disipada en el tablero
coeficiente de desplazamiento para cadadispositivo debido a las intensidades circulantes
eventualmente la temperatura alcanzada por
las barras y su nivel en las diferentes zonas deltablero
63 Configuraciones modelizadas
Es bien sabido que en un programa como elque se indica no pueden considerarse todas lasconfiguraciones de instalacioacuten imaginablesSolamente se consideran las maacutes comunes esdecir las que permiten responder al 90 de loscasos deseados Un ejemplo en la figura 18
Configuracioacuten 1 Configuracioacuten 2 Configuracioacuten 3sin aparato de entrada aparato de entrada
en posicioacuten altaaparato de entradaen posicioacuten baja
10485731114109917501 Configuraciones modelizadas
64 Resultados
Este progreso en el caacutelculo informaacutetico demodelos es especialmente interesante porquepermite efectuar los diversos estudios
Estudio detallado de una configuracioacutendeterminada para optimizar la posicioacuten de undispositivo o la eleccioacuten de un juego de barrasconocer la potencia disipada por el conjuntopara dimensionar una climatizacioacuten adaptada
El ejemplo siguiente se ha efectuado con unacolumna de un cuadro industrial de potenciacompartimentado forma 2 conteniendo
un juego de barras horizontal alimentando un
aparato de entrada y la columna adyacente un aparato de entrada de 2500 A diferentes interruptores automaacuteticos de caja
moldeada
El programa nos facilita entre otros los coeficientes de desplazamiento Kdesp las intensidades que circulan por cadaaparato Ir
Advertencia sobre el coeficiente Kdiv
Este coeficiente nos permite tener en cuenta elcoeficiente de diversidad o de esponjamientoderivacioacuten por derivacioacuten
Es decir los niveles de funcionamiento en uninstante dado de los diferentes aparatos
Por ejemplo en un instante dado 2derivaciones son solicitadas al maacuteximo y lasotras hasta el 05 de sus posibilidadesafectando al sistema teacutermico del conjunto
Los resultados se presentan en la hoja decaacutelculo de la figura 19
Tabla de desplazamiento para unaconfiguracioacuten dada
Esta posibilidad de utilizacioacuten del programasemejante a la utilizacioacuten anterior permite reunirpara una configuracioacuten frecuente losdesplazamientos de los diferentes dispositivosteniendo en cuenta su posicioacuten real en el
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tablero las secciones de los conductoresutilizados los iacutendices de proteccioacuten y de latemperatura ambiente exterior
En la figura 20 se puede ver un ejemplo de uncuadro industrial de potencia con los datosdetallados de los dispositivos instalados en columna
Tabla de desplazamiento para un tipo dedispositivo
Para la mayor parte de interruptoresautomaacuteticos de caja moldeada eldesplazamiento es relativamente independientede la configuracioacuten
Masterbloc MB200 IP = 31
Tabla con aparato de llegada en posicioacuten alta alimentada con JdB horizontal
Referencia Posicioacuten Kdespl Kdiv Ia(A) Or(A)
M25H 1 12 88 1 2200 2200
NS630ST 17 21 93 1 586 518
NS630ST 22 26 96 1 605 534
NS400ST 27 31 1 1 400 353
NS400ST 32 36 1 1 400 353
NS250D250 37 40 1 1 250 221
NS250D250 41 44 1 1 250 221
Juego de barras horizontal
intensidad 2200 A
M 25
NS 630
NS 630
NS 400
NS 400
NS 250
NS 250
seccioacuten 1 4 barras de 100 5
Juego de barras vertical
intensidad 2200 A Temperatura JdB horizontal 95oC
seccioacuten 1 4 barras de 80 5Temperatura JdB vericalTemperatura ambiente
104oC35oC
Temperatura del techo 70oCPotencia total disipada 1953 W Temperatura JdB horizontal 75oCdetalle en dispositivos 593 W Temperatura aparellaje alto 68oC bajo 35oC
en auxiliares 0 W Temperatura auxiliar alto 52oC bajo 35oC juegos de barras + derivaciones 1271 W Temperatura JdB + derivaciones alto 77oC bajo 35oC juego de barras horizontal 89 W Temperatura conexiones alto 58oC bajo 35oC
10485731114109917501 Resultados del caacutelculo para una configuracioacuten determinada
IP31
Tdeg amb 35 40 45 50 55
M25 09 087 084 081 079M16 097 094 091 088 086M08 1 1 1 1 1
IP 4254
Tdeg amb 35 40 45 50 55
M25 079 077 075 073 071M16 087 085 083 081 079M08 1 1 1 1 1
3b 1005
3b 1005
2b 805
2b 805
1b 635
1b 635
3b 1005
4 b
8 0 5
1 b 8
0 5
M 252500 A
M 161600 A
M 08800 A
hueco
x
x
x
10485731114109917501 Desplazamiento de los interruptores automaacuteticos descritos en funcioacuten de la temperatura ambiente
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Los coeficientes de desplazamiento seestablecen por exceso situando los dispositivos enlo alto del tablero o del compartimento
Ver a tiacutetulo de ejemplo la figura 21
Curvas caracteriacutesticas del comportamientoteacutermico de un tipo de envolvente
Se establecen dos tipos graacuteficos
un conjunto de curvas que permitendeterminar la temperatura media en el interiorde una envolvente determinada en funcioacuten de lapotencia disipada y de la temperatura ambienteexterior
En la figura 22 se indican estas curvas para untablero de distribucioacuten no compartimentado
unas curvas que permiten determinar lapotencia que estas envolventes pueden disiparpara un calentamiento definido en funcioacuten desus caracteriacutesticas dimensionales
Ejemplo temperatura ambiente exterior 35 oCcalentamiento maacuteximo admisible ∆Ta = 30 oC
1048573 tablero altura 2 m anchura 09 mprofundidad 04 m
potencia disipable 850 W
1048573 tablero altura 2 m anchura 09 mprofundidad 06 m
potencia disipable 1000 W seguacuten curvas de lafigura 23
IP 31 IP 4254
Tdeg amb 35 40 45 50 55 35 40 45 50 55
NS100 100 100 100 100 95 100 95 90 85 80
NS160 160 155 150 145 140 150 140 135 125 120
NS250 235 225 220 210 200 205 195 180 170 165
NS400 380 370 360 350 340 350 340 330 320 310
NS630 540 520 510 500 485 485 475 465 450 440
10485731114109917501 Ejemplo de intensidades de corriente (en A) de disparo de interruptores automaacuteticos Compact NS
instalados dentro de una envolvente de BT determinada
Temperaturamedia en oC
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Tamb 60oC
Tamb 55oC
Tamb 50o
CTamb 45oCTamb 40oCTamb 35oC
Tamb 25oC
Dimensiones de
la envolventealto 2 mancho 09 mprofundo 04 m
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Potencia disipada en vatios
10485731114109917501 Temperatura media del aire en el interior de un armario de distribucioacuten metaacutelico IP2 y de forma 1
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Envolvente de 400 mmde profundidad
Potencia disipadaen vatios
1600
1400 T = 40oC
1200
1000 T = 30oC
800
T = 20oC600
400T = 10oC
200
800 900 1000 1100
Anchura en mm
Envolvente de 600 mmde profundidad
Potencia disipadaen vatios
1600 T = 40o
C
1400T = 30oC
1200
1000
T = 20oC1000
600
400 T = 10oC
200
800 900 1000 1100
Anchura en mm
10485731114109917501 Potencia disipable por calentamiento en una envolvente dada en funcioacuten de su anchura Curvas que se
refieren a un gabinete metaacutelico de formas 1 de 2 metros de altura
65 Resultados experimentales
Se han efectuado ensayos de calentamiento enel laboratorio Ampegravere de ASEFA con diversostipos de envolventes cofrets de plancha oplaacutestico armarios Prisma tableros de
distribucioacuten MasterblocDurante estos ensayos se han medido
temperaturas
1048573del aire en diferentes zonas de la envolvente
1048573de los conductores juego de barras yderivaciones
1048573de los puntos calientes de los dispositivos(bimetal ambiente electroacutenico)
intensidades
paraacutemetros que intervienen en lamodelizacioacuten en particular los coeficientes deintercambio aireparedes
Estas mediciones han permitido por una parte
verificar la conformidad a la norma IIEC 604311 deciertos valores (liacutemites de calentamientomencionados en el capiacutetulo 12 sobre lasnormas) y por otra parte para validar el modelo
En lo referente a las temperaturas del aire ladiferencia entre los valores medidos ycalculados depende del tipo de envolventemodelizada ya que al nivel de la modelizacioacuten
los supuestos difieren seguacuten que se considerelas envolventes compartimentadas o no
Sobre el conjunto de ensayos efectuados encuadros de diferentes formas(compartimentados o no) las diferenciasmaacuteximas constatadas han sido siempreinferiores a 6983226C
Las temperaturas calculadas para los juegos debarras muestran tambieacuten una concordancia conlas mediciones y han permitido validar elprograma informaacutetico
En referencia a las intensidades lasdesviaciones en valor medio son inferiores al5 En una homologacioacuten reciente de unaconfiguracioacuten de cuadro Masterbloc encalentamiento el programa ha permitido preverel nivel de funcionamiento del cuadro
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7 Meacutetodo propuesto por el documento IEC 60890
No hace mucho tiempo atras los gabinetes eleacutectricos
se escogiacutean equipaban y llenaban en funcioacutende la experiencia tambieacuten en lo que se refierea la tasa de llenado y a la variacioacuten de latemperatura en el tablero durante elfuncionamiento
Por ejemplo Temperatura exterior maacutexima
30983226C y 60983226C en el interior (los fabricantes de
aparamenta dan de margen hasta los 60983226C)
Esta praacutectica conduciacutea o a una pobre utilizacioacuten
del material o a actuaciones intempestivas de
las protecciones tenieacutendose la necesidad de
trabajar con las puertas abiertas
El meacutetodo propuesto por la recomendacioacuten
IEC aunque no se trate de una norma sino de
una guiacutea es de un intereacutes evidente Se
presenta detalladamente en el anexo de la
norma NFC 63410 o en la recomendacioacuten de la
IEC Ndeg 60890
Debemos de recordar los fundamentosmostrando los liacutemites y comparando con elmeacutetodo presentado en este Cuaderno Teacutecnico
En principio este meacutetodo se aplica aenvolventes a las que se puedan aplicar lassiguientes hipoacutetesis
reparto uniforme de la potencia disipada
el equipamiento se dispone de manera que no sedificulte la circulacioacuten de aire
no maacutes de 3 separaciones horizontales
Datos necesarios
dimensiones de la envolvente
potencia disipada en el interior (equipamiento
conductores)
tipo de instalacioacuten (envolvente aislada osituado en un extremo) (figura 24)
Caacutelculo
la temperatura se calcula uacutenicamente en 2
puntos de la envolvente
a media altura
T05 = Ta + ∆T050804siendo ∆T05 = dk Pw
d es un coeficiente que tiene en cuenta laexistencia de separaciones horizontales
1048573Si Ae lt 125 m2 d =1 (definicioacuten de Ae queveremos inmediatamente)
Si Ae gt 125 m2
Factor de repartode temperatura c165
116 2
3155 4
515
145
14
135
13
125
12
115
11
105
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Factor fCurvaTipo de instalacioacuten
1 Tapas separadas quitadas por todos los lados 3 Tapas separadas en montaje mural 2 Primera o uacuteltima tapa quitada
3 Tapa central quitada
5 Tapa central en montaje mural 4 Tapa central en montaje mural y con la parte
superior abierta
10485731114109917501 Factor de distribucioacuten de temperatura c para
envolventes sin orificios de ventilacioacuten y con una
superficie efectiva de enfriamiento A gt 125 m2 e
Valor de la superficie efectiva Constantede refrigeracioacuten Ae en m 2 de envolvente k
0 4
038
1 036
03415 032
2 03
028
3
25
026
4 024
5 022
6 0278 018
10 016
12 01414
01201
008
100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650
Seccion de los orificios de entrada de aire en cm2
10485731114109917501 Constante de la envolvente k para una
envolvente con orificio de ventilacioacuten y una superficie
efectiva de enfriamiento A gt 125 m2 e
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d = 1 con o sin orificios de ventilacioacuten sin
ninguna separacioacuten
d = 105 con o sin orificios de ventilacioacuten para
1 de separacioacuten
d = 115 oacute 110 con orificios de ventilacioacuten para 2 separaciones
d = 130 oacute 115 con orificios de ventilacioacuten para
3 separaciones
k es una constante que caracteriza laenvolvente su valor se determina con aacutebacos(figura 25) y es funcioacuten de la superficie deintercambio de la envolvente Ae (m2)
Ae = Σ Aob oacute Ao es la superficie geomeacutetrica delas diferentes paredes de la envolvente
b es una constante que tiene en cuenta el tipode instalacioacuten
Valores de b
1048573parte superior abierta b = 14
1048573
parte superior cubierta b = 071048573paredes laterales abiertas b = 09
1048573paredes laterales tapadas b = 05
1048573paredes laterales deenvolventes centrales b = 05
1048573parte inferior b = 0
Pw potencia disipada en Watt en la partealta de la envolvente
T1 = Ta + ∆T1
siendo ∆T1 = c ∆T05 o ∆T05 representa elcalentamiento precedente
c es una constante de calentamientodeterminada a partir de aacutebacos
Por ejemplo en el aacutebaco de la figura 24 c es
funcioacuten de Ae y de uno de los factores f o g
f = h135
(L P) si Ae gt 125 m2
g = h135L si Ae lt 125 m2
Liacutemites
Los liacutemites esenciales de este meacutetodo son
que se aplica bien a las envolventes nocompartimentadas de tipo gabinete y no a los
tableros de potencia muy compartimentados
que no tiene en cuenta la posicioacuten de lasfuentes de calor que la mayor parte de vecesno estaacuten repartidas de forma uniforme
Comparacioacuten con nuestra aproximacioacuten
Se constata que las aproximaciones danresultados similares para los tableros no
compartimentados y con fuentes de calorrepartidas (figura 26)
En lo que se refiere a las envolventes muycerradas la localizacioacuten de las fuentes de calory los intercambios entre las diferentes zonasinfluyen mucho en el calentamiento
Temperatura en oC
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Temperatura calculada seguacuten la norma
Temperatura calculada con el programa de MG
Temperatura del aire ambiente 35 oC
Dimensiones de la envolvente
alto 2 m
ancho 09 m
profundo 04 m
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
Potenciadisipada en Watt
Fig 26 Temperatura del aire a media altura en un tablero metaacutelico de distribucioacuten IP2 y de la forma 1
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8 Conclusioacuten
La importancia de los tableros eleacutectricos en la
distribucioacuten no hay que demostrarla
En cuanto a la disponibilidad de la energiacutea
eleacutectrica y de la seguridad de funcionamiento resulta indiscutible que el control teacutermico de los
tableros eleacutectricos es un objetivo fundamental
Las normas que se refieren a las envolventes ya los productos determinan los liacutemites teacutermicosque no hay que sobrepasar
Les queda a los profesionales convertirse enlaquoarquitectos teacutermicosraquo del disentildeo de lasenvolventes y tableros eleacutectricos hoy es ya
cosa hecha incluso para los tableros de serie
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La Biblioteca Teacutecnica constituye una coleccioacuten de tiacutetulos que recogen las novedades electroteacutecnicasy electroacutenicas Estaacuten destinados a Ingenieros y Teacutecnicos que precisen una informacioacuten especiacutefica omaacutes amplia que complemente la de los cataacutelogos guiacuteas de producto o noticias teacutecnicas
Estos documentos ayudan a conocer mejor los fenoacutemenos que se presentan en las instalaciones lossistemas y equipos eleacutectricos Cada uno trata en profundidad un tema concreto del campo de lasredes eleacutectricas protecciones control y mando y de los automatismos industriales
Puede accederse a estas publicaciones en Internet
httpwwwschneider-electriccomar
La coleccioacuten de Cuadernos Teacutecnicos forma parte de la laquoBiblioteca Teacutecnicaraquo del Grupo Schneider
Advertencia
Los autores declinan toda responsabilidad derivada de la incorrecta utilizacioacuten de las informaciones y esquemasreproducidos en la presente obra y no seraacuten responsables de eventuales errores u omisiones ni de las consecuencias dela aplicacioacuten de las informaciones o esquemas contenidos en la presente edicioacuten
La reproduccioacuten total o parcial de este Cuaderno Teacutecnico estaacute autorizada haciendo la mencioacuten obligatoria laquoReproduccioacutendel Cuaderno Teacutecnico n983226 145 de Schneider Electricraquo
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Cuaderno Teacutecnico no 145
Estudio teacutermico de los tableros eleacutectricos BT
C KILINDJIAN
Ingeniero diplomado en 1986 de la laquoEcole Supeacuterieured983079Energie et Mateacuteriauxraquo de Orleans se incorpora esemismo antildeo a Merlin Gerin en el equipo de ServicioTeacutecnico de la Unidad de Tableros de BT
Como responsable de los estudios teoacutericos de base seocupoacute especialmente de los problemas de transferenciateacutermica y del comportamiento electrodinaacutemico de losequipos de BT
Despueacutes de haber seguido el desarrollo teacutecnico de loscomplementos teacutermicos para envolventes de BT engeneral colabora como experto en temas de temperaturaen el desarrollo de proyectos de la Divisioacuten de Potenciaen BT de Schneider
Trad E Milagrave
Original franceacutes julio 1998
Versioacuten espantildeola febrero 2000Versioacuten argentina mayo 2003
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Terminologiacutea
BT Baja Tensioacuten
IEC Comisioacuten Electroteacutecnica Internacional
CGBT Cuadro General de Baja Tensioacuten
Coeficiente de desclasificacioacuten Para undeterminado aparato razoacuten entre la intensidadteacutermica convencional bajo la envolvente (Ithe) y suintensidad asignada de empleo (Ie o In) Su valordepende de la forma de instalar y de la utilizacioacutendel aparato y de su entorno
Coeficiente de diversidad o de esponjamientoRazoacuten entre la intensidad asignada del interruptorautomaacutetico de entrada y la suma de lasintensidades asignadas de las salidas Estecoeficiente se denomina tambieacuten factor dediversidad
Conjunto de dispositivos de BT Combinacioacuten deuno o maacutes aparatos de conexioacuten a BT con loselementos asociados de comando medicioacutensentildealizacioacuten proteccioacuten regulacioacuten etccompletamente montados bajo la responsabilidaddel fabricante con todas las uniones internasmecaacutenicas y eleacutectricas y sus correspondienteselementos de construccioacuten
CSCDS Conjunto de serie y conjunto derivado deserie (EDS) de equipos de BT definidos por lasnormas las cuales imponen diversas caracteriacutesticasteacutecnicas critetios de disentildeo y de realizacioacuten de losensayos
Envolvente de BT Expresioacuten geneacuterica que designa
los gabinetes tableros de BT Abarca tambieacutenla estructura que permite asegurar la proteccioacuten delos diversos componentes y de los dispositivos en BTcontra ciertas influencias externas y la proteccioacutencontra contactos directos
Grado Celsius oC (antes centiacutegrado)Temperatura con su referencia de 0 oC en latemperatura del hielo fundente y con 100 oC en latemperatura del agua hirviendo a presioacutenatmosfeacuterica normal
Grado Fahrenheit oF Unidad utilizadaparticularmente en el aacuterea de influencia de lospaiacuteses de lengua inglesa Sus puntos de referenciason 32 oF para la temperatura del hielo fundente y212 oF para la temperatura del agua hirviendo apresioacuten atmosfeacuterica normal Para obtener laexpresioacuten de la temperatura Fahrenheit a partir delos grados Celsius debe multiplicarse latemperatura en oC por 9 dividir el resultado por 5 ysumarle 32
Grado Kelvin K Unidad de temperatura del
sistema internacional (SI) Escala absoluta porquesu definicioacuten se deduce de datos fiacutesicos precisosSu graduacioacuten es la misma que la escala Celsiuspero con origen decalado 273 grados la temperaturadel hielo fundente corresponde a 273 K
Intensidad asignada de empleo (Ie oacute In) Para undispositivo dado es la especificada por el fabricante ytiene en cuenta la tensioacuten asignada de empleo lafrecuencia asignada el servicio asignado
Intensidad teacutermica convencional al aire libre(Ith) Es el valor maacuteximo de la intensidad de pruebaa utilizar para los ensayos de calentamiento de uncomponente al aire libre Su valor debe ser almenos igual al valor maacuteximo de la corrienteasignada de empleo para el componente sinenvolvente en servicio durante 8 h
Intensidad teacutermica convencional bajoenvolvente (Ithe) Es el valor de la intensidadfijada por el fabricante que hay que utilizar para losensayos de calentamiento de los componentescuando estaacuten montados bajo una envolventeespecifica Si el material estaacute destinadonormalmente a utilizarse bajo envolvente noespecifica este ensayo no es obligatorio ya quequeda sustituido por el de intensidad teacutermicaconvencional al aire libre (Ith) En este caso elfabricante debe estar en condiciones de suministrarlos valores de intensidad teacutermica bajo envolvente obien el valor del factor de desclasificacioacuten
Juego de barras Expresioacuten geneacutericaque designa el conjunto de conductores riacutegidos de
distribucioacuten de corriente eleacutectrica en el interior deuna envolvente de BT no incluyendo losconductores situados aguas abajo de los dispositivosde maniobra y proteccioacuten
Sistema En el sentido teacutermico de la expresioacuten esla regioacuten del espacio que se toma en consideracioacuteny en la que se estudian los procesos teacutermicos y suevolucioacuten Estaacute limitado por las fronteras reales oficticias que seguacuten el tipo de intercambio que seproduzca en su interior nos permite distinguir entrelos sistemas aislados (sin ninguacuten intercambio deenergiacutea ni de materia a traveacutes de su frontera)sistemas cerrados (uacutenicamente se intercambiaenergiacutea a traveacutes de su frontera por ejemploenvolvente de BT estanca) y sistemas abiertos(eventual intercambio de materia y energiacutea a traveacutes
de su frontera por ejemplo envolvente BTventilada)
Termodinaacutemica Parte de la Fiacutesica que trata de lageneracioacuten transmisioacuten y utilizacioacuten del calor Aquiacutese considera el aspecto de la transmisioacutenexponiendo sucintamente las leyes de transferencia(conduccioacuten conveccioacuten y radiacioacuten) y de lasnociones sobre los meacutetodos para su evaluacioacuten
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Estudio teacutermico de los tableros eleacutectricos de BT
El objetivo de este Cuaderno Teacutecnico es aportar una contribucioacuten a la comprensioacuteny dominio de los problemas teacutermicos que aparecen en un tablero eleacutectrico BT
Empezando por un repaso de las normas y los fenoacutemenos teacutermicos conduccioacuten-radiacioacuten-conveccioacuten se sigue mostrando coacutemo a partir de las teacutecnicas demodelizacioacuten generalmente reservadas a otros dominios es posible realizar unamodelizacioacuten en los tableros de BT
La modelizacioacuten alimenta naturalmente los programas informaacuteticos de ayuda aldisentildeo de gabinetes para equipamiento eleacutectrico
Los resultados obtenidos se comparan con las mediciones reales de temperatura
Finalmente se resalta la metodologiacutea y las posibilidades de la guiacutea IEC 60890
Iacutendice
1 Introduccioacuten 11 Control teacutermico de los tableros eleacutectricos de BT p 6
2 Los problemas teacutermicos en un tablero 21 Causas efectos y soluciones p 7
22 Detalle sobre las normas p 8
3 Comportamiento teacutermico de un 31 Repaso sobre los principales fenoacutemenos teacutermicos p 11
tablero eleacutectrico BT 32 Intercambios al nivel de un tabler o p 14
4 Presentacioacuten de la modelizacioacuten 41 Principio p 15
42 Modelizacioacuten de la conveccioacuten p 16
43 Aplicacioacuten a las envolventes de BT p 17
5 Comportamiento de las fuentes de 51 Los juegos de barras p 18de calor 52 Los dispositivos p 19
6 Meacutetodo de caacutelculo de la temperatura 61 Principio p 21
en el interior de las envolventes 62 Descripcioacuten de los datos a suministrar y de los datos obtenidos p 2163 Configuraciones modelizadas p 22
64 Resultados p 22
65 Resultados experimentales p 25
7 Meacutetodo propuesto por la guiacutea IEC 60890 p 26
8 Conclusioacuten p 28
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1 Introduccioacuten
11 Control teacutermico de los tableros eleacutectricos de BT
Los nuevos meacutetodos de fabricacioacutendesarrollados por la industria en el transcursode los uacuteltimos antildeos (tendencias flujos) hanpuesto en evidencia una nueva nocioacuten laseguridad industrial Este concepto queengloba dos aspectos diferentes la seguridadde las personas y de los bienes y ladisponibilidad de la energiacutea eleacutectrica muestracuando se aplica a procesos complejos lospuntos criacuteticos en los que el funcionamiento
debe estar perfectamente normalizadoEl tablero eleacutectrico es uno de estos puntoscriacuteticos
Hay que destacar que el problema es similar aldel sector terciario
Considerado no hace mucho como un simplepunto de paso se ha convertido en el verdaderocentro neuraacutelgico de las instalaciones eleacutectricasDe su seguridad depende la seguridad delconjunto de la instalacioacuten y con ello de toda laactividad industrial o terciaria
El dominio de su funcionamiento precisaconocer y controlar no soacutelo el funcionamiento desus constituyentes sino tambieacuten las influenciasexternas a las que se ven sometidos
Un tablero eleacutectrico responde a la asociacioacuten de4 elementos fundamentales
la envolvente los dispositivos las conexiones
las funciones que garantizan la sentildealizacioacutenel comando y el tratamiento de la informacioacuten
El tablero eleacutectrico es cada vez maacutes teacutecnicoNecesita unos estudios de base para controlarya desde el disentildeo las condiciones defuncionamiento de sus componentes en unentorno determiando
Estos estudios se refieren entre otros a losaspectos teacutermicos que son el objeto delpresente Cuaderno Teacutecnico
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2 Los problemas teacutermicos de un tablero
El control de los fenoacutemenos teacutermicos es detodos el maacutes importante principalmente por tresrazones
por la tendencia a instalar el materialeleacutectrico bajo envolventes (seguridad) quesuelen ser de material aislante (poco eficacespara disipar el calor)n por la evolucioacuten del equipamiento que
integra cada vez en mayor medida laelectroacutenica cuyas dimensiones se vanreduciendo sistemaacuteticamente
por la tendencia a ocupar el volumen del
tablero al maacuteximo y aumentar el coeficiente dediversidad
21 Causas efectos y soluciones
La temperatura de un material eleacutectrico es elresultado
del efecto Joule (P = I2R) es decir de suresistencia al paso de la corriente de la temperatura ambiente
Los elementos del tablero se disentildea respetandolas normas de fabricacioacuten que definen lastemperaturas maacuteximas que no debenrebasarse para la seguridad de las personastemperatura de la caja y de los oacuterganos demaniobra diferencia maacutexima de temperatura enlos bornes
Todo ello se verifica por ensayos decertificacioacuten de los productos
En un tablero eleacutectrico el material estaacutesometido a condiciones de empleo muydiversas y las causas de sobretemperatura sonmuacuteltiples
La tabla de la figura 1 presenta las causasprincipales sus efectos y las posiblessoluciones
Todo el problema consiste en asegurarse en el
momento del disentildeo del tablero de que todossus componentes funcionaraacuten en unascondiciones de temperatura menos severas quelas liacutemites previstas en las normas deconstruccioacuten Los elementos tales como(interruptores automaacuteticos contactores etc)deberaacuten poder ser atravesados por la corrienteprevista sin ninguacuten problema
Esto puede ocasionar un problema decalentamiento que se manifestaraacute contemperaturas localizadas en diversos puntos deun aparato o de un equipo de BT superiores alos valores limite fijados por las normas odependientes del comportamiento de ciertoscomponentes Un estudio teacutermico de unaenvolvente BT tiene por objetivo principal eldeterminar la intensidad admisible para cadaaparato compatible con sus caracteriacutesticasteniendo en cuenta su entorno defuncionamiento
El otro objetivo de seguridad para las personasy los bienes no debe perderse de vista desdelas dos condicionantes adicionales
disponibilidad de la energiacutea eleacutectrica (sinfuncionamiento intempestivo o nofuncionamiento)
tiempo de vida de los componentes
En definitiva el objetivo a alcanzar consiste enprever con alta fiabilidad el estado defuncionamiento teacutermico del tablero
Para conseguirlo nos apoyaremos en tres tiposde soluciones
n la experiencia del fabricanten los ensayos reales para los tablerosrepetitivos la utilizacioacuten de programas informaacuteticos conlos que es posible determinar en funcioacuten de lascaracteriacutesticas de la envolvente el parintensidad-temperatura para cada una de lasfuentes de calor dispositivos conductores)(capiacutetulo 4) y todo ello en funcioacuten de suposicioacuten y de la temperatura del aire que los
envuelve Es evidente que un programainformaacutetico amparado por la experiencia y losensayos es muy uacutetil ya que permite estudiarcomparativamente las numerosasconfiguraciones de instalaciones posibles yoptimizar el cuadro a realizar desde el punto devista teacutermico y del costo
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Causas Efectos
Proteccioacuten Soluciones
Solucionesaleatoriasposibles conun disentildeoconforme albuen saberhacer delprofesional
NormaIEC 60439
NormaIEC 60634
Conexiones
Destruccioacuten de los conductores
Disparo aleatorio
Verificacioacuten de lasdefectuosas de los dispositivos aguas arriba conexiones
Deteccioacuten decalentamientos
Seccioacuten
Destruccioacuten de los
Ninguna
Dimensionamientoinsuficiente de los conductores correcto de losconductores conductores
Problemas demontaje y demantenimiento
Defecto dedisentildeo de lainstalacioacuten
NormaIEC 60898
Temperatura externa Temperatura interna Alarma Mejorar la ventilacioacutendemasiado elevada del tablero demasiado elevada n Puesta en march del local o del cuadro
Disparo de los releacutes teacutermicos de alguna ventilacioacuten
Envejecimiento de la parte
electroacutenica
Temperatura de las paredesexternas del tablero
excesivamente alta
Coeficiente de Disparo de la proteccioacuten Desconexioacuten Dimensionardiversidad de cabecera del tablero adecuadamente el tablero
elevado
Temperatura internaDesbordamiento del tablero excesiva
de las posibilidades Temperatura de las paredesde la instalacioacuten externas del tablero excesivamente
alta
Cortocircuito Deterioro de los conductores Desconexioacuten de Dimensionar adecuada-o sobrecarga Deterioro de los soportes seguridad mente los conductores
aislantes de las barras
Buena capacidad electro-dinaacutemica de los soportesa temperatura elevada
Eleccioacuten o usoinadecuado dedispositivos
NormaIEC 60947
Error de escalonado
Funcionamiento anormal
Disparo o
Revisar la eleccioacuten de losde las protecciones (disparos) sentildealizacioacuten componentes y su distribucioacuten
o mala disposicioacuten Envejecimiento prematuro Ventilacioacutenfiacutesica
10485731114109917501 Problemas teacutermicos y relacioacuten causaefecto
22 Detalle sobre las normas
Son muchas las normas que abarcan el ampliocampo de la BT por ejemplo la Reglamentacioacuten AEA02 define las reglas a respetar para todas lasinstalaciones de baja tensioacutenen inmuebles
Para los aspectos de definicioacuten y de concepcioacutende los aparatos y conjuntos de BT podemosreferirnos respectivamente
n a las normas de dispositivos por ejemplo laIEC 60947
n a la norma IEC 60439 para los tableros (y
sus montaje) en BT
La norma internacional IEC 60439 se divide en
cinco partes
n IEC 604391 (nov 1992) que reuacutene las reglaspara los conjuntos de serie (CS) y los conjuntosderivados de serie (CDS)
n IEC 604392 (1997) que define las reglaspara las canalizaciones prefabricadas
n IEC 604393 (dic 1990) que comprende la
instalacioacuten de los dispositivos de BT en zonasaccesibles a personas no advertidas
n IEC 604394 (dic 1990) que define las reglas
para las instalaciones en canteras
n IEC 604395 (mar 1996) que se refiere almontaje de redes de distribucioacuten instaladas enel exterior (por ejemplo tableros para aceras o
andenes)
La parte que afecta particularmente a los
tableros de BT es la IEC 604391 editada en 1992
En el aacutembito europeo esta uacuteltima es la base dela mayor parte de normas nacionales (BritishStandard NFC VDE UNE ) En efecto sus
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contenidos transcriben fielmente el texto de lanorma IEC las diferencias corresponden maacutes a
costumbres propias de cada paiacutes que adiferencias causadas por puntos fundamentalesde la norma IEC
El aporte esencial de esta norma ha sido el
definir de forma precisa dos nociones
encaminadas ambas hacia un aumento de laseguridad Eacutestas son
la nocioacuten de conjuntos totalmente ensayadosCS (conjuntos de serie) o parcialmenteensayados CDS (conjuntos derivados de serie)
la nocioacuten de las formas (figura 2)
forma 1 forma 2b
forma 3b forma 4b
Fig 2 Diversas laquoformasraquo seguacuten la norma IEC 60439
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Sin entrar en el detalle podemos decir que losCS corresponden a productos perfectamentedefinidos y fijados tanto a nivel de componentes(planos precisos de cada uno de susconstituyentes) como de su fabricacioacuten (guiacutea de
montaje) y deben satisfacer los ensayos detipo (calentamiento cortocircuito continuidadde masa) definidos por la norma
Los CDS corresponden a conjuntos en los quela estructura de base es un CS con una o variasmodificaciones modificaciones que deben deestar validadas por el caacutelculo o por un ensayoespeciacutefico
La nocioacuten de forma corresponde a unadefinicioacuten precisa de los grados de separacioacutenque pueden encontrarse en un tablero y queaumentan la proteccioacuten de las personas por unano accesibilidad a las partes activas (juegos debarras) Se distinguen 4 tipos de formas quevan desde una ausencia total de separacioacuten(forma 1) hasta un cierre completo de losdiferentes elementos del tablero (forma 4)
Hay que advertir que este encierro incidemuchiacutesimo sobre la componente teacutermica deestos conjuntos
La norma IEC define igualmente el ensayo decalentamiento que debe satisfacer un conjunto
Esta norma precisa las condiciones y los liacutemitesde calentamiento (821 de la norma) que nodeben superar los diferentes componentes delconjunto
Condiciones de ensayo
1048573El conjunto debe estar dispuesto para el usonormal
1048573
La corriente correspondiente al valorasignado se reparte entre los diferenteselementos teniendo en cuenta un factor dediversidad (Kd) variable seguacuten el nuacutemero decircuitos principales
2 le n983226 de circuitos principales le 3 Kd = 09
4 le n983226 de circuitos principales le 5 Kd = 08
6 le n983226 de circuitos principales le 9 Kd = 07
nuacutemero de circuitos principales ge 10 Kd = 06
1048573
Se consigue realmente la estabilizacioacutenteacutermica cuando la variacioacuten de temperatura noexcede de 1oCh Los conductores conectadosa los aparatos deben tener su seccioacutenconforme a las directrices de la norma
1048573Las mediciones de temperatura se efectuacuteancon ayuda de termocuplas
1048573La temperatura ambiente de referencia es de35oC
Con relacioacuten a la temperatura ambiente nodeben excederse los calentamientos
70 K para los bornes de conexioacuten de losconductores exteriores 25 K para los oacuterganos de mando manual de
material aislante 30 K oacute 40 K para las superficies metaacutelicasexternas accesibles o no
valores especiacuteficos particulares para losconstituyentes incorporados y tambieacuten para losaislantes en contacto con los conductores
Hay que sentildealar todaviacutea un tema denormalizacioacuten la existencia de una guiacutea teacutecnicade predeterminacioacuten de los calentamientos (IEC60890) Ha estado validada por numerososensayos ya que no tiene la categoriacutea de norma
La guiacutea da resultados correctos para unasconfiguraciones simples (envolvente pococompartimentada fuentes de caloruniformemente repartidas) En el capiacutetulo 7
se hace una presentacioacuten de este meacutetodo asiacutecomo una comparacioacuten con nuestro meacutetodo deproyectista de laquotablerosraquo
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3 Comportamiento teacutermico de un tablero eleacutectrico en BT
Un tablero eleacutectrico es un sistema compuestode un fluido (el aire) y de cuerpos soacutelidos en losque el paso de corriente eleacutectrica vaacompantildeada de peacuterdidas de energiacutea queprovocan una elevacioacuten de temperatura
31 Repaso sobre los principales fenoacutemenos teacutermicos
Los intercambios teacutermicos permiten describir elcomportamiento de un sistema cualquiera en elque el sistema es un tablero eleacutectrico
Contemplan tres tipos de fenoacutemenos diferentes
Fenoacutemeno de conduccioacuten que corresponde auna transferencia de calor al interior de cuerpossoacutelidos (figura 3) Se distinguen
por una parte los fenoacutemenos de conduccioacutensimple para los que el cuerpo considerado noes la base de ninguacuten fenoacutemeno teacutermico porejemplo conduccioacuten al interior de un muro
por otra parte los fenoacutemenos de conduccioacutenviva donde el cuerpo estudiado es la base deuna creacioacuten de calor por ejemplo barra decobre recorrida por una corriente eleacutectrica
Los caacutelculos relativos a la transmisioacuten de calorpor conduccioacuten se basan en la ley de Fourierque para las geometriacuteas simples se reduce a larelacioacuten
917501ij 1114109 1048573S Ti
T j 1048573d
La evolucioacuten hacia el equilibrio teacutermico serealiza por transferencia del calor desde laspartes activas dispositivos conductores)donde se genera dicho calor hacia las partesen contacto con el exterior que lo transmiten asu alrededor al medio que los rodea
siendoΦij = flujo caloacuterico transmitido entre dos puntos i y j enW λ = conductividad teacutermica en Wm oC S = superficie de transmisioacuten en m2 Ti T j = temperaturas de los dos puntos en oC d = distancia entre los dos puntos en m λ es una caracteriacutestica del medio laquoconductorraquo Su valor es funcioacuten de la temperatura pero a
menudo se considera como una constante
Por ejemplo algunos valores de λ en Wm oC
Plata λ = 420
Cobre λ = 385
Aluminio λ = 203
Acero λ = 45
Materiales plaacutesticos λ = 02
Asfalto λ = 0935
Piedra λ = 0657
Lana de vidrio λ = 0055
Aire (30 oC) λ = 0026
10485731114109917501 Impedancia de las conexiones
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Fenoacutemeno de radiacioacuten corresponde a latransferencia de calor entre cuerpos soacutelidosseparados por un medio maacutes o menostransparente (figura 4)
Estos intercambios que se establecen entre lassuperficies de cuerpos cualesquiera dispuestosuno frente a otro se representan por relacionesbastante complejas en las que intervienen
la emisioacuten del soacutelido que si es consideradocomo un cuerpo negro no es funcioacuten de sutemperatura
los estados de superficie representado pormedio del coeficiente de emisividad e quecaracteriza el grado de las superficies de estoscuerpos con referencia al cuerpo negro
los fenoacutemenos de reflexioacuten y de absorcioacuten
la disposicioacuten de las superficies unasrespecto a las otras por la intermediacioacuten de losfactores de forma
Sin embargo en el caso particular de unasuperficie (por ejemplo j) que envuelvecompletamente a la otra (i) y tal que la razoacutenSiS j sea de valor bajo estas expresiones sesimplifican y se llega a
Φi = εi σ Si (Ti4 - T j
4)
siendo
Φi = flujo de calor transmitido a traveacutes de la
superficie Si en W εi = coeficiente de emisividad en la superficie S i
σ = constante de Stefan-Boltzmann
(567032 x 10-8 W m-2 K-4) Si = superficie en m2 Ti T j = temperatura de las superficies en
transmisioacuten en K
Fenoacutemenos de conveccioacuten bajo el teacutermino
general de conveccioacuten se funden de hecho dos
fenoacutemenos diferentes que a menudo se auacutenan
el fenoacutemeno de conveccioacuten propiamentedicho que corresponde a una transferencia decalor entre un cuerpo soacutelido y un fluido enmovimiento Seguacuten el origen del movimiento delfluido se distingue la conveccioacuten natural y laconveccioacuten forzada (figura 5)
Estas transferencias se caracterizan por loscoeficientes de intercambio hi
Φi = hi Si (Tf - Ti)
siendo
Φi = flujo de calor transferido a la superficie Si
en W hi = coeficiente de intercambio en Wm2 oC Tf Ti = temperaturas del fluido y de la superficie
de transferencia en oC
Desde un punto de vista fiacutesico el problema de
intercambio de calor por conveccioacuten estaacute
fuertemente relacionado a un problema de
mecaacutenica de fluidos
10485731114109917501 Fenoacutemenos de radiacioacuten
10485731114109917501 Fenoacutemenos de conveccioacuten
Desde un punto de vista praacutectico el problemapuede abordarse simplemente por utilizacioacuten decoeficientes de intercambio donde la expresioacutenhace intervenir
1048573 los paraacutemetros que describen la
transferencia de flujo del fluido (velocidad)1048573 las propiedades fiacutesicas del fluido(conductividad teacutermica viscosidad dinaacutemicacapacidad caloriacutefica masa volumeacutetrica)asociadas a menudo bajo forma de nombressin dimensioacuten o caracteriacutesticas (como NusseltPrandtl Reynolds Grasshof)
Por ejemplo expresioacuten del coeficiente deintercambio en conveccioacuten natural para unageometriacutea simple placa plana vertical de alturaL a una temperatura uniforme
Nu h =
Dh
siendo
Nu = nuacutemero de Nusselt 053(GrPr)025 dondeGr y Pr son respectivamente los nuacutemeros deGrasshof y de Prandtl funcioacuten de laspropiedades fiacutesicas del fluido y del salto detemperatura entre el fluido y la superficie detransmisioacuten
λ = conductividad teacutermica del fluido (Wm oC)Dh = dimensioacuten caracteriacutestica (m)
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Habitualmente esta magnitud corresponde a lamayor dimensioacuten del cuerpo soacutelido en contactocon el fluido en movimiento aquiacute L
Importante Es interesante notar que elcoeficiente de intercambio depende del salto detemperatura solamente a la potencia 025 Portanto h = K(∆t)025
el fenoacutemeno de movimientos convectivosque corresponde a la transferencia de calor enel seno de un fluido por medio de los bucles deconveccioacuten que explican por ejemplo elgradiente de temperatura observado entre laspartes baja y alta de un volumen de fluidocerrado sede de fenoacutemenos teacutermicos
Los movimientos de aire entre dos voluacutemenes iy j se caracterizan por las diferencias de masafuncioacuten de las secciones de paso y de lavelocidad de circulacioacuten (figura 6)
La transferencia de calor se representa por
Φij = M cp (Ti - T j)
siendo
Φij flujo de calor transferido entre i y j en W
M circulacioacuten maacutesica en kgs
cp capacidad caloriacutefica del fluido en Jkg oCTi T j temperatura del fluido en los voluacutemenes iy j en oC
Nota la transferencia de calor viene impuestapor el sentido de circulacioacuten
Expresioacuten de la velocidad del fluido en el casode la conveccioacuten natural el fluido se pone enmovimiento entre los puntos i y j por susvariaciones de masa volumeacutetrica con la
temperatura La velocidad se supone seraacute proporcional a las
citadas variaciones funcioacuten de la diferencia de
temperatura entre i y j
V 1114109Cste g Dij ij
siendo
∆ρ ρ variacioacuten relativa de masa volumeacutetricag aceleracioacuten de la gravedad en ms2Dij distancia entre los dos puntos i y j en m
Ademaacutes si se supone que el fluido consideradotiene un comportamiento de gas perfectoentonces
∆ρρ = β (Ti T j) de donde
Vij 1114109
Cste Ti
T j 1048573
g Dij
1siendo 1114109
(en caso de un gasTi T j 1048573 2
perfecto)
Ti T j temperatura del fluido en ordmK
Estas foacutermulas corresponden a movimientos de
voluacutemenes de fluidos ascendentes o
descendentes En el caso de movimiento de
fluido junto a una pared se trata de un
problema doble teacutermico-hidraacuteulico que puede
resolverse en algunos casos de forma analiacutetica
(desplazamiento laminar a lo largo de una
pared)
En este caso la velocidad del fluido a lo largo de
la pared presenta una expresioacuten similar es
decir es proporcional a una diferencia de
temperaturas (fluido-pared)
Ver en la terminologiacutea como repaso la
definicioacuten grado Celsius Kelvin y Fahrenheit
10485731114109917501 Fenoacutemenos del movimiento de conveccioacuten
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32 intercambios al nivel de un Tablero
En el esquema de la figura 7 se presentan loselementos que constituyen el sistema
estudiado aire ambiente envolvente aireinterno y las diferentes fuentes de calor Estadescripcioacuten del estado teacutermico del tablero nos
muestra que todos los fenoacutemenos deintercambios descritos hasta aquiacute debentenerse en cuenta y estaacuten fuertementeinterrelacionados
Por ejemplo
la temperatura del aire interno resulta
1048573de los intercambios por conveccioacuten entre elaire interno y las superficies de los diferentesdispositivos de los conductores y de las paredes
1048573del calor transportado por los movimientosconvectivos del aire
Al nivel de la dispositivos el calor generadopor efecto Joule es intercambiado
1048573por conveccioacuten entre su superficie deintercambio y el aire interno
1048573por conduccioacuten entre las barras y los cables
1048573por radiacioacuten con las paredes de laenvolvente y las superficies de los otrosdispositivos
Los fenoacutemenos maacutes importantes que
intervienen en el comportamiento del conjuntoson los fenoacutemenos de conveccioacuten
Temp ambiental
Paredes del local
s
Envolvente
Conduccioacuten
Radiacioacuten
Conveccioacuten
Movimientos de conveccioacuten
s
Temp interior
Conductores
JdB horizvert Dispositivos
t( (
t
10485731114109917501 Comportamiento teacutermico de una emvolvente
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4 Presentacioacuten de la modelizacioacuten
41 Principio
Todos los meacutetodos de resolucioacuten se basan en eldesarrollo de un sistema de modelizar enbloques elementales que es un meacutetodo deMonte-Carlo de diferencias finitas o deelementos finitos
El meacutetodo empleado el anaacutelisis nodal estaacutededucido de una aproximacioacuten a las diferenciasfinitas Esta teacutecnica si bien claacutesica presenta elintereacutes de poder representar el comportamientoteacutermico de un sistema complejo teniendo encuenta las interacciones entre las diferentespartes o componentes que lo constituyen
Por ejemplo puede utilizarse en dominios muydiversos para describir el comportamiento de unsateacutelite artificial de un motor eleacutectrico lascondiciones climaacuteticas en el interior de uncentro de transformacioacuten o de un edificio devarias viviendas
En principio este meacutetodo consiste endescomponer el sistema estudiado endiferentes voluacutemenes isoteacutermicosdenominados nudos A cada nudo se asociandiferentes paraacutemetros entre otros unatemperatura y eventualmente un aporte decalor independiente de los intercambiosteacutermicos Seguidamente se efectuacutean unosacoplamientos entre nudos es decir losdiferentes intercambios entre los voluacutemenesque nos permiten escribir unas ecuaciones debalance (conservacioacuten de la energiacutea y demateria en el elemento de volumen unido a unnudo determinado) Este meacutetodo quecorresponde de hecho a una discretizacioacutenespacial del sistema nos conduce a definir unared teacutermica con sus nudos sus capacidades
Magnitudes teacutermicas Magnitudes eleacutectricas
Temperatura Potencial
Resisteacutencia teacutermica Resistencia eleacutectrica
sus fuentes de calor sus conductancias quetraducen los diferentes acoplamientos entrenudos (analogiacutea entre los fenoacutemenos eleacutectricosy teacutermicos) (figura 8)
Se llega asiacute a un sistema de ecuacionesemparejadas eventualmente no lineales quenos permitiraacuten definir una matriz la matriz deadmitancia teacutermica Soacutelo falta entoncesprecisar los valores numeacutericos de los elementosde esta matriz que corresponden a lasconductancias teacutermicas
Expresioacuten de las conductancias por tipo deintercambio
Conduccioacuten Gij = λ i Sij Dij
Radiacioacuten Gij = α σ ε S Fij (Ti + T j)(Ti2 + T j
2)
Conveccioacuten Gij = hi Sij
Movimiento convectivo Gij = M cp
Expresioacuten del flujo teacutermico equivalente de laintensidad eleacutectrica
1I1114109 1048573U
R
1 2 3 4
Nudo 1 aire interiorNudos 2 y 3 paredes interiores y exterioresNudo 4 aire ambiente exterior
representa los intercambiospor conduccioacuten
representa los intercambios
por conveccioacuten
representa los intercambiosFlujo de calor Corrientepor desplazamiento del aire
U representa el aporte de calorΦ = G (T2 - T1) I1114109
1 1048573R en el nudo 1
repesenta la capacidad caloriacuteficaCapacidad teacutermica Capacidad eleacutectricaasociada a cada nudo
10485731114109917501 Correspondencia entre magnitudes teacutermicas y 10485731114109917501 Representacioacuten nodal simplificada -modelizacioacuten
eleacutectricas de una pieza
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Φij = Gij (Ti + T j)
siendo
Φij = flujo energeacutetico intercambiado entre los
nudos i y j
Gij = conductancia entre i y j funcioacuten del tipo de
intercambio considerado
Ti T j = temperaturas asociadas a los nudos i y j respectivamente
Tomamos como ejemplo la modelizacioacuten de
una pieza en la que hay una fuente de calor
Se ha descompuesto este sistema en 4 nudos
1 para el aire interno 2 para las paredes (interna y externa) 1 para el aire ambiente exterior
Representacioacuten nodal (simplificada) en lafigura 9
Ecuaciones que traducen los flujos teacutermicospara este sistema simple
nudo 1
Q1 - h12 S12 (T1 - T2) + M41cp (T4 - T1)
- M14cp (T1 - T4) = 1 V1 cp1 T1
nudo 2
2 S23- (T2 - T3) =
d23
h12 S12 (T1 - T2)
= 2 V2 cp2 T2
42 Modelizacioacuten de la conveccioacuten
Como se ha indicado anteriormente en elcapiacutetulo 2 en el teacutermino de conveccioacuten seemparejan a menudo dos fenoacutemenos(intercambios cuerpo-fluido e intercambios en elmismo fluido)
nudo 3
2 S23- (T2 - T3) - h34 S34 (T3 - T4) =
d23
= 2 V2 cp2 T2
nudo 4
h34 S34 (T3 - T4) + M14cp (T1 - T4)
- M41cp (T4 - T1) = 4 V4 cp4 T4
Importante los teacuterminos T i que corresponden adTidtla expresioacuten Estos teacuterminos no se toman
en consideracioacuten ya que soacutelo interesa elreacutegimen permanente es decir con lastemperaturas estabilizadas
A partir de estas ecuaciones se deduce elsistema de ecuaciones [G] [T] = [R]correspondiente seguro a
Φij = Gij (Ti - T j)
donde
G la matriz de admitancia teacutermicaT el vector de temperaturas desconocidasR el vector de las solicitaciones impuestas(fuentes de calor Q1 temperatura )
Este tipo de proceso ha permitido elaborar loscoacutedigos de caacutelculo y las reglas propias a losproblemas teacutermicos de los edificios
La modelizacioacuten de los intercambios porconveccioacuten debe dividirse en dos partes unadescribiendo las peacuterdidas maacutesicas (movimientosde aire) y otra describiendo los intercambiosteacutermicos (coeficientes de intercambio) con unadependencia mutua entre ellos por transferenciamaacutesicateacutermica ((figura 10)
Movimientos del aire Esquema nodal correspondiente que muestralos dos aspectos de la conveccioacuten
10485731114109917501 Modelizacioacuten maacutesica y teacutermica de la conveccioacuten
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43 Aplicacioacuten a las envolventes en BT
Distinguimos para la modelizacioacuten dos grandesgrupos de envolventes
Envolventes no compartimentadasEn este caso el esquema nodalcomo se muestra en la figura 11 es semejanteal del esquema de la figura 10 integrando lasfuentes de calor
Envolventes fuertemente compartimentadoscon o sin ventilacioacuten natural
A nivel de modelizacioacuten son posibles dosplanteamientos
n bien modelizando cada zona del tablerocomo se ha visto anteriormente asociando enconjunto los diferentes voluacutemenes Este sistemaconduce a matices demasiado complicadoscuando como es normal aparecen una decena
de zonas a asociar
aireambiente
10485731114109917501 Envolvente no-cerrada
o bien tratando el sistema globalmente sinmodelizar los bucles de conveccioacuten en el
interior de los diferentes voluacutemenes y noteniendo en cuenta la circulacioacuten de aire entrezonas (figura 12)
Estas modelizaciones nos han conducido aelaborar programas informaacuteticos adaptados acada tipo de envolvente Todos estosprogramas estaacuten estructurados de la mismaforma
Antes de entrar maacutes en detalle en la utilizacioacutende un programa (capiacutetulo 6) conviene conocermejor las fuentes de calor (juegos de barrasaparatos ) para determinar el nivel defuncionamiento real de un cuadro
abertura
aireambiente
zona A zona B
zona A zona B
10485731114109917501 Caso de una envolvente cerrada
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5 Comportamiento de las fuentes de calor Caracteriacutesticas
Las fuentes de calor consideradas en lamodelizacioacuten son los juegos de barras losconductores de interconexioacuten y los aparatoseleacutectricos
Referente a estos uacuteltimos los consideramoscomo laquolas cajas negrasraquo disipando caloriacuteas y
51 Los juegos de barras
Los juegos de barras se calculan de forma queverifiquen dos condiciones poder soportar el paso de la corrientenominal necesaria sin provocar uncalentamiento de las barras que pueda provocarun deterioro de los aislantes que soportan lasbarras Por ejemplo las barras pueden estardimensionadas de forma que no superen enreacutegimen permanente una temperatura de110983226C valor este que es enteramentedependiente de la naturaleza de los materialesaislantes en contacto con las barras porejemplo los soportes La tabla de la figura 13da para una temperatura ambiente de 50983226C y65983226C unos valores de temperatura para los
juegos de barras poder soportar una corriente de cortocircuitosin provocar deformaciones notables en lasbarras rotura de los soportes aislantes ocalentamiento excesivo
no como nudos de la modelizacioacuten Es decirque no se calcula su temperatura defuncionamiento sino la intensidad maacutexima quepueden soportar para una configuracioacuten deinstalacioacuten determinada con el fin de no exceder
su temperatura liacutemite de utilizacioacuten
La segunda condicioacuten corresponde a unproblema de esfuerzos electrodinaacutemicos ypuede estudiarse separadamente aunque laprimera necesita conocer el nivel defuncionamiento del conjunto
En particular hay que tener en cuenta latemperatura del aire que envuelve las barraspara dimensionarlas de forma precisa y evitarque sobrepasen una temperatura criacutetica que esfuncioacuten principalmente de la naturaleza delmaterial utilizado para los soportes
Asiacute conociendo la temperatura del aire en lasdiferentes zonas del tablero podemosdeterminar la temperatura delas barras en funcioacuten de sus caracteriacutesticas(dimensiones forma disposicioacuten) y validar eldimensionamiento
Importante En referencia a los caacutelculos de flujoteacutermico se considera que las barras disipan elcalor principalmente por conveccioacuten y radiacioacutenal aire interno
Temperatura Seccioacuten Intensidad Potencia Temperaturaaprox de las barras disipada (A) de las barras (W) (oC)
50 1 barra 100 x 5 1000 45 79
50 1 barra 100 x 5 1500 107 109
50 3 barras 100 x 5 1500 10 65
50 3 barras 100 x 5 3400 61 110
65 1 barra 100 x 5 1000 45 92
65 3 barras 100 x 5 1500 11 80
10485731114109917501 Valores teacutermicos relativos a un juego de barras de una longitud de 1 m situados en un ambiente dado
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1114109
1114109
52 Los Dispositivos
En los tableros de distribucioacuten eleacutectrica los
interruptores automaacuteticos constituyen el nuacutecleoprincipal de los dispositivos de potencia Ellos ylos demaacutes componentes como por ejemplo loscontactores disipan
Examinemos con maacutes detalle los interruptores
automaacuteticos frente a los problemas teacutermicos La potencia disipada es proporcional alcuadrado de la intensidad que los recorre
2sus caloriacuteas cuando son recorridos por la IPW PNcorriente eleacutectrica In
La tabla de la figura 14 nos facilita a tiacutetuloindicativo algunos valores de potencia disipadapor fase (por polo)
Interruptores automaacuteticosPotencia medida con watiacutemetro y no calculada a partirde la medida de la resistencia
In (A) 250 400 630 800
Pw - versioacuten fija 141 19 40 416
con In en 197 30 52 58versioacuten desenchufable
Contactores
I
n (A) 265 400 630 780Pw con In 22 45 48 60
10485731114109917501 Potencia disipada por polo a In en la
aparamenta claacutesica
Electroacutenico
Desplazamientovoluntario
compensado
Bimetal simple
donde PN representa la potencia disipada a laintensidad nominal de empleo In
La intensidad nominal de empleo (In) de uninterruptor automaacutetico corresponde a unatemperatura ambiente determinada por ejemplo40oC fijada por la norma de construccioacuten Dehecho para ciertos interruptores automaacuteticos latemperatura ambiente correspondiente a Inpuede alcanzar e incluso sobrepasar los 50ordmC dato
que debe dar una seguridad por ejemplo enlos paiacuteses caacutelidos
la intensidad de funcionamiento (Ith o Ithe)puede variar en funcioacuten de la temperaturaambiente y seguacuten el tipo de releacute teacutermico simpleteacutermico compensado electroacutenico (figura 15) loque puede permitir definir una corriente maacuteximade empleo diferente de In
Los paraacutemetros que intervienen en ladeterminacioacuten de desplazamiento portemperatura tienen en cuenta ademaacutes de latemperatura del aire alrededor del dispositivo (T i)
la temperatura liacutemite (TL) de los
componentes internos del interruptorautomaacutetico
1048573 temperatura maacutexima de funcionamiento delbimetal para un interruptor automaacutetico con releacutetermomagneacutetico
1048573 temperatura de los componenteselectroacutenicos para interruptores automaacuteticos conreleacute electroacutenico incorporado
1048573 la temperatura no debe transmitirse a losmateriales plaacutesticos los maacutes sensibles en uninterruptor automaacutetico con electroacutenicaintercambiable (releacute exteriorinterruptor abierto)Estas temperaturas liacutemite estaacuten comprendiasentre 100 y 150oC
la razoacuten entre la Ir del releacute y la corriente realde disparo cuando eacuteste estaacute a la temperatura
Bimetal
T TN
TN temperatura nominal de funcionamiento
T L temperatura liacutemite de funcionamiento
de definicioacuten de In K1Ir (figura 16)In
T ambiente
L
las secciones de los cables o las barras deconexioacuten que juegan un papel de radiador Suinfluencia se toma en cuenta para un coeficiente10485731114109917501 Curvas de desplazamiento tipo de los releacutes enK2funcioacuten de la temperatura
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1114109
Importante Debe tenerse en cuenta que laseccioacuten de los conductores utilizados esraramente igual a la que se emplea para losensayos de certificacioacuten de los interruptoresautomaacuteticos
El desplazamiento que tiene en cuenta estosdiversos criterios puede expresarsematemaacuteticamente
Foacutermula de desplazamiento
El interruptor automaacutetico y sus conductores deconexioacuten disipan esencialmente por conveccioacuten
Aparece por ello la relacioacuten
W1 = h S (TL - Ti)
siendo
W1 potencia disipada en W para un aparatoconectado dentro de una envolvente con unvolumen de aire a la temperatura T i
h = coeficiente de intercambio en Wm2 983226C
S superficie de intercambio en m2TL temperatura del punto caliente en 983226C (porejemplo el bimetal)
Ti temperatura del aire interno alrededor delaparato en 983226C
h = Cste S (TL - Ti)α
de donde W1 = Cste S (TL - Ti)1+α
Cuando el aparato se halla al aire libre a 40983226Cse tiene una relacioacuten similar
W2 = Cste S (TL - 40)1+α
de donde
1
1 L i W T
T
W T
402
L
Ademaacutes se sabe que1 = RIthe
2 y que W2 = RIr 2
W TL -T
y por tanto Ithe 1114109Ir
i
TL - 40
siendo Ithe la intensidad que recorre el aparato
Id = K1 x In y β = (1 + α)2
β coeficiente que caracteriza el tipo de dispositivoSe determina experimentalmente o por unanaacutelisis maacutes fino del comportamiento teacutermicodel elemento Su valor estaacute comprendido entre02 y 07
Relacioacuten final integrando ademaacutes el efecto
de las secciones (coeficiente K2)
TL
T iI 1114109
I K K
the n 1 2 TL
40
Los datos que corresponden alcomportamiento del interruptor automaacutetico y queintervienen en esta foacutermula estaacuten en losficheros que utiliza el programa informaacutetico alcalcular las temperaturas en el interior deltablero
tteacutermico
magneacutetico
curvaliacutemitedel cable
CR
LR
t
curvaliacutemitedel cable
retardocorto
retardolargo
Ir Irm Icu I Ir Irm Iins Icu I
ILR ICRIr = ajuste del releacute teacutermicoIrm = ajuste del releacute magneacutetico
zona
zona de
zona desobre-Icu = poder de corte uacuteltimo normal cortocircuitoscarga
10485731114109917501 Curvas de disparo de un interruptor automaacutetico
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6 Meacutetodo de caacutelculo de la temperatura en las envolventes
La modelizacioacuten presentada hasta ahora debeservir de base al desarrollo de nuestro meacutetodode caacutelculo que debe permitirnos determinar elfuncionamiento real del tablero (intensidadmaacutexima en cada derivacioacuten) y con ello utilizarel conjunto al maacuteximo con una seguridadgarantizada
61 Principio
El programa se desarrolla con dos bucles deiteraciones imbricadas con el fin de determinarel nivel permanente El primero concierne a laresolucioacuten del problema teacutermico el otro a loscoeficientes de desplazamiento
El esquema de caacutelculo se presenta en la figura17
1983210 etapa descripcioacuten de la configuracioacuten esdecir tipo de envolvente utilizado nuacutemero dedispositivos y su posicioacuten relativa A este nivel elprograma utiliza el fichero de aparatos pararecuperar los datos descritos con anterioridad
2983210 etapa descomposicioacuten de la envolvente ensus voluacutemenes isotermos (nudos de lamodelizacioacuten nodal)
3983210 etapa inicio de los nuacutecleos de iteracioacuten concaacutelculo
de la potencia disipada (en la primeraiteracioacuten los coeficientes de desplazamiento setoman igual a 1)
de los coeficientes de la matriz de admitanciaa partir de las ecuaciones de balance
de las temperaturas internas (resolucioacuten delproblema teacutermico)
Como acostumbra a suceder en teacutermica lasnumerosas relaciones entre paraacutemetrosprecisan de una definicioacuten iterativa con laelaboracioacuten de un programa del que vamos apresentar el principio
de los nuevos coeficientes dedesplazamiento comparaacutendolos con losanteriores Si el salto se juzga poco importante(prueba de paro de la iteracioacuten) se procede a unnuevo bucle calculando las nuevasintensidades que atraviesan cada aparato denuevo la potencia disipada
4983210 etapa salida de los resultados
Descripcioacuten de la configuracioacutenestudiada
Intensidad
Potencia disipadadentro de la envolvente
Coeficientes dedesplazamiento
Temperaturasiinteriores
10485731114109917501 Principio de funcionamiento de los programas
62 Descripcioacuten de los datos a suministrar y de los resultados obtenidos
Datos
tipo de envolvente ymaterial
iacutendice de proteccioacuten
temperatura ambiente alrededor de laenvolvente
nuacutemero de filas de dispositivos
denominacioacuten de los aparatos que permitensu localizacioacuten en el fichero
configuracioacuten del tablero y posicioacuten de los
dispositivos
Resultados
eleccioacuten de un juego de barras horizontal yvertical (seccioacuten) e intensidad en estas barras
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potencia teacutermica total disipada en el tablero
coeficiente de desplazamiento para cadadispositivo debido a las intensidades circulantes
eventualmente la temperatura alcanzada por
las barras y su nivel en las diferentes zonas deltablero
63 Configuraciones modelizadas
Es bien sabido que en un programa como elque se indica no pueden considerarse todas lasconfiguraciones de instalacioacuten imaginablesSolamente se consideran las maacutes comunes esdecir las que permiten responder al 90 de loscasos deseados Un ejemplo en la figura 18
Configuracioacuten 1 Configuracioacuten 2 Configuracioacuten 3sin aparato de entrada aparato de entrada
en posicioacuten altaaparato de entradaen posicioacuten baja
10485731114109917501 Configuraciones modelizadas
64 Resultados
Este progreso en el caacutelculo informaacutetico demodelos es especialmente interesante porquepermite efectuar los diversos estudios
Estudio detallado de una configuracioacutendeterminada para optimizar la posicioacuten de undispositivo o la eleccioacuten de un juego de barrasconocer la potencia disipada por el conjuntopara dimensionar una climatizacioacuten adaptada
El ejemplo siguiente se ha efectuado con unacolumna de un cuadro industrial de potenciacompartimentado forma 2 conteniendo
un juego de barras horizontal alimentando un
aparato de entrada y la columna adyacente un aparato de entrada de 2500 A diferentes interruptores automaacuteticos de caja
moldeada
El programa nos facilita entre otros los coeficientes de desplazamiento Kdesp las intensidades que circulan por cadaaparato Ir
Advertencia sobre el coeficiente Kdiv
Este coeficiente nos permite tener en cuenta elcoeficiente de diversidad o de esponjamientoderivacioacuten por derivacioacuten
Es decir los niveles de funcionamiento en uninstante dado de los diferentes aparatos
Por ejemplo en un instante dado 2derivaciones son solicitadas al maacuteximo y lasotras hasta el 05 de sus posibilidadesafectando al sistema teacutermico del conjunto
Los resultados se presentan en la hoja decaacutelculo de la figura 19
Tabla de desplazamiento para unaconfiguracioacuten dada
Esta posibilidad de utilizacioacuten del programasemejante a la utilizacioacuten anterior permite reunirpara una configuracioacuten frecuente losdesplazamientos de los diferentes dispositivosteniendo en cuenta su posicioacuten real en el
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tablero las secciones de los conductoresutilizados los iacutendices de proteccioacuten y de latemperatura ambiente exterior
En la figura 20 se puede ver un ejemplo de uncuadro industrial de potencia con los datosdetallados de los dispositivos instalados en columna
Tabla de desplazamiento para un tipo dedispositivo
Para la mayor parte de interruptoresautomaacuteticos de caja moldeada eldesplazamiento es relativamente independientede la configuracioacuten
Masterbloc MB200 IP = 31
Tabla con aparato de llegada en posicioacuten alta alimentada con JdB horizontal
Referencia Posicioacuten Kdespl Kdiv Ia(A) Or(A)
M25H 1 12 88 1 2200 2200
NS630ST 17 21 93 1 586 518
NS630ST 22 26 96 1 605 534
NS400ST 27 31 1 1 400 353
NS400ST 32 36 1 1 400 353
NS250D250 37 40 1 1 250 221
NS250D250 41 44 1 1 250 221
Juego de barras horizontal
intensidad 2200 A
M 25
NS 630
NS 630
NS 400
NS 400
NS 250
NS 250
seccioacuten 1 4 barras de 100 5
Juego de barras vertical
intensidad 2200 A Temperatura JdB horizontal 95oC
seccioacuten 1 4 barras de 80 5Temperatura JdB vericalTemperatura ambiente
104oC35oC
Temperatura del techo 70oCPotencia total disipada 1953 W Temperatura JdB horizontal 75oCdetalle en dispositivos 593 W Temperatura aparellaje alto 68oC bajo 35oC
en auxiliares 0 W Temperatura auxiliar alto 52oC bajo 35oC juegos de barras + derivaciones 1271 W Temperatura JdB + derivaciones alto 77oC bajo 35oC juego de barras horizontal 89 W Temperatura conexiones alto 58oC bajo 35oC
10485731114109917501 Resultados del caacutelculo para una configuracioacuten determinada
IP31
Tdeg amb 35 40 45 50 55
M25 09 087 084 081 079M16 097 094 091 088 086M08 1 1 1 1 1
IP 4254
Tdeg amb 35 40 45 50 55
M25 079 077 075 073 071M16 087 085 083 081 079M08 1 1 1 1 1
3b 1005
3b 1005
2b 805
2b 805
1b 635
1b 635
3b 1005
4 b
8 0 5
1 b 8
0 5
M 252500 A
M 161600 A
M 08800 A
hueco
x
x
x
10485731114109917501 Desplazamiento de los interruptores automaacuteticos descritos en funcioacuten de la temperatura ambiente
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Los coeficientes de desplazamiento seestablecen por exceso situando los dispositivos enlo alto del tablero o del compartimento
Ver a tiacutetulo de ejemplo la figura 21
Curvas caracteriacutesticas del comportamientoteacutermico de un tipo de envolvente
Se establecen dos tipos graacuteficos
un conjunto de curvas que permitendeterminar la temperatura media en el interiorde una envolvente determinada en funcioacuten de lapotencia disipada y de la temperatura ambienteexterior
En la figura 22 se indican estas curvas para untablero de distribucioacuten no compartimentado
unas curvas que permiten determinar lapotencia que estas envolventes pueden disiparpara un calentamiento definido en funcioacuten desus caracteriacutesticas dimensionales
Ejemplo temperatura ambiente exterior 35 oCcalentamiento maacuteximo admisible ∆Ta = 30 oC
1048573 tablero altura 2 m anchura 09 mprofundidad 04 m
potencia disipable 850 W
1048573 tablero altura 2 m anchura 09 mprofundidad 06 m
potencia disipable 1000 W seguacuten curvas de lafigura 23
IP 31 IP 4254
Tdeg amb 35 40 45 50 55 35 40 45 50 55
NS100 100 100 100 100 95 100 95 90 85 80
NS160 160 155 150 145 140 150 140 135 125 120
NS250 235 225 220 210 200 205 195 180 170 165
NS400 380 370 360 350 340 350 340 330 320 310
NS630 540 520 510 500 485 485 475 465 450 440
10485731114109917501 Ejemplo de intensidades de corriente (en A) de disparo de interruptores automaacuteticos Compact NS
instalados dentro de una envolvente de BT determinada
Temperaturamedia en oC
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Tamb 60oC
Tamb 55oC
Tamb 50o
CTamb 45oCTamb 40oCTamb 35oC
Tamb 25oC
Dimensiones de
la envolventealto 2 mancho 09 mprofundo 04 m
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Potencia disipada en vatios
10485731114109917501 Temperatura media del aire en el interior de un armario de distribucioacuten metaacutelico IP2 y de forma 1
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Envolvente de 400 mmde profundidad
Potencia disipadaen vatios
1600
1400 T = 40oC
1200
1000 T = 30oC
800
T = 20oC600
400T = 10oC
200
800 900 1000 1100
Anchura en mm
Envolvente de 600 mmde profundidad
Potencia disipadaen vatios
1600 T = 40o
C
1400T = 30oC
1200
1000
T = 20oC1000
600
400 T = 10oC
200
800 900 1000 1100
Anchura en mm
10485731114109917501 Potencia disipable por calentamiento en una envolvente dada en funcioacuten de su anchura Curvas que se
refieren a un gabinete metaacutelico de formas 1 de 2 metros de altura
65 Resultados experimentales
Se han efectuado ensayos de calentamiento enel laboratorio Ampegravere de ASEFA con diversostipos de envolventes cofrets de plancha oplaacutestico armarios Prisma tableros de
distribucioacuten MasterblocDurante estos ensayos se han medido
temperaturas
1048573del aire en diferentes zonas de la envolvente
1048573de los conductores juego de barras yderivaciones
1048573de los puntos calientes de los dispositivos(bimetal ambiente electroacutenico)
intensidades
paraacutemetros que intervienen en lamodelizacioacuten en particular los coeficientes deintercambio aireparedes
Estas mediciones han permitido por una parte
verificar la conformidad a la norma IIEC 604311 deciertos valores (liacutemites de calentamientomencionados en el capiacutetulo 12 sobre lasnormas) y por otra parte para validar el modelo
En lo referente a las temperaturas del aire ladiferencia entre los valores medidos ycalculados depende del tipo de envolventemodelizada ya que al nivel de la modelizacioacuten
los supuestos difieren seguacuten que se considerelas envolventes compartimentadas o no
Sobre el conjunto de ensayos efectuados encuadros de diferentes formas(compartimentados o no) las diferenciasmaacuteximas constatadas han sido siempreinferiores a 6983226C
Las temperaturas calculadas para los juegos debarras muestran tambieacuten una concordancia conlas mediciones y han permitido validar elprograma informaacutetico
En referencia a las intensidades lasdesviaciones en valor medio son inferiores al5 En una homologacioacuten reciente de unaconfiguracioacuten de cuadro Masterbloc encalentamiento el programa ha permitido preverel nivel de funcionamiento del cuadro
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7 Meacutetodo propuesto por el documento IEC 60890
No hace mucho tiempo atras los gabinetes eleacutectricos
se escogiacutean equipaban y llenaban en funcioacutende la experiencia tambieacuten en lo que se refierea la tasa de llenado y a la variacioacuten de latemperatura en el tablero durante elfuncionamiento
Por ejemplo Temperatura exterior maacutexima
30983226C y 60983226C en el interior (los fabricantes de
aparamenta dan de margen hasta los 60983226C)
Esta praacutectica conduciacutea o a una pobre utilizacioacuten
del material o a actuaciones intempestivas de
las protecciones tenieacutendose la necesidad de
trabajar con las puertas abiertas
El meacutetodo propuesto por la recomendacioacuten
IEC aunque no se trate de una norma sino de
una guiacutea es de un intereacutes evidente Se
presenta detalladamente en el anexo de la
norma NFC 63410 o en la recomendacioacuten de la
IEC Ndeg 60890
Debemos de recordar los fundamentosmostrando los liacutemites y comparando con elmeacutetodo presentado en este Cuaderno Teacutecnico
En principio este meacutetodo se aplica aenvolventes a las que se puedan aplicar lassiguientes hipoacutetesis
reparto uniforme de la potencia disipada
el equipamiento se dispone de manera que no sedificulte la circulacioacuten de aire
no maacutes de 3 separaciones horizontales
Datos necesarios
dimensiones de la envolvente
potencia disipada en el interior (equipamiento
conductores)
tipo de instalacioacuten (envolvente aislada osituado en un extremo) (figura 24)
Caacutelculo
la temperatura se calcula uacutenicamente en 2
puntos de la envolvente
a media altura
T05 = Ta + ∆T050804siendo ∆T05 = dk Pw
d es un coeficiente que tiene en cuenta laexistencia de separaciones horizontales
1048573Si Ae lt 125 m2 d =1 (definicioacuten de Ae queveremos inmediatamente)
Si Ae gt 125 m2
Factor de repartode temperatura c165
116 2
3155 4
515
145
14
135
13
125
12
115
11
105
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Factor fCurvaTipo de instalacioacuten
1 Tapas separadas quitadas por todos los lados 3 Tapas separadas en montaje mural 2 Primera o uacuteltima tapa quitada
3 Tapa central quitada
5 Tapa central en montaje mural 4 Tapa central en montaje mural y con la parte
superior abierta
10485731114109917501 Factor de distribucioacuten de temperatura c para
envolventes sin orificios de ventilacioacuten y con una
superficie efectiva de enfriamiento A gt 125 m2 e
Valor de la superficie efectiva Constantede refrigeracioacuten Ae en m 2 de envolvente k
0 4
038
1 036
03415 032
2 03
028
3
25
026
4 024
5 022
6 0278 018
10 016
12 01414
01201
008
100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650
Seccion de los orificios de entrada de aire en cm2
10485731114109917501 Constante de la envolvente k para una
envolvente con orificio de ventilacioacuten y una superficie
efectiva de enfriamiento A gt 125 m2 e
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d = 1 con o sin orificios de ventilacioacuten sin
ninguna separacioacuten
d = 105 con o sin orificios de ventilacioacuten para
1 de separacioacuten
d = 115 oacute 110 con orificios de ventilacioacuten para 2 separaciones
d = 130 oacute 115 con orificios de ventilacioacuten para
3 separaciones
k es una constante que caracteriza laenvolvente su valor se determina con aacutebacos(figura 25) y es funcioacuten de la superficie deintercambio de la envolvente Ae (m2)
Ae = Σ Aob oacute Ao es la superficie geomeacutetrica delas diferentes paredes de la envolvente
b es una constante que tiene en cuenta el tipode instalacioacuten
Valores de b
1048573parte superior abierta b = 14
1048573
parte superior cubierta b = 071048573paredes laterales abiertas b = 09
1048573paredes laterales tapadas b = 05
1048573paredes laterales deenvolventes centrales b = 05
1048573parte inferior b = 0
Pw potencia disipada en Watt en la partealta de la envolvente
T1 = Ta + ∆T1
siendo ∆T1 = c ∆T05 o ∆T05 representa elcalentamiento precedente
c es una constante de calentamientodeterminada a partir de aacutebacos
Por ejemplo en el aacutebaco de la figura 24 c es
funcioacuten de Ae y de uno de los factores f o g
f = h135
(L P) si Ae gt 125 m2
g = h135L si Ae lt 125 m2
Liacutemites
Los liacutemites esenciales de este meacutetodo son
que se aplica bien a las envolventes nocompartimentadas de tipo gabinete y no a los
tableros de potencia muy compartimentados
que no tiene en cuenta la posicioacuten de lasfuentes de calor que la mayor parte de vecesno estaacuten repartidas de forma uniforme
Comparacioacuten con nuestra aproximacioacuten
Se constata que las aproximaciones danresultados similares para los tableros no
compartimentados y con fuentes de calorrepartidas (figura 26)
En lo que se refiere a las envolventes muycerradas la localizacioacuten de las fuentes de calory los intercambios entre las diferentes zonasinfluyen mucho en el calentamiento
Temperatura en oC
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Temperatura calculada seguacuten la norma
Temperatura calculada con el programa de MG
Temperatura del aire ambiente 35 oC
Dimensiones de la envolvente
alto 2 m
ancho 09 m
profundo 04 m
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
Potenciadisipada en Watt
Fig 26 Temperatura del aire a media altura en un tablero metaacutelico de distribucioacuten IP2 y de la forma 1
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8 Conclusioacuten
La importancia de los tableros eleacutectricos en la
distribucioacuten no hay que demostrarla
En cuanto a la disponibilidad de la energiacutea
eleacutectrica y de la seguridad de funcionamiento resulta indiscutible que el control teacutermico de los
tableros eleacutectricos es un objetivo fundamental
Las normas que se refieren a las envolventes ya los productos determinan los liacutemites teacutermicosque no hay que sobrepasar
Les queda a los profesionales convertirse enlaquoarquitectos teacutermicosraquo del disentildeo de lasenvolventes y tableros eleacutectricos hoy es ya
cosa hecha incluso para los tableros de serie
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Cuaderno Teacutecnico no 145
Estudio teacutermico de los tableros eleacutectricos BT
C KILINDJIAN
Ingeniero diplomado en 1986 de la laquoEcole Supeacuterieured983079Energie et Mateacuteriauxraquo de Orleans se incorpora esemismo antildeo a Merlin Gerin en el equipo de ServicioTeacutecnico de la Unidad de Tableros de BT
Como responsable de los estudios teoacutericos de base seocupoacute especialmente de los problemas de transferenciateacutermica y del comportamiento electrodinaacutemico de losequipos de BT
Despueacutes de haber seguido el desarrollo teacutecnico de loscomplementos teacutermicos para envolventes de BT engeneral colabora como experto en temas de temperaturaen el desarrollo de proyectos de la Divisioacuten de Potenciaen BT de Schneider
Trad E Milagrave
Original franceacutes julio 1998
Versioacuten espantildeola febrero 2000Versioacuten argentina mayo 2003
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Terminologiacutea
BT Baja Tensioacuten
IEC Comisioacuten Electroteacutecnica Internacional
CGBT Cuadro General de Baja Tensioacuten
Coeficiente de desclasificacioacuten Para undeterminado aparato razoacuten entre la intensidadteacutermica convencional bajo la envolvente (Ithe) y suintensidad asignada de empleo (Ie o In) Su valordepende de la forma de instalar y de la utilizacioacutendel aparato y de su entorno
Coeficiente de diversidad o de esponjamientoRazoacuten entre la intensidad asignada del interruptorautomaacutetico de entrada y la suma de lasintensidades asignadas de las salidas Estecoeficiente se denomina tambieacuten factor dediversidad
Conjunto de dispositivos de BT Combinacioacuten deuno o maacutes aparatos de conexioacuten a BT con loselementos asociados de comando medicioacutensentildealizacioacuten proteccioacuten regulacioacuten etccompletamente montados bajo la responsabilidaddel fabricante con todas las uniones internasmecaacutenicas y eleacutectricas y sus correspondienteselementos de construccioacuten
CSCDS Conjunto de serie y conjunto derivado deserie (EDS) de equipos de BT definidos por lasnormas las cuales imponen diversas caracteriacutesticasteacutecnicas critetios de disentildeo y de realizacioacuten de losensayos
Envolvente de BT Expresioacuten geneacuterica que designa
los gabinetes tableros de BT Abarca tambieacutenla estructura que permite asegurar la proteccioacuten delos diversos componentes y de los dispositivos en BTcontra ciertas influencias externas y la proteccioacutencontra contactos directos
Grado Celsius oC (antes centiacutegrado)Temperatura con su referencia de 0 oC en latemperatura del hielo fundente y con 100 oC en latemperatura del agua hirviendo a presioacutenatmosfeacuterica normal
Grado Fahrenheit oF Unidad utilizadaparticularmente en el aacuterea de influencia de lospaiacuteses de lengua inglesa Sus puntos de referenciason 32 oF para la temperatura del hielo fundente y212 oF para la temperatura del agua hirviendo apresioacuten atmosfeacuterica normal Para obtener laexpresioacuten de la temperatura Fahrenheit a partir delos grados Celsius debe multiplicarse latemperatura en oC por 9 dividir el resultado por 5 ysumarle 32
Grado Kelvin K Unidad de temperatura del
sistema internacional (SI) Escala absoluta porquesu definicioacuten se deduce de datos fiacutesicos precisosSu graduacioacuten es la misma que la escala Celsiuspero con origen decalado 273 grados la temperaturadel hielo fundente corresponde a 273 K
Intensidad asignada de empleo (Ie oacute In) Para undispositivo dado es la especificada por el fabricante ytiene en cuenta la tensioacuten asignada de empleo lafrecuencia asignada el servicio asignado
Intensidad teacutermica convencional al aire libre(Ith) Es el valor maacuteximo de la intensidad de pruebaa utilizar para los ensayos de calentamiento de uncomponente al aire libre Su valor debe ser almenos igual al valor maacuteximo de la corrienteasignada de empleo para el componente sinenvolvente en servicio durante 8 h
Intensidad teacutermica convencional bajoenvolvente (Ithe) Es el valor de la intensidadfijada por el fabricante que hay que utilizar para losensayos de calentamiento de los componentescuando estaacuten montados bajo una envolventeespecifica Si el material estaacute destinadonormalmente a utilizarse bajo envolvente noespecifica este ensayo no es obligatorio ya quequeda sustituido por el de intensidad teacutermicaconvencional al aire libre (Ith) En este caso elfabricante debe estar en condiciones de suministrarlos valores de intensidad teacutermica bajo envolvente obien el valor del factor de desclasificacioacuten
Juego de barras Expresioacuten geneacutericaque designa el conjunto de conductores riacutegidos de
distribucioacuten de corriente eleacutectrica en el interior deuna envolvente de BT no incluyendo losconductores situados aguas abajo de los dispositivosde maniobra y proteccioacuten
Sistema En el sentido teacutermico de la expresioacuten esla regioacuten del espacio que se toma en consideracioacuteny en la que se estudian los procesos teacutermicos y suevolucioacuten Estaacute limitado por las fronteras reales oficticias que seguacuten el tipo de intercambio que seproduzca en su interior nos permite distinguir entrelos sistemas aislados (sin ninguacuten intercambio deenergiacutea ni de materia a traveacutes de su frontera)sistemas cerrados (uacutenicamente se intercambiaenergiacutea a traveacutes de su frontera por ejemploenvolvente de BT estanca) y sistemas abiertos(eventual intercambio de materia y energiacutea a traveacutes
de su frontera por ejemplo envolvente BTventilada)
Termodinaacutemica Parte de la Fiacutesica que trata de lageneracioacuten transmisioacuten y utilizacioacuten del calor Aquiacutese considera el aspecto de la transmisioacutenexponiendo sucintamente las leyes de transferencia(conduccioacuten conveccioacuten y radiacioacuten) y de lasnociones sobre los meacutetodos para su evaluacioacuten
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Estudio teacutermico de los tableros eleacutectricos de BT
El objetivo de este Cuaderno Teacutecnico es aportar una contribucioacuten a la comprensioacuteny dominio de los problemas teacutermicos que aparecen en un tablero eleacutectrico BT
Empezando por un repaso de las normas y los fenoacutemenos teacutermicos conduccioacuten-radiacioacuten-conveccioacuten se sigue mostrando coacutemo a partir de las teacutecnicas demodelizacioacuten generalmente reservadas a otros dominios es posible realizar unamodelizacioacuten en los tableros de BT
La modelizacioacuten alimenta naturalmente los programas informaacuteticos de ayuda aldisentildeo de gabinetes para equipamiento eleacutectrico
Los resultados obtenidos se comparan con las mediciones reales de temperatura
Finalmente se resalta la metodologiacutea y las posibilidades de la guiacutea IEC 60890
Iacutendice
1 Introduccioacuten 11 Control teacutermico de los tableros eleacutectricos de BT p 6
2 Los problemas teacutermicos en un tablero 21 Causas efectos y soluciones p 7
22 Detalle sobre las normas p 8
3 Comportamiento teacutermico de un 31 Repaso sobre los principales fenoacutemenos teacutermicos p 11
tablero eleacutectrico BT 32 Intercambios al nivel de un tabler o p 14
4 Presentacioacuten de la modelizacioacuten 41 Principio p 15
42 Modelizacioacuten de la conveccioacuten p 16
43 Aplicacioacuten a las envolventes de BT p 17
5 Comportamiento de las fuentes de 51 Los juegos de barras p 18de calor 52 Los dispositivos p 19
6 Meacutetodo de caacutelculo de la temperatura 61 Principio p 21
en el interior de las envolventes 62 Descripcioacuten de los datos a suministrar y de los datos obtenidos p 2163 Configuraciones modelizadas p 22
64 Resultados p 22
65 Resultados experimentales p 25
7 Meacutetodo propuesto por la guiacutea IEC 60890 p 26
8 Conclusioacuten p 28
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1 Introduccioacuten
11 Control teacutermico de los tableros eleacutectricos de BT
Los nuevos meacutetodos de fabricacioacutendesarrollados por la industria en el transcursode los uacuteltimos antildeos (tendencias flujos) hanpuesto en evidencia una nueva nocioacuten laseguridad industrial Este concepto queengloba dos aspectos diferentes la seguridadde las personas y de los bienes y ladisponibilidad de la energiacutea eleacutectrica muestracuando se aplica a procesos complejos lospuntos criacuteticos en los que el funcionamiento
debe estar perfectamente normalizadoEl tablero eleacutectrico es uno de estos puntoscriacuteticos
Hay que destacar que el problema es similar aldel sector terciario
Considerado no hace mucho como un simplepunto de paso se ha convertido en el verdaderocentro neuraacutelgico de las instalaciones eleacutectricasDe su seguridad depende la seguridad delconjunto de la instalacioacuten y con ello de toda laactividad industrial o terciaria
El dominio de su funcionamiento precisaconocer y controlar no soacutelo el funcionamiento desus constituyentes sino tambieacuten las influenciasexternas a las que se ven sometidos
Un tablero eleacutectrico responde a la asociacioacuten de4 elementos fundamentales
la envolvente los dispositivos las conexiones
las funciones que garantizan la sentildealizacioacutenel comando y el tratamiento de la informacioacuten
El tablero eleacutectrico es cada vez maacutes teacutecnicoNecesita unos estudios de base para controlarya desde el disentildeo las condiciones defuncionamiento de sus componentes en unentorno determiando
Estos estudios se refieren entre otros a losaspectos teacutermicos que son el objeto delpresente Cuaderno Teacutecnico
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2 Los problemas teacutermicos de un tablero
El control de los fenoacutemenos teacutermicos es detodos el maacutes importante principalmente por tresrazones
por la tendencia a instalar el materialeleacutectrico bajo envolventes (seguridad) quesuelen ser de material aislante (poco eficacespara disipar el calor)n por la evolucioacuten del equipamiento que
integra cada vez en mayor medida laelectroacutenica cuyas dimensiones se vanreduciendo sistemaacuteticamente
por la tendencia a ocupar el volumen del
tablero al maacuteximo y aumentar el coeficiente dediversidad
21 Causas efectos y soluciones
La temperatura de un material eleacutectrico es elresultado
del efecto Joule (P = I2R) es decir de suresistencia al paso de la corriente de la temperatura ambiente
Los elementos del tablero se disentildea respetandolas normas de fabricacioacuten que definen lastemperaturas maacuteximas que no debenrebasarse para la seguridad de las personastemperatura de la caja y de los oacuterganos demaniobra diferencia maacutexima de temperatura enlos bornes
Todo ello se verifica por ensayos decertificacioacuten de los productos
En un tablero eleacutectrico el material estaacutesometido a condiciones de empleo muydiversas y las causas de sobretemperatura sonmuacuteltiples
La tabla de la figura 1 presenta las causasprincipales sus efectos y las posiblessoluciones
Todo el problema consiste en asegurarse en el
momento del disentildeo del tablero de que todossus componentes funcionaraacuten en unascondiciones de temperatura menos severas quelas liacutemites previstas en las normas deconstruccioacuten Los elementos tales como(interruptores automaacuteticos contactores etc)deberaacuten poder ser atravesados por la corrienteprevista sin ninguacuten problema
Esto puede ocasionar un problema decalentamiento que se manifestaraacute contemperaturas localizadas en diversos puntos deun aparato o de un equipo de BT superiores alos valores limite fijados por las normas odependientes del comportamiento de ciertoscomponentes Un estudio teacutermico de unaenvolvente BT tiene por objetivo principal eldeterminar la intensidad admisible para cadaaparato compatible con sus caracteriacutesticasteniendo en cuenta su entorno defuncionamiento
El otro objetivo de seguridad para las personasy los bienes no debe perderse de vista desdelas dos condicionantes adicionales
disponibilidad de la energiacutea eleacutectrica (sinfuncionamiento intempestivo o nofuncionamiento)
tiempo de vida de los componentes
En definitiva el objetivo a alcanzar consiste enprever con alta fiabilidad el estado defuncionamiento teacutermico del tablero
Para conseguirlo nos apoyaremos en tres tiposde soluciones
n la experiencia del fabricanten los ensayos reales para los tablerosrepetitivos la utilizacioacuten de programas informaacuteticos conlos que es posible determinar en funcioacuten de lascaracteriacutesticas de la envolvente el parintensidad-temperatura para cada una de lasfuentes de calor dispositivos conductores)(capiacutetulo 4) y todo ello en funcioacuten de suposicioacuten y de la temperatura del aire que los
envuelve Es evidente que un programainformaacutetico amparado por la experiencia y losensayos es muy uacutetil ya que permite estudiarcomparativamente las numerosasconfiguraciones de instalaciones posibles yoptimizar el cuadro a realizar desde el punto devista teacutermico y del costo
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Causas Efectos
Proteccioacuten Soluciones
Solucionesaleatoriasposibles conun disentildeoconforme albuen saberhacer delprofesional
NormaIEC 60439
NormaIEC 60634
Conexiones
Destruccioacuten de los conductores
Disparo aleatorio
Verificacioacuten de lasdefectuosas de los dispositivos aguas arriba conexiones
Deteccioacuten decalentamientos
Seccioacuten
Destruccioacuten de los
Ninguna
Dimensionamientoinsuficiente de los conductores correcto de losconductores conductores
Problemas demontaje y demantenimiento
Defecto dedisentildeo de lainstalacioacuten
NormaIEC 60898
Temperatura externa Temperatura interna Alarma Mejorar la ventilacioacutendemasiado elevada del tablero demasiado elevada n Puesta en march del local o del cuadro
Disparo de los releacutes teacutermicos de alguna ventilacioacuten
Envejecimiento de la parte
electroacutenica
Temperatura de las paredesexternas del tablero
excesivamente alta
Coeficiente de Disparo de la proteccioacuten Desconexioacuten Dimensionardiversidad de cabecera del tablero adecuadamente el tablero
elevado
Temperatura internaDesbordamiento del tablero excesiva
de las posibilidades Temperatura de las paredesde la instalacioacuten externas del tablero excesivamente
alta
Cortocircuito Deterioro de los conductores Desconexioacuten de Dimensionar adecuada-o sobrecarga Deterioro de los soportes seguridad mente los conductores
aislantes de las barras
Buena capacidad electro-dinaacutemica de los soportesa temperatura elevada
Eleccioacuten o usoinadecuado dedispositivos
NormaIEC 60947
Error de escalonado
Funcionamiento anormal
Disparo o
Revisar la eleccioacuten de losde las protecciones (disparos) sentildealizacioacuten componentes y su distribucioacuten
o mala disposicioacuten Envejecimiento prematuro Ventilacioacutenfiacutesica
10485731114109917501 Problemas teacutermicos y relacioacuten causaefecto
22 Detalle sobre las normas
Son muchas las normas que abarcan el ampliocampo de la BT por ejemplo la Reglamentacioacuten AEA02 define las reglas a respetar para todas lasinstalaciones de baja tensioacutenen inmuebles
Para los aspectos de definicioacuten y de concepcioacutende los aparatos y conjuntos de BT podemosreferirnos respectivamente
n a las normas de dispositivos por ejemplo laIEC 60947
n a la norma IEC 60439 para los tableros (y
sus montaje) en BT
La norma internacional IEC 60439 se divide en
cinco partes
n IEC 604391 (nov 1992) que reuacutene las reglaspara los conjuntos de serie (CS) y los conjuntosderivados de serie (CDS)
n IEC 604392 (1997) que define las reglaspara las canalizaciones prefabricadas
n IEC 604393 (dic 1990) que comprende la
instalacioacuten de los dispositivos de BT en zonasaccesibles a personas no advertidas
n IEC 604394 (dic 1990) que define las reglas
para las instalaciones en canteras
n IEC 604395 (mar 1996) que se refiere almontaje de redes de distribucioacuten instaladas enel exterior (por ejemplo tableros para aceras o
andenes)
La parte que afecta particularmente a los
tableros de BT es la IEC 604391 editada en 1992
En el aacutembito europeo esta uacuteltima es la base dela mayor parte de normas nacionales (BritishStandard NFC VDE UNE ) En efecto sus
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contenidos transcriben fielmente el texto de lanorma IEC las diferencias corresponden maacutes a
costumbres propias de cada paiacutes que adiferencias causadas por puntos fundamentalesde la norma IEC
El aporte esencial de esta norma ha sido el
definir de forma precisa dos nociones
encaminadas ambas hacia un aumento de laseguridad Eacutestas son
la nocioacuten de conjuntos totalmente ensayadosCS (conjuntos de serie) o parcialmenteensayados CDS (conjuntos derivados de serie)
la nocioacuten de las formas (figura 2)
forma 1 forma 2b
forma 3b forma 4b
Fig 2 Diversas laquoformasraquo seguacuten la norma IEC 60439
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Sin entrar en el detalle podemos decir que losCS corresponden a productos perfectamentedefinidos y fijados tanto a nivel de componentes(planos precisos de cada uno de susconstituyentes) como de su fabricacioacuten (guiacutea de
montaje) y deben satisfacer los ensayos detipo (calentamiento cortocircuito continuidadde masa) definidos por la norma
Los CDS corresponden a conjuntos en los quela estructura de base es un CS con una o variasmodificaciones modificaciones que deben deestar validadas por el caacutelculo o por un ensayoespeciacutefico
La nocioacuten de forma corresponde a unadefinicioacuten precisa de los grados de separacioacutenque pueden encontrarse en un tablero y queaumentan la proteccioacuten de las personas por unano accesibilidad a las partes activas (juegos debarras) Se distinguen 4 tipos de formas quevan desde una ausencia total de separacioacuten(forma 1) hasta un cierre completo de losdiferentes elementos del tablero (forma 4)
Hay que advertir que este encierro incidemuchiacutesimo sobre la componente teacutermica deestos conjuntos
La norma IEC define igualmente el ensayo decalentamiento que debe satisfacer un conjunto
Esta norma precisa las condiciones y los liacutemitesde calentamiento (821 de la norma) que nodeben superar los diferentes componentes delconjunto
Condiciones de ensayo
1048573El conjunto debe estar dispuesto para el usonormal
1048573
La corriente correspondiente al valorasignado se reparte entre los diferenteselementos teniendo en cuenta un factor dediversidad (Kd) variable seguacuten el nuacutemero decircuitos principales
2 le n983226 de circuitos principales le 3 Kd = 09
4 le n983226 de circuitos principales le 5 Kd = 08
6 le n983226 de circuitos principales le 9 Kd = 07
nuacutemero de circuitos principales ge 10 Kd = 06
1048573
Se consigue realmente la estabilizacioacutenteacutermica cuando la variacioacuten de temperatura noexcede de 1oCh Los conductores conectadosa los aparatos deben tener su seccioacutenconforme a las directrices de la norma
1048573Las mediciones de temperatura se efectuacuteancon ayuda de termocuplas
1048573La temperatura ambiente de referencia es de35oC
Con relacioacuten a la temperatura ambiente nodeben excederse los calentamientos
70 K para los bornes de conexioacuten de losconductores exteriores 25 K para los oacuterganos de mando manual de
material aislante 30 K oacute 40 K para las superficies metaacutelicasexternas accesibles o no
valores especiacuteficos particulares para losconstituyentes incorporados y tambieacuten para losaislantes en contacto con los conductores
Hay que sentildealar todaviacutea un tema denormalizacioacuten la existencia de una guiacutea teacutecnicade predeterminacioacuten de los calentamientos (IEC60890) Ha estado validada por numerososensayos ya que no tiene la categoriacutea de norma
La guiacutea da resultados correctos para unasconfiguraciones simples (envolvente pococompartimentada fuentes de caloruniformemente repartidas) En el capiacutetulo 7
se hace una presentacioacuten de este meacutetodo asiacutecomo una comparacioacuten con nuestro meacutetodo deproyectista de laquotablerosraquo
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3 Comportamiento teacutermico de un tablero eleacutectrico en BT
Un tablero eleacutectrico es un sistema compuestode un fluido (el aire) y de cuerpos soacutelidos en losque el paso de corriente eleacutectrica vaacompantildeada de peacuterdidas de energiacutea queprovocan una elevacioacuten de temperatura
31 Repaso sobre los principales fenoacutemenos teacutermicos
Los intercambios teacutermicos permiten describir elcomportamiento de un sistema cualquiera en elque el sistema es un tablero eleacutectrico
Contemplan tres tipos de fenoacutemenos diferentes
Fenoacutemeno de conduccioacuten que corresponde auna transferencia de calor al interior de cuerpossoacutelidos (figura 3) Se distinguen
por una parte los fenoacutemenos de conduccioacutensimple para los que el cuerpo considerado noes la base de ninguacuten fenoacutemeno teacutermico porejemplo conduccioacuten al interior de un muro
por otra parte los fenoacutemenos de conduccioacutenviva donde el cuerpo estudiado es la base deuna creacioacuten de calor por ejemplo barra decobre recorrida por una corriente eleacutectrica
Los caacutelculos relativos a la transmisioacuten de calorpor conduccioacuten se basan en la ley de Fourierque para las geometriacuteas simples se reduce a larelacioacuten
917501ij 1114109 1048573S Ti
T j 1048573d
La evolucioacuten hacia el equilibrio teacutermico serealiza por transferencia del calor desde laspartes activas dispositivos conductores)donde se genera dicho calor hacia las partesen contacto con el exterior que lo transmiten asu alrededor al medio que los rodea
siendoΦij = flujo caloacuterico transmitido entre dos puntos i y j enW λ = conductividad teacutermica en Wm oC S = superficie de transmisioacuten en m2 Ti T j = temperaturas de los dos puntos en oC d = distancia entre los dos puntos en m λ es una caracteriacutestica del medio laquoconductorraquo Su valor es funcioacuten de la temperatura pero a
menudo se considera como una constante
Por ejemplo algunos valores de λ en Wm oC
Plata λ = 420
Cobre λ = 385
Aluminio λ = 203
Acero λ = 45
Materiales plaacutesticos λ = 02
Asfalto λ = 0935
Piedra λ = 0657
Lana de vidrio λ = 0055
Aire (30 oC) λ = 0026
10485731114109917501 Impedancia de las conexiones
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Fenoacutemeno de radiacioacuten corresponde a latransferencia de calor entre cuerpos soacutelidosseparados por un medio maacutes o menostransparente (figura 4)
Estos intercambios que se establecen entre lassuperficies de cuerpos cualesquiera dispuestosuno frente a otro se representan por relacionesbastante complejas en las que intervienen
la emisioacuten del soacutelido que si es consideradocomo un cuerpo negro no es funcioacuten de sutemperatura
los estados de superficie representado pormedio del coeficiente de emisividad e quecaracteriza el grado de las superficies de estoscuerpos con referencia al cuerpo negro
los fenoacutemenos de reflexioacuten y de absorcioacuten
la disposicioacuten de las superficies unasrespecto a las otras por la intermediacioacuten de losfactores de forma
Sin embargo en el caso particular de unasuperficie (por ejemplo j) que envuelvecompletamente a la otra (i) y tal que la razoacutenSiS j sea de valor bajo estas expresiones sesimplifican y se llega a
Φi = εi σ Si (Ti4 - T j
4)
siendo
Φi = flujo de calor transmitido a traveacutes de la
superficie Si en W εi = coeficiente de emisividad en la superficie S i
σ = constante de Stefan-Boltzmann
(567032 x 10-8 W m-2 K-4) Si = superficie en m2 Ti T j = temperatura de las superficies en
transmisioacuten en K
Fenoacutemenos de conveccioacuten bajo el teacutermino
general de conveccioacuten se funden de hecho dos
fenoacutemenos diferentes que a menudo se auacutenan
el fenoacutemeno de conveccioacuten propiamentedicho que corresponde a una transferencia decalor entre un cuerpo soacutelido y un fluido enmovimiento Seguacuten el origen del movimiento delfluido se distingue la conveccioacuten natural y laconveccioacuten forzada (figura 5)
Estas transferencias se caracterizan por loscoeficientes de intercambio hi
Φi = hi Si (Tf - Ti)
siendo
Φi = flujo de calor transferido a la superficie Si
en W hi = coeficiente de intercambio en Wm2 oC Tf Ti = temperaturas del fluido y de la superficie
de transferencia en oC
Desde un punto de vista fiacutesico el problema de
intercambio de calor por conveccioacuten estaacute
fuertemente relacionado a un problema de
mecaacutenica de fluidos
10485731114109917501 Fenoacutemenos de radiacioacuten
10485731114109917501 Fenoacutemenos de conveccioacuten
Desde un punto de vista praacutectico el problemapuede abordarse simplemente por utilizacioacuten decoeficientes de intercambio donde la expresioacutenhace intervenir
1048573 los paraacutemetros que describen la
transferencia de flujo del fluido (velocidad)1048573 las propiedades fiacutesicas del fluido(conductividad teacutermica viscosidad dinaacutemicacapacidad caloriacutefica masa volumeacutetrica)asociadas a menudo bajo forma de nombressin dimensioacuten o caracteriacutesticas (como NusseltPrandtl Reynolds Grasshof)
Por ejemplo expresioacuten del coeficiente deintercambio en conveccioacuten natural para unageometriacutea simple placa plana vertical de alturaL a una temperatura uniforme
Nu h =
Dh
siendo
Nu = nuacutemero de Nusselt 053(GrPr)025 dondeGr y Pr son respectivamente los nuacutemeros deGrasshof y de Prandtl funcioacuten de laspropiedades fiacutesicas del fluido y del salto detemperatura entre el fluido y la superficie detransmisioacuten
λ = conductividad teacutermica del fluido (Wm oC)Dh = dimensioacuten caracteriacutestica (m)
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Habitualmente esta magnitud corresponde a lamayor dimensioacuten del cuerpo soacutelido en contactocon el fluido en movimiento aquiacute L
Importante Es interesante notar que elcoeficiente de intercambio depende del salto detemperatura solamente a la potencia 025 Portanto h = K(∆t)025
el fenoacutemeno de movimientos convectivosque corresponde a la transferencia de calor enel seno de un fluido por medio de los bucles deconveccioacuten que explican por ejemplo elgradiente de temperatura observado entre laspartes baja y alta de un volumen de fluidocerrado sede de fenoacutemenos teacutermicos
Los movimientos de aire entre dos voluacutemenes iy j se caracterizan por las diferencias de masafuncioacuten de las secciones de paso y de lavelocidad de circulacioacuten (figura 6)
La transferencia de calor se representa por
Φij = M cp (Ti - T j)
siendo
Φij flujo de calor transferido entre i y j en W
M circulacioacuten maacutesica en kgs
cp capacidad caloriacutefica del fluido en Jkg oCTi T j temperatura del fluido en los voluacutemenes iy j en oC
Nota la transferencia de calor viene impuestapor el sentido de circulacioacuten
Expresioacuten de la velocidad del fluido en el casode la conveccioacuten natural el fluido se pone enmovimiento entre los puntos i y j por susvariaciones de masa volumeacutetrica con la
temperatura La velocidad se supone seraacute proporcional a las
citadas variaciones funcioacuten de la diferencia de
temperatura entre i y j
V 1114109Cste g Dij ij
siendo
∆ρ ρ variacioacuten relativa de masa volumeacutetricag aceleracioacuten de la gravedad en ms2Dij distancia entre los dos puntos i y j en m
Ademaacutes si se supone que el fluido consideradotiene un comportamiento de gas perfectoentonces
∆ρρ = β (Ti T j) de donde
Vij 1114109
Cste Ti
T j 1048573
g Dij
1siendo 1114109
(en caso de un gasTi T j 1048573 2
perfecto)
Ti T j temperatura del fluido en ordmK
Estas foacutermulas corresponden a movimientos de
voluacutemenes de fluidos ascendentes o
descendentes En el caso de movimiento de
fluido junto a una pared se trata de un
problema doble teacutermico-hidraacuteulico que puede
resolverse en algunos casos de forma analiacutetica
(desplazamiento laminar a lo largo de una
pared)
En este caso la velocidad del fluido a lo largo de
la pared presenta una expresioacuten similar es
decir es proporcional a una diferencia de
temperaturas (fluido-pared)
Ver en la terminologiacutea como repaso la
definicioacuten grado Celsius Kelvin y Fahrenheit
10485731114109917501 Fenoacutemenos del movimiento de conveccioacuten
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32 intercambios al nivel de un Tablero
En el esquema de la figura 7 se presentan loselementos que constituyen el sistema
estudiado aire ambiente envolvente aireinterno y las diferentes fuentes de calor Estadescripcioacuten del estado teacutermico del tablero nos
muestra que todos los fenoacutemenos deintercambios descritos hasta aquiacute debentenerse en cuenta y estaacuten fuertementeinterrelacionados
Por ejemplo
la temperatura del aire interno resulta
1048573de los intercambios por conveccioacuten entre elaire interno y las superficies de los diferentesdispositivos de los conductores y de las paredes
1048573del calor transportado por los movimientosconvectivos del aire
Al nivel de la dispositivos el calor generadopor efecto Joule es intercambiado
1048573por conveccioacuten entre su superficie deintercambio y el aire interno
1048573por conduccioacuten entre las barras y los cables
1048573por radiacioacuten con las paredes de laenvolvente y las superficies de los otrosdispositivos
Los fenoacutemenos maacutes importantes que
intervienen en el comportamiento del conjuntoson los fenoacutemenos de conveccioacuten
Temp ambiental
Paredes del local
s
Envolvente
Conduccioacuten
Radiacioacuten
Conveccioacuten
Movimientos de conveccioacuten
s
Temp interior
Conductores
JdB horizvert Dispositivos
t( (
t
10485731114109917501 Comportamiento teacutermico de una emvolvente
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4 Presentacioacuten de la modelizacioacuten
41 Principio
Todos los meacutetodos de resolucioacuten se basan en eldesarrollo de un sistema de modelizar enbloques elementales que es un meacutetodo deMonte-Carlo de diferencias finitas o deelementos finitos
El meacutetodo empleado el anaacutelisis nodal estaacutededucido de una aproximacioacuten a las diferenciasfinitas Esta teacutecnica si bien claacutesica presenta elintereacutes de poder representar el comportamientoteacutermico de un sistema complejo teniendo encuenta las interacciones entre las diferentespartes o componentes que lo constituyen
Por ejemplo puede utilizarse en dominios muydiversos para describir el comportamiento de unsateacutelite artificial de un motor eleacutectrico lascondiciones climaacuteticas en el interior de uncentro de transformacioacuten o de un edificio devarias viviendas
En principio este meacutetodo consiste endescomponer el sistema estudiado endiferentes voluacutemenes isoteacutermicosdenominados nudos A cada nudo se asociandiferentes paraacutemetros entre otros unatemperatura y eventualmente un aporte decalor independiente de los intercambiosteacutermicos Seguidamente se efectuacutean unosacoplamientos entre nudos es decir losdiferentes intercambios entre los voluacutemenesque nos permiten escribir unas ecuaciones debalance (conservacioacuten de la energiacutea y demateria en el elemento de volumen unido a unnudo determinado) Este meacutetodo quecorresponde de hecho a una discretizacioacutenespacial del sistema nos conduce a definir unared teacutermica con sus nudos sus capacidades
Magnitudes teacutermicas Magnitudes eleacutectricas
Temperatura Potencial
Resisteacutencia teacutermica Resistencia eleacutectrica
sus fuentes de calor sus conductancias quetraducen los diferentes acoplamientos entrenudos (analogiacutea entre los fenoacutemenos eleacutectricosy teacutermicos) (figura 8)
Se llega asiacute a un sistema de ecuacionesemparejadas eventualmente no lineales quenos permitiraacuten definir una matriz la matriz deadmitancia teacutermica Soacutelo falta entoncesprecisar los valores numeacutericos de los elementosde esta matriz que corresponden a lasconductancias teacutermicas
Expresioacuten de las conductancias por tipo deintercambio
Conduccioacuten Gij = λ i Sij Dij
Radiacioacuten Gij = α σ ε S Fij (Ti + T j)(Ti2 + T j
2)
Conveccioacuten Gij = hi Sij
Movimiento convectivo Gij = M cp
Expresioacuten del flujo teacutermico equivalente de laintensidad eleacutectrica
1I1114109 1048573U
R
1 2 3 4
Nudo 1 aire interiorNudos 2 y 3 paredes interiores y exterioresNudo 4 aire ambiente exterior
representa los intercambiospor conduccioacuten
representa los intercambios
por conveccioacuten
representa los intercambiosFlujo de calor Corrientepor desplazamiento del aire
U representa el aporte de calorΦ = G (T2 - T1) I1114109
1 1048573R en el nudo 1
repesenta la capacidad caloriacuteficaCapacidad teacutermica Capacidad eleacutectricaasociada a cada nudo
10485731114109917501 Correspondencia entre magnitudes teacutermicas y 10485731114109917501 Representacioacuten nodal simplificada -modelizacioacuten
eleacutectricas de una pieza
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Φij = Gij (Ti + T j)
siendo
Φij = flujo energeacutetico intercambiado entre los
nudos i y j
Gij = conductancia entre i y j funcioacuten del tipo de
intercambio considerado
Ti T j = temperaturas asociadas a los nudos i y j respectivamente
Tomamos como ejemplo la modelizacioacuten de
una pieza en la que hay una fuente de calor
Se ha descompuesto este sistema en 4 nudos
1 para el aire interno 2 para las paredes (interna y externa) 1 para el aire ambiente exterior
Representacioacuten nodal (simplificada) en lafigura 9
Ecuaciones que traducen los flujos teacutermicospara este sistema simple
nudo 1
Q1 - h12 S12 (T1 - T2) + M41cp (T4 - T1)
- M14cp (T1 - T4) = 1 V1 cp1 T1
nudo 2
2 S23- (T2 - T3) =
d23
h12 S12 (T1 - T2)
= 2 V2 cp2 T2
42 Modelizacioacuten de la conveccioacuten
Como se ha indicado anteriormente en elcapiacutetulo 2 en el teacutermino de conveccioacuten seemparejan a menudo dos fenoacutemenos(intercambios cuerpo-fluido e intercambios en elmismo fluido)
nudo 3
2 S23- (T2 - T3) - h34 S34 (T3 - T4) =
d23
= 2 V2 cp2 T2
nudo 4
h34 S34 (T3 - T4) + M14cp (T1 - T4)
- M41cp (T4 - T1) = 4 V4 cp4 T4
Importante los teacuterminos T i que corresponden adTidtla expresioacuten Estos teacuterminos no se toman
en consideracioacuten ya que soacutelo interesa elreacutegimen permanente es decir con lastemperaturas estabilizadas
A partir de estas ecuaciones se deduce elsistema de ecuaciones [G] [T] = [R]correspondiente seguro a
Φij = Gij (Ti - T j)
donde
G la matriz de admitancia teacutermicaT el vector de temperaturas desconocidasR el vector de las solicitaciones impuestas(fuentes de calor Q1 temperatura )
Este tipo de proceso ha permitido elaborar loscoacutedigos de caacutelculo y las reglas propias a losproblemas teacutermicos de los edificios
La modelizacioacuten de los intercambios porconveccioacuten debe dividirse en dos partes unadescribiendo las peacuterdidas maacutesicas (movimientosde aire) y otra describiendo los intercambiosteacutermicos (coeficientes de intercambio) con unadependencia mutua entre ellos por transferenciamaacutesicateacutermica ((figura 10)
Movimientos del aire Esquema nodal correspondiente que muestralos dos aspectos de la conveccioacuten
10485731114109917501 Modelizacioacuten maacutesica y teacutermica de la conveccioacuten
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43 Aplicacioacuten a las envolventes en BT
Distinguimos para la modelizacioacuten dos grandesgrupos de envolventes
Envolventes no compartimentadasEn este caso el esquema nodalcomo se muestra en la figura 11 es semejanteal del esquema de la figura 10 integrando lasfuentes de calor
Envolventes fuertemente compartimentadoscon o sin ventilacioacuten natural
A nivel de modelizacioacuten son posibles dosplanteamientos
n bien modelizando cada zona del tablerocomo se ha visto anteriormente asociando enconjunto los diferentes voluacutemenes Este sistemaconduce a matices demasiado complicadoscuando como es normal aparecen una decena
de zonas a asociar
aireambiente
10485731114109917501 Envolvente no-cerrada
o bien tratando el sistema globalmente sinmodelizar los bucles de conveccioacuten en el
interior de los diferentes voluacutemenes y noteniendo en cuenta la circulacioacuten de aire entrezonas (figura 12)
Estas modelizaciones nos han conducido aelaborar programas informaacuteticos adaptados acada tipo de envolvente Todos estosprogramas estaacuten estructurados de la mismaforma
Antes de entrar maacutes en detalle en la utilizacioacutende un programa (capiacutetulo 6) conviene conocermejor las fuentes de calor (juegos de barrasaparatos ) para determinar el nivel defuncionamiento real de un cuadro
abertura
aireambiente
zona A zona B
zona A zona B
10485731114109917501 Caso de una envolvente cerrada
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5 Comportamiento de las fuentes de calor Caracteriacutesticas
Las fuentes de calor consideradas en lamodelizacioacuten son los juegos de barras losconductores de interconexioacuten y los aparatoseleacutectricos
Referente a estos uacuteltimos los consideramoscomo laquolas cajas negrasraquo disipando caloriacuteas y
51 Los juegos de barras
Los juegos de barras se calculan de forma queverifiquen dos condiciones poder soportar el paso de la corrientenominal necesaria sin provocar uncalentamiento de las barras que pueda provocarun deterioro de los aislantes que soportan lasbarras Por ejemplo las barras pueden estardimensionadas de forma que no superen enreacutegimen permanente una temperatura de110983226C valor este que es enteramentedependiente de la naturaleza de los materialesaislantes en contacto con las barras porejemplo los soportes La tabla de la figura 13da para una temperatura ambiente de 50983226C y65983226C unos valores de temperatura para los
juegos de barras poder soportar una corriente de cortocircuitosin provocar deformaciones notables en lasbarras rotura de los soportes aislantes ocalentamiento excesivo
no como nudos de la modelizacioacuten Es decirque no se calcula su temperatura defuncionamiento sino la intensidad maacutexima quepueden soportar para una configuracioacuten deinstalacioacuten determinada con el fin de no exceder
su temperatura liacutemite de utilizacioacuten
La segunda condicioacuten corresponde a unproblema de esfuerzos electrodinaacutemicos ypuede estudiarse separadamente aunque laprimera necesita conocer el nivel defuncionamiento del conjunto
En particular hay que tener en cuenta latemperatura del aire que envuelve las barraspara dimensionarlas de forma precisa y evitarque sobrepasen una temperatura criacutetica que esfuncioacuten principalmente de la naturaleza delmaterial utilizado para los soportes
Asiacute conociendo la temperatura del aire en lasdiferentes zonas del tablero podemosdeterminar la temperatura delas barras en funcioacuten de sus caracteriacutesticas(dimensiones forma disposicioacuten) y validar eldimensionamiento
Importante En referencia a los caacutelculos de flujoteacutermico se considera que las barras disipan elcalor principalmente por conveccioacuten y radiacioacutenal aire interno
Temperatura Seccioacuten Intensidad Potencia Temperaturaaprox de las barras disipada (A) de las barras (W) (oC)
50 1 barra 100 x 5 1000 45 79
50 1 barra 100 x 5 1500 107 109
50 3 barras 100 x 5 1500 10 65
50 3 barras 100 x 5 3400 61 110
65 1 barra 100 x 5 1000 45 92
65 3 barras 100 x 5 1500 11 80
10485731114109917501 Valores teacutermicos relativos a un juego de barras de una longitud de 1 m situados en un ambiente dado
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52 Los Dispositivos
En los tableros de distribucioacuten eleacutectrica los
interruptores automaacuteticos constituyen el nuacutecleoprincipal de los dispositivos de potencia Ellos ylos demaacutes componentes como por ejemplo loscontactores disipan
Examinemos con maacutes detalle los interruptores
automaacuteticos frente a los problemas teacutermicos La potencia disipada es proporcional alcuadrado de la intensidad que los recorre
2sus caloriacuteas cuando son recorridos por la IPW PNcorriente eleacutectrica In
La tabla de la figura 14 nos facilita a tiacutetuloindicativo algunos valores de potencia disipadapor fase (por polo)
Interruptores automaacuteticosPotencia medida con watiacutemetro y no calculada a partirde la medida de la resistencia
In (A) 250 400 630 800
Pw - versioacuten fija 141 19 40 416
con In en 197 30 52 58versioacuten desenchufable
Contactores
I
n (A) 265 400 630 780Pw con In 22 45 48 60
10485731114109917501 Potencia disipada por polo a In en la
aparamenta claacutesica
Electroacutenico
Desplazamientovoluntario
compensado
Bimetal simple
donde PN representa la potencia disipada a laintensidad nominal de empleo In
La intensidad nominal de empleo (In) de uninterruptor automaacutetico corresponde a unatemperatura ambiente determinada por ejemplo40oC fijada por la norma de construccioacuten Dehecho para ciertos interruptores automaacuteticos latemperatura ambiente correspondiente a Inpuede alcanzar e incluso sobrepasar los 50ordmC dato
que debe dar una seguridad por ejemplo enlos paiacuteses caacutelidos
la intensidad de funcionamiento (Ith o Ithe)puede variar en funcioacuten de la temperaturaambiente y seguacuten el tipo de releacute teacutermico simpleteacutermico compensado electroacutenico (figura 15) loque puede permitir definir una corriente maacuteximade empleo diferente de In
Los paraacutemetros que intervienen en ladeterminacioacuten de desplazamiento portemperatura tienen en cuenta ademaacutes de latemperatura del aire alrededor del dispositivo (T i)
la temperatura liacutemite (TL) de los
componentes internos del interruptorautomaacutetico
1048573 temperatura maacutexima de funcionamiento delbimetal para un interruptor automaacutetico con releacutetermomagneacutetico
1048573 temperatura de los componenteselectroacutenicos para interruptores automaacuteticos conreleacute electroacutenico incorporado
1048573 la temperatura no debe transmitirse a losmateriales plaacutesticos los maacutes sensibles en uninterruptor automaacutetico con electroacutenicaintercambiable (releacute exteriorinterruptor abierto)Estas temperaturas liacutemite estaacuten comprendiasentre 100 y 150oC
la razoacuten entre la Ir del releacute y la corriente realde disparo cuando eacuteste estaacute a la temperatura
Bimetal
T TN
TN temperatura nominal de funcionamiento
T L temperatura liacutemite de funcionamiento
de definicioacuten de In K1Ir (figura 16)In
T ambiente
L
las secciones de los cables o las barras deconexioacuten que juegan un papel de radiador Suinfluencia se toma en cuenta para un coeficiente10485731114109917501 Curvas de desplazamiento tipo de los releacutes enK2funcioacuten de la temperatura
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Importante Debe tenerse en cuenta que laseccioacuten de los conductores utilizados esraramente igual a la que se emplea para losensayos de certificacioacuten de los interruptoresautomaacuteticos
El desplazamiento que tiene en cuenta estosdiversos criterios puede expresarsematemaacuteticamente
Foacutermula de desplazamiento
El interruptor automaacutetico y sus conductores deconexioacuten disipan esencialmente por conveccioacuten
Aparece por ello la relacioacuten
W1 = h S (TL - Ti)
siendo
W1 potencia disipada en W para un aparatoconectado dentro de una envolvente con unvolumen de aire a la temperatura T i
h = coeficiente de intercambio en Wm2 983226C
S superficie de intercambio en m2TL temperatura del punto caliente en 983226C (porejemplo el bimetal)
Ti temperatura del aire interno alrededor delaparato en 983226C
h = Cste S (TL - Ti)α
de donde W1 = Cste S (TL - Ti)1+α
Cuando el aparato se halla al aire libre a 40983226Cse tiene una relacioacuten similar
W2 = Cste S (TL - 40)1+α
de donde
1
1 L i W T
T
W T
402
L
Ademaacutes se sabe que1 = RIthe
2 y que W2 = RIr 2
W TL -T
y por tanto Ithe 1114109Ir
i
TL - 40
siendo Ithe la intensidad que recorre el aparato
Id = K1 x In y β = (1 + α)2
β coeficiente que caracteriza el tipo de dispositivoSe determina experimentalmente o por unanaacutelisis maacutes fino del comportamiento teacutermicodel elemento Su valor estaacute comprendido entre02 y 07
Relacioacuten final integrando ademaacutes el efecto
de las secciones (coeficiente K2)
TL
T iI 1114109
I K K
the n 1 2 TL
40
Los datos que corresponden alcomportamiento del interruptor automaacutetico y queintervienen en esta foacutermula estaacuten en losficheros que utiliza el programa informaacutetico alcalcular las temperaturas en el interior deltablero
tteacutermico
magneacutetico
curvaliacutemitedel cable
CR
LR
t
curvaliacutemitedel cable
retardocorto
retardolargo
Ir Irm Icu I Ir Irm Iins Icu I
ILR ICRIr = ajuste del releacute teacutermicoIrm = ajuste del releacute magneacutetico
zona
zona de
zona desobre-Icu = poder de corte uacuteltimo normal cortocircuitoscarga
10485731114109917501 Curvas de disparo de un interruptor automaacutetico
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6 Meacutetodo de caacutelculo de la temperatura en las envolventes
La modelizacioacuten presentada hasta ahora debeservir de base al desarrollo de nuestro meacutetodode caacutelculo que debe permitirnos determinar elfuncionamiento real del tablero (intensidadmaacutexima en cada derivacioacuten) y con ello utilizarel conjunto al maacuteximo con una seguridadgarantizada
61 Principio
El programa se desarrolla con dos bucles deiteraciones imbricadas con el fin de determinarel nivel permanente El primero concierne a laresolucioacuten del problema teacutermico el otro a loscoeficientes de desplazamiento
El esquema de caacutelculo se presenta en la figura17
1983210 etapa descripcioacuten de la configuracioacuten esdecir tipo de envolvente utilizado nuacutemero dedispositivos y su posicioacuten relativa A este nivel elprograma utiliza el fichero de aparatos pararecuperar los datos descritos con anterioridad
2983210 etapa descomposicioacuten de la envolvente ensus voluacutemenes isotermos (nudos de lamodelizacioacuten nodal)
3983210 etapa inicio de los nuacutecleos de iteracioacuten concaacutelculo
de la potencia disipada (en la primeraiteracioacuten los coeficientes de desplazamiento setoman igual a 1)
de los coeficientes de la matriz de admitanciaa partir de las ecuaciones de balance
de las temperaturas internas (resolucioacuten delproblema teacutermico)
Como acostumbra a suceder en teacutermica lasnumerosas relaciones entre paraacutemetrosprecisan de una definicioacuten iterativa con laelaboracioacuten de un programa del que vamos apresentar el principio
de los nuevos coeficientes dedesplazamiento comparaacutendolos con losanteriores Si el salto se juzga poco importante(prueba de paro de la iteracioacuten) se procede a unnuevo bucle calculando las nuevasintensidades que atraviesan cada aparato denuevo la potencia disipada
4983210 etapa salida de los resultados
Descripcioacuten de la configuracioacutenestudiada
Intensidad
Potencia disipadadentro de la envolvente
Coeficientes dedesplazamiento
Temperaturasiinteriores
10485731114109917501 Principio de funcionamiento de los programas
62 Descripcioacuten de los datos a suministrar y de los resultados obtenidos
Datos
tipo de envolvente ymaterial
iacutendice de proteccioacuten
temperatura ambiente alrededor de laenvolvente
nuacutemero de filas de dispositivos
denominacioacuten de los aparatos que permitensu localizacioacuten en el fichero
configuracioacuten del tablero y posicioacuten de los
dispositivos
Resultados
eleccioacuten de un juego de barras horizontal yvertical (seccioacuten) e intensidad en estas barras
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potencia teacutermica total disipada en el tablero
coeficiente de desplazamiento para cadadispositivo debido a las intensidades circulantes
eventualmente la temperatura alcanzada por
las barras y su nivel en las diferentes zonas deltablero
63 Configuraciones modelizadas
Es bien sabido que en un programa como elque se indica no pueden considerarse todas lasconfiguraciones de instalacioacuten imaginablesSolamente se consideran las maacutes comunes esdecir las que permiten responder al 90 de loscasos deseados Un ejemplo en la figura 18
Configuracioacuten 1 Configuracioacuten 2 Configuracioacuten 3sin aparato de entrada aparato de entrada
en posicioacuten altaaparato de entradaen posicioacuten baja
10485731114109917501 Configuraciones modelizadas
64 Resultados
Este progreso en el caacutelculo informaacutetico demodelos es especialmente interesante porquepermite efectuar los diversos estudios
Estudio detallado de una configuracioacutendeterminada para optimizar la posicioacuten de undispositivo o la eleccioacuten de un juego de barrasconocer la potencia disipada por el conjuntopara dimensionar una climatizacioacuten adaptada
El ejemplo siguiente se ha efectuado con unacolumna de un cuadro industrial de potenciacompartimentado forma 2 conteniendo
un juego de barras horizontal alimentando un
aparato de entrada y la columna adyacente un aparato de entrada de 2500 A diferentes interruptores automaacuteticos de caja
moldeada
El programa nos facilita entre otros los coeficientes de desplazamiento Kdesp las intensidades que circulan por cadaaparato Ir
Advertencia sobre el coeficiente Kdiv
Este coeficiente nos permite tener en cuenta elcoeficiente de diversidad o de esponjamientoderivacioacuten por derivacioacuten
Es decir los niveles de funcionamiento en uninstante dado de los diferentes aparatos
Por ejemplo en un instante dado 2derivaciones son solicitadas al maacuteximo y lasotras hasta el 05 de sus posibilidadesafectando al sistema teacutermico del conjunto
Los resultados se presentan en la hoja decaacutelculo de la figura 19
Tabla de desplazamiento para unaconfiguracioacuten dada
Esta posibilidad de utilizacioacuten del programasemejante a la utilizacioacuten anterior permite reunirpara una configuracioacuten frecuente losdesplazamientos de los diferentes dispositivosteniendo en cuenta su posicioacuten real en el
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tablero las secciones de los conductoresutilizados los iacutendices de proteccioacuten y de latemperatura ambiente exterior
En la figura 20 se puede ver un ejemplo de uncuadro industrial de potencia con los datosdetallados de los dispositivos instalados en columna
Tabla de desplazamiento para un tipo dedispositivo
Para la mayor parte de interruptoresautomaacuteticos de caja moldeada eldesplazamiento es relativamente independientede la configuracioacuten
Masterbloc MB200 IP = 31
Tabla con aparato de llegada en posicioacuten alta alimentada con JdB horizontal
Referencia Posicioacuten Kdespl Kdiv Ia(A) Or(A)
M25H 1 12 88 1 2200 2200
NS630ST 17 21 93 1 586 518
NS630ST 22 26 96 1 605 534
NS400ST 27 31 1 1 400 353
NS400ST 32 36 1 1 400 353
NS250D250 37 40 1 1 250 221
NS250D250 41 44 1 1 250 221
Juego de barras horizontal
intensidad 2200 A
M 25
NS 630
NS 630
NS 400
NS 400
NS 250
NS 250
seccioacuten 1 4 barras de 100 5
Juego de barras vertical
intensidad 2200 A Temperatura JdB horizontal 95oC
seccioacuten 1 4 barras de 80 5Temperatura JdB vericalTemperatura ambiente
104oC35oC
Temperatura del techo 70oCPotencia total disipada 1953 W Temperatura JdB horizontal 75oCdetalle en dispositivos 593 W Temperatura aparellaje alto 68oC bajo 35oC
en auxiliares 0 W Temperatura auxiliar alto 52oC bajo 35oC juegos de barras + derivaciones 1271 W Temperatura JdB + derivaciones alto 77oC bajo 35oC juego de barras horizontal 89 W Temperatura conexiones alto 58oC bajo 35oC
10485731114109917501 Resultados del caacutelculo para una configuracioacuten determinada
IP31
Tdeg amb 35 40 45 50 55
M25 09 087 084 081 079M16 097 094 091 088 086M08 1 1 1 1 1
IP 4254
Tdeg amb 35 40 45 50 55
M25 079 077 075 073 071M16 087 085 083 081 079M08 1 1 1 1 1
3b 1005
3b 1005
2b 805
2b 805
1b 635
1b 635
3b 1005
4 b
8 0 5
1 b 8
0 5
M 252500 A
M 161600 A
M 08800 A
hueco
x
x
x
10485731114109917501 Desplazamiento de los interruptores automaacuteticos descritos en funcioacuten de la temperatura ambiente
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Los coeficientes de desplazamiento seestablecen por exceso situando los dispositivos enlo alto del tablero o del compartimento
Ver a tiacutetulo de ejemplo la figura 21
Curvas caracteriacutesticas del comportamientoteacutermico de un tipo de envolvente
Se establecen dos tipos graacuteficos
un conjunto de curvas que permitendeterminar la temperatura media en el interiorde una envolvente determinada en funcioacuten de lapotencia disipada y de la temperatura ambienteexterior
En la figura 22 se indican estas curvas para untablero de distribucioacuten no compartimentado
unas curvas que permiten determinar lapotencia que estas envolventes pueden disiparpara un calentamiento definido en funcioacuten desus caracteriacutesticas dimensionales
Ejemplo temperatura ambiente exterior 35 oCcalentamiento maacuteximo admisible ∆Ta = 30 oC
1048573 tablero altura 2 m anchura 09 mprofundidad 04 m
potencia disipable 850 W
1048573 tablero altura 2 m anchura 09 mprofundidad 06 m
potencia disipable 1000 W seguacuten curvas de lafigura 23
IP 31 IP 4254
Tdeg amb 35 40 45 50 55 35 40 45 50 55
NS100 100 100 100 100 95 100 95 90 85 80
NS160 160 155 150 145 140 150 140 135 125 120
NS250 235 225 220 210 200 205 195 180 170 165
NS400 380 370 360 350 340 350 340 330 320 310
NS630 540 520 510 500 485 485 475 465 450 440
10485731114109917501 Ejemplo de intensidades de corriente (en A) de disparo de interruptores automaacuteticos Compact NS
instalados dentro de una envolvente de BT determinada
Temperaturamedia en oC
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Tamb 60oC
Tamb 55oC
Tamb 50o
CTamb 45oCTamb 40oCTamb 35oC
Tamb 25oC
Dimensiones de
la envolventealto 2 mancho 09 mprofundo 04 m
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Potencia disipada en vatios
10485731114109917501 Temperatura media del aire en el interior de un armario de distribucioacuten metaacutelico IP2 y de forma 1
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Envolvente de 400 mmde profundidad
Potencia disipadaen vatios
1600
1400 T = 40oC
1200
1000 T = 30oC
800
T = 20oC600
400T = 10oC
200
800 900 1000 1100
Anchura en mm
Envolvente de 600 mmde profundidad
Potencia disipadaen vatios
1600 T = 40o
C
1400T = 30oC
1200
1000
T = 20oC1000
600
400 T = 10oC
200
800 900 1000 1100
Anchura en mm
10485731114109917501 Potencia disipable por calentamiento en una envolvente dada en funcioacuten de su anchura Curvas que se
refieren a un gabinete metaacutelico de formas 1 de 2 metros de altura
65 Resultados experimentales
Se han efectuado ensayos de calentamiento enel laboratorio Ampegravere de ASEFA con diversostipos de envolventes cofrets de plancha oplaacutestico armarios Prisma tableros de
distribucioacuten MasterblocDurante estos ensayos se han medido
temperaturas
1048573del aire en diferentes zonas de la envolvente
1048573de los conductores juego de barras yderivaciones
1048573de los puntos calientes de los dispositivos(bimetal ambiente electroacutenico)
intensidades
paraacutemetros que intervienen en lamodelizacioacuten en particular los coeficientes deintercambio aireparedes
Estas mediciones han permitido por una parte
verificar la conformidad a la norma IIEC 604311 deciertos valores (liacutemites de calentamientomencionados en el capiacutetulo 12 sobre lasnormas) y por otra parte para validar el modelo
En lo referente a las temperaturas del aire ladiferencia entre los valores medidos ycalculados depende del tipo de envolventemodelizada ya que al nivel de la modelizacioacuten
los supuestos difieren seguacuten que se considerelas envolventes compartimentadas o no
Sobre el conjunto de ensayos efectuados encuadros de diferentes formas(compartimentados o no) las diferenciasmaacuteximas constatadas han sido siempreinferiores a 6983226C
Las temperaturas calculadas para los juegos debarras muestran tambieacuten una concordancia conlas mediciones y han permitido validar elprograma informaacutetico
En referencia a las intensidades lasdesviaciones en valor medio son inferiores al5 En una homologacioacuten reciente de unaconfiguracioacuten de cuadro Masterbloc encalentamiento el programa ha permitido preverel nivel de funcionamiento del cuadro
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7 Meacutetodo propuesto por el documento IEC 60890
No hace mucho tiempo atras los gabinetes eleacutectricos
se escogiacutean equipaban y llenaban en funcioacutende la experiencia tambieacuten en lo que se refierea la tasa de llenado y a la variacioacuten de latemperatura en el tablero durante elfuncionamiento
Por ejemplo Temperatura exterior maacutexima
30983226C y 60983226C en el interior (los fabricantes de
aparamenta dan de margen hasta los 60983226C)
Esta praacutectica conduciacutea o a una pobre utilizacioacuten
del material o a actuaciones intempestivas de
las protecciones tenieacutendose la necesidad de
trabajar con las puertas abiertas
El meacutetodo propuesto por la recomendacioacuten
IEC aunque no se trate de una norma sino de
una guiacutea es de un intereacutes evidente Se
presenta detalladamente en el anexo de la
norma NFC 63410 o en la recomendacioacuten de la
IEC Ndeg 60890
Debemos de recordar los fundamentosmostrando los liacutemites y comparando con elmeacutetodo presentado en este Cuaderno Teacutecnico
En principio este meacutetodo se aplica aenvolventes a las que se puedan aplicar lassiguientes hipoacutetesis
reparto uniforme de la potencia disipada
el equipamiento se dispone de manera que no sedificulte la circulacioacuten de aire
no maacutes de 3 separaciones horizontales
Datos necesarios
dimensiones de la envolvente
potencia disipada en el interior (equipamiento
conductores)
tipo de instalacioacuten (envolvente aislada osituado en un extremo) (figura 24)
Caacutelculo
la temperatura se calcula uacutenicamente en 2
puntos de la envolvente
a media altura
T05 = Ta + ∆T050804siendo ∆T05 = dk Pw
d es un coeficiente que tiene en cuenta laexistencia de separaciones horizontales
1048573Si Ae lt 125 m2 d =1 (definicioacuten de Ae queveremos inmediatamente)
Si Ae gt 125 m2
Factor de repartode temperatura c165
116 2
3155 4
515
145
14
135
13
125
12
115
11
105
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Factor fCurvaTipo de instalacioacuten
1 Tapas separadas quitadas por todos los lados 3 Tapas separadas en montaje mural 2 Primera o uacuteltima tapa quitada
3 Tapa central quitada
5 Tapa central en montaje mural 4 Tapa central en montaje mural y con la parte
superior abierta
10485731114109917501 Factor de distribucioacuten de temperatura c para
envolventes sin orificios de ventilacioacuten y con una
superficie efectiva de enfriamiento A gt 125 m2 e
Valor de la superficie efectiva Constantede refrigeracioacuten Ae en m 2 de envolvente k
0 4
038
1 036
03415 032
2 03
028
3
25
026
4 024
5 022
6 0278 018
10 016
12 01414
01201
008
100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650
Seccion de los orificios de entrada de aire en cm2
10485731114109917501 Constante de la envolvente k para una
envolvente con orificio de ventilacioacuten y una superficie
efectiva de enfriamiento A gt 125 m2 e
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d = 1 con o sin orificios de ventilacioacuten sin
ninguna separacioacuten
d = 105 con o sin orificios de ventilacioacuten para
1 de separacioacuten
d = 115 oacute 110 con orificios de ventilacioacuten para 2 separaciones
d = 130 oacute 115 con orificios de ventilacioacuten para
3 separaciones
k es una constante que caracteriza laenvolvente su valor se determina con aacutebacos(figura 25) y es funcioacuten de la superficie deintercambio de la envolvente Ae (m2)
Ae = Σ Aob oacute Ao es la superficie geomeacutetrica delas diferentes paredes de la envolvente
b es una constante que tiene en cuenta el tipode instalacioacuten
Valores de b
1048573parte superior abierta b = 14
1048573
parte superior cubierta b = 071048573paredes laterales abiertas b = 09
1048573paredes laterales tapadas b = 05
1048573paredes laterales deenvolventes centrales b = 05
1048573parte inferior b = 0
Pw potencia disipada en Watt en la partealta de la envolvente
T1 = Ta + ∆T1
siendo ∆T1 = c ∆T05 o ∆T05 representa elcalentamiento precedente
c es una constante de calentamientodeterminada a partir de aacutebacos
Por ejemplo en el aacutebaco de la figura 24 c es
funcioacuten de Ae y de uno de los factores f o g
f = h135
(L P) si Ae gt 125 m2
g = h135L si Ae lt 125 m2
Liacutemites
Los liacutemites esenciales de este meacutetodo son
que se aplica bien a las envolventes nocompartimentadas de tipo gabinete y no a los
tableros de potencia muy compartimentados
que no tiene en cuenta la posicioacuten de lasfuentes de calor que la mayor parte de vecesno estaacuten repartidas de forma uniforme
Comparacioacuten con nuestra aproximacioacuten
Se constata que las aproximaciones danresultados similares para los tableros no
compartimentados y con fuentes de calorrepartidas (figura 26)
En lo que se refiere a las envolventes muycerradas la localizacioacuten de las fuentes de calory los intercambios entre las diferentes zonasinfluyen mucho en el calentamiento
Temperatura en oC
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Temperatura calculada seguacuten la norma
Temperatura calculada con el programa de MG
Temperatura del aire ambiente 35 oC
Dimensiones de la envolvente
alto 2 m
ancho 09 m
profundo 04 m
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
Potenciadisipada en Watt
Fig 26 Temperatura del aire a media altura en un tablero metaacutelico de distribucioacuten IP2 y de la forma 1
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8 Conclusioacuten
La importancia de los tableros eleacutectricos en la
distribucioacuten no hay que demostrarla
En cuanto a la disponibilidad de la energiacutea
eleacutectrica y de la seguridad de funcionamiento resulta indiscutible que el control teacutermico de los
tableros eleacutectricos es un objetivo fundamental
Las normas que se refieren a las envolventes ya los productos determinan los liacutemites teacutermicosque no hay que sobrepasar
Les queda a los profesionales convertirse enlaquoarquitectos teacutermicosraquo del disentildeo de lasenvolventes y tableros eleacutectricos hoy es ya
cosa hecha incluso para los tableros de serie
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Terminologiacutea
BT Baja Tensioacuten
IEC Comisioacuten Electroteacutecnica Internacional
CGBT Cuadro General de Baja Tensioacuten
Coeficiente de desclasificacioacuten Para undeterminado aparato razoacuten entre la intensidadteacutermica convencional bajo la envolvente (Ithe) y suintensidad asignada de empleo (Ie o In) Su valordepende de la forma de instalar y de la utilizacioacutendel aparato y de su entorno
Coeficiente de diversidad o de esponjamientoRazoacuten entre la intensidad asignada del interruptorautomaacutetico de entrada y la suma de lasintensidades asignadas de las salidas Estecoeficiente se denomina tambieacuten factor dediversidad
Conjunto de dispositivos de BT Combinacioacuten deuno o maacutes aparatos de conexioacuten a BT con loselementos asociados de comando medicioacutensentildealizacioacuten proteccioacuten regulacioacuten etccompletamente montados bajo la responsabilidaddel fabricante con todas las uniones internasmecaacutenicas y eleacutectricas y sus correspondienteselementos de construccioacuten
CSCDS Conjunto de serie y conjunto derivado deserie (EDS) de equipos de BT definidos por lasnormas las cuales imponen diversas caracteriacutesticasteacutecnicas critetios de disentildeo y de realizacioacuten de losensayos
Envolvente de BT Expresioacuten geneacuterica que designa
los gabinetes tableros de BT Abarca tambieacutenla estructura que permite asegurar la proteccioacuten delos diversos componentes y de los dispositivos en BTcontra ciertas influencias externas y la proteccioacutencontra contactos directos
Grado Celsius oC (antes centiacutegrado)Temperatura con su referencia de 0 oC en latemperatura del hielo fundente y con 100 oC en latemperatura del agua hirviendo a presioacutenatmosfeacuterica normal
Grado Fahrenheit oF Unidad utilizadaparticularmente en el aacuterea de influencia de lospaiacuteses de lengua inglesa Sus puntos de referenciason 32 oF para la temperatura del hielo fundente y212 oF para la temperatura del agua hirviendo apresioacuten atmosfeacuterica normal Para obtener laexpresioacuten de la temperatura Fahrenheit a partir delos grados Celsius debe multiplicarse latemperatura en oC por 9 dividir el resultado por 5 ysumarle 32
Grado Kelvin K Unidad de temperatura del
sistema internacional (SI) Escala absoluta porquesu definicioacuten se deduce de datos fiacutesicos precisosSu graduacioacuten es la misma que la escala Celsiuspero con origen decalado 273 grados la temperaturadel hielo fundente corresponde a 273 K
Intensidad asignada de empleo (Ie oacute In) Para undispositivo dado es la especificada por el fabricante ytiene en cuenta la tensioacuten asignada de empleo lafrecuencia asignada el servicio asignado
Intensidad teacutermica convencional al aire libre(Ith) Es el valor maacuteximo de la intensidad de pruebaa utilizar para los ensayos de calentamiento de uncomponente al aire libre Su valor debe ser almenos igual al valor maacuteximo de la corrienteasignada de empleo para el componente sinenvolvente en servicio durante 8 h
Intensidad teacutermica convencional bajoenvolvente (Ithe) Es el valor de la intensidadfijada por el fabricante que hay que utilizar para losensayos de calentamiento de los componentescuando estaacuten montados bajo una envolventeespecifica Si el material estaacute destinadonormalmente a utilizarse bajo envolvente noespecifica este ensayo no es obligatorio ya quequeda sustituido por el de intensidad teacutermicaconvencional al aire libre (Ith) En este caso elfabricante debe estar en condiciones de suministrarlos valores de intensidad teacutermica bajo envolvente obien el valor del factor de desclasificacioacuten
Juego de barras Expresioacuten geneacutericaque designa el conjunto de conductores riacutegidos de
distribucioacuten de corriente eleacutectrica en el interior deuna envolvente de BT no incluyendo losconductores situados aguas abajo de los dispositivosde maniobra y proteccioacuten
Sistema En el sentido teacutermico de la expresioacuten esla regioacuten del espacio que se toma en consideracioacuteny en la que se estudian los procesos teacutermicos y suevolucioacuten Estaacute limitado por las fronteras reales oficticias que seguacuten el tipo de intercambio que seproduzca en su interior nos permite distinguir entrelos sistemas aislados (sin ninguacuten intercambio deenergiacutea ni de materia a traveacutes de su frontera)sistemas cerrados (uacutenicamente se intercambiaenergiacutea a traveacutes de su frontera por ejemploenvolvente de BT estanca) y sistemas abiertos(eventual intercambio de materia y energiacutea a traveacutes
de su frontera por ejemplo envolvente BTventilada)
Termodinaacutemica Parte de la Fiacutesica que trata de lageneracioacuten transmisioacuten y utilizacioacuten del calor Aquiacutese considera el aspecto de la transmisioacutenexponiendo sucintamente las leyes de transferencia(conduccioacuten conveccioacuten y radiacioacuten) y de lasnociones sobre los meacutetodos para su evaluacioacuten
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Estudio teacutermico de los tableros eleacutectricos de BT
El objetivo de este Cuaderno Teacutecnico es aportar una contribucioacuten a la comprensioacuteny dominio de los problemas teacutermicos que aparecen en un tablero eleacutectrico BT
Empezando por un repaso de las normas y los fenoacutemenos teacutermicos conduccioacuten-radiacioacuten-conveccioacuten se sigue mostrando coacutemo a partir de las teacutecnicas demodelizacioacuten generalmente reservadas a otros dominios es posible realizar unamodelizacioacuten en los tableros de BT
La modelizacioacuten alimenta naturalmente los programas informaacuteticos de ayuda aldisentildeo de gabinetes para equipamiento eleacutectrico
Los resultados obtenidos se comparan con las mediciones reales de temperatura
Finalmente se resalta la metodologiacutea y las posibilidades de la guiacutea IEC 60890
Iacutendice
1 Introduccioacuten 11 Control teacutermico de los tableros eleacutectricos de BT p 6
2 Los problemas teacutermicos en un tablero 21 Causas efectos y soluciones p 7
22 Detalle sobre las normas p 8
3 Comportamiento teacutermico de un 31 Repaso sobre los principales fenoacutemenos teacutermicos p 11
tablero eleacutectrico BT 32 Intercambios al nivel de un tabler o p 14
4 Presentacioacuten de la modelizacioacuten 41 Principio p 15
42 Modelizacioacuten de la conveccioacuten p 16
43 Aplicacioacuten a las envolventes de BT p 17
5 Comportamiento de las fuentes de 51 Los juegos de barras p 18de calor 52 Los dispositivos p 19
6 Meacutetodo de caacutelculo de la temperatura 61 Principio p 21
en el interior de las envolventes 62 Descripcioacuten de los datos a suministrar y de los datos obtenidos p 2163 Configuraciones modelizadas p 22
64 Resultados p 22
65 Resultados experimentales p 25
7 Meacutetodo propuesto por la guiacutea IEC 60890 p 26
8 Conclusioacuten p 28
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1 Introduccioacuten
11 Control teacutermico de los tableros eleacutectricos de BT
Los nuevos meacutetodos de fabricacioacutendesarrollados por la industria en el transcursode los uacuteltimos antildeos (tendencias flujos) hanpuesto en evidencia una nueva nocioacuten laseguridad industrial Este concepto queengloba dos aspectos diferentes la seguridadde las personas y de los bienes y ladisponibilidad de la energiacutea eleacutectrica muestracuando se aplica a procesos complejos lospuntos criacuteticos en los que el funcionamiento
debe estar perfectamente normalizadoEl tablero eleacutectrico es uno de estos puntoscriacuteticos
Hay que destacar que el problema es similar aldel sector terciario
Considerado no hace mucho como un simplepunto de paso se ha convertido en el verdaderocentro neuraacutelgico de las instalaciones eleacutectricasDe su seguridad depende la seguridad delconjunto de la instalacioacuten y con ello de toda laactividad industrial o terciaria
El dominio de su funcionamiento precisaconocer y controlar no soacutelo el funcionamiento desus constituyentes sino tambieacuten las influenciasexternas a las que se ven sometidos
Un tablero eleacutectrico responde a la asociacioacuten de4 elementos fundamentales
la envolvente los dispositivos las conexiones
las funciones que garantizan la sentildealizacioacutenel comando y el tratamiento de la informacioacuten
El tablero eleacutectrico es cada vez maacutes teacutecnicoNecesita unos estudios de base para controlarya desde el disentildeo las condiciones defuncionamiento de sus componentes en unentorno determiando
Estos estudios se refieren entre otros a losaspectos teacutermicos que son el objeto delpresente Cuaderno Teacutecnico
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2 Los problemas teacutermicos de un tablero
El control de los fenoacutemenos teacutermicos es detodos el maacutes importante principalmente por tresrazones
por la tendencia a instalar el materialeleacutectrico bajo envolventes (seguridad) quesuelen ser de material aislante (poco eficacespara disipar el calor)n por la evolucioacuten del equipamiento que
integra cada vez en mayor medida laelectroacutenica cuyas dimensiones se vanreduciendo sistemaacuteticamente
por la tendencia a ocupar el volumen del
tablero al maacuteximo y aumentar el coeficiente dediversidad
21 Causas efectos y soluciones
La temperatura de un material eleacutectrico es elresultado
del efecto Joule (P = I2R) es decir de suresistencia al paso de la corriente de la temperatura ambiente
Los elementos del tablero se disentildea respetandolas normas de fabricacioacuten que definen lastemperaturas maacuteximas que no debenrebasarse para la seguridad de las personastemperatura de la caja y de los oacuterganos demaniobra diferencia maacutexima de temperatura enlos bornes
Todo ello se verifica por ensayos decertificacioacuten de los productos
En un tablero eleacutectrico el material estaacutesometido a condiciones de empleo muydiversas y las causas de sobretemperatura sonmuacuteltiples
La tabla de la figura 1 presenta las causasprincipales sus efectos y las posiblessoluciones
Todo el problema consiste en asegurarse en el
momento del disentildeo del tablero de que todossus componentes funcionaraacuten en unascondiciones de temperatura menos severas quelas liacutemites previstas en las normas deconstruccioacuten Los elementos tales como(interruptores automaacuteticos contactores etc)deberaacuten poder ser atravesados por la corrienteprevista sin ninguacuten problema
Esto puede ocasionar un problema decalentamiento que se manifestaraacute contemperaturas localizadas en diversos puntos deun aparato o de un equipo de BT superiores alos valores limite fijados por las normas odependientes del comportamiento de ciertoscomponentes Un estudio teacutermico de unaenvolvente BT tiene por objetivo principal eldeterminar la intensidad admisible para cadaaparato compatible con sus caracteriacutesticasteniendo en cuenta su entorno defuncionamiento
El otro objetivo de seguridad para las personasy los bienes no debe perderse de vista desdelas dos condicionantes adicionales
disponibilidad de la energiacutea eleacutectrica (sinfuncionamiento intempestivo o nofuncionamiento)
tiempo de vida de los componentes
En definitiva el objetivo a alcanzar consiste enprever con alta fiabilidad el estado defuncionamiento teacutermico del tablero
Para conseguirlo nos apoyaremos en tres tiposde soluciones
n la experiencia del fabricanten los ensayos reales para los tablerosrepetitivos la utilizacioacuten de programas informaacuteticos conlos que es posible determinar en funcioacuten de lascaracteriacutesticas de la envolvente el parintensidad-temperatura para cada una de lasfuentes de calor dispositivos conductores)(capiacutetulo 4) y todo ello en funcioacuten de suposicioacuten y de la temperatura del aire que los
envuelve Es evidente que un programainformaacutetico amparado por la experiencia y losensayos es muy uacutetil ya que permite estudiarcomparativamente las numerosasconfiguraciones de instalaciones posibles yoptimizar el cuadro a realizar desde el punto devista teacutermico y del costo
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Causas Efectos
Proteccioacuten Soluciones
Solucionesaleatoriasposibles conun disentildeoconforme albuen saberhacer delprofesional
NormaIEC 60439
NormaIEC 60634
Conexiones
Destruccioacuten de los conductores
Disparo aleatorio
Verificacioacuten de lasdefectuosas de los dispositivos aguas arriba conexiones
Deteccioacuten decalentamientos
Seccioacuten
Destruccioacuten de los
Ninguna
Dimensionamientoinsuficiente de los conductores correcto de losconductores conductores
Problemas demontaje y demantenimiento
Defecto dedisentildeo de lainstalacioacuten
NormaIEC 60898
Temperatura externa Temperatura interna Alarma Mejorar la ventilacioacutendemasiado elevada del tablero demasiado elevada n Puesta en march del local o del cuadro
Disparo de los releacutes teacutermicos de alguna ventilacioacuten
Envejecimiento de la parte
electroacutenica
Temperatura de las paredesexternas del tablero
excesivamente alta
Coeficiente de Disparo de la proteccioacuten Desconexioacuten Dimensionardiversidad de cabecera del tablero adecuadamente el tablero
elevado
Temperatura internaDesbordamiento del tablero excesiva
de las posibilidades Temperatura de las paredesde la instalacioacuten externas del tablero excesivamente
alta
Cortocircuito Deterioro de los conductores Desconexioacuten de Dimensionar adecuada-o sobrecarga Deterioro de los soportes seguridad mente los conductores
aislantes de las barras
Buena capacidad electro-dinaacutemica de los soportesa temperatura elevada
Eleccioacuten o usoinadecuado dedispositivos
NormaIEC 60947
Error de escalonado
Funcionamiento anormal
Disparo o
Revisar la eleccioacuten de losde las protecciones (disparos) sentildealizacioacuten componentes y su distribucioacuten
o mala disposicioacuten Envejecimiento prematuro Ventilacioacutenfiacutesica
10485731114109917501 Problemas teacutermicos y relacioacuten causaefecto
22 Detalle sobre las normas
Son muchas las normas que abarcan el ampliocampo de la BT por ejemplo la Reglamentacioacuten AEA02 define las reglas a respetar para todas lasinstalaciones de baja tensioacutenen inmuebles
Para los aspectos de definicioacuten y de concepcioacutende los aparatos y conjuntos de BT podemosreferirnos respectivamente
n a las normas de dispositivos por ejemplo laIEC 60947
n a la norma IEC 60439 para los tableros (y
sus montaje) en BT
La norma internacional IEC 60439 se divide en
cinco partes
n IEC 604391 (nov 1992) que reuacutene las reglaspara los conjuntos de serie (CS) y los conjuntosderivados de serie (CDS)
n IEC 604392 (1997) que define las reglaspara las canalizaciones prefabricadas
n IEC 604393 (dic 1990) que comprende la
instalacioacuten de los dispositivos de BT en zonasaccesibles a personas no advertidas
n IEC 604394 (dic 1990) que define las reglas
para las instalaciones en canteras
n IEC 604395 (mar 1996) que se refiere almontaje de redes de distribucioacuten instaladas enel exterior (por ejemplo tableros para aceras o
andenes)
La parte que afecta particularmente a los
tableros de BT es la IEC 604391 editada en 1992
En el aacutembito europeo esta uacuteltima es la base dela mayor parte de normas nacionales (BritishStandard NFC VDE UNE ) En efecto sus
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contenidos transcriben fielmente el texto de lanorma IEC las diferencias corresponden maacutes a
costumbres propias de cada paiacutes que adiferencias causadas por puntos fundamentalesde la norma IEC
El aporte esencial de esta norma ha sido el
definir de forma precisa dos nociones
encaminadas ambas hacia un aumento de laseguridad Eacutestas son
la nocioacuten de conjuntos totalmente ensayadosCS (conjuntos de serie) o parcialmenteensayados CDS (conjuntos derivados de serie)
la nocioacuten de las formas (figura 2)
forma 1 forma 2b
forma 3b forma 4b
Fig 2 Diversas laquoformasraquo seguacuten la norma IEC 60439
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Sin entrar en el detalle podemos decir que losCS corresponden a productos perfectamentedefinidos y fijados tanto a nivel de componentes(planos precisos de cada uno de susconstituyentes) como de su fabricacioacuten (guiacutea de
montaje) y deben satisfacer los ensayos detipo (calentamiento cortocircuito continuidadde masa) definidos por la norma
Los CDS corresponden a conjuntos en los quela estructura de base es un CS con una o variasmodificaciones modificaciones que deben deestar validadas por el caacutelculo o por un ensayoespeciacutefico
La nocioacuten de forma corresponde a unadefinicioacuten precisa de los grados de separacioacutenque pueden encontrarse en un tablero y queaumentan la proteccioacuten de las personas por unano accesibilidad a las partes activas (juegos debarras) Se distinguen 4 tipos de formas quevan desde una ausencia total de separacioacuten(forma 1) hasta un cierre completo de losdiferentes elementos del tablero (forma 4)
Hay que advertir que este encierro incidemuchiacutesimo sobre la componente teacutermica deestos conjuntos
La norma IEC define igualmente el ensayo decalentamiento que debe satisfacer un conjunto
Esta norma precisa las condiciones y los liacutemitesde calentamiento (821 de la norma) que nodeben superar los diferentes componentes delconjunto
Condiciones de ensayo
1048573El conjunto debe estar dispuesto para el usonormal
1048573
La corriente correspondiente al valorasignado se reparte entre los diferenteselementos teniendo en cuenta un factor dediversidad (Kd) variable seguacuten el nuacutemero decircuitos principales
2 le n983226 de circuitos principales le 3 Kd = 09
4 le n983226 de circuitos principales le 5 Kd = 08
6 le n983226 de circuitos principales le 9 Kd = 07
nuacutemero de circuitos principales ge 10 Kd = 06
1048573
Se consigue realmente la estabilizacioacutenteacutermica cuando la variacioacuten de temperatura noexcede de 1oCh Los conductores conectadosa los aparatos deben tener su seccioacutenconforme a las directrices de la norma
1048573Las mediciones de temperatura se efectuacuteancon ayuda de termocuplas
1048573La temperatura ambiente de referencia es de35oC
Con relacioacuten a la temperatura ambiente nodeben excederse los calentamientos
70 K para los bornes de conexioacuten de losconductores exteriores 25 K para los oacuterganos de mando manual de
material aislante 30 K oacute 40 K para las superficies metaacutelicasexternas accesibles o no
valores especiacuteficos particulares para losconstituyentes incorporados y tambieacuten para losaislantes en contacto con los conductores
Hay que sentildealar todaviacutea un tema denormalizacioacuten la existencia de una guiacutea teacutecnicade predeterminacioacuten de los calentamientos (IEC60890) Ha estado validada por numerososensayos ya que no tiene la categoriacutea de norma
La guiacutea da resultados correctos para unasconfiguraciones simples (envolvente pococompartimentada fuentes de caloruniformemente repartidas) En el capiacutetulo 7
se hace una presentacioacuten de este meacutetodo asiacutecomo una comparacioacuten con nuestro meacutetodo deproyectista de laquotablerosraquo
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3 Comportamiento teacutermico de un tablero eleacutectrico en BT
Un tablero eleacutectrico es un sistema compuestode un fluido (el aire) y de cuerpos soacutelidos en losque el paso de corriente eleacutectrica vaacompantildeada de peacuterdidas de energiacutea queprovocan una elevacioacuten de temperatura
31 Repaso sobre los principales fenoacutemenos teacutermicos
Los intercambios teacutermicos permiten describir elcomportamiento de un sistema cualquiera en elque el sistema es un tablero eleacutectrico
Contemplan tres tipos de fenoacutemenos diferentes
Fenoacutemeno de conduccioacuten que corresponde auna transferencia de calor al interior de cuerpossoacutelidos (figura 3) Se distinguen
por una parte los fenoacutemenos de conduccioacutensimple para los que el cuerpo considerado noes la base de ninguacuten fenoacutemeno teacutermico porejemplo conduccioacuten al interior de un muro
por otra parte los fenoacutemenos de conduccioacutenviva donde el cuerpo estudiado es la base deuna creacioacuten de calor por ejemplo barra decobre recorrida por una corriente eleacutectrica
Los caacutelculos relativos a la transmisioacuten de calorpor conduccioacuten se basan en la ley de Fourierque para las geometriacuteas simples se reduce a larelacioacuten
917501ij 1114109 1048573S Ti
T j 1048573d
La evolucioacuten hacia el equilibrio teacutermico serealiza por transferencia del calor desde laspartes activas dispositivos conductores)donde se genera dicho calor hacia las partesen contacto con el exterior que lo transmiten asu alrededor al medio que los rodea
siendoΦij = flujo caloacuterico transmitido entre dos puntos i y j enW λ = conductividad teacutermica en Wm oC S = superficie de transmisioacuten en m2 Ti T j = temperaturas de los dos puntos en oC d = distancia entre los dos puntos en m λ es una caracteriacutestica del medio laquoconductorraquo Su valor es funcioacuten de la temperatura pero a
menudo se considera como una constante
Por ejemplo algunos valores de λ en Wm oC
Plata λ = 420
Cobre λ = 385
Aluminio λ = 203
Acero λ = 45
Materiales plaacutesticos λ = 02
Asfalto λ = 0935
Piedra λ = 0657
Lana de vidrio λ = 0055
Aire (30 oC) λ = 0026
10485731114109917501 Impedancia de las conexiones
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Fenoacutemeno de radiacioacuten corresponde a latransferencia de calor entre cuerpos soacutelidosseparados por un medio maacutes o menostransparente (figura 4)
Estos intercambios que se establecen entre lassuperficies de cuerpos cualesquiera dispuestosuno frente a otro se representan por relacionesbastante complejas en las que intervienen
la emisioacuten del soacutelido que si es consideradocomo un cuerpo negro no es funcioacuten de sutemperatura
los estados de superficie representado pormedio del coeficiente de emisividad e quecaracteriza el grado de las superficies de estoscuerpos con referencia al cuerpo negro
los fenoacutemenos de reflexioacuten y de absorcioacuten
la disposicioacuten de las superficies unasrespecto a las otras por la intermediacioacuten de losfactores de forma
Sin embargo en el caso particular de unasuperficie (por ejemplo j) que envuelvecompletamente a la otra (i) y tal que la razoacutenSiS j sea de valor bajo estas expresiones sesimplifican y se llega a
Φi = εi σ Si (Ti4 - T j
4)
siendo
Φi = flujo de calor transmitido a traveacutes de la
superficie Si en W εi = coeficiente de emisividad en la superficie S i
σ = constante de Stefan-Boltzmann
(567032 x 10-8 W m-2 K-4) Si = superficie en m2 Ti T j = temperatura de las superficies en
transmisioacuten en K
Fenoacutemenos de conveccioacuten bajo el teacutermino
general de conveccioacuten se funden de hecho dos
fenoacutemenos diferentes que a menudo se auacutenan
el fenoacutemeno de conveccioacuten propiamentedicho que corresponde a una transferencia decalor entre un cuerpo soacutelido y un fluido enmovimiento Seguacuten el origen del movimiento delfluido se distingue la conveccioacuten natural y laconveccioacuten forzada (figura 5)
Estas transferencias se caracterizan por loscoeficientes de intercambio hi
Φi = hi Si (Tf - Ti)
siendo
Φi = flujo de calor transferido a la superficie Si
en W hi = coeficiente de intercambio en Wm2 oC Tf Ti = temperaturas del fluido y de la superficie
de transferencia en oC
Desde un punto de vista fiacutesico el problema de
intercambio de calor por conveccioacuten estaacute
fuertemente relacionado a un problema de
mecaacutenica de fluidos
10485731114109917501 Fenoacutemenos de radiacioacuten
10485731114109917501 Fenoacutemenos de conveccioacuten
Desde un punto de vista praacutectico el problemapuede abordarse simplemente por utilizacioacuten decoeficientes de intercambio donde la expresioacutenhace intervenir
1048573 los paraacutemetros que describen la
transferencia de flujo del fluido (velocidad)1048573 las propiedades fiacutesicas del fluido(conductividad teacutermica viscosidad dinaacutemicacapacidad caloriacutefica masa volumeacutetrica)asociadas a menudo bajo forma de nombressin dimensioacuten o caracteriacutesticas (como NusseltPrandtl Reynolds Grasshof)
Por ejemplo expresioacuten del coeficiente deintercambio en conveccioacuten natural para unageometriacutea simple placa plana vertical de alturaL a una temperatura uniforme
Nu h =
Dh
siendo
Nu = nuacutemero de Nusselt 053(GrPr)025 dondeGr y Pr son respectivamente los nuacutemeros deGrasshof y de Prandtl funcioacuten de laspropiedades fiacutesicas del fluido y del salto detemperatura entre el fluido y la superficie detransmisioacuten
λ = conductividad teacutermica del fluido (Wm oC)Dh = dimensioacuten caracteriacutestica (m)
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Habitualmente esta magnitud corresponde a lamayor dimensioacuten del cuerpo soacutelido en contactocon el fluido en movimiento aquiacute L
Importante Es interesante notar que elcoeficiente de intercambio depende del salto detemperatura solamente a la potencia 025 Portanto h = K(∆t)025
el fenoacutemeno de movimientos convectivosque corresponde a la transferencia de calor enel seno de un fluido por medio de los bucles deconveccioacuten que explican por ejemplo elgradiente de temperatura observado entre laspartes baja y alta de un volumen de fluidocerrado sede de fenoacutemenos teacutermicos
Los movimientos de aire entre dos voluacutemenes iy j se caracterizan por las diferencias de masafuncioacuten de las secciones de paso y de lavelocidad de circulacioacuten (figura 6)
La transferencia de calor se representa por
Φij = M cp (Ti - T j)
siendo
Φij flujo de calor transferido entre i y j en W
M circulacioacuten maacutesica en kgs
cp capacidad caloriacutefica del fluido en Jkg oCTi T j temperatura del fluido en los voluacutemenes iy j en oC
Nota la transferencia de calor viene impuestapor el sentido de circulacioacuten
Expresioacuten de la velocidad del fluido en el casode la conveccioacuten natural el fluido se pone enmovimiento entre los puntos i y j por susvariaciones de masa volumeacutetrica con la
temperatura La velocidad se supone seraacute proporcional a las
citadas variaciones funcioacuten de la diferencia de
temperatura entre i y j
V 1114109Cste g Dij ij
siendo
∆ρ ρ variacioacuten relativa de masa volumeacutetricag aceleracioacuten de la gravedad en ms2Dij distancia entre los dos puntos i y j en m
Ademaacutes si se supone que el fluido consideradotiene un comportamiento de gas perfectoentonces
∆ρρ = β (Ti T j) de donde
Vij 1114109
Cste Ti
T j 1048573
g Dij
1siendo 1114109
(en caso de un gasTi T j 1048573 2
perfecto)
Ti T j temperatura del fluido en ordmK
Estas foacutermulas corresponden a movimientos de
voluacutemenes de fluidos ascendentes o
descendentes En el caso de movimiento de
fluido junto a una pared se trata de un
problema doble teacutermico-hidraacuteulico que puede
resolverse en algunos casos de forma analiacutetica
(desplazamiento laminar a lo largo de una
pared)
En este caso la velocidad del fluido a lo largo de
la pared presenta una expresioacuten similar es
decir es proporcional a una diferencia de
temperaturas (fluido-pared)
Ver en la terminologiacutea como repaso la
definicioacuten grado Celsius Kelvin y Fahrenheit
10485731114109917501 Fenoacutemenos del movimiento de conveccioacuten
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32 intercambios al nivel de un Tablero
En el esquema de la figura 7 se presentan loselementos que constituyen el sistema
estudiado aire ambiente envolvente aireinterno y las diferentes fuentes de calor Estadescripcioacuten del estado teacutermico del tablero nos
muestra que todos los fenoacutemenos deintercambios descritos hasta aquiacute debentenerse en cuenta y estaacuten fuertementeinterrelacionados
Por ejemplo
la temperatura del aire interno resulta
1048573de los intercambios por conveccioacuten entre elaire interno y las superficies de los diferentesdispositivos de los conductores y de las paredes
1048573del calor transportado por los movimientosconvectivos del aire
Al nivel de la dispositivos el calor generadopor efecto Joule es intercambiado
1048573por conveccioacuten entre su superficie deintercambio y el aire interno
1048573por conduccioacuten entre las barras y los cables
1048573por radiacioacuten con las paredes de laenvolvente y las superficies de los otrosdispositivos
Los fenoacutemenos maacutes importantes que
intervienen en el comportamiento del conjuntoson los fenoacutemenos de conveccioacuten
Temp ambiental
Paredes del local
s
Envolvente
Conduccioacuten
Radiacioacuten
Conveccioacuten
Movimientos de conveccioacuten
s
Temp interior
Conductores
JdB horizvert Dispositivos
t( (
t
10485731114109917501 Comportamiento teacutermico de una emvolvente
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4 Presentacioacuten de la modelizacioacuten
41 Principio
Todos los meacutetodos de resolucioacuten se basan en eldesarrollo de un sistema de modelizar enbloques elementales que es un meacutetodo deMonte-Carlo de diferencias finitas o deelementos finitos
El meacutetodo empleado el anaacutelisis nodal estaacutededucido de una aproximacioacuten a las diferenciasfinitas Esta teacutecnica si bien claacutesica presenta elintereacutes de poder representar el comportamientoteacutermico de un sistema complejo teniendo encuenta las interacciones entre las diferentespartes o componentes que lo constituyen
Por ejemplo puede utilizarse en dominios muydiversos para describir el comportamiento de unsateacutelite artificial de un motor eleacutectrico lascondiciones climaacuteticas en el interior de uncentro de transformacioacuten o de un edificio devarias viviendas
En principio este meacutetodo consiste endescomponer el sistema estudiado endiferentes voluacutemenes isoteacutermicosdenominados nudos A cada nudo se asociandiferentes paraacutemetros entre otros unatemperatura y eventualmente un aporte decalor independiente de los intercambiosteacutermicos Seguidamente se efectuacutean unosacoplamientos entre nudos es decir losdiferentes intercambios entre los voluacutemenesque nos permiten escribir unas ecuaciones debalance (conservacioacuten de la energiacutea y demateria en el elemento de volumen unido a unnudo determinado) Este meacutetodo quecorresponde de hecho a una discretizacioacutenespacial del sistema nos conduce a definir unared teacutermica con sus nudos sus capacidades
Magnitudes teacutermicas Magnitudes eleacutectricas
Temperatura Potencial
Resisteacutencia teacutermica Resistencia eleacutectrica
sus fuentes de calor sus conductancias quetraducen los diferentes acoplamientos entrenudos (analogiacutea entre los fenoacutemenos eleacutectricosy teacutermicos) (figura 8)
Se llega asiacute a un sistema de ecuacionesemparejadas eventualmente no lineales quenos permitiraacuten definir una matriz la matriz deadmitancia teacutermica Soacutelo falta entoncesprecisar los valores numeacutericos de los elementosde esta matriz que corresponden a lasconductancias teacutermicas
Expresioacuten de las conductancias por tipo deintercambio
Conduccioacuten Gij = λ i Sij Dij
Radiacioacuten Gij = α σ ε S Fij (Ti + T j)(Ti2 + T j
2)
Conveccioacuten Gij = hi Sij
Movimiento convectivo Gij = M cp
Expresioacuten del flujo teacutermico equivalente de laintensidad eleacutectrica
1I1114109 1048573U
R
1 2 3 4
Nudo 1 aire interiorNudos 2 y 3 paredes interiores y exterioresNudo 4 aire ambiente exterior
representa los intercambiospor conduccioacuten
representa los intercambios
por conveccioacuten
representa los intercambiosFlujo de calor Corrientepor desplazamiento del aire
U representa el aporte de calorΦ = G (T2 - T1) I1114109
1 1048573R en el nudo 1
repesenta la capacidad caloriacuteficaCapacidad teacutermica Capacidad eleacutectricaasociada a cada nudo
10485731114109917501 Correspondencia entre magnitudes teacutermicas y 10485731114109917501 Representacioacuten nodal simplificada -modelizacioacuten
eleacutectricas de una pieza
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Φij = Gij (Ti + T j)
siendo
Φij = flujo energeacutetico intercambiado entre los
nudos i y j
Gij = conductancia entre i y j funcioacuten del tipo de
intercambio considerado
Ti T j = temperaturas asociadas a los nudos i y j respectivamente
Tomamos como ejemplo la modelizacioacuten de
una pieza en la que hay una fuente de calor
Se ha descompuesto este sistema en 4 nudos
1 para el aire interno 2 para las paredes (interna y externa) 1 para el aire ambiente exterior
Representacioacuten nodal (simplificada) en lafigura 9
Ecuaciones que traducen los flujos teacutermicospara este sistema simple
nudo 1
Q1 - h12 S12 (T1 - T2) + M41cp (T4 - T1)
- M14cp (T1 - T4) = 1 V1 cp1 T1
nudo 2
2 S23- (T2 - T3) =
d23
h12 S12 (T1 - T2)
= 2 V2 cp2 T2
42 Modelizacioacuten de la conveccioacuten
Como se ha indicado anteriormente en elcapiacutetulo 2 en el teacutermino de conveccioacuten seemparejan a menudo dos fenoacutemenos(intercambios cuerpo-fluido e intercambios en elmismo fluido)
nudo 3
2 S23- (T2 - T3) - h34 S34 (T3 - T4) =
d23
= 2 V2 cp2 T2
nudo 4
h34 S34 (T3 - T4) + M14cp (T1 - T4)
- M41cp (T4 - T1) = 4 V4 cp4 T4
Importante los teacuterminos T i que corresponden adTidtla expresioacuten Estos teacuterminos no se toman
en consideracioacuten ya que soacutelo interesa elreacutegimen permanente es decir con lastemperaturas estabilizadas
A partir de estas ecuaciones se deduce elsistema de ecuaciones [G] [T] = [R]correspondiente seguro a
Φij = Gij (Ti - T j)
donde
G la matriz de admitancia teacutermicaT el vector de temperaturas desconocidasR el vector de las solicitaciones impuestas(fuentes de calor Q1 temperatura )
Este tipo de proceso ha permitido elaborar loscoacutedigos de caacutelculo y las reglas propias a losproblemas teacutermicos de los edificios
La modelizacioacuten de los intercambios porconveccioacuten debe dividirse en dos partes unadescribiendo las peacuterdidas maacutesicas (movimientosde aire) y otra describiendo los intercambiosteacutermicos (coeficientes de intercambio) con unadependencia mutua entre ellos por transferenciamaacutesicateacutermica ((figura 10)
Movimientos del aire Esquema nodal correspondiente que muestralos dos aspectos de la conveccioacuten
10485731114109917501 Modelizacioacuten maacutesica y teacutermica de la conveccioacuten
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43 Aplicacioacuten a las envolventes en BT
Distinguimos para la modelizacioacuten dos grandesgrupos de envolventes
Envolventes no compartimentadasEn este caso el esquema nodalcomo se muestra en la figura 11 es semejanteal del esquema de la figura 10 integrando lasfuentes de calor
Envolventes fuertemente compartimentadoscon o sin ventilacioacuten natural
A nivel de modelizacioacuten son posibles dosplanteamientos
n bien modelizando cada zona del tablerocomo se ha visto anteriormente asociando enconjunto los diferentes voluacutemenes Este sistemaconduce a matices demasiado complicadoscuando como es normal aparecen una decena
de zonas a asociar
aireambiente
10485731114109917501 Envolvente no-cerrada
o bien tratando el sistema globalmente sinmodelizar los bucles de conveccioacuten en el
interior de los diferentes voluacutemenes y noteniendo en cuenta la circulacioacuten de aire entrezonas (figura 12)
Estas modelizaciones nos han conducido aelaborar programas informaacuteticos adaptados acada tipo de envolvente Todos estosprogramas estaacuten estructurados de la mismaforma
Antes de entrar maacutes en detalle en la utilizacioacutende un programa (capiacutetulo 6) conviene conocermejor las fuentes de calor (juegos de barrasaparatos ) para determinar el nivel defuncionamiento real de un cuadro
abertura
aireambiente
zona A zona B
zona A zona B
10485731114109917501 Caso de una envolvente cerrada
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5 Comportamiento de las fuentes de calor Caracteriacutesticas
Las fuentes de calor consideradas en lamodelizacioacuten son los juegos de barras losconductores de interconexioacuten y los aparatoseleacutectricos
Referente a estos uacuteltimos los consideramoscomo laquolas cajas negrasraquo disipando caloriacuteas y
51 Los juegos de barras
Los juegos de barras se calculan de forma queverifiquen dos condiciones poder soportar el paso de la corrientenominal necesaria sin provocar uncalentamiento de las barras que pueda provocarun deterioro de los aislantes que soportan lasbarras Por ejemplo las barras pueden estardimensionadas de forma que no superen enreacutegimen permanente una temperatura de110983226C valor este que es enteramentedependiente de la naturaleza de los materialesaislantes en contacto con las barras porejemplo los soportes La tabla de la figura 13da para una temperatura ambiente de 50983226C y65983226C unos valores de temperatura para los
juegos de barras poder soportar una corriente de cortocircuitosin provocar deformaciones notables en lasbarras rotura de los soportes aislantes ocalentamiento excesivo
no como nudos de la modelizacioacuten Es decirque no se calcula su temperatura defuncionamiento sino la intensidad maacutexima quepueden soportar para una configuracioacuten deinstalacioacuten determinada con el fin de no exceder
su temperatura liacutemite de utilizacioacuten
La segunda condicioacuten corresponde a unproblema de esfuerzos electrodinaacutemicos ypuede estudiarse separadamente aunque laprimera necesita conocer el nivel defuncionamiento del conjunto
En particular hay que tener en cuenta latemperatura del aire que envuelve las barraspara dimensionarlas de forma precisa y evitarque sobrepasen una temperatura criacutetica que esfuncioacuten principalmente de la naturaleza delmaterial utilizado para los soportes
Asiacute conociendo la temperatura del aire en lasdiferentes zonas del tablero podemosdeterminar la temperatura delas barras en funcioacuten de sus caracteriacutesticas(dimensiones forma disposicioacuten) y validar eldimensionamiento
Importante En referencia a los caacutelculos de flujoteacutermico se considera que las barras disipan elcalor principalmente por conveccioacuten y radiacioacutenal aire interno
Temperatura Seccioacuten Intensidad Potencia Temperaturaaprox de las barras disipada (A) de las barras (W) (oC)
50 1 barra 100 x 5 1000 45 79
50 1 barra 100 x 5 1500 107 109
50 3 barras 100 x 5 1500 10 65
50 3 barras 100 x 5 3400 61 110
65 1 barra 100 x 5 1000 45 92
65 3 barras 100 x 5 1500 11 80
10485731114109917501 Valores teacutermicos relativos a un juego de barras de una longitud de 1 m situados en un ambiente dado
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52 Los Dispositivos
En los tableros de distribucioacuten eleacutectrica los
interruptores automaacuteticos constituyen el nuacutecleoprincipal de los dispositivos de potencia Ellos ylos demaacutes componentes como por ejemplo loscontactores disipan
Examinemos con maacutes detalle los interruptores
automaacuteticos frente a los problemas teacutermicos La potencia disipada es proporcional alcuadrado de la intensidad que los recorre
2sus caloriacuteas cuando son recorridos por la IPW PNcorriente eleacutectrica In
La tabla de la figura 14 nos facilita a tiacutetuloindicativo algunos valores de potencia disipadapor fase (por polo)
Interruptores automaacuteticosPotencia medida con watiacutemetro y no calculada a partirde la medida de la resistencia
In (A) 250 400 630 800
Pw - versioacuten fija 141 19 40 416
con In en 197 30 52 58versioacuten desenchufable
Contactores
I
n (A) 265 400 630 780Pw con In 22 45 48 60
10485731114109917501 Potencia disipada por polo a In en la
aparamenta claacutesica
Electroacutenico
Desplazamientovoluntario
compensado
Bimetal simple
donde PN representa la potencia disipada a laintensidad nominal de empleo In
La intensidad nominal de empleo (In) de uninterruptor automaacutetico corresponde a unatemperatura ambiente determinada por ejemplo40oC fijada por la norma de construccioacuten Dehecho para ciertos interruptores automaacuteticos latemperatura ambiente correspondiente a Inpuede alcanzar e incluso sobrepasar los 50ordmC dato
que debe dar una seguridad por ejemplo enlos paiacuteses caacutelidos
la intensidad de funcionamiento (Ith o Ithe)puede variar en funcioacuten de la temperaturaambiente y seguacuten el tipo de releacute teacutermico simpleteacutermico compensado electroacutenico (figura 15) loque puede permitir definir una corriente maacuteximade empleo diferente de In
Los paraacutemetros que intervienen en ladeterminacioacuten de desplazamiento portemperatura tienen en cuenta ademaacutes de latemperatura del aire alrededor del dispositivo (T i)
la temperatura liacutemite (TL) de los
componentes internos del interruptorautomaacutetico
1048573 temperatura maacutexima de funcionamiento delbimetal para un interruptor automaacutetico con releacutetermomagneacutetico
1048573 temperatura de los componenteselectroacutenicos para interruptores automaacuteticos conreleacute electroacutenico incorporado
1048573 la temperatura no debe transmitirse a losmateriales plaacutesticos los maacutes sensibles en uninterruptor automaacutetico con electroacutenicaintercambiable (releacute exteriorinterruptor abierto)Estas temperaturas liacutemite estaacuten comprendiasentre 100 y 150oC
la razoacuten entre la Ir del releacute y la corriente realde disparo cuando eacuteste estaacute a la temperatura
Bimetal
T TN
TN temperatura nominal de funcionamiento
T L temperatura liacutemite de funcionamiento
de definicioacuten de In K1Ir (figura 16)In
T ambiente
L
las secciones de los cables o las barras deconexioacuten que juegan un papel de radiador Suinfluencia se toma en cuenta para un coeficiente10485731114109917501 Curvas de desplazamiento tipo de los releacutes enK2funcioacuten de la temperatura
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Importante Debe tenerse en cuenta que laseccioacuten de los conductores utilizados esraramente igual a la que se emplea para losensayos de certificacioacuten de los interruptoresautomaacuteticos
El desplazamiento que tiene en cuenta estosdiversos criterios puede expresarsematemaacuteticamente
Foacutermula de desplazamiento
El interruptor automaacutetico y sus conductores deconexioacuten disipan esencialmente por conveccioacuten
Aparece por ello la relacioacuten
W1 = h S (TL - Ti)
siendo
W1 potencia disipada en W para un aparatoconectado dentro de una envolvente con unvolumen de aire a la temperatura T i
h = coeficiente de intercambio en Wm2 983226C
S superficie de intercambio en m2TL temperatura del punto caliente en 983226C (porejemplo el bimetal)
Ti temperatura del aire interno alrededor delaparato en 983226C
h = Cste S (TL - Ti)α
de donde W1 = Cste S (TL - Ti)1+α
Cuando el aparato se halla al aire libre a 40983226Cse tiene una relacioacuten similar
W2 = Cste S (TL - 40)1+α
de donde
1
1 L i W T
T
W T
402
L
Ademaacutes se sabe que1 = RIthe
2 y que W2 = RIr 2
W TL -T
y por tanto Ithe 1114109Ir
i
TL - 40
siendo Ithe la intensidad que recorre el aparato
Id = K1 x In y β = (1 + α)2
β coeficiente que caracteriza el tipo de dispositivoSe determina experimentalmente o por unanaacutelisis maacutes fino del comportamiento teacutermicodel elemento Su valor estaacute comprendido entre02 y 07
Relacioacuten final integrando ademaacutes el efecto
de las secciones (coeficiente K2)
TL
T iI 1114109
I K K
the n 1 2 TL
40
Los datos que corresponden alcomportamiento del interruptor automaacutetico y queintervienen en esta foacutermula estaacuten en losficheros que utiliza el programa informaacutetico alcalcular las temperaturas en el interior deltablero
tteacutermico
magneacutetico
curvaliacutemitedel cable
CR
LR
t
curvaliacutemitedel cable
retardocorto
retardolargo
Ir Irm Icu I Ir Irm Iins Icu I
ILR ICRIr = ajuste del releacute teacutermicoIrm = ajuste del releacute magneacutetico
zona
zona de
zona desobre-Icu = poder de corte uacuteltimo normal cortocircuitoscarga
10485731114109917501 Curvas de disparo de un interruptor automaacutetico
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6 Meacutetodo de caacutelculo de la temperatura en las envolventes
La modelizacioacuten presentada hasta ahora debeservir de base al desarrollo de nuestro meacutetodode caacutelculo que debe permitirnos determinar elfuncionamiento real del tablero (intensidadmaacutexima en cada derivacioacuten) y con ello utilizarel conjunto al maacuteximo con una seguridadgarantizada
61 Principio
El programa se desarrolla con dos bucles deiteraciones imbricadas con el fin de determinarel nivel permanente El primero concierne a laresolucioacuten del problema teacutermico el otro a loscoeficientes de desplazamiento
El esquema de caacutelculo se presenta en la figura17
1983210 etapa descripcioacuten de la configuracioacuten esdecir tipo de envolvente utilizado nuacutemero dedispositivos y su posicioacuten relativa A este nivel elprograma utiliza el fichero de aparatos pararecuperar los datos descritos con anterioridad
2983210 etapa descomposicioacuten de la envolvente ensus voluacutemenes isotermos (nudos de lamodelizacioacuten nodal)
3983210 etapa inicio de los nuacutecleos de iteracioacuten concaacutelculo
de la potencia disipada (en la primeraiteracioacuten los coeficientes de desplazamiento setoman igual a 1)
de los coeficientes de la matriz de admitanciaa partir de las ecuaciones de balance
de las temperaturas internas (resolucioacuten delproblema teacutermico)
Como acostumbra a suceder en teacutermica lasnumerosas relaciones entre paraacutemetrosprecisan de una definicioacuten iterativa con laelaboracioacuten de un programa del que vamos apresentar el principio
de los nuevos coeficientes dedesplazamiento comparaacutendolos con losanteriores Si el salto se juzga poco importante(prueba de paro de la iteracioacuten) se procede a unnuevo bucle calculando las nuevasintensidades que atraviesan cada aparato denuevo la potencia disipada
4983210 etapa salida de los resultados
Descripcioacuten de la configuracioacutenestudiada
Intensidad
Potencia disipadadentro de la envolvente
Coeficientes dedesplazamiento
Temperaturasiinteriores
10485731114109917501 Principio de funcionamiento de los programas
62 Descripcioacuten de los datos a suministrar y de los resultados obtenidos
Datos
tipo de envolvente ymaterial
iacutendice de proteccioacuten
temperatura ambiente alrededor de laenvolvente
nuacutemero de filas de dispositivos
denominacioacuten de los aparatos que permitensu localizacioacuten en el fichero
configuracioacuten del tablero y posicioacuten de los
dispositivos
Resultados
eleccioacuten de un juego de barras horizontal yvertical (seccioacuten) e intensidad en estas barras
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potencia teacutermica total disipada en el tablero
coeficiente de desplazamiento para cadadispositivo debido a las intensidades circulantes
eventualmente la temperatura alcanzada por
las barras y su nivel en las diferentes zonas deltablero
63 Configuraciones modelizadas
Es bien sabido que en un programa como elque se indica no pueden considerarse todas lasconfiguraciones de instalacioacuten imaginablesSolamente se consideran las maacutes comunes esdecir las que permiten responder al 90 de loscasos deseados Un ejemplo en la figura 18
Configuracioacuten 1 Configuracioacuten 2 Configuracioacuten 3sin aparato de entrada aparato de entrada
en posicioacuten altaaparato de entradaen posicioacuten baja
10485731114109917501 Configuraciones modelizadas
64 Resultados
Este progreso en el caacutelculo informaacutetico demodelos es especialmente interesante porquepermite efectuar los diversos estudios
Estudio detallado de una configuracioacutendeterminada para optimizar la posicioacuten de undispositivo o la eleccioacuten de un juego de barrasconocer la potencia disipada por el conjuntopara dimensionar una climatizacioacuten adaptada
El ejemplo siguiente se ha efectuado con unacolumna de un cuadro industrial de potenciacompartimentado forma 2 conteniendo
un juego de barras horizontal alimentando un
aparato de entrada y la columna adyacente un aparato de entrada de 2500 A diferentes interruptores automaacuteticos de caja
moldeada
El programa nos facilita entre otros los coeficientes de desplazamiento Kdesp las intensidades que circulan por cadaaparato Ir
Advertencia sobre el coeficiente Kdiv
Este coeficiente nos permite tener en cuenta elcoeficiente de diversidad o de esponjamientoderivacioacuten por derivacioacuten
Es decir los niveles de funcionamiento en uninstante dado de los diferentes aparatos
Por ejemplo en un instante dado 2derivaciones son solicitadas al maacuteximo y lasotras hasta el 05 de sus posibilidadesafectando al sistema teacutermico del conjunto
Los resultados se presentan en la hoja decaacutelculo de la figura 19
Tabla de desplazamiento para unaconfiguracioacuten dada
Esta posibilidad de utilizacioacuten del programasemejante a la utilizacioacuten anterior permite reunirpara una configuracioacuten frecuente losdesplazamientos de los diferentes dispositivosteniendo en cuenta su posicioacuten real en el
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tablero las secciones de los conductoresutilizados los iacutendices de proteccioacuten y de latemperatura ambiente exterior
En la figura 20 se puede ver un ejemplo de uncuadro industrial de potencia con los datosdetallados de los dispositivos instalados en columna
Tabla de desplazamiento para un tipo dedispositivo
Para la mayor parte de interruptoresautomaacuteticos de caja moldeada eldesplazamiento es relativamente independientede la configuracioacuten
Masterbloc MB200 IP = 31
Tabla con aparato de llegada en posicioacuten alta alimentada con JdB horizontal
Referencia Posicioacuten Kdespl Kdiv Ia(A) Or(A)
M25H 1 12 88 1 2200 2200
NS630ST 17 21 93 1 586 518
NS630ST 22 26 96 1 605 534
NS400ST 27 31 1 1 400 353
NS400ST 32 36 1 1 400 353
NS250D250 37 40 1 1 250 221
NS250D250 41 44 1 1 250 221
Juego de barras horizontal
intensidad 2200 A
M 25
NS 630
NS 630
NS 400
NS 400
NS 250
NS 250
seccioacuten 1 4 barras de 100 5
Juego de barras vertical
intensidad 2200 A Temperatura JdB horizontal 95oC
seccioacuten 1 4 barras de 80 5Temperatura JdB vericalTemperatura ambiente
104oC35oC
Temperatura del techo 70oCPotencia total disipada 1953 W Temperatura JdB horizontal 75oCdetalle en dispositivos 593 W Temperatura aparellaje alto 68oC bajo 35oC
en auxiliares 0 W Temperatura auxiliar alto 52oC bajo 35oC juegos de barras + derivaciones 1271 W Temperatura JdB + derivaciones alto 77oC bajo 35oC juego de barras horizontal 89 W Temperatura conexiones alto 58oC bajo 35oC
10485731114109917501 Resultados del caacutelculo para una configuracioacuten determinada
IP31
Tdeg amb 35 40 45 50 55
M25 09 087 084 081 079M16 097 094 091 088 086M08 1 1 1 1 1
IP 4254
Tdeg amb 35 40 45 50 55
M25 079 077 075 073 071M16 087 085 083 081 079M08 1 1 1 1 1
3b 1005
3b 1005
2b 805
2b 805
1b 635
1b 635
3b 1005
4 b
8 0 5
1 b 8
0 5
M 252500 A
M 161600 A
M 08800 A
hueco
x
x
x
10485731114109917501 Desplazamiento de los interruptores automaacuteticos descritos en funcioacuten de la temperatura ambiente
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Los coeficientes de desplazamiento seestablecen por exceso situando los dispositivos enlo alto del tablero o del compartimento
Ver a tiacutetulo de ejemplo la figura 21
Curvas caracteriacutesticas del comportamientoteacutermico de un tipo de envolvente
Se establecen dos tipos graacuteficos
un conjunto de curvas que permitendeterminar la temperatura media en el interiorde una envolvente determinada en funcioacuten de lapotencia disipada y de la temperatura ambienteexterior
En la figura 22 se indican estas curvas para untablero de distribucioacuten no compartimentado
unas curvas que permiten determinar lapotencia que estas envolventes pueden disiparpara un calentamiento definido en funcioacuten desus caracteriacutesticas dimensionales
Ejemplo temperatura ambiente exterior 35 oCcalentamiento maacuteximo admisible ∆Ta = 30 oC
1048573 tablero altura 2 m anchura 09 mprofundidad 04 m
potencia disipable 850 W
1048573 tablero altura 2 m anchura 09 mprofundidad 06 m
potencia disipable 1000 W seguacuten curvas de lafigura 23
IP 31 IP 4254
Tdeg amb 35 40 45 50 55 35 40 45 50 55
NS100 100 100 100 100 95 100 95 90 85 80
NS160 160 155 150 145 140 150 140 135 125 120
NS250 235 225 220 210 200 205 195 180 170 165
NS400 380 370 360 350 340 350 340 330 320 310
NS630 540 520 510 500 485 485 475 465 450 440
10485731114109917501 Ejemplo de intensidades de corriente (en A) de disparo de interruptores automaacuteticos Compact NS
instalados dentro de una envolvente de BT determinada
Temperaturamedia en oC
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Tamb 60oC
Tamb 55oC
Tamb 50o
CTamb 45oCTamb 40oCTamb 35oC
Tamb 25oC
Dimensiones de
la envolventealto 2 mancho 09 mprofundo 04 m
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Potencia disipada en vatios
10485731114109917501 Temperatura media del aire en el interior de un armario de distribucioacuten metaacutelico IP2 y de forma 1
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Envolvente de 400 mmde profundidad
Potencia disipadaen vatios
1600
1400 T = 40oC
1200
1000 T = 30oC
800
T = 20oC600
400T = 10oC
200
800 900 1000 1100
Anchura en mm
Envolvente de 600 mmde profundidad
Potencia disipadaen vatios
1600 T = 40o
C
1400T = 30oC
1200
1000
T = 20oC1000
600
400 T = 10oC
200
800 900 1000 1100
Anchura en mm
10485731114109917501 Potencia disipable por calentamiento en una envolvente dada en funcioacuten de su anchura Curvas que se
refieren a un gabinete metaacutelico de formas 1 de 2 metros de altura
65 Resultados experimentales
Se han efectuado ensayos de calentamiento enel laboratorio Ampegravere de ASEFA con diversostipos de envolventes cofrets de plancha oplaacutestico armarios Prisma tableros de
distribucioacuten MasterblocDurante estos ensayos se han medido
temperaturas
1048573del aire en diferentes zonas de la envolvente
1048573de los conductores juego de barras yderivaciones
1048573de los puntos calientes de los dispositivos(bimetal ambiente electroacutenico)
intensidades
paraacutemetros que intervienen en lamodelizacioacuten en particular los coeficientes deintercambio aireparedes
Estas mediciones han permitido por una parte
verificar la conformidad a la norma IIEC 604311 deciertos valores (liacutemites de calentamientomencionados en el capiacutetulo 12 sobre lasnormas) y por otra parte para validar el modelo
En lo referente a las temperaturas del aire ladiferencia entre los valores medidos ycalculados depende del tipo de envolventemodelizada ya que al nivel de la modelizacioacuten
los supuestos difieren seguacuten que se considerelas envolventes compartimentadas o no
Sobre el conjunto de ensayos efectuados encuadros de diferentes formas(compartimentados o no) las diferenciasmaacuteximas constatadas han sido siempreinferiores a 6983226C
Las temperaturas calculadas para los juegos debarras muestran tambieacuten una concordancia conlas mediciones y han permitido validar elprograma informaacutetico
En referencia a las intensidades lasdesviaciones en valor medio son inferiores al5 En una homologacioacuten reciente de unaconfiguracioacuten de cuadro Masterbloc encalentamiento el programa ha permitido preverel nivel de funcionamiento del cuadro
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7 Meacutetodo propuesto por el documento IEC 60890
No hace mucho tiempo atras los gabinetes eleacutectricos
se escogiacutean equipaban y llenaban en funcioacutende la experiencia tambieacuten en lo que se refierea la tasa de llenado y a la variacioacuten de latemperatura en el tablero durante elfuncionamiento
Por ejemplo Temperatura exterior maacutexima
30983226C y 60983226C en el interior (los fabricantes de
aparamenta dan de margen hasta los 60983226C)
Esta praacutectica conduciacutea o a una pobre utilizacioacuten
del material o a actuaciones intempestivas de
las protecciones tenieacutendose la necesidad de
trabajar con las puertas abiertas
El meacutetodo propuesto por la recomendacioacuten
IEC aunque no se trate de una norma sino de
una guiacutea es de un intereacutes evidente Se
presenta detalladamente en el anexo de la
norma NFC 63410 o en la recomendacioacuten de la
IEC Ndeg 60890
Debemos de recordar los fundamentosmostrando los liacutemites y comparando con elmeacutetodo presentado en este Cuaderno Teacutecnico
En principio este meacutetodo se aplica aenvolventes a las que se puedan aplicar lassiguientes hipoacutetesis
reparto uniforme de la potencia disipada
el equipamiento se dispone de manera que no sedificulte la circulacioacuten de aire
no maacutes de 3 separaciones horizontales
Datos necesarios
dimensiones de la envolvente
potencia disipada en el interior (equipamiento
conductores)
tipo de instalacioacuten (envolvente aislada osituado en un extremo) (figura 24)
Caacutelculo
la temperatura se calcula uacutenicamente en 2
puntos de la envolvente
a media altura
T05 = Ta + ∆T050804siendo ∆T05 = dk Pw
d es un coeficiente que tiene en cuenta laexistencia de separaciones horizontales
1048573Si Ae lt 125 m2 d =1 (definicioacuten de Ae queveremos inmediatamente)
Si Ae gt 125 m2
Factor de repartode temperatura c165
116 2
3155 4
515
145
14
135
13
125
12
115
11
105
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Factor fCurvaTipo de instalacioacuten
1 Tapas separadas quitadas por todos los lados 3 Tapas separadas en montaje mural 2 Primera o uacuteltima tapa quitada
3 Tapa central quitada
5 Tapa central en montaje mural 4 Tapa central en montaje mural y con la parte
superior abierta
10485731114109917501 Factor de distribucioacuten de temperatura c para
envolventes sin orificios de ventilacioacuten y con una
superficie efectiva de enfriamiento A gt 125 m2 e
Valor de la superficie efectiva Constantede refrigeracioacuten Ae en m 2 de envolvente k
0 4
038
1 036
03415 032
2 03
028
3
25
026
4 024
5 022
6 0278 018
10 016
12 01414
01201
008
100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650
Seccion de los orificios de entrada de aire en cm2
10485731114109917501 Constante de la envolvente k para una
envolvente con orificio de ventilacioacuten y una superficie
efectiva de enfriamiento A gt 125 m2 e
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d = 1 con o sin orificios de ventilacioacuten sin
ninguna separacioacuten
d = 105 con o sin orificios de ventilacioacuten para
1 de separacioacuten
d = 115 oacute 110 con orificios de ventilacioacuten para 2 separaciones
d = 130 oacute 115 con orificios de ventilacioacuten para
3 separaciones
k es una constante que caracteriza laenvolvente su valor se determina con aacutebacos(figura 25) y es funcioacuten de la superficie deintercambio de la envolvente Ae (m2)
Ae = Σ Aob oacute Ao es la superficie geomeacutetrica delas diferentes paredes de la envolvente
b es una constante que tiene en cuenta el tipode instalacioacuten
Valores de b
1048573parte superior abierta b = 14
1048573
parte superior cubierta b = 071048573paredes laterales abiertas b = 09
1048573paredes laterales tapadas b = 05
1048573paredes laterales deenvolventes centrales b = 05
1048573parte inferior b = 0
Pw potencia disipada en Watt en la partealta de la envolvente
T1 = Ta + ∆T1
siendo ∆T1 = c ∆T05 o ∆T05 representa elcalentamiento precedente
c es una constante de calentamientodeterminada a partir de aacutebacos
Por ejemplo en el aacutebaco de la figura 24 c es
funcioacuten de Ae y de uno de los factores f o g
f = h135
(L P) si Ae gt 125 m2
g = h135L si Ae lt 125 m2
Liacutemites
Los liacutemites esenciales de este meacutetodo son
que se aplica bien a las envolventes nocompartimentadas de tipo gabinete y no a los
tableros de potencia muy compartimentados
que no tiene en cuenta la posicioacuten de lasfuentes de calor que la mayor parte de vecesno estaacuten repartidas de forma uniforme
Comparacioacuten con nuestra aproximacioacuten
Se constata que las aproximaciones danresultados similares para los tableros no
compartimentados y con fuentes de calorrepartidas (figura 26)
En lo que se refiere a las envolventes muycerradas la localizacioacuten de las fuentes de calory los intercambios entre las diferentes zonasinfluyen mucho en el calentamiento
Temperatura en oC
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Temperatura calculada seguacuten la norma
Temperatura calculada con el programa de MG
Temperatura del aire ambiente 35 oC
Dimensiones de la envolvente
alto 2 m
ancho 09 m
profundo 04 m
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
Potenciadisipada en Watt
Fig 26 Temperatura del aire a media altura en un tablero metaacutelico de distribucioacuten IP2 y de la forma 1
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8 Conclusioacuten
La importancia de los tableros eleacutectricos en la
distribucioacuten no hay que demostrarla
En cuanto a la disponibilidad de la energiacutea
eleacutectrica y de la seguridad de funcionamiento resulta indiscutible que el control teacutermico de los
tableros eleacutectricos es un objetivo fundamental
Las normas que se refieren a las envolventes ya los productos determinan los liacutemites teacutermicosque no hay que sobrepasar
Les queda a los profesionales convertirse enlaquoarquitectos teacutermicosraquo del disentildeo de lasenvolventes y tableros eleacutectricos hoy es ya
cosa hecha incluso para los tableros de serie
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Estudio teacutermico de los tableros eleacutectricos de BT
El objetivo de este Cuaderno Teacutecnico es aportar una contribucioacuten a la comprensioacuteny dominio de los problemas teacutermicos que aparecen en un tablero eleacutectrico BT
Empezando por un repaso de las normas y los fenoacutemenos teacutermicos conduccioacuten-radiacioacuten-conveccioacuten se sigue mostrando coacutemo a partir de las teacutecnicas demodelizacioacuten generalmente reservadas a otros dominios es posible realizar unamodelizacioacuten en los tableros de BT
La modelizacioacuten alimenta naturalmente los programas informaacuteticos de ayuda aldisentildeo de gabinetes para equipamiento eleacutectrico
Los resultados obtenidos se comparan con las mediciones reales de temperatura
Finalmente se resalta la metodologiacutea y las posibilidades de la guiacutea IEC 60890
Iacutendice
1 Introduccioacuten 11 Control teacutermico de los tableros eleacutectricos de BT p 6
2 Los problemas teacutermicos en un tablero 21 Causas efectos y soluciones p 7
22 Detalle sobre las normas p 8
3 Comportamiento teacutermico de un 31 Repaso sobre los principales fenoacutemenos teacutermicos p 11
tablero eleacutectrico BT 32 Intercambios al nivel de un tabler o p 14
4 Presentacioacuten de la modelizacioacuten 41 Principio p 15
42 Modelizacioacuten de la conveccioacuten p 16
43 Aplicacioacuten a las envolventes de BT p 17
5 Comportamiento de las fuentes de 51 Los juegos de barras p 18de calor 52 Los dispositivos p 19
6 Meacutetodo de caacutelculo de la temperatura 61 Principio p 21
en el interior de las envolventes 62 Descripcioacuten de los datos a suministrar y de los datos obtenidos p 2163 Configuraciones modelizadas p 22
64 Resultados p 22
65 Resultados experimentales p 25
7 Meacutetodo propuesto por la guiacutea IEC 60890 p 26
8 Conclusioacuten p 28
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1 Introduccioacuten
11 Control teacutermico de los tableros eleacutectricos de BT
Los nuevos meacutetodos de fabricacioacutendesarrollados por la industria en el transcursode los uacuteltimos antildeos (tendencias flujos) hanpuesto en evidencia una nueva nocioacuten laseguridad industrial Este concepto queengloba dos aspectos diferentes la seguridadde las personas y de los bienes y ladisponibilidad de la energiacutea eleacutectrica muestracuando se aplica a procesos complejos lospuntos criacuteticos en los que el funcionamiento
debe estar perfectamente normalizadoEl tablero eleacutectrico es uno de estos puntoscriacuteticos
Hay que destacar que el problema es similar aldel sector terciario
Considerado no hace mucho como un simplepunto de paso se ha convertido en el verdaderocentro neuraacutelgico de las instalaciones eleacutectricasDe su seguridad depende la seguridad delconjunto de la instalacioacuten y con ello de toda laactividad industrial o terciaria
El dominio de su funcionamiento precisaconocer y controlar no soacutelo el funcionamiento desus constituyentes sino tambieacuten las influenciasexternas a las que se ven sometidos
Un tablero eleacutectrico responde a la asociacioacuten de4 elementos fundamentales
la envolvente los dispositivos las conexiones
las funciones que garantizan la sentildealizacioacutenel comando y el tratamiento de la informacioacuten
El tablero eleacutectrico es cada vez maacutes teacutecnicoNecesita unos estudios de base para controlarya desde el disentildeo las condiciones defuncionamiento de sus componentes en unentorno determiando
Estos estudios se refieren entre otros a losaspectos teacutermicos que son el objeto delpresente Cuaderno Teacutecnico
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2 Los problemas teacutermicos de un tablero
El control de los fenoacutemenos teacutermicos es detodos el maacutes importante principalmente por tresrazones
por la tendencia a instalar el materialeleacutectrico bajo envolventes (seguridad) quesuelen ser de material aislante (poco eficacespara disipar el calor)n por la evolucioacuten del equipamiento que
integra cada vez en mayor medida laelectroacutenica cuyas dimensiones se vanreduciendo sistemaacuteticamente
por la tendencia a ocupar el volumen del
tablero al maacuteximo y aumentar el coeficiente dediversidad
21 Causas efectos y soluciones
La temperatura de un material eleacutectrico es elresultado
del efecto Joule (P = I2R) es decir de suresistencia al paso de la corriente de la temperatura ambiente
Los elementos del tablero se disentildea respetandolas normas de fabricacioacuten que definen lastemperaturas maacuteximas que no debenrebasarse para la seguridad de las personastemperatura de la caja y de los oacuterganos demaniobra diferencia maacutexima de temperatura enlos bornes
Todo ello se verifica por ensayos decertificacioacuten de los productos
En un tablero eleacutectrico el material estaacutesometido a condiciones de empleo muydiversas y las causas de sobretemperatura sonmuacuteltiples
La tabla de la figura 1 presenta las causasprincipales sus efectos y las posiblessoluciones
Todo el problema consiste en asegurarse en el
momento del disentildeo del tablero de que todossus componentes funcionaraacuten en unascondiciones de temperatura menos severas quelas liacutemites previstas en las normas deconstruccioacuten Los elementos tales como(interruptores automaacuteticos contactores etc)deberaacuten poder ser atravesados por la corrienteprevista sin ninguacuten problema
Esto puede ocasionar un problema decalentamiento que se manifestaraacute contemperaturas localizadas en diversos puntos deun aparato o de un equipo de BT superiores alos valores limite fijados por las normas odependientes del comportamiento de ciertoscomponentes Un estudio teacutermico de unaenvolvente BT tiene por objetivo principal eldeterminar la intensidad admisible para cadaaparato compatible con sus caracteriacutesticasteniendo en cuenta su entorno defuncionamiento
El otro objetivo de seguridad para las personasy los bienes no debe perderse de vista desdelas dos condicionantes adicionales
disponibilidad de la energiacutea eleacutectrica (sinfuncionamiento intempestivo o nofuncionamiento)
tiempo de vida de los componentes
En definitiva el objetivo a alcanzar consiste enprever con alta fiabilidad el estado defuncionamiento teacutermico del tablero
Para conseguirlo nos apoyaremos en tres tiposde soluciones
n la experiencia del fabricanten los ensayos reales para los tablerosrepetitivos la utilizacioacuten de programas informaacuteticos conlos que es posible determinar en funcioacuten de lascaracteriacutesticas de la envolvente el parintensidad-temperatura para cada una de lasfuentes de calor dispositivos conductores)(capiacutetulo 4) y todo ello en funcioacuten de suposicioacuten y de la temperatura del aire que los
envuelve Es evidente que un programainformaacutetico amparado por la experiencia y losensayos es muy uacutetil ya que permite estudiarcomparativamente las numerosasconfiguraciones de instalaciones posibles yoptimizar el cuadro a realizar desde el punto devista teacutermico y del costo
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Causas Efectos
Proteccioacuten Soluciones
Solucionesaleatoriasposibles conun disentildeoconforme albuen saberhacer delprofesional
NormaIEC 60439
NormaIEC 60634
Conexiones
Destruccioacuten de los conductores
Disparo aleatorio
Verificacioacuten de lasdefectuosas de los dispositivos aguas arriba conexiones
Deteccioacuten decalentamientos
Seccioacuten
Destruccioacuten de los
Ninguna
Dimensionamientoinsuficiente de los conductores correcto de losconductores conductores
Problemas demontaje y demantenimiento
Defecto dedisentildeo de lainstalacioacuten
NormaIEC 60898
Temperatura externa Temperatura interna Alarma Mejorar la ventilacioacutendemasiado elevada del tablero demasiado elevada n Puesta en march del local o del cuadro
Disparo de los releacutes teacutermicos de alguna ventilacioacuten
Envejecimiento de la parte
electroacutenica
Temperatura de las paredesexternas del tablero
excesivamente alta
Coeficiente de Disparo de la proteccioacuten Desconexioacuten Dimensionardiversidad de cabecera del tablero adecuadamente el tablero
elevado
Temperatura internaDesbordamiento del tablero excesiva
de las posibilidades Temperatura de las paredesde la instalacioacuten externas del tablero excesivamente
alta
Cortocircuito Deterioro de los conductores Desconexioacuten de Dimensionar adecuada-o sobrecarga Deterioro de los soportes seguridad mente los conductores
aislantes de las barras
Buena capacidad electro-dinaacutemica de los soportesa temperatura elevada
Eleccioacuten o usoinadecuado dedispositivos
NormaIEC 60947
Error de escalonado
Funcionamiento anormal
Disparo o
Revisar la eleccioacuten de losde las protecciones (disparos) sentildealizacioacuten componentes y su distribucioacuten
o mala disposicioacuten Envejecimiento prematuro Ventilacioacutenfiacutesica
10485731114109917501 Problemas teacutermicos y relacioacuten causaefecto
22 Detalle sobre las normas
Son muchas las normas que abarcan el ampliocampo de la BT por ejemplo la Reglamentacioacuten AEA02 define las reglas a respetar para todas lasinstalaciones de baja tensioacutenen inmuebles
Para los aspectos de definicioacuten y de concepcioacutende los aparatos y conjuntos de BT podemosreferirnos respectivamente
n a las normas de dispositivos por ejemplo laIEC 60947
n a la norma IEC 60439 para los tableros (y
sus montaje) en BT
La norma internacional IEC 60439 se divide en
cinco partes
n IEC 604391 (nov 1992) que reuacutene las reglaspara los conjuntos de serie (CS) y los conjuntosderivados de serie (CDS)
n IEC 604392 (1997) que define las reglaspara las canalizaciones prefabricadas
n IEC 604393 (dic 1990) que comprende la
instalacioacuten de los dispositivos de BT en zonasaccesibles a personas no advertidas
n IEC 604394 (dic 1990) que define las reglas
para las instalaciones en canteras
n IEC 604395 (mar 1996) que se refiere almontaje de redes de distribucioacuten instaladas enel exterior (por ejemplo tableros para aceras o
andenes)
La parte que afecta particularmente a los
tableros de BT es la IEC 604391 editada en 1992
En el aacutembito europeo esta uacuteltima es la base dela mayor parte de normas nacionales (BritishStandard NFC VDE UNE ) En efecto sus
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contenidos transcriben fielmente el texto de lanorma IEC las diferencias corresponden maacutes a
costumbres propias de cada paiacutes que adiferencias causadas por puntos fundamentalesde la norma IEC
El aporte esencial de esta norma ha sido el
definir de forma precisa dos nociones
encaminadas ambas hacia un aumento de laseguridad Eacutestas son
la nocioacuten de conjuntos totalmente ensayadosCS (conjuntos de serie) o parcialmenteensayados CDS (conjuntos derivados de serie)
la nocioacuten de las formas (figura 2)
forma 1 forma 2b
forma 3b forma 4b
Fig 2 Diversas laquoformasraquo seguacuten la norma IEC 60439
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Sin entrar en el detalle podemos decir que losCS corresponden a productos perfectamentedefinidos y fijados tanto a nivel de componentes(planos precisos de cada uno de susconstituyentes) como de su fabricacioacuten (guiacutea de
montaje) y deben satisfacer los ensayos detipo (calentamiento cortocircuito continuidadde masa) definidos por la norma
Los CDS corresponden a conjuntos en los quela estructura de base es un CS con una o variasmodificaciones modificaciones que deben deestar validadas por el caacutelculo o por un ensayoespeciacutefico
La nocioacuten de forma corresponde a unadefinicioacuten precisa de los grados de separacioacutenque pueden encontrarse en un tablero y queaumentan la proteccioacuten de las personas por unano accesibilidad a las partes activas (juegos debarras) Se distinguen 4 tipos de formas quevan desde una ausencia total de separacioacuten(forma 1) hasta un cierre completo de losdiferentes elementos del tablero (forma 4)
Hay que advertir que este encierro incidemuchiacutesimo sobre la componente teacutermica deestos conjuntos
La norma IEC define igualmente el ensayo decalentamiento que debe satisfacer un conjunto
Esta norma precisa las condiciones y los liacutemitesde calentamiento (821 de la norma) que nodeben superar los diferentes componentes delconjunto
Condiciones de ensayo
1048573El conjunto debe estar dispuesto para el usonormal
1048573
La corriente correspondiente al valorasignado se reparte entre los diferenteselementos teniendo en cuenta un factor dediversidad (Kd) variable seguacuten el nuacutemero decircuitos principales
2 le n983226 de circuitos principales le 3 Kd = 09
4 le n983226 de circuitos principales le 5 Kd = 08
6 le n983226 de circuitos principales le 9 Kd = 07
nuacutemero de circuitos principales ge 10 Kd = 06
1048573
Se consigue realmente la estabilizacioacutenteacutermica cuando la variacioacuten de temperatura noexcede de 1oCh Los conductores conectadosa los aparatos deben tener su seccioacutenconforme a las directrices de la norma
1048573Las mediciones de temperatura se efectuacuteancon ayuda de termocuplas
1048573La temperatura ambiente de referencia es de35oC
Con relacioacuten a la temperatura ambiente nodeben excederse los calentamientos
70 K para los bornes de conexioacuten de losconductores exteriores 25 K para los oacuterganos de mando manual de
material aislante 30 K oacute 40 K para las superficies metaacutelicasexternas accesibles o no
valores especiacuteficos particulares para losconstituyentes incorporados y tambieacuten para losaislantes en contacto con los conductores
Hay que sentildealar todaviacutea un tema denormalizacioacuten la existencia de una guiacutea teacutecnicade predeterminacioacuten de los calentamientos (IEC60890) Ha estado validada por numerososensayos ya que no tiene la categoriacutea de norma
La guiacutea da resultados correctos para unasconfiguraciones simples (envolvente pococompartimentada fuentes de caloruniformemente repartidas) En el capiacutetulo 7
se hace una presentacioacuten de este meacutetodo asiacutecomo una comparacioacuten con nuestro meacutetodo deproyectista de laquotablerosraquo
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3 Comportamiento teacutermico de un tablero eleacutectrico en BT
Un tablero eleacutectrico es un sistema compuestode un fluido (el aire) y de cuerpos soacutelidos en losque el paso de corriente eleacutectrica vaacompantildeada de peacuterdidas de energiacutea queprovocan una elevacioacuten de temperatura
31 Repaso sobre los principales fenoacutemenos teacutermicos
Los intercambios teacutermicos permiten describir elcomportamiento de un sistema cualquiera en elque el sistema es un tablero eleacutectrico
Contemplan tres tipos de fenoacutemenos diferentes
Fenoacutemeno de conduccioacuten que corresponde auna transferencia de calor al interior de cuerpossoacutelidos (figura 3) Se distinguen
por una parte los fenoacutemenos de conduccioacutensimple para los que el cuerpo considerado noes la base de ninguacuten fenoacutemeno teacutermico porejemplo conduccioacuten al interior de un muro
por otra parte los fenoacutemenos de conduccioacutenviva donde el cuerpo estudiado es la base deuna creacioacuten de calor por ejemplo barra decobre recorrida por una corriente eleacutectrica
Los caacutelculos relativos a la transmisioacuten de calorpor conduccioacuten se basan en la ley de Fourierque para las geometriacuteas simples se reduce a larelacioacuten
917501ij 1114109 1048573S Ti
T j 1048573d
La evolucioacuten hacia el equilibrio teacutermico serealiza por transferencia del calor desde laspartes activas dispositivos conductores)donde se genera dicho calor hacia las partesen contacto con el exterior que lo transmiten asu alrededor al medio que los rodea
siendoΦij = flujo caloacuterico transmitido entre dos puntos i y j enW λ = conductividad teacutermica en Wm oC S = superficie de transmisioacuten en m2 Ti T j = temperaturas de los dos puntos en oC d = distancia entre los dos puntos en m λ es una caracteriacutestica del medio laquoconductorraquo Su valor es funcioacuten de la temperatura pero a
menudo se considera como una constante
Por ejemplo algunos valores de λ en Wm oC
Plata λ = 420
Cobre λ = 385
Aluminio λ = 203
Acero λ = 45
Materiales plaacutesticos λ = 02
Asfalto λ = 0935
Piedra λ = 0657
Lana de vidrio λ = 0055
Aire (30 oC) λ = 0026
10485731114109917501 Impedancia de las conexiones
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Fenoacutemeno de radiacioacuten corresponde a latransferencia de calor entre cuerpos soacutelidosseparados por un medio maacutes o menostransparente (figura 4)
Estos intercambios que se establecen entre lassuperficies de cuerpos cualesquiera dispuestosuno frente a otro se representan por relacionesbastante complejas en las que intervienen
la emisioacuten del soacutelido que si es consideradocomo un cuerpo negro no es funcioacuten de sutemperatura
los estados de superficie representado pormedio del coeficiente de emisividad e quecaracteriza el grado de las superficies de estoscuerpos con referencia al cuerpo negro
los fenoacutemenos de reflexioacuten y de absorcioacuten
la disposicioacuten de las superficies unasrespecto a las otras por la intermediacioacuten de losfactores de forma
Sin embargo en el caso particular de unasuperficie (por ejemplo j) que envuelvecompletamente a la otra (i) y tal que la razoacutenSiS j sea de valor bajo estas expresiones sesimplifican y se llega a
Φi = εi σ Si (Ti4 - T j
4)
siendo
Φi = flujo de calor transmitido a traveacutes de la
superficie Si en W εi = coeficiente de emisividad en la superficie S i
σ = constante de Stefan-Boltzmann
(567032 x 10-8 W m-2 K-4) Si = superficie en m2 Ti T j = temperatura de las superficies en
transmisioacuten en K
Fenoacutemenos de conveccioacuten bajo el teacutermino
general de conveccioacuten se funden de hecho dos
fenoacutemenos diferentes que a menudo se auacutenan
el fenoacutemeno de conveccioacuten propiamentedicho que corresponde a una transferencia decalor entre un cuerpo soacutelido y un fluido enmovimiento Seguacuten el origen del movimiento delfluido se distingue la conveccioacuten natural y laconveccioacuten forzada (figura 5)
Estas transferencias se caracterizan por loscoeficientes de intercambio hi
Φi = hi Si (Tf - Ti)
siendo
Φi = flujo de calor transferido a la superficie Si
en W hi = coeficiente de intercambio en Wm2 oC Tf Ti = temperaturas del fluido y de la superficie
de transferencia en oC
Desde un punto de vista fiacutesico el problema de
intercambio de calor por conveccioacuten estaacute
fuertemente relacionado a un problema de
mecaacutenica de fluidos
10485731114109917501 Fenoacutemenos de radiacioacuten
10485731114109917501 Fenoacutemenos de conveccioacuten
Desde un punto de vista praacutectico el problemapuede abordarse simplemente por utilizacioacuten decoeficientes de intercambio donde la expresioacutenhace intervenir
1048573 los paraacutemetros que describen la
transferencia de flujo del fluido (velocidad)1048573 las propiedades fiacutesicas del fluido(conductividad teacutermica viscosidad dinaacutemicacapacidad caloriacutefica masa volumeacutetrica)asociadas a menudo bajo forma de nombressin dimensioacuten o caracteriacutesticas (como NusseltPrandtl Reynolds Grasshof)
Por ejemplo expresioacuten del coeficiente deintercambio en conveccioacuten natural para unageometriacutea simple placa plana vertical de alturaL a una temperatura uniforme
Nu h =
Dh
siendo
Nu = nuacutemero de Nusselt 053(GrPr)025 dondeGr y Pr son respectivamente los nuacutemeros deGrasshof y de Prandtl funcioacuten de laspropiedades fiacutesicas del fluido y del salto detemperatura entre el fluido y la superficie detransmisioacuten
λ = conductividad teacutermica del fluido (Wm oC)Dh = dimensioacuten caracteriacutestica (m)
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Habitualmente esta magnitud corresponde a lamayor dimensioacuten del cuerpo soacutelido en contactocon el fluido en movimiento aquiacute L
Importante Es interesante notar que elcoeficiente de intercambio depende del salto detemperatura solamente a la potencia 025 Portanto h = K(∆t)025
el fenoacutemeno de movimientos convectivosque corresponde a la transferencia de calor enel seno de un fluido por medio de los bucles deconveccioacuten que explican por ejemplo elgradiente de temperatura observado entre laspartes baja y alta de un volumen de fluidocerrado sede de fenoacutemenos teacutermicos
Los movimientos de aire entre dos voluacutemenes iy j se caracterizan por las diferencias de masafuncioacuten de las secciones de paso y de lavelocidad de circulacioacuten (figura 6)
La transferencia de calor se representa por
Φij = M cp (Ti - T j)
siendo
Φij flujo de calor transferido entre i y j en W
M circulacioacuten maacutesica en kgs
cp capacidad caloriacutefica del fluido en Jkg oCTi T j temperatura del fluido en los voluacutemenes iy j en oC
Nota la transferencia de calor viene impuestapor el sentido de circulacioacuten
Expresioacuten de la velocidad del fluido en el casode la conveccioacuten natural el fluido se pone enmovimiento entre los puntos i y j por susvariaciones de masa volumeacutetrica con la
temperatura La velocidad se supone seraacute proporcional a las
citadas variaciones funcioacuten de la diferencia de
temperatura entre i y j
V 1114109Cste g Dij ij
siendo
∆ρ ρ variacioacuten relativa de masa volumeacutetricag aceleracioacuten de la gravedad en ms2Dij distancia entre los dos puntos i y j en m
Ademaacutes si se supone que el fluido consideradotiene un comportamiento de gas perfectoentonces
∆ρρ = β (Ti T j) de donde
Vij 1114109
Cste Ti
T j 1048573
g Dij
1siendo 1114109
(en caso de un gasTi T j 1048573 2
perfecto)
Ti T j temperatura del fluido en ordmK
Estas foacutermulas corresponden a movimientos de
voluacutemenes de fluidos ascendentes o
descendentes En el caso de movimiento de
fluido junto a una pared se trata de un
problema doble teacutermico-hidraacuteulico que puede
resolverse en algunos casos de forma analiacutetica
(desplazamiento laminar a lo largo de una
pared)
En este caso la velocidad del fluido a lo largo de
la pared presenta una expresioacuten similar es
decir es proporcional a una diferencia de
temperaturas (fluido-pared)
Ver en la terminologiacutea como repaso la
definicioacuten grado Celsius Kelvin y Fahrenheit
10485731114109917501 Fenoacutemenos del movimiento de conveccioacuten
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32 intercambios al nivel de un Tablero
En el esquema de la figura 7 se presentan loselementos que constituyen el sistema
estudiado aire ambiente envolvente aireinterno y las diferentes fuentes de calor Estadescripcioacuten del estado teacutermico del tablero nos
muestra que todos los fenoacutemenos deintercambios descritos hasta aquiacute debentenerse en cuenta y estaacuten fuertementeinterrelacionados
Por ejemplo
la temperatura del aire interno resulta
1048573de los intercambios por conveccioacuten entre elaire interno y las superficies de los diferentesdispositivos de los conductores y de las paredes
1048573del calor transportado por los movimientosconvectivos del aire
Al nivel de la dispositivos el calor generadopor efecto Joule es intercambiado
1048573por conveccioacuten entre su superficie deintercambio y el aire interno
1048573por conduccioacuten entre las barras y los cables
1048573por radiacioacuten con las paredes de laenvolvente y las superficies de los otrosdispositivos
Los fenoacutemenos maacutes importantes que
intervienen en el comportamiento del conjuntoson los fenoacutemenos de conveccioacuten
Temp ambiental
Paredes del local
s
Envolvente
Conduccioacuten
Radiacioacuten
Conveccioacuten
Movimientos de conveccioacuten
s
Temp interior
Conductores
JdB horizvert Dispositivos
t( (
t
10485731114109917501 Comportamiento teacutermico de una emvolvente
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4 Presentacioacuten de la modelizacioacuten
41 Principio
Todos los meacutetodos de resolucioacuten se basan en eldesarrollo de un sistema de modelizar enbloques elementales que es un meacutetodo deMonte-Carlo de diferencias finitas o deelementos finitos
El meacutetodo empleado el anaacutelisis nodal estaacutededucido de una aproximacioacuten a las diferenciasfinitas Esta teacutecnica si bien claacutesica presenta elintereacutes de poder representar el comportamientoteacutermico de un sistema complejo teniendo encuenta las interacciones entre las diferentespartes o componentes que lo constituyen
Por ejemplo puede utilizarse en dominios muydiversos para describir el comportamiento de unsateacutelite artificial de un motor eleacutectrico lascondiciones climaacuteticas en el interior de uncentro de transformacioacuten o de un edificio devarias viviendas
En principio este meacutetodo consiste endescomponer el sistema estudiado endiferentes voluacutemenes isoteacutermicosdenominados nudos A cada nudo se asociandiferentes paraacutemetros entre otros unatemperatura y eventualmente un aporte decalor independiente de los intercambiosteacutermicos Seguidamente se efectuacutean unosacoplamientos entre nudos es decir losdiferentes intercambios entre los voluacutemenesque nos permiten escribir unas ecuaciones debalance (conservacioacuten de la energiacutea y demateria en el elemento de volumen unido a unnudo determinado) Este meacutetodo quecorresponde de hecho a una discretizacioacutenespacial del sistema nos conduce a definir unared teacutermica con sus nudos sus capacidades
Magnitudes teacutermicas Magnitudes eleacutectricas
Temperatura Potencial
Resisteacutencia teacutermica Resistencia eleacutectrica
sus fuentes de calor sus conductancias quetraducen los diferentes acoplamientos entrenudos (analogiacutea entre los fenoacutemenos eleacutectricosy teacutermicos) (figura 8)
Se llega asiacute a un sistema de ecuacionesemparejadas eventualmente no lineales quenos permitiraacuten definir una matriz la matriz deadmitancia teacutermica Soacutelo falta entoncesprecisar los valores numeacutericos de los elementosde esta matriz que corresponden a lasconductancias teacutermicas
Expresioacuten de las conductancias por tipo deintercambio
Conduccioacuten Gij = λ i Sij Dij
Radiacioacuten Gij = α σ ε S Fij (Ti + T j)(Ti2 + T j
2)
Conveccioacuten Gij = hi Sij
Movimiento convectivo Gij = M cp
Expresioacuten del flujo teacutermico equivalente de laintensidad eleacutectrica
1I1114109 1048573U
R
1 2 3 4
Nudo 1 aire interiorNudos 2 y 3 paredes interiores y exterioresNudo 4 aire ambiente exterior
representa los intercambiospor conduccioacuten
representa los intercambios
por conveccioacuten
representa los intercambiosFlujo de calor Corrientepor desplazamiento del aire
U representa el aporte de calorΦ = G (T2 - T1) I1114109
1 1048573R en el nudo 1
repesenta la capacidad caloriacuteficaCapacidad teacutermica Capacidad eleacutectricaasociada a cada nudo
10485731114109917501 Correspondencia entre magnitudes teacutermicas y 10485731114109917501 Representacioacuten nodal simplificada -modelizacioacuten
eleacutectricas de una pieza
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Φij = Gij (Ti + T j)
siendo
Φij = flujo energeacutetico intercambiado entre los
nudos i y j
Gij = conductancia entre i y j funcioacuten del tipo de
intercambio considerado
Ti T j = temperaturas asociadas a los nudos i y j respectivamente
Tomamos como ejemplo la modelizacioacuten de
una pieza en la que hay una fuente de calor
Se ha descompuesto este sistema en 4 nudos
1 para el aire interno 2 para las paredes (interna y externa) 1 para el aire ambiente exterior
Representacioacuten nodal (simplificada) en lafigura 9
Ecuaciones que traducen los flujos teacutermicospara este sistema simple
nudo 1
Q1 - h12 S12 (T1 - T2) + M41cp (T4 - T1)
- M14cp (T1 - T4) = 1 V1 cp1 T1
nudo 2
2 S23- (T2 - T3) =
d23
h12 S12 (T1 - T2)
= 2 V2 cp2 T2
42 Modelizacioacuten de la conveccioacuten
Como se ha indicado anteriormente en elcapiacutetulo 2 en el teacutermino de conveccioacuten seemparejan a menudo dos fenoacutemenos(intercambios cuerpo-fluido e intercambios en elmismo fluido)
nudo 3
2 S23- (T2 - T3) - h34 S34 (T3 - T4) =
d23
= 2 V2 cp2 T2
nudo 4
h34 S34 (T3 - T4) + M14cp (T1 - T4)
- M41cp (T4 - T1) = 4 V4 cp4 T4
Importante los teacuterminos T i que corresponden adTidtla expresioacuten Estos teacuterminos no se toman
en consideracioacuten ya que soacutelo interesa elreacutegimen permanente es decir con lastemperaturas estabilizadas
A partir de estas ecuaciones se deduce elsistema de ecuaciones [G] [T] = [R]correspondiente seguro a
Φij = Gij (Ti - T j)
donde
G la matriz de admitancia teacutermicaT el vector de temperaturas desconocidasR el vector de las solicitaciones impuestas(fuentes de calor Q1 temperatura )
Este tipo de proceso ha permitido elaborar loscoacutedigos de caacutelculo y las reglas propias a losproblemas teacutermicos de los edificios
La modelizacioacuten de los intercambios porconveccioacuten debe dividirse en dos partes unadescribiendo las peacuterdidas maacutesicas (movimientosde aire) y otra describiendo los intercambiosteacutermicos (coeficientes de intercambio) con unadependencia mutua entre ellos por transferenciamaacutesicateacutermica ((figura 10)
Movimientos del aire Esquema nodal correspondiente que muestralos dos aspectos de la conveccioacuten
10485731114109917501 Modelizacioacuten maacutesica y teacutermica de la conveccioacuten
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43 Aplicacioacuten a las envolventes en BT
Distinguimos para la modelizacioacuten dos grandesgrupos de envolventes
Envolventes no compartimentadasEn este caso el esquema nodalcomo se muestra en la figura 11 es semejanteal del esquema de la figura 10 integrando lasfuentes de calor
Envolventes fuertemente compartimentadoscon o sin ventilacioacuten natural
A nivel de modelizacioacuten son posibles dosplanteamientos
n bien modelizando cada zona del tablerocomo se ha visto anteriormente asociando enconjunto los diferentes voluacutemenes Este sistemaconduce a matices demasiado complicadoscuando como es normal aparecen una decena
de zonas a asociar
aireambiente
10485731114109917501 Envolvente no-cerrada
o bien tratando el sistema globalmente sinmodelizar los bucles de conveccioacuten en el
interior de los diferentes voluacutemenes y noteniendo en cuenta la circulacioacuten de aire entrezonas (figura 12)
Estas modelizaciones nos han conducido aelaborar programas informaacuteticos adaptados acada tipo de envolvente Todos estosprogramas estaacuten estructurados de la mismaforma
Antes de entrar maacutes en detalle en la utilizacioacutende un programa (capiacutetulo 6) conviene conocermejor las fuentes de calor (juegos de barrasaparatos ) para determinar el nivel defuncionamiento real de un cuadro
abertura
aireambiente
zona A zona B
zona A zona B
10485731114109917501 Caso de una envolvente cerrada
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5 Comportamiento de las fuentes de calor Caracteriacutesticas
Las fuentes de calor consideradas en lamodelizacioacuten son los juegos de barras losconductores de interconexioacuten y los aparatoseleacutectricos
Referente a estos uacuteltimos los consideramoscomo laquolas cajas negrasraquo disipando caloriacuteas y
51 Los juegos de barras
Los juegos de barras se calculan de forma queverifiquen dos condiciones poder soportar el paso de la corrientenominal necesaria sin provocar uncalentamiento de las barras que pueda provocarun deterioro de los aislantes que soportan lasbarras Por ejemplo las barras pueden estardimensionadas de forma que no superen enreacutegimen permanente una temperatura de110983226C valor este que es enteramentedependiente de la naturaleza de los materialesaislantes en contacto con las barras porejemplo los soportes La tabla de la figura 13da para una temperatura ambiente de 50983226C y65983226C unos valores de temperatura para los
juegos de barras poder soportar una corriente de cortocircuitosin provocar deformaciones notables en lasbarras rotura de los soportes aislantes ocalentamiento excesivo
no como nudos de la modelizacioacuten Es decirque no se calcula su temperatura defuncionamiento sino la intensidad maacutexima quepueden soportar para una configuracioacuten deinstalacioacuten determinada con el fin de no exceder
su temperatura liacutemite de utilizacioacuten
La segunda condicioacuten corresponde a unproblema de esfuerzos electrodinaacutemicos ypuede estudiarse separadamente aunque laprimera necesita conocer el nivel defuncionamiento del conjunto
En particular hay que tener en cuenta latemperatura del aire que envuelve las barraspara dimensionarlas de forma precisa y evitarque sobrepasen una temperatura criacutetica que esfuncioacuten principalmente de la naturaleza delmaterial utilizado para los soportes
Asiacute conociendo la temperatura del aire en lasdiferentes zonas del tablero podemosdeterminar la temperatura delas barras en funcioacuten de sus caracteriacutesticas(dimensiones forma disposicioacuten) y validar eldimensionamiento
Importante En referencia a los caacutelculos de flujoteacutermico se considera que las barras disipan elcalor principalmente por conveccioacuten y radiacioacutenal aire interno
Temperatura Seccioacuten Intensidad Potencia Temperaturaaprox de las barras disipada (A) de las barras (W) (oC)
50 1 barra 100 x 5 1000 45 79
50 1 barra 100 x 5 1500 107 109
50 3 barras 100 x 5 1500 10 65
50 3 barras 100 x 5 3400 61 110
65 1 barra 100 x 5 1000 45 92
65 3 barras 100 x 5 1500 11 80
10485731114109917501 Valores teacutermicos relativos a un juego de barras de una longitud de 1 m situados en un ambiente dado
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52 Los Dispositivos
En los tableros de distribucioacuten eleacutectrica los
interruptores automaacuteticos constituyen el nuacutecleoprincipal de los dispositivos de potencia Ellos ylos demaacutes componentes como por ejemplo loscontactores disipan
Examinemos con maacutes detalle los interruptores
automaacuteticos frente a los problemas teacutermicos La potencia disipada es proporcional alcuadrado de la intensidad que los recorre
2sus caloriacuteas cuando son recorridos por la IPW PNcorriente eleacutectrica In
La tabla de la figura 14 nos facilita a tiacutetuloindicativo algunos valores de potencia disipadapor fase (por polo)
Interruptores automaacuteticosPotencia medida con watiacutemetro y no calculada a partirde la medida de la resistencia
In (A) 250 400 630 800
Pw - versioacuten fija 141 19 40 416
con In en 197 30 52 58versioacuten desenchufable
Contactores
I
n (A) 265 400 630 780Pw con In 22 45 48 60
10485731114109917501 Potencia disipada por polo a In en la
aparamenta claacutesica
Electroacutenico
Desplazamientovoluntario
compensado
Bimetal simple
donde PN representa la potencia disipada a laintensidad nominal de empleo In
La intensidad nominal de empleo (In) de uninterruptor automaacutetico corresponde a unatemperatura ambiente determinada por ejemplo40oC fijada por la norma de construccioacuten Dehecho para ciertos interruptores automaacuteticos latemperatura ambiente correspondiente a Inpuede alcanzar e incluso sobrepasar los 50ordmC dato
que debe dar una seguridad por ejemplo enlos paiacuteses caacutelidos
la intensidad de funcionamiento (Ith o Ithe)puede variar en funcioacuten de la temperaturaambiente y seguacuten el tipo de releacute teacutermico simpleteacutermico compensado electroacutenico (figura 15) loque puede permitir definir una corriente maacuteximade empleo diferente de In
Los paraacutemetros que intervienen en ladeterminacioacuten de desplazamiento portemperatura tienen en cuenta ademaacutes de latemperatura del aire alrededor del dispositivo (T i)
la temperatura liacutemite (TL) de los
componentes internos del interruptorautomaacutetico
1048573 temperatura maacutexima de funcionamiento delbimetal para un interruptor automaacutetico con releacutetermomagneacutetico
1048573 temperatura de los componenteselectroacutenicos para interruptores automaacuteticos conreleacute electroacutenico incorporado
1048573 la temperatura no debe transmitirse a losmateriales plaacutesticos los maacutes sensibles en uninterruptor automaacutetico con electroacutenicaintercambiable (releacute exteriorinterruptor abierto)Estas temperaturas liacutemite estaacuten comprendiasentre 100 y 150oC
la razoacuten entre la Ir del releacute y la corriente realde disparo cuando eacuteste estaacute a la temperatura
Bimetal
T TN
TN temperatura nominal de funcionamiento
T L temperatura liacutemite de funcionamiento
de definicioacuten de In K1Ir (figura 16)In
T ambiente
L
las secciones de los cables o las barras deconexioacuten que juegan un papel de radiador Suinfluencia se toma en cuenta para un coeficiente10485731114109917501 Curvas de desplazamiento tipo de los releacutes enK2funcioacuten de la temperatura
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Importante Debe tenerse en cuenta que laseccioacuten de los conductores utilizados esraramente igual a la que se emplea para losensayos de certificacioacuten de los interruptoresautomaacuteticos
El desplazamiento que tiene en cuenta estosdiversos criterios puede expresarsematemaacuteticamente
Foacutermula de desplazamiento
El interruptor automaacutetico y sus conductores deconexioacuten disipan esencialmente por conveccioacuten
Aparece por ello la relacioacuten
W1 = h S (TL - Ti)
siendo
W1 potencia disipada en W para un aparatoconectado dentro de una envolvente con unvolumen de aire a la temperatura T i
h = coeficiente de intercambio en Wm2 983226C
S superficie de intercambio en m2TL temperatura del punto caliente en 983226C (porejemplo el bimetal)
Ti temperatura del aire interno alrededor delaparato en 983226C
h = Cste S (TL - Ti)α
de donde W1 = Cste S (TL - Ti)1+α
Cuando el aparato se halla al aire libre a 40983226Cse tiene una relacioacuten similar
W2 = Cste S (TL - 40)1+α
de donde
1
1 L i W T
T
W T
402
L
Ademaacutes se sabe que1 = RIthe
2 y que W2 = RIr 2
W TL -T
y por tanto Ithe 1114109Ir
i
TL - 40
siendo Ithe la intensidad que recorre el aparato
Id = K1 x In y β = (1 + α)2
β coeficiente que caracteriza el tipo de dispositivoSe determina experimentalmente o por unanaacutelisis maacutes fino del comportamiento teacutermicodel elemento Su valor estaacute comprendido entre02 y 07
Relacioacuten final integrando ademaacutes el efecto
de las secciones (coeficiente K2)
TL
T iI 1114109
I K K
the n 1 2 TL
40
Los datos que corresponden alcomportamiento del interruptor automaacutetico y queintervienen en esta foacutermula estaacuten en losficheros que utiliza el programa informaacutetico alcalcular las temperaturas en el interior deltablero
tteacutermico
magneacutetico
curvaliacutemitedel cable
CR
LR
t
curvaliacutemitedel cable
retardocorto
retardolargo
Ir Irm Icu I Ir Irm Iins Icu I
ILR ICRIr = ajuste del releacute teacutermicoIrm = ajuste del releacute magneacutetico
zona
zona de
zona desobre-Icu = poder de corte uacuteltimo normal cortocircuitoscarga
10485731114109917501 Curvas de disparo de un interruptor automaacutetico
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6 Meacutetodo de caacutelculo de la temperatura en las envolventes
La modelizacioacuten presentada hasta ahora debeservir de base al desarrollo de nuestro meacutetodode caacutelculo que debe permitirnos determinar elfuncionamiento real del tablero (intensidadmaacutexima en cada derivacioacuten) y con ello utilizarel conjunto al maacuteximo con una seguridadgarantizada
61 Principio
El programa se desarrolla con dos bucles deiteraciones imbricadas con el fin de determinarel nivel permanente El primero concierne a laresolucioacuten del problema teacutermico el otro a loscoeficientes de desplazamiento
El esquema de caacutelculo se presenta en la figura17
1983210 etapa descripcioacuten de la configuracioacuten esdecir tipo de envolvente utilizado nuacutemero dedispositivos y su posicioacuten relativa A este nivel elprograma utiliza el fichero de aparatos pararecuperar los datos descritos con anterioridad
2983210 etapa descomposicioacuten de la envolvente ensus voluacutemenes isotermos (nudos de lamodelizacioacuten nodal)
3983210 etapa inicio de los nuacutecleos de iteracioacuten concaacutelculo
de la potencia disipada (en la primeraiteracioacuten los coeficientes de desplazamiento setoman igual a 1)
de los coeficientes de la matriz de admitanciaa partir de las ecuaciones de balance
de las temperaturas internas (resolucioacuten delproblema teacutermico)
Como acostumbra a suceder en teacutermica lasnumerosas relaciones entre paraacutemetrosprecisan de una definicioacuten iterativa con laelaboracioacuten de un programa del que vamos apresentar el principio
de los nuevos coeficientes dedesplazamiento comparaacutendolos con losanteriores Si el salto se juzga poco importante(prueba de paro de la iteracioacuten) se procede a unnuevo bucle calculando las nuevasintensidades que atraviesan cada aparato denuevo la potencia disipada
4983210 etapa salida de los resultados
Descripcioacuten de la configuracioacutenestudiada
Intensidad
Potencia disipadadentro de la envolvente
Coeficientes dedesplazamiento
Temperaturasiinteriores
10485731114109917501 Principio de funcionamiento de los programas
62 Descripcioacuten de los datos a suministrar y de los resultados obtenidos
Datos
tipo de envolvente ymaterial
iacutendice de proteccioacuten
temperatura ambiente alrededor de laenvolvente
nuacutemero de filas de dispositivos
denominacioacuten de los aparatos que permitensu localizacioacuten en el fichero
configuracioacuten del tablero y posicioacuten de los
dispositivos
Resultados
eleccioacuten de un juego de barras horizontal yvertical (seccioacuten) e intensidad en estas barras
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potencia teacutermica total disipada en el tablero
coeficiente de desplazamiento para cadadispositivo debido a las intensidades circulantes
eventualmente la temperatura alcanzada por
las barras y su nivel en las diferentes zonas deltablero
63 Configuraciones modelizadas
Es bien sabido que en un programa como elque se indica no pueden considerarse todas lasconfiguraciones de instalacioacuten imaginablesSolamente se consideran las maacutes comunes esdecir las que permiten responder al 90 de loscasos deseados Un ejemplo en la figura 18
Configuracioacuten 1 Configuracioacuten 2 Configuracioacuten 3sin aparato de entrada aparato de entrada
en posicioacuten altaaparato de entradaen posicioacuten baja
10485731114109917501 Configuraciones modelizadas
64 Resultados
Este progreso en el caacutelculo informaacutetico demodelos es especialmente interesante porquepermite efectuar los diversos estudios
Estudio detallado de una configuracioacutendeterminada para optimizar la posicioacuten de undispositivo o la eleccioacuten de un juego de barrasconocer la potencia disipada por el conjuntopara dimensionar una climatizacioacuten adaptada
El ejemplo siguiente se ha efectuado con unacolumna de un cuadro industrial de potenciacompartimentado forma 2 conteniendo
un juego de barras horizontal alimentando un
aparato de entrada y la columna adyacente un aparato de entrada de 2500 A diferentes interruptores automaacuteticos de caja
moldeada
El programa nos facilita entre otros los coeficientes de desplazamiento Kdesp las intensidades que circulan por cadaaparato Ir
Advertencia sobre el coeficiente Kdiv
Este coeficiente nos permite tener en cuenta elcoeficiente de diversidad o de esponjamientoderivacioacuten por derivacioacuten
Es decir los niveles de funcionamiento en uninstante dado de los diferentes aparatos
Por ejemplo en un instante dado 2derivaciones son solicitadas al maacuteximo y lasotras hasta el 05 de sus posibilidadesafectando al sistema teacutermico del conjunto
Los resultados se presentan en la hoja decaacutelculo de la figura 19
Tabla de desplazamiento para unaconfiguracioacuten dada
Esta posibilidad de utilizacioacuten del programasemejante a la utilizacioacuten anterior permite reunirpara una configuracioacuten frecuente losdesplazamientos de los diferentes dispositivosteniendo en cuenta su posicioacuten real en el
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tablero las secciones de los conductoresutilizados los iacutendices de proteccioacuten y de latemperatura ambiente exterior
En la figura 20 se puede ver un ejemplo de uncuadro industrial de potencia con los datosdetallados de los dispositivos instalados en columna
Tabla de desplazamiento para un tipo dedispositivo
Para la mayor parte de interruptoresautomaacuteticos de caja moldeada eldesplazamiento es relativamente independientede la configuracioacuten
Masterbloc MB200 IP = 31
Tabla con aparato de llegada en posicioacuten alta alimentada con JdB horizontal
Referencia Posicioacuten Kdespl Kdiv Ia(A) Or(A)
M25H 1 12 88 1 2200 2200
NS630ST 17 21 93 1 586 518
NS630ST 22 26 96 1 605 534
NS400ST 27 31 1 1 400 353
NS400ST 32 36 1 1 400 353
NS250D250 37 40 1 1 250 221
NS250D250 41 44 1 1 250 221
Juego de barras horizontal
intensidad 2200 A
M 25
NS 630
NS 630
NS 400
NS 400
NS 250
NS 250
seccioacuten 1 4 barras de 100 5
Juego de barras vertical
intensidad 2200 A Temperatura JdB horizontal 95oC
seccioacuten 1 4 barras de 80 5Temperatura JdB vericalTemperatura ambiente
104oC35oC
Temperatura del techo 70oCPotencia total disipada 1953 W Temperatura JdB horizontal 75oCdetalle en dispositivos 593 W Temperatura aparellaje alto 68oC bajo 35oC
en auxiliares 0 W Temperatura auxiliar alto 52oC bajo 35oC juegos de barras + derivaciones 1271 W Temperatura JdB + derivaciones alto 77oC bajo 35oC juego de barras horizontal 89 W Temperatura conexiones alto 58oC bajo 35oC
10485731114109917501 Resultados del caacutelculo para una configuracioacuten determinada
IP31
Tdeg amb 35 40 45 50 55
M25 09 087 084 081 079M16 097 094 091 088 086M08 1 1 1 1 1
IP 4254
Tdeg amb 35 40 45 50 55
M25 079 077 075 073 071M16 087 085 083 081 079M08 1 1 1 1 1
3b 1005
3b 1005
2b 805
2b 805
1b 635
1b 635
3b 1005
4 b
8 0 5
1 b 8
0 5
M 252500 A
M 161600 A
M 08800 A
hueco
x
x
x
10485731114109917501 Desplazamiento de los interruptores automaacuteticos descritos en funcioacuten de la temperatura ambiente
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Los coeficientes de desplazamiento seestablecen por exceso situando los dispositivos enlo alto del tablero o del compartimento
Ver a tiacutetulo de ejemplo la figura 21
Curvas caracteriacutesticas del comportamientoteacutermico de un tipo de envolvente
Se establecen dos tipos graacuteficos
un conjunto de curvas que permitendeterminar la temperatura media en el interiorde una envolvente determinada en funcioacuten de lapotencia disipada y de la temperatura ambienteexterior
En la figura 22 se indican estas curvas para untablero de distribucioacuten no compartimentado
unas curvas que permiten determinar lapotencia que estas envolventes pueden disiparpara un calentamiento definido en funcioacuten desus caracteriacutesticas dimensionales
Ejemplo temperatura ambiente exterior 35 oCcalentamiento maacuteximo admisible ∆Ta = 30 oC
1048573 tablero altura 2 m anchura 09 mprofundidad 04 m
potencia disipable 850 W
1048573 tablero altura 2 m anchura 09 mprofundidad 06 m
potencia disipable 1000 W seguacuten curvas de lafigura 23
IP 31 IP 4254
Tdeg amb 35 40 45 50 55 35 40 45 50 55
NS100 100 100 100 100 95 100 95 90 85 80
NS160 160 155 150 145 140 150 140 135 125 120
NS250 235 225 220 210 200 205 195 180 170 165
NS400 380 370 360 350 340 350 340 330 320 310
NS630 540 520 510 500 485 485 475 465 450 440
10485731114109917501 Ejemplo de intensidades de corriente (en A) de disparo de interruptores automaacuteticos Compact NS
instalados dentro de una envolvente de BT determinada
Temperaturamedia en oC
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Tamb 60oC
Tamb 55oC
Tamb 50o
CTamb 45oCTamb 40oCTamb 35oC
Tamb 25oC
Dimensiones de
la envolventealto 2 mancho 09 mprofundo 04 m
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Potencia disipada en vatios
10485731114109917501 Temperatura media del aire en el interior de un armario de distribucioacuten metaacutelico IP2 y de forma 1
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Envolvente de 400 mmde profundidad
Potencia disipadaen vatios
1600
1400 T = 40oC
1200
1000 T = 30oC
800
T = 20oC600
400T = 10oC
200
800 900 1000 1100
Anchura en mm
Envolvente de 600 mmde profundidad
Potencia disipadaen vatios
1600 T = 40o
C
1400T = 30oC
1200
1000
T = 20oC1000
600
400 T = 10oC
200
800 900 1000 1100
Anchura en mm
10485731114109917501 Potencia disipable por calentamiento en una envolvente dada en funcioacuten de su anchura Curvas que se
refieren a un gabinete metaacutelico de formas 1 de 2 metros de altura
65 Resultados experimentales
Se han efectuado ensayos de calentamiento enel laboratorio Ampegravere de ASEFA con diversostipos de envolventes cofrets de plancha oplaacutestico armarios Prisma tableros de
distribucioacuten MasterblocDurante estos ensayos se han medido
temperaturas
1048573del aire en diferentes zonas de la envolvente
1048573de los conductores juego de barras yderivaciones
1048573de los puntos calientes de los dispositivos(bimetal ambiente electroacutenico)
intensidades
paraacutemetros que intervienen en lamodelizacioacuten en particular los coeficientes deintercambio aireparedes
Estas mediciones han permitido por una parte
verificar la conformidad a la norma IIEC 604311 deciertos valores (liacutemites de calentamientomencionados en el capiacutetulo 12 sobre lasnormas) y por otra parte para validar el modelo
En lo referente a las temperaturas del aire ladiferencia entre los valores medidos ycalculados depende del tipo de envolventemodelizada ya que al nivel de la modelizacioacuten
los supuestos difieren seguacuten que se considerelas envolventes compartimentadas o no
Sobre el conjunto de ensayos efectuados encuadros de diferentes formas(compartimentados o no) las diferenciasmaacuteximas constatadas han sido siempreinferiores a 6983226C
Las temperaturas calculadas para los juegos debarras muestran tambieacuten una concordancia conlas mediciones y han permitido validar elprograma informaacutetico
En referencia a las intensidades lasdesviaciones en valor medio son inferiores al5 En una homologacioacuten reciente de unaconfiguracioacuten de cuadro Masterbloc encalentamiento el programa ha permitido preverel nivel de funcionamiento del cuadro
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7 Meacutetodo propuesto por el documento IEC 60890
No hace mucho tiempo atras los gabinetes eleacutectricos
se escogiacutean equipaban y llenaban en funcioacutende la experiencia tambieacuten en lo que se refierea la tasa de llenado y a la variacioacuten de latemperatura en el tablero durante elfuncionamiento
Por ejemplo Temperatura exterior maacutexima
30983226C y 60983226C en el interior (los fabricantes de
aparamenta dan de margen hasta los 60983226C)
Esta praacutectica conduciacutea o a una pobre utilizacioacuten
del material o a actuaciones intempestivas de
las protecciones tenieacutendose la necesidad de
trabajar con las puertas abiertas
El meacutetodo propuesto por la recomendacioacuten
IEC aunque no se trate de una norma sino de
una guiacutea es de un intereacutes evidente Se
presenta detalladamente en el anexo de la
norma NFC 63410 o en la recomendacioacuten de la
IEC Ndeg 60890
Debemos de recordar los fundamentosmostrando los liacutemites y comparando con elmeacutetodo presentado en este Cuaderno Teacutecnico
En principio este meacutetodo se aplica aenvolventes a las que se puedan aplicar lassiguientes hipoacutetesis
reparto uniforme de la potencia disipada
el equipamiento se dispone de manera que no sedificulte la circulacioacuten de aire
no maacutes de 3 separaciones horizontales
Datos necesarios
dimensiones de la envolvente
potencia disipada en el interior (equipamiento
conductores)
tipo de instalacioacuten (envolvente aislada osituado en un extremo) (figura 24)
Caacutelculo
la temperatura se calcula uacutenicamente en 2
puntos de la envolvente
a media altura
T05 = Ta + ∆T050804siendo ∆T05 = dk Pw
d es un coeficiente que tiene en cuenta laexistencia de separaciones horizontales
1048573Si Ae lt 125 m2 d =1 (definicioacuten de Ae queveremos inmediatamente)
Si Ae gt 125 m2
Factor de repartode temperatura c165
116 2
3155 4
515
145
14
135
13
125
12
115
11
105
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Factor fCurvaTipo de instalacioacuten
1 Tapas separadas quitadas por todos los lados 3 Tapas separadas en montaje mural 2 Primera o uacuteltima tapa quitada
3 Tapa central quitada
5 Tapa central en montaje mural 4 Tapa central en montaje mural y con la parte
superior abierta
10485731114109917501 Factor de distribucioacuten de temperatura c para
envolventes sin orificios de ventilacioacuten y con una
superficie efectiva de enfriamiento A gt 125 m2 e
Valor de la superficie efectiva Constantede refrigeracioacuten Ae en m 2 de envolvente k
0 4
038
1 036
03415 032
2 03
028
3
25
026
4 024
5 022
6 0278 018
10 016
12 01414
01201
008
100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650
Seccion de los orificios de entrada de aire en cm2
10485731114109917501 Constante de la envolvente k para una
envolvente con orificio de ventilacioacuten y una superficie
efectiva de enfriamiento A gt 125 m2 e
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d = 1 con o sin orificios de ventilacioacuten sin
ninguna separacioacuten
d = 105 con o sin orificios de ventilacioacuten para
1 de separacioacuten
d = 115 oacute 110 con orificios de ventilacioacuten para 2 separaciones
d = 130 oacute 115 con orificios de ventilacioacuten para
3 separaciones
k es una constante que caracteriza laenvolvente su valor se determina con aacutebacos(figura 25) y es funcioacuten de la superficie deintercambio de la envolvente Ae (m2)
Ae = Σ Aob oacute Ao es la superficie geomeacutetrica delas diferentes paredes de la envolvente
b es una constante que tiene en cuenta el tipode instalacioacuten
Valores de b
1048573parte superior abierta b = 14
1048573
parte superior cubierta b = 071048573paredes laterales abiertas b = 09
1048573paredes laterales tapadas b = 05
1048573paredes laterales deenvolventes centrales b = 05
1048573parte inferior b = 0
Pw potencia disipada en Watt en la partealta de la envolvente
T1 = Ta + ∆T1
siendo ∆T1 = c ∆T05 o ∆T05 representa elcalentamiento precedente
c es una constante de calentamientodeterminada a partir de aacutebacos
Por ejemplo en el aacutebaco de la figura 24 c es
funcioacuten de Ae y de uno de los factores f o g
f = h135
(L P) si Ae gt 125 m2
g = h135L si Ae lt 125 m2
Liacutemites
Los liacutemites esenciales de este meacutetodo son
que se aplica bien a las envolventes nocompartimentadas de tipo gabinete y no a los
tableros de potencia muy compartimentados
que no tiene en cuenta la posicioacuten de lasfuentes de calor que la mayor parte de vecesno estaacuten repartidas de forma uniforme
Comparacioacuten con nuestra aproximacioacuten
Se constata que las aproximaciones danresultados similares para los tableros no
compartimentados y con fuentes de calorrepartidas (figura 26)
En lo que se refiere a las envolventes muycerradas la localizacioacuten de las fuentes de calory los intercambios entre las diferentes zonasinfluyen mucho en el calentamiento
Temperatura en oC
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Temperatura calculada seguacuten la norma
Temperatura calculada con el programa de MG
Temperatura del aire ambiente 35 oC
Dimensiones de la envolvente
alto 2 m
ancho 09 m
profundo 04 m
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
Potenciadisipada en Watt
Fig 26 Temperatura del aire a media altura en un tablero metaacutelico de distribucioacuten IP2 y de la forma 1
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8 Conclusioacuten
La importancia de los tableros eleacutectricos en la
distribucioacuten no hay que demostrarla
En cuanto a la disponibilidad de la energiacutea
eleacutectrica y de la seguridad de funcionamiento resulta indiscutible que el control teacutermico de los
tableros eleacutectricos es un objetivo fundamental
Las normas que se refieren a las envolventes ya los productos determinan los liacutemites teacutermicosque no hay que sobrepasar
Les queda a los profesionales convertirse enlaquoarquitectos teacutermicosraquo del disentildeo de lasenvolventes y tableros eleacutectricos hoy es ya
cosa hecha incluso para los tableros de serie
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1 Introduccioacuten
11 Control teacutermico de los tableros eleacutectricos de BT
Los nuevos meacutetodos de fabricacioacutendesarrollados por la industria en el transcursode los uacuteltimos antildeos (tendencias flujos) hanpuesto en evidencia una nueva nocioacuten laseguridad industrial Este concepto queengloba dos aspectos diferentes la seguridadde las personas y de los bienes y ladisponibilidad de la energiacutea eleacutectrica muestracuando se aplica a procesos complejos lospuntos criacuteticos en los que el funcionamiento
debe estar perfectamente normalizadoEl tablero eleacutectrico es uno de estos puntoscriacuteticos
Hay que destacar que el problema es similar aldel sector terciario
Considerado no hace mucho como un simplepunto de paso se ha convertido en el verdaderocentro neuraacutelgico de las instalaciones eleacutectricasDe su seguridad depende la seguridad delconjunto de la instalacioacuten y con ello de toda laactividad industrial o terciaria
El dominio de su funcionamiento precisaconocer y controlar no soacutelo el funcionamiento desus constituyentes sino tambieacuten las influenciasexternas a las que se ven sometidos
Un tablero eleacutectrico responde a la asociacioacuten de4 elementos fundamentales
la envolvente los dispositivos las conexiones
las funciones que garantizan la sentildealizacioacutenel comando y el tratamiento de la informacioacuten
El tablero eleacutectrico es cada vez maacutes teacutecnicoNecesita unos estudios de base para controlarya desde el disentildeo las condiciones defuncionamiento de sus componentes en unentorno determiando
Estos estudios se refieren entre otros a losaspectos teacutermicos que son el objeto delpresente Cuaderno Teacutecnico
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2 Los problemas teacutermicos de un tablero
El control de los fenoacutemenos teacutermicos es detodos el maacutes importante principalmente por tresrazones
por la tendencia a instalar el materialeleacutectrico bajo envolventes (seguridad) quesuelen ser de material aislante (poco eficacespara disipar el calor)n por la evolucioacuten del equipamiento que
integra cada vez en mayor medida laelectroacutenica cuyas dimensiones se vanreduciendo sistemaacuteticamente
por la tendencia a ocupar el volumen del
tablero al maacuteximo y aumentar el coeficiente dediversidad
21 Causas efectos y soluciones
La temperatura de un material eleacutectrico es elresultado
del efecto Joule (P = I2R) es decir de suresistencia al paso de la corriente de la temperatura ambiente
Los elementos del tablero se disentildea respetandolas normas de fabricacioacuten que definen lastemperaturas maacuteximas que no debenrebasarse para la seguridad de las personastemperatura de la caja y de los oacuterganos demaniobra diferencia maacutexima de temperatura enlos bornes
Todo ello se verifica por ensayos decertificacioacuten de los productos
En un tablero eleacutectrico el material estaacutesometido a condiciones de empleo muydiversas y las causas de sobretemperatura sonmuacuteltiples
La tabla de la figura 1 presenta las causasprincipales sus efectos y las posiblessoluciones
Todo el problema consiste en asegurarse en el
momento del disentildeo del tablero de que todossus componentes funcionaraacuten en unascondiciones de temperatura menos severas quelas liacutemites previstas en las normas deconstruccioacuten Los elementos tales como(interruptores automaacuteticos contactores etc)deberaacuten poder ser atravesados por la corrienteprevista sin ninguacuten problema
Esto puede ocasionar un problema decalentamiento que se manifestaraacute contemperaturas localizadas en diversos puntos deun aparato o de un equipo de BT superiores alos valores limite fijados por las normas odependientes del comportamiento de ciertoscomponentes Un estudio teacutermico de unaenvolvente BT tiene por objetivo principal eldeterminar la intensidad admisible para cadaaparato compatible con sus caracteriacutesticasteniendo en cuenta su entorno defuncionamiento
El otro objetivo de seguridad para las personasy los bienes no debe perderse de vista desdelas dos condicionantes adicionales
disponibilidad de la energiacutea eleacutectrica (sinfuncionamiento intempestivo o nofuncionamiento)
tiempo de vida de los componentes
En definitiva el objetivo a alcanzar consiste enprever con alta fiabilidad el estado defuncionamiento teacutermico del tablero
Para conseguirlo nos apoyaremos en tres tiposde soluciones
n la experiencia del fabricanten los ensayos reales para los tablerosrepetitivos la utilizacioacuten de programas informaacuteticos conlos que es posible determinar en funcioacuten de lascaracteriacutesticas de la envolvente el parintensidad-temperatura para cada una de lasfuentes de calor dispositivos conductores)(capiacutetulo 4) y todo ello en funcioacuten de suposicioacuten y de la temperatura del aire que los
envuelve Es evidente que un programainformaacutetico amparado por la experiencia y losensayos es muy uacutetil ya que permite estudiarcomparativamente las numerosasconfiguraciones de instalaciones posibles yoptimizar el cuadro a realizar desde el punto devista teacutermico y del costo
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Causas Efectos
Proteccioacuten Soluciones
Solucionesaleatoriasposibles conun disentildeoconforme albuen saberhacer delprofesional
NormaIEC 60439
NormaIEC 60634
Conexiones
Destruccioacuten de los conductores
Disparo aleatorio
Verificacioacuten de lasdefectuosas de los dispositivos aguas arriba conexiones
Deteccioacuten decalentamientos
Seccioacuten
Destruccioacuten de los
Ninguna
Dimensionamientoinsuficiente de los conductores correcto de losconductores conductores
Problemas demontaje y demantenimiento
Defecto dedisentildeo de lainstalacioacuten
NormaIEC 60898
Temperatura externa Temperatura interna Alarma Mejorar la ventilacioacutendemasiado elevada del tablero demasiado elevada n Puesta en march del local o del cuadro
Disparo de los releacutes teacutermicos de alguna ventilacioacuten
Envejecimiento de la parte
electroacutenica
Temperatura de las paredesexternas del tablero
excesivamente alta
Coeficiente de Disparo de la proteccioacuten Desconexioacuten Dimensionardiversidad de cabecera del tablero adecuadamente el tablero
elevado
Temperatura internaDesbordamiento del tablero excesiva
de las posibilidades Temperatura de las paredesde la instalacioacuten externas del tablero excesivamente
alta
Cortocircuito Deterioro de los conductores Desconexioacuten de Dimensionar adecuada-o sobrecarga Deterioro de los soportes seguridad mente los conductores
aislantes de las barras
Buena capacidad electro-dinaacutemica de los soportesa temperatura elevada
Eleccioacuten o usoinadecuado dedispositivos
NormaIEC 60947
Error de escalonado
Funcionamiento anormal
Disparo o
Revisar la eleccioacuten de losde las protecciones (disparos) sentildealizacioacuten componentes y su distribucioacuten
o mala disposicioacuten Envejecimiento prematuro Ventilacioacutenfiacutesica
10485731114109917501 Problemas teacutermicos y relacioacuten causaefecto
22 Detalle sobre las normas
Son muchas las normas que abarcan el ampliocampo de la BT por ejemplo la Reglamentacioacuten AEA02 define las reglas a respetar para todas lasinstalaciones de baja tensioacutenen inmuebles
Para los aspectos de definicioacuten y de concepcioacutende los aparatos y conjuntos de BT podemosreferirnos respectivamente
n a las normas de dispositivos por ejemplo laIEC 60947
n a la norma IEC 60439 para los tableros (y
sus montaje) en BT
La norma internacional IEC 60439 se divide en
cinco partes
n IEC 604391 (nov 1992) que reuacutene las reglaspara los conjuntos de serie (CS) y los conjuntosderivados de serie (CDS)
n IEC 604392 (1997) que define las reglaspara las canalizaciones prefabricadas
n IEC 604393 (dic 1990) que comprende la
instalacioacuten de los dispositivos de BT en zonasaccesibles a personas no advertidas
n IEC 604394 (dic 1990) que define las reglas
para las instalaciones en canteras
n IEC 604395 (mar 1996) que se refiere almontaje de redes de distribucioacuten instaladas enel exterior (por ejemplo tableros para aceras o
andenes)
La parte que afecta particularmente a los
tableros de BT es la IEC 604391 editada en 1992
En el aacutembito europeo esta uacuteltima es la base dela mayor parte de normas nacionales (BritishStandard NFC VDE UNE ) En efecto sus
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contenidos transcriben fielmente el texto de lanorma IEC las diferencias corresponden maacutes a
costumbres propias de cada paiacutes que adiferencias causadas por puntos fundamentalesde la norma IEC
El aporte esencial de esta norma ha sido el
definir de forma precisa dos nociones
encaminadas ambas hacia un aumento de laseguridad Eacutestas son
la nocioacuten de conjuntos totalmente ensayadosCS (conjuntos de serie) o parcialmenteensayados CDS (conjuntos derivados de serie)
la nocioacuten de las formas (figura 2)
forma 1 forma 2b
forma 3b forma 4b
Fig 2 Diversas laquoformasraquo seguacuten la norma IEC 60439
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Sin entrar en el detalle podemos decir que losCS corresponden a productos perfectamentedefinidos y fijados tanto a nivel de componentes(planos precisos de cada uno de susconstituyentes) como de su fabricacioacuten (guiacutea de
montaje) y deben satisfacer los ensayos detipo (calentamiento cortocircuito continuidadde masa) definidos por la norma
Los CDS corresponden a conjuntos en los quela estructura de base es un CS con una o variasmodificaciones modificaciones que deben deestar validadas por el caacutelculo o por un ensayoespeciacutefico
La nocioacuten de forma corresponde a unadefinicioacuten precisa de los grados de separacioacutenque pueden encontrarse en un tablero y queaumentan la proteccioacuten de las personas por unano accesibilidad a las partes activas (juegos debarras) Se distinguen 4 tipos de formas quevan desde una ausencia total de separacioacuten(forma 1) hasta un cierre completo de losdiferentes elementos del tablero (forma 4)
Hay que advertir que este encierro incidemuchiacutesimo sobre la componente teacutermica deestos conjuntos
La norma IEC define igualmente el ensayo decalentamiento que debe satisfacer un conjunto
Esta norma precisa las condiciones y los liacutemitesde calentamiento (821 de la norma) que nodeben superar los diferentes componentes delconjunto
Condiciones de ensayo
1048573El conjunto debe estar dispuesto para el usonormal
1048573
La corriente correspondiente al valorasignado se reparte entre los diferenteselementos teniendo en cuenta un factor dediversidad (Kd) variable seguacuten el nuacutemero decircuitos principales
2 le n983226 de circuitos principales le 3 Kd = 09
4 le n983226 de circuitos principales le 5 Kd = 08
6 le n983226 de circuitos principales le 9 Kd = 07
nuacutemero de circuitos principales ge 10 Kd = 06
1048573
Se consigue realmente la estabilizacioacutenteacutermica cuando la variacioacuten de temperatura noexcede de 1oCh Los conductores conectadosa los aparatos deben tener su seccioacutenconforme a las directrices de la norma
1048573Las mediciones de temperatura se efectuacuteancon ayuda de termocuplas
1048573La temperatura ambiente de referencia es de35oC
Con relacioacuten a la temperatura ambiente nodeben excederse los calentamientos
70 K para los bornes de conexioacuten de losconductores exteriores 25 K para los oacuterganos de mando manual de
material aislante 30 K oacute 40 K para las superficies metaacutelicasexternas accesibles o no
valores especiacuteficos particulares para losconstituyentes incorporados y tambieacuten para losaislantes en contacto con los conductores
Hay que sentildealar todaviacutea un tema denormalizacioacuten la existencia de una guiacutea teacutecnicade predeterminacioacuten de los calentamientos (IEC60890) Ha estado validada por numerososensayos ya que no tiene la categoriacutea de norma
La guiacutea da resultados correctos para unasconfiguraciones simples (envolvente pococompartimentada fuentes de caloruniformemente repartidas) En el capiacutetulo 7
se hace una presentacioacuten de este meacutetodo asiacutecomo una comparacioacuten con nuestro meacutetodo deproyectista de laquotablerosraquo
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3 Comportamiento teacutermico de un tablero eleacutectrico en BT
Un tablero eleacutectrico es un sistema compuestode un fluido (el aire) y de cuerpos soacutelidos en losque el paso de corriente eleacutectrica vaacompantildeada de peacuterdidas de energiacutea queprovocan una elevacioacuten de temperatura
31 Repaso sobre los principales fenoacutemenos teacutermicos
Los intercambios teacutermicos permiten describir elcomportamiento de un sistema cualquiera en elque el sistema es un tablero eleacutectrico
Contemplan tres tipos de fenoacutemenos diferentes
Fenoacutemeno de conduccioacuten que corresponde auna transferencia de calor al interior de cuerpossoacutelidos (figura 3) Se distinguen
por una parte los fenoacutemenos de conduccioacutensimple para los que el cuerpo considerado noes la base de ninguacuten fenoacutemeno teacutermico porejemplo conduccioacuten al interior de un muro
por otra parte los fenoacutemenos de conduccioacutenviva donde el cuerpo estudiado es la base deuna creacioacuten de calor por ejemplo barra decobre recorrida por una corriente eleacutectrica
Los caacutelculos relativos a la transmisioacuten de calorpor conduccioacuten se basan en la ley de Fourierque para las geometriacuteas simples se reduce a larelacioacuten
917501ij 1114109 1048573S Ti
T j 1048573d
La evolucioacuten hacia el equilibrio teacutermico serealiza por transferencia del calor desde laspartes activas dispositivos conductores)donde se genera dicho calor hacia las partesen contacto con el exterior que lo transmiten asu alrededor al medio que los rodea
siendoΦij = flujo caloacuterico transmitido entre dos puntos i y j enW λ = conductividad teacutermica en Wm oC S = superficie de transmisioacuten en m2 Ti T j = temperaturas de los dos puntos en oC d = distancia entre los dos puntos en m λ es una caracteriacutestica del medio laquoconductorraquo Su valor es funcioacuten de la temperatura pero a
menudo se considera como una constante
Por ejemplo algunos valores de λ en Wm oC
Plata λ = 420
Cobre λ = 385
Aluminio λ = 203
Acero λ = 45
Materiales plaacutesticos λ = 02
Asfalto λ = 0935
Piedra λ = 0657
Lana de vidrio λ = 0055
Aire (30 oC) λ = 0026
10485731114109917501 Impedancia de las conexiones
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Fenoacutemeno de radiacioacuten corresponde a latransferencia de calor entre cuerpos soacutelidosseparados por un medio maacutes o menostransparente (figura 4)
Estos intercambios que se establecen entre lassuperficies de cuerpos cualesquiera dispuestosuno frente a otro se representan por relacionesbastante complejas en las que intervienen
la emisioacuten del soacutelido que si es consideradocomo un cuerpo negro no es funcioacuten de sutemperatura
los estados de superficie representado pormedio del coeficiente de emisividad e quecaracteriza el grado de las superficies de estoscuerpos con referencia al cuerpo negro
los fenoacutemenos de reflexioacuten y de absorcioacuten
la disposicioacuten de las superficies unasrespecto a las otras por la intermediacioacuten de losfactores de forma
Sin embargo en el caso particular de unasuperficie (por ejemplo j) que envuelvecompletamente a la otra (i) y tal que la razoacutenSiS j sea de valor bajo estas expresiones sesimplifican y se llega a
Φi = εi σ Si (Ti4 - T j
4)
siendo
Φi = flujo de calor transmitido a traveacutes de la
superficie Si en W εi = coeficiente de emisividad en la superficie S i
σ = constante de Stefan-Boltzmann
(567032 x 10-8 W m-2 K-4) Si = superficie en m2 Ti T j = temperatura de las superficies en
transmisioacuten en K
Fenoacutemenos de conveccioacuten bajo el teacutermino
general de conveccioacuten se funden de hecho dos
fenoacutemenos diferentes que a menudo se auacutenan
el fenoacutemeno de conveccioacuten propiamentedicho que corresponde a una transferencia decalor entre un cuerpo soacutelido y un fluido enmovimiento Seguacuten el origen del movimiento delfluido se distingue la conveccioacuten natural y laconveccioacuten forzada (figura 5)
Estas transferencias se caracterizan por loscoeficientes de intercambio hi
Φi = hi Si (Tf - Ti)
siendo
Φi = flujo de calor transferido a la superficie Si
en W hi = coeficiente de intercambio en Wm2 oC Tf Ti = temperaturas del fluido y de la superficie
de transferencia en oC
Desde un punto de vista fiacutesico el problema de
intercambio de calor por conveccioacuten estaacute
fuertemente relacionado a un problema de
mecaacutenica de fluidos
10485731114109917501 Fenoacutemenos de radiacioacuten
10485731114109917501 Fenoacutemenos de conveccioacuten
Desde un punto de vista praacutectico el problemapuede abordarse simplemente por utilizacioacuten decoeficientes de intercambio donde la expresioacutenhace intervenir
1048573 los paraacutemetros que describen la
transferencia de flujo del fluido (velocidad)1048573 las propiedades fiacutesicas del fluido(conductividad teacutermica viscosidad dinaacutemicacapacidad caloriacutefica masa volumeacutetrica)asociadas a menudo bajo forma de nombressin dimensioacuten o caracteriacutesticas (como NusseltPrandtl Reynolds Grasshof)
Por ejemplo expresioacuten del coeficiente deintercambio en conveccioacuten natural para unageometriacutea simple placa plana vertical de alturaL a una temperatura uniforme
Nu h =
Dh
siendo
Nu = nuacutemero de Nusselt 053(GrPr)025 dondeGr y Pr son respectivamente los nuacutemeros deGrasshof y de Prandtl funcioacuten de laspropiedades fiacutesicas del fluido y del salto detemperatura entre el fluido y la superficie detransmisioacuten
λ = conductividad teacutermica del fluido (Wm oC)Dh = dimensioacuten caracteriacutestica (m)
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Habitualmente esta magnitud corresponde a lamayor dimensioacuten del cuerpo soacutelido en contactocon el fluido en movimiento aquiacute L
Importante Es interesante notar que elcoeficiente de intercambio depende del salto detemperatura solamente a la potencia 025 Portanto h = K(∆t)025
el fenoacutemeno de movimientos convectivosque corresponde a la transferencia de calor enel seno de un fluido por medio de los bucles deconveccioacuten que explican por ejemplo elgradiente de temperatura observado entre laspartes baja y alta de un volumen de fluidocerrado sede de fenoacutemenos teacutermicos
Los movimientos de aire entre dos voluacutemenes iy j se caracterizan por las diferencias de masafuncioacuten de las secciones de paso y de lavelocidad de circulacioacuten (figura 6)
La transferencia de calor se representa por
Φij = M cp (Ti - T j)
siendo
Φij flujo de calor transferido entre i y j en W
M circulacioacuten maacutesica en kgs
cp capacidad caloriacutefica del fluido en Jkg oCTi T j temperatura del fluido en los voluacutemenes iy j en oC
Nota la transferencia de calor viene impuestapor el sentido de circulacioacuten
Expresioacuten de la velocidad del fluido en el casode la conveccioacuten natural el fluido se pone enmovimiento entre los puntos i y j por susvariaciones de masa volumeacutetrica con la
temperatura La velocidad se supone seraacute proporcional a las
citadas variaciones funcioacuten de la diferencia de
temperatura entre i y j
V 1114109Cste g Dij ij
siendo
∆ρ ρ variacioacuten relativa de masa volumeacutetricag aceleracioacuten de la gravedad en ms2Dij distancia entre los dos puntos i y j en m
Ademaacutes si se supone que el fluido consideradotiene un comportamiento de gas perfectoentonces
∆ρρ = β (Ti T j) de donde
Vij 1114109
Cste Ti
T j 1048573
g Dij
1siendo 1114109
(en caso de un gasTi T j 1048573 2
perfecto)
Ti T j temperatura del fluido en ordmK
Estas foacutermulas corresponden a movimientos de
voluacutemenes de fluidos ascendentes o
descendentes En el caso de movimiento de
fluido junto a una pared se trata de un
problema doble teacutermico-hidraacuteulico que puede
resolverse en algunos casos de forma analiacutetica
(desplazamiento laminar a lo largo de una
pared)
En este caso la velocidad del fluido a lo largo de
la pared presenta una expresioacuten similar es
decir es proporcional a una diferencia de
temperaturas (fluido-pared)
Ver en la terminologiacutea como repaso la
definicioacuten grado Celsius Kelvin y Fahrenheit
10485731114109917501 Fenoacutemenos del movimiento de conveccioacuten
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32 intercambios al nivel de un Tablero
En el esquema de la figura 7 se presentan loselementos que constituyen el sistema
estudiado aire ambiente envolvente aireinterno y las diferentes fuentes de calor Estadescripcioacuten del estado teacutermico del tablero nos
muestra que todos los fenoacutemenos deintercambios descritos hasta aquiacute debentenerse en cuenta y estaacuten fuertementeinterrelacionados
Por ejemplo
la temperatura del aire interno resulta
1048573de los intercambios por conveccioacuten entre elaire interno y las superficies de los diferentesdispositivos de los conductores y de las paredes
1048573del calor transportado por los movimientosconvectivos del aire
Al nivel de la dispositivos el calor generadopor efecto Joule es intercambiado
1048573por conveccioacuten entre su superficie deintercambio y el aire interno
1048573por conduccioacuten entre las barras y los cables
1048573por radiacioacuten con las paredes de laenvolvente y las superficies de los otrosdispositivos
Los fenoacutemenos maacutes importantes que
intervienen en el comportamiento del conjuntoson los fenoacutemenos de conveccioacuten
Temp ambiental
Paredes del local
s
Envolvente
Conduccioacuten
Radiacioacuten
Conveccioacuten
Movimientos de conveccioacuten
s
Temp interior
Conductores
JdB horizvert Dispositivos
t( (
t
10485731114109917501 Comportamiento teacutermico de una emvolvente
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4 Presentacioacuten de la modelizacioacuten
41 Principio
Todos los meacutetodos de resolucioacuten se basan en eldesarrollo de un sistema de modelizar enbloques elementales que es un meacutetodo deMonte-Carlo de diferencias finitas o deelementos finitos
El meacutetodo empleado el anaacutelisis nodal estaacutededucido de una aproximacioacuten a las diferenciasfinitas Esta teacutecnica si bien claacutesica presenta elintereacutes de poder representar el comportamientoteacutermico de un sistema complejo teniendo encuenta las interacciones entre las diferentespartes o componentes que lo constituyen
Por ejemplo puede utilizarse en dominios muydiversos para describir el comportamiento de unsateacutelite artificial de un motor eleacutectrico lascondiciones climaacuteticas en el interior de uncentro de transformacioacuten o de un edificio devarias viviendas
En principio este meacutetodo consiste endescomponer el sistema estudiado endiferentes voluacutemenes isoteacutermicosdenominados nudos A cada nudo se asociandiferentes paraacutemetros entre otros unatemperatura y eventualmente un aporte decalor independiente de los intercambiosteacutermicos Seguidamente se efectuacutean unosacoplamientos entre nudos es decir losdiferentes intercambios entre los voluacutemenesque nos permiten escribir unas ecuaciones debalance (conservacioacuten de la energiacutea y demateria en el elemento de volumen unido a unnudo determinado) Este meacutetodo quecorresponde de hecho a una discretizacioacutenespacial del sistema nos conduce a definir unared teacutermica con sus nudos sus capacidades
Magnitudes teacutermicas Magnitudes eleacutectricas
Temperatura Potencial
Resisteacutencia teacutermica Resistencia eleacutectrica
sus fuentes de calor sus conductancias quetraducen los diferentes acoplamientos entrenudos (analogiacutea entre los fenoacutemenos eleacutectricosy teacutermicos) (figura 8)
Se llega asiacute a un sistema de ecuacionesemparejadas eventualmente no lineales quenos permitiraacuten definir una matriz la matriz deadmitancia teacutermica Soacutelo falta entoncesprecisar los valores numeacutericos de los elementosde esta matriz que corresponden a lasconductancias teacutermicas
Expresioacuten de las conductancias por tipo deintercambio
Conduccioacuten Gij = λ i Sij Dij
Radiacioacuten Gij = α σ ε S Fij (Ti + T j)(Ti2 + T j
2)
Conveccioacuten Gij = hi Sij
Movimiento convectivo Gij = M cp
Expresioacuten del flujo teacutermico equivalente de laintensidad eleacutectrica
1I1114109 1048573U
R
1 2 3 4
Nudo 1 aire interiorNudos 2 y 3 paredes interiores y exterioresNudo 4 aire ambiente exterior
representa los intercambiospor conduccioacuten
representa los intercambios
por conveccioacuten
representa los intercambiosFlujo de calor Corrientepor desplazamiento del aire
U representa el aporte de calorΦ = G (T2 - T1) I1114109
1 1048573R en el nudo 1
repesenta la capacidad caloriacuteficaCapacidad teacutermica Capacidad eleacutectricaasociada a cada nudo
10485731114109917501 Correspondencia entre magnitudes teacutermicas y 10485731114109917501 Representacioacuten nodal simplificada -modelizacioacuten
eleacutectricas de una pieza
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Φij = Gij (Ti + T j)
siendo
Φij = flujo energeacutetico intercambiado entre los
nudos i y j
Gij = conductancia entre i y j funcioacuten del tipo de
intercambio considerado
Ti T j = temperaturas asociadas a los nudos i y j respectivamente
Tomamos como ejemplo la modelizacioacuten de
una pieza en la que hay una fuente de calor
Se ha descompuesto este sistema en 4 nudos
1 para el aire interno 2 para las paredes (interna y externa) 1 para el aire ambiente exterior
Representacioacuten nodal (simplificada) en lafigura 9
Ecuaciones que traducen los flujos teacutermicospara este sistema simple
nudo 1
Q1 - h12 S12 (T1 - T2) + M41cp (T4 - T1)
- M14cp (T1 - T4) = 1 V1 cp1 T1
nudo 2
2 S23- (T2 - T3) =
d23
h12 S12 (T1 - T2)
= 2 V2 cp2 T2
42 Modelizacioacuten de la conveccioacuten
Como se ha indicado anteriormente en elcapiacutetulo 2 en el teacutermino de conveccioacuten seemparejan a menudo dos fenoacutemenos(intercambios cuerpo-fluido e intercambios en elmismo fluido)
nudo 3
2 S23- (T2 - T3) - h34 S34 (T3 - T4) =
d23
= 2 V2 cp2 T2
nudo 4
h34 S34 (T3 - T4) + M14cp (T1 - T4)
- M41cp (T4 - T1) = 4 V4 cp4 T4
Importante los teacuterminos T i que corresponden adTidtla expresioacuten Estos teacuterminos no se toman
en consideracioacuten ya que soacutelo interesa elreacutegimen permanente es decir con lastemperaturas estabilizadas
A partir de estas ecuaciones se deduce elsistema de ecuaciones [G] [T] = [R]correspondiente seguro a
Φij = Gij (Ti - T j)
donde
G la matriz de admitancia teacutermicaT el vector de temperaturas desconocidasR el vector de las solicitaciones impuestas(fuentes de calor Q1 temperatura )
Este tipo de proceso ha permitido elaborar loscoacutedigos de caacutelculo y las reglas propias a losproblemas teacutermicos de los edificios
La modelizacioacuten de los intercambios porconveccioacuten debe dividirse en dos partes unadescribiendo las peacuterdidas maacutesicas (movimientosde aire) y otra describiendo los intercambiosteacutermicos (coeficientes de intercambio) con unadependencia mutua entre ellos por transferenciamaacutesicateacutermica ((figura 10)
Movimientos del aire Esquema nodal correspondiente que muestralos dos aspectos de la conveccioacuten
10485731114109917501 Modelizacioacuten maacutesica y teacutermica de la conveccioacuten
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43 Aplicacioacuten a las envolventes en BT
Distinguimos para la modelizacioacuten dos grandesgrupos de envolventes
Envolventes no compartimentadasEn este caso el esquema nodalcomo se muestra en la figura 11 es semejanteal del esquema de la figura 10 integrando lasfuentes de calor
Envolventes fuertemente compartimentadoscon o sin ventilacioacuten natural
A nivel de modelizacioacuten son posibles dosplanteamientos
n bien modelizando cada zona del tablerocomo se ha visto anteriormente asociando enconjunto los diferentes voluacutemenes Este sistemaconduce a matices demasiado complicadoscuando como es normal aparecen una decena
de zonas a asociar
aireambiente
10485731114109917501 Envolvente no-cerrada
o bien tratando el sistema globalmente sinmodelizar los bucles de conveccioacuten en el
interior de los diferentes voluacutemenes y noteniendo en cuenta la circulacioacuten de aire entrezonas (figura 12)
Estas modelizaciones nos han conducido aelaborar programas informaacuteticos adaptados acada tipo de envolvente Todos estosprogramas estaacuten estructurados de la mismaforma
Antes de entrar maacutes en detalle en la utilizacioacutende un programa (capiacutetulo 6) conviene conocermejor las fuentes de calor (juegos de barrasaparatos ) para determinar el nivel defuncionamiento real de un cuadro
abertura
aireambiente
zona A zona B
zona A zona B
10485731114109917501 Caso de una envolvente cerrada
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5 Comportamiento de las fuentes de calor Caracteriacutesticas
Las fuentes de calor consideradas en lamodelizacioacuten son los juegos de barras losconductores de interconexioacuten y los aparatoseleacutectricos
Referente a estos uacuteltimos los consideramoscomo laquolas cajas negrasraquo disipando caloriacuteas y
51 Los juegos de barras
Los juegos de barras se calculan de forma queverifiquen dos condiciones poder soportar el paso de la corrientenominal necesaria sin provocar uncalentamiento de las barras que pueda provocarun deterioro de los aislantes que soportan lasbarras Por ejemplo las barras pueden estardimensionadas de forma que no superen enreacutegimen permanente una temperatura de110983226C valor este que es enteramentedependiente de la naturaleza de los materialesaislantes en contacto con las barras porejemplo los soportes La tabla de la figura 13da para una temperatura ambiente de 50983226C y65983226C unos valores de temperatura para los
juegos de barras poder soportar una corriente de cortocircuitosin provocar deformaciones notables en lasbarras rotura de los soportes aislantes ocalentamiento excesivo
no como nudos de la modelizacioacuten Es decirque no se calcula su temperatura defuncionamiento sino la intensidad maacutexima quepueden soportar para una configuracioacuten deinstalacioacuten determinada con el fin de no exceder
su temperatura liacutemite de utilizacioacuten
La segunda condicioacuten corresponde a unproblema de esfuerzos electrodinaacutemicos ypuede estudiarse separadamente aunque laprimera necesita conocer el nivel defuncionamiento del conjunto
En particular hay que tener en cuenta latemperatura del aire que envuelve las barraspara dimensionarlas de forma precisa y evitarque sobrepasen una temperatura criacutetica que esfuncioacuten principalmente de la naturaleza delmaterial utilizado para los soportes
Asiacute conociendo la temperatura del aire en lasdiferentes zonas del tablero podemosdeterminar la temperatura delas barras en funcioacuten de sus caracteriacutesticas(dimensiones forma disposicioacuten) y validar eldimensionamiento
Importante En referencia a los caacutelculos de flujoteacutermico se considera que las barras disipan elcalor principalmente por conveccioacuten y radiacioacutenal aire interno
Temperatura Seccioacuten Intensidad Potencia Temperaturaaprox de las barras disipada (A) de las barras (W) (oC)
50 1 barra 100 x 5 1000 45 79
50 1 barra 100 x 5 1500 107 109
50 3 barras 100 x 5 1500 10 65
50 3 barras 100 x 5 3400 61 110
65 1 barra 100 x 5 1000 45 92
65 3 barras 100 x 5 1500 11 80
10485731114109917501 Valores teacutermicos relativos a un juego de barras de una longitud de 1 m situados en un ambiente dado
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52 Los Dispositivos
En los tableros de distribucioacuten eleacutectrica los
interruptores automaacuteticos constituyen el nuacutecleoprincipal de los dispositivos de potencia Ellos ylos demaacutes componentes como por ejemplo loscontactores disipan
Examinemos con maacutes detalle los interruptores
automaacuteticos frente a los problemas teacutermicos La potencia disipada es proporcional alcuadrado de la intensidad que los recorre
2sus caloriacuteas cuando son recorridos por la IPW PNcorriente eleacutectrica In
La tabla de la figura 14 nos facilita a tiacutetuloindicativo algunos valores de potencia disipadapor fase (por polo)
Interruptores automaacuteticosPotencia medida con watiacutemetro y no calculada a partirde la medida de la resistencia
In (A) 250 400 630 800
Pw - versioacuten fija 141 19 40 416
con In en 197 30 52 58versioacuten desenchufable
Contactores
I
n (A) 265 400 630 780Pw con In 22 45 48 60
10485731114109917501 Potencia disipada por polo a In en la
aparamenta claacutesica
Electroacutenico
Desplazamientovoluntario
compensado
Bimetal simple
donde PN representa la potencia disipada a laintensidad nominal de empleo In
La intensidad nominal de empleo (In) de uninterruptor automaacutetico corresponde a unatemperatura ambiente determinada por ejemplo40oC fijada por la norma de construccioacuten Dehecho para ciertos interruptores automaacuteticos latemperatura ambiente correspondiente a Inpuede alcanzar e incluso sobrepasar los 50ordmC dato
que debe dar una seguridad por ejemplo enlos paiacuteses caacutelidos
la intensidad de funcionamiento (Ith o Ithe)puede variar en funcioacuten de la temperaturaambiente y seguacuten el tipo de releacute teacutermico simpleteacutermico compensado electroacutenico (figura 15) loque puede permitir definir una corriente maacuteximade empleo diferente de In
Los paraacutemetros que intervienen en ladeterminacioacuten de desplazamiento portemperatura tienen en cuenta ademaacutes de latemperatura del aire alrededor del dispositivo (T i)
la temperatura liacutemite (TL) de los
componentes internos del interruptorautomaacutetico
1048573 temperatura maacutexima de funcionamiento delbimetal para un interruptor automaacutetico con releacutetermomagneacutetico
1048573 temperatura de los componenteselectroacutenicos para interruptores automaacuteticos conreleacute electroacutenico incorporado
1048573 la temperatura no debe transmitirse a losmateriales plaacutesticos los maacutes sensibles en uninterruptor automaacutetico con electroacutenicaintercambiable (releacute exteriorinterruptor abierto)Estas temperaturas liacutemite estaacuten comprendiasentre 100 y 150oC
la razoacuten entre la Ir del releacute y la corriente realde disparo cuando eacuteste estaacute a la temperatura
Bimetal
T TN
TN temperatura nominal de funcionamiento
T L temperatura liacutemite de funcionamiento
de definicioacuten de In K1Ir (figura 16)In
T ambiente
L
las secciones de los cables o las barras deconexioacuten que juegan un papel de radiador Suinfluencia se toma en cuenta para un coeficiente10485731114109917501 Curvas de desplazamiento tipo de los releacutes enK2funcioacuten de la temperatura
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Importante Debe tenerse en cuenta que laseccioacuten de los conductores utilizados esraramente igual a la que se emplea para losensayos de certificacioacuten de los interruptoresautomaacuteticos
El desplazamiento que tiene en cuenta estosdiversos criterios puede expresarsematemaacuteticamente
Foacutermula de desplazamiento
El interruptor automaacutetico y sus conductores deconexioacuten disipan esencialmente por conveccioacuten
Aparece por ello la relacioacuten
W1 = h S (TL - Ti)
siendo
W1 potencia disipada en W para un aparatoconectado dentro de una envolvente con unvolumen de aire a la temperatura T i
h = coeficiente de intercambio en Wm2 983226C
S superficie de intercambio en m2TL temperatura del punto caliente en 983226C (porejemplo el bimetal)
Ti temperatura del aire interno alrededor delaparato en 983226C
h = Cste S (TL - Ti)α
de donde W1 = Cste S (TL - Ti)1+α
Cuando el aparato se halla al aire libre a 40983226Cse tiene una relacioacuten similar
W2 = Cste S (TL - 40)1+α
de donde
1
1 L i W T
T
W T
402
L
Ademaacutes se sabe que1 = RIthe
2 y que W2 = RIr 2
W TL -T
y por tanto Ithe 1114109Ir
i
TL - 40
siendo Ithe la intensidad que recorre el aparato
Id = K1 x In y β = (1 + α)2
β coeficiente que caracteriza el tipo de dispositivoSe determina experimentalmente o por unanaacutelisis maacutes fino del comportamiento teacutermicodel elemento Su valor estaacute comprendido entre02 y 07
Relacioacuten final integrando ademaacutes el efecto
de las secciones (coeficiente K2)
TL
T iI 1114109
I K K
the n 1 2 TL
40
Los datos que corresponden alcomportamiento del interruptor automaacutetico y queintervienen en esta foacutermula estaacuten en losficheros que utiliza el programa informaacutetico alcalcular las temperaturas en el interior deltablero
tteacutermico
magneacutetico
curvaliacutemitedel cable
CR
LR
t
curvaliacutemitedel cable
retardocorto
retardolargo
Ir Irm Icu I Ir Irm Iins Icu I
ILR ICRIr = ajuste del releacute teacutermicoIrm = ajuste del releacute magneacutetico
zona
zona de
zona desobre-Icu = poder de corte uacuteltimo normal cortocircuitoscarga
10485731114109917501 Curvas de disparo de un interruptor automaacutetico
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6 Meacutetodo de caacutelculo de la temperatura en las envolventes
La modelizacioacuten presentada hasta ahora debeservir de base al desarrollo de nuestro meacutetodode caacutelculo que debe permitirnos determinar elfuncionamiento real del tablero (intensidadmaacutexima en cada derivacioacuten) y con ello utilizarel conjunto al maacuteximo con una seguridadgarantizada
61 Principio
El programa se desarrolla con dos bucles deiteraciones imbricadas con el fin de determinarel nivel permanente El primero concierne a laresolucioacuten del problema teacutermico el otro a loscoeficientes de desplazamiento
El esquema de caacutelculo se presenta en la figura17
1983210 etapa descripcioacuten de la configuracioacuten esdecir tipo de envolvente utilizado nuacutemero dedispositivos y su posicioacuten relativa A este nivel elprograma utiliza el fichero de aparatos pararecuperar los datos descritos con anterioridad
2983210 etapa descomposicioacuten de la envolvente ensus voluacutemenes isotermos (nudos de lamodelizacioacuten nodal)
3983210 etapa inicio de los nuacutecleos de iteracioacuten concaacutelculo
de la potencia disipada (en la primeraiteracioacuten los coeficientes de desplazamiento setoman igual a 1)
de los coeficientes de la matriz de admitanciaa partir de las ecuaciones de balance
de las temperaturas internas (resolucioacuten delproblema teacutermico)
Como acostumbra a suceder en teacutermica lasnumerosas relaciones entre paraacutemetrosprecisan de una definicioacuten iterativa con laelaboracioacuten de un programa del que vamos apresentar el principio
de los nuevos coeficientes dedesplazamiento comparaacutendolos con losanteriores Si el salto se juzga poco importante(prueba de paro de la iteracioacuten) se procede a unnuevo bucle calculando las nuevasintensidades que atraviesan cada aparato denuevo la potencia disipada
4983210 etapa salida de los resultados
Descripcioacuten de la configuracioacutenestudiada
Intensidad
Potencia disipadadentro de la envolvente
Coeficientes dedesplazamiento
Temperaturasiinteriores
10485731114109917501 Principio de funcionamiento de los programas
62 Descripcioacuten de los datos a suministrar y de los resultados obtenidos
Datos
tipo de envolvente ymaterial
iacutendice de proteccioacuten
temperatura ambiente alrededor de laenvolvente
nuacutemero de filas de dispositivos
denominacioacuten de los aparatos que permitensu localizacioacuten en el fichero
configuracioacuten del tablero y posicioacuten de los
dispositivos
Resultados
eleccioacuten de un juego de barras horizontal yvertical (seccioacuten) e intensidad en estas barras
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potencia teacutermica total disipada en el tablero
coeficiente de desplazamiento para cadadispositivo debido a las intensidades circulantes
eventualmente la temperatura alcanzada por
las barras y su nivel en las diferentes zonas deltablero
63 Configuraciones modelizadas
Es bien sabido que en un programa como elque se indica no pueden considerarse todas lasconfiguraciones de instalacioacuten imaginablesSolamente se consideran las maacutes comunes esdecir las que permiten responder al 90 de loscasos deseados Un ejemplo en la figura 18
Configuracioacuten 1 Configuracioacuten 2 Configuracioacuten 3sin aparato de entrada aparato de entrada
en posicioacuten altaaparato de entradaen posicioacuten baja
10485731114109917501 Configuraciones modelizadas
64 Resultados
Este progreso en el caacutelculo informaacutetico demodelos es especialmente interesante porquepermite efectuar los diversos estudios
Estudio detallado de una configuracioacutendeterminada para optimizar la posicioacuten de undispositivo o la eleccioacuten de un juego de barrasconocer la potencia disipada por el conjuntopara dimensionar una climatizacioacuten adaptada
El ejemplo siguiente se ha efectuado con unacolumna de un cuadro industrial de potenciacompartimentado forma 2 conteniendo
un juego de barras horizontal alimentando un
aparato de entrada y la columna adyacente un aparato de entrada de 2500 A diferentes interruptores automaacuteticos de caja
moldeada
El programa nos facilita entre otros los coeficientes de desplazamiento Kdesp las intensidades que circulan por cadaaparato Ir
Advertencia sobre el coeficiente Kdiv
Este coeficiente nos permite tener en cuenta elcoeficiente de diversidad o de esponjamientoderivacioacuten por derivacioacuten
Es decir los niveles de funcionamiento en uninstante dado de los diferentes aparatos
Por ejemplo en un instante dado 2derivaciones son solicitadas al maacuteximo y lasotras hasta el 05 de sus posibilidadesafectando al sistema teacutermico del conjunto
Los resultados se presentan en la hoja decaacutelculo de la figura 19
Tabla de desplazamiento para unaconfiguracioacuten dada
Esta posibilidad de utilizacioacuten del programasemejante a la utilizacioacuten anterior permite reunirpara una configuracioacuten frecuente losdesplazamientos de los diferentes dispositivosteniendo en cuenta su posicioacuten real en el
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tablero las secciones de los conductoresutilizados los iacutendices de proteccioacuten y de latemperatura ambiente exterior
En la figura 20 se puede ver un ejemplo de uncuadro industrial de potencia con los datosdetallados de los dispositivos instalados en columna
Tabla de desplazamiento para un tipo dedispositivo
Para la mayor parte de interruptoresautomaacuteticos de caja moldeada eldesplazamiento es relativamente independientede la configuracioacuten
Masterbloc MB200 IP = 31
Tabla con aparato de llegada en posicioacuten alta alimentada con JdB horizontal
Referencia Posicioacuten Kdespl Kdiv Ia(A) Or(A)
M25H 1 12 88 1 2200 2200
NS630ST 17 21 93 1 586 518
NS630ST 22 26 96 1 605 534
NS400ST 27 31 1 1 400 353
NS400ST 32 36 1 1 400 353
NS250D250 37 40 1 1 250 221
NS250D250 41 44 1 1 250 221
Juego de barras horizontal
intensidad 2200 A
M 25
NS 630
NS 630
NS 400
NS 400
NS 250
NS 250
seccioacuten 1 4 barras de 100 5
Juego de barras vertical
intensidad 2200 A Temperatura JdB horizontal 95oC
seccioacuten 1 4 barras de 80 5Temperatura JdB vericalTemperatura ambiente
104oC35oC
Temperatura del techo 70oCPotencia total disipada 1953 W Temperatura JdB horizontal 75oCdetalle en dispositivos 593 W Temperatura aparellaje alto 68oC bajo 35oC
en auxiliares 0 W Temperatura auxiliar alto 52oC bajo 35oC juegos de barras + derivaciones 1271 W Temperatura JdB + derivaciones alto 77oC bajo 35oC juego de barras horizontal 89 W Temperatura conexiones alto 58oC bajo 35oC
10485731114109917501 Resultados del caacutelculo para una configuracioacuten determinada
IP31
Tdeg amb 35 40 45 50 55
M25 09 087 084 081 079M16 097 094 091 088 086M08 1 1 1 1 1
IP 4254
Tdeg amb 35 40 45 50 55
M25 079 077 075 073 071M16 087 085 083 081 079M08 1 1 1 1 1
3b 1005
3b 1005
2b 805
2b 805
1b 635
1b 635
3b 1005
4 b
8 0 5
1 b 8
0 5
M 252500 A
M 161600 A
M 08800 A
hueco
x
x
x
10485731114109917501 Desplazamiento de los interruptores automaacuteticos descritos en funcioacuten de la temperatura ambiente
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Los coeficientes de desplazamiento seestablecen por exceso situando los dispositivos enlo alto del tablero o del compartimento
Ver a tiacutetulo de ejemplo la figura 21
Curvas caracteriacutesticas del comportamientoteacutermico de un tipo de envolvente
Se establecen dos tipos graacuteficos
un conjunto de curvas que permitendeterminar la temperatura media en el interiorde una envolvente determinada en funcioacuten de lapotencia disipada y de la temperatura ambienteexterior
En la figura 22 se indican estas curvas para untablero de distribucioacuten no compartimentado
unas curvas que permiten determinar lapotencia que estas envolventes pueden disiparpara un calentamiento definido en funcioacuten desus caracteriacutesticas dimensionales
Ejemplo temperatura ambiente exterior 35 oCcalentamiento maacuteximo admisible ∆Ta = 30 oC
1048573 tablero altura 2 m anchura 09 mprofundidad 04 m
potencia disipable 850 W
1048573 tablero altura 2 m anchura 09 mprofundidad 06 m
potencia disipable 1000 W seguacuten curvas de lafigura 23
IP 31 IP 4254
Tdeg amb 35 40 45 50 55 35 40 45 50 55
NS100 100 100 100 100 95 100 95 90 85 80
NS160 160 155 150 145 140 150 140 135 125 120
NS250 235 225 220 210 200 205 195 180 170 165
NS400 380 370 360 350 340 350 340 330 320 310
NS630 540 520 510 500 485 485 475 465 450 440
10485731114109917501 Ejemplo de intensidades de corriente (en A) de disparo de interruptores automaacuteticos Compact NS
instalados dentro de una envolvente de BT determinada
Temperaturamedia en oC
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Tamb 60oC
Tamb 55oC
Tamb 50o
CTamb 45oCTamb 40oCTamb 35oC
Tamb 25oC
Dimensiones de
la envolventealto 2 mancho 09 mprofundo 04 m
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Potencia disipada en vatios
10485731114109917501 Temperatura media del aire en el interior de un armario de distribucioacuten metaacutelico IP2 y de forma 1
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Envolvente de 400 mmde profundidad
Potencia disipadaen vatios
1600
1400 T = 40oC
1200
1000 T = 30oC
800
T = 20oC600
400T = 10oC
200
800 900 1000 1100
Anchura en mm
Envolvente de 600 mmde profundidad
Potencia disipadaen vatios
1600 T = 40o
C
1400T = 30oC
1200
1000
T = 20oC1000
600
400 T = 10oC
200
800 900 1000 1100
Anchura en mm
10485731114109917501 Potencia disipable por calentamiento en una envolvente dada en funcioacuten de su anchura Curvas que se
refieren a un gabinete metaacutelico de formas 1 de 2 metros de altura
65 Resultados experimentales
Se han efectuado ensayos de calentamiento enel laboratorio Ampegravere de ASEFA con diversostipos de envolventes cofrets de plancha oplaacutestico armarios Prisma tableros de
distribucioacuten MasterblocDurante estos ensayos se han medido
temperaturas
1048573del aire en diferentes zonas de la envolvente
1048573de los conductores juego de barras yderivaciones
1048573de los puntos calientes de los dispositivos(bimetal ambiente electroacutenico)
intensidades
paraacutemetros que intervienen en lamodelizacioacuten en particular los coeficientes deintercambio aireparedes
Estas mediciones han permitido por una parte
verificar la conformidad a la norma IIEC 604311 deciertos valores (liacutemites de calentamientomencionados en el capiacutetulo 12 sobre lasnormas) y por otra parte para validar el modelo
En lo referente a las temperaturas del aire ladiferencia entre los valores medidos ycalculados depende del tipo de envolventemodelizada ya que al nivel de la modelizacioacuten
los supuestos difieren seguacuten que se considerelas envolventes compartimentadas o no
Sobre el conjunto de ensayos efectuados encuadros de diferentes formas(compartimentados o no) las diferenciasmaacuteximas constatadas han sido siempreinferiores a 6983226C
Las temperaturas calculadas para los juegos debarras muestran tambieacuten una concordancia conlas mediciones y han permitido validar elprograma informaacutetico
En referencia a las intensidades lasdesviaciones en valor medio son inferiores al5 En una homologacioacuten reciente de unaconfiguracioacuten de cuadro Masterbloc encalentamiento el programa ha permitido preverel nivel de funcionamiento del cuadro
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7 Meacutetodo propuesto por el documento IEC 60890
No hace mucho tiempo atras los gabinetes eleacutectricos
se escogiacutean equipaban y llenaban en funcioacutende la experiencia tambieacuten en lo que se refierea la tasa de llenado y a la variacioacuten de latemperatura en el tablero durante elfuncionamiento
Por ejemplo Temperatura exterior maacutexima
30983226C y 60983226C en el interior (los fabricantes de
aparamenta dan de margen hasta los 60983226C)
Esta praacutectica conduciacutea o a una pobre utilizacioacuten
del material o a actuaciones intempestivas de
las protecciones tenieacutendose la necesidad de
trabajar con las puertas abiertas
El meacutetodo propuesto por la recomendacioacuten
IEC aunque no se trate de una norma sino de
una guiacutea es de un intereacutes evidente Se
presenta detalladamente en el anexo de la
norma NFC 63410 o en la recomendacioacuten de la
IEC Ndeg 60890
Debemos de recordar los fundamentosmostrando los liacutemites y comparando con elmeacutetodo presentado en este Cuaderno Teacutecnico
En principio este meacutetodo se aplica aenvolventes a las que se puedan aplicar lassiguientes hipoacutetesis
reparto uniforme de la potencia disipada
el equipamiento se dispone de manera que no sedificulte la circulacioacuten de aire
no maacutes de 3 separaciones horizontales
Datos necesarios
dimensiones de la envolvente
potencia disipada en el interior (equipamiento
conductores)
tipo de instalacioacuten (envolvente aislada osituado en un extremo) (figura 24)
Caacutelculo
la temperatura se calcula uacutenicamente en 2
puntos de la envolvente
a media altura
T05 = Ta + ∆T050804siendo ∆T05 = dk Pw
d es un coeficiente que tiene en cuenta laexistencia de separaciones horizontales
1048573Si Ae lt 125 m2 d =1 (definicioacuten de Ae queveremos inmediatamente)
Si Ae gt 125 m2
Factor de repartode temperatura c165
116 2
3155 4
515
145
14
135
13
125
12
115
11
105
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Factor fCurvaTipo de instalacioacuten
1 Tapas separadas quitadas por todos los lados 3 Tapas separadas en montaje mural 2 Primera o uacuteltima tapa quitada
3 Tapa central quitada
5 Tapa central en montaje mural 4 Tapa central en montaje mural y con la parte
superior abierta
10485731114109917501 Factor de distribucioacuten de temperatura c para
envolventes sin orificios de ventilacioacuten y con una
superficie efectiva de enfriamiento A gt 125 m2 e
Valor de la superficie efectiva Constantede refrigeracioacuten Ae en m 2 de envolvente k
0 4
038
1 036
03415 032
2 03
028
3
25
026
4 024
5 022
6 0278 018
10 016
12 01414
01201
008
100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650
Seccion de los orificios de entrada de aire en cm2
10485731114109917501 Constante de la envolvente k para una
envolvente con orificio de ventilacioacuten y una superficie
efectiva de enfriamiento A gt 125 m2 e
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d = 1 con o sin orificios de ventilacioacuten sin
ninguna separacioacuten
d = 105 con o sin orificios de ventilacioacuten para
1 de separacioacuten
d = 115 oacute 110 con orificios de ventilacioacuten para 2 separaciones
d = 130 oacute 115 con orificios de ventilacioacuten para
3 separaciones
k es una constante que caracteriza laenvolvente su valor se determina con aacutebacos(figura 25) y es funcioacuten de la superficie deintercambio de la envolvente Ae (m2)
Ae = Σ Aob oacute Ao es la superficie geomeacutetrica delas diferentes paredes de la envolvente
b es una constante que tiene en cuenta el tipode instalacioacuten
Valores de b
1048573parte superior abierta b = 14
1048573
parte superior cubierta b = 071048573paredes laterales abiertas b = 09
1048573paredes laterales tapadas b = 05
1048573paredes laterales deenvolventes centrales b = 05
1048573parte inferior b = 0
Pw potencia disipada en Watt en la partealta de la envolvente
T1 = Ta + ∆T1
siendo ∆T1 = c ∆T05 o ∆T05 representa elcalentamiento precedente
c es una constante de calentamientodeterminada a partir de aacutebacos
Por ejemplo en el aacutebaco de la figura 24 c es
funcioacuten de Ae y de uno de los factores f o g
f = h135
(L P) si Ae gt 125 m2
g = h135L si Ae lt 125 m2
Liacutemites
Los liacutemites esenciales de este meacutetodo son
que se aplica bien a las envolventes nocompartimentadas de tipo gabinete y no a los
tableros de potencia muy compartimentados
que no tiene en cuenta la posicioacuten de lasfuentes de calor que la mayor parte de vecesno estaacuten repartidas de forma uniforme
Comparacioacuten con nuestra aproximacioacuten
Se constata que las aproximaciones danresultados similares para los tableros no
compartimentados y con fuentes de calorrepartidas (figura 26)
En lo que se refiere a las envolventes muycerradas la localizacioacuten de las fuentes de calory los intercambios entre las diferentes zonasinfluyen mucho en el calentamiento
Temperatura en oC
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Temperatura calculada seguacuten la norma
Temperatura calculada con el programa de MG
Temperatura del aire ambiente 35 oC
Dimensiones de la envolvente
alto 2 m
ancho 09 m
profundo 04 m
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
Potenciadisipada en Watt
Fig 26 Temperatura del aire a media altura en un tablero metaacutelico de distribucioacuten IP2 y de la forma 1
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8 Conclusioacuten
La importancia de los tableros eleacutectricos en la
distribucioacuten no hay que demostrarla
En cuanto a la disponibilidad de la energiacutea
eleacutectrica y de la seguridad de funcionamiento resulta indiscutible que el control teacutermico de los
tableros eleacutectricos es un objetivo fundamental
Las normas que se refieren a las envolventes ya los productos determinan los liacutemites teacutermicosque no hay que sobrepasar
Les queda a los profesionales convertirse enlaquoarquitectos teacutermicosraquo del disentildeo de lasenvolventes y tableros eleacutectricos hoy es ya
cosa hecha incluso para los tableros de serie
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2 Los problemas teacutermicos de un tablero
El control de los fenoacutemenos teacutermicos es detodos el maacutes importante principalmente por tresrazones
por la tendencia a instalar el materialeleacutectrico bajo envolventes (seguridad) quesuelen ser de material aislante (poco eficacespara disipar el calor)n por la evolucioacuten del equipamiento que
integra cada vez en mayor medida laelectroacutenica cuyas dimensiones se vanreduciendo sistemaacuteticamente
por la tendencia a ocupar el volumen del
tablero al maacuteximo y aumentar el coeficiente dediversidad
21 Causas efectos y soluciones
La temperatura de un material eleacutectrico es elresultado
del efecto Joule (P = I2R) es decir de suresistencia al paso de la corriente de la temperatura ambiente
Los elementos del tablero se disentildea respetandolas normas de fabricacioacuten que definen lastemperaturas maacuteximas que no debenrebasarse para la seguridad de las personastemperatura de la caja y de los oacuterganos demaniobra diferencia maacutexima de temperatura enlos bornes
Todo ello se verifica por ensayos decertificacioacuten de los productos
En un tablero eleacutectrico el material estaacutesometido a condiciones de empleo muydiversas y las causas de sobretemperatura sonmuacuteltiples
La tabla de la figura 1 presenta las causasprincipales sus efectos y las posiblessoluciones
Todo el problema consiste en asegurarse en el
momento del disentildeo del tablero de que todossus componentes funcionaraacuten en unascondiciones de temperatura menos severas quelas liacutemites previstas en las normas deconstruccioacuten Los elementos tales como(interruptores automaacuteticos contactores etc)deberaacuten poder ser atravesados por la corrienteprevista sin ninguacuten problema
Esto puede ocasionar un problema decalentamiento que se manifestaraacute contemperaturas localizadas en diversos puntos deun aparato o de un equipo de BT superiores alos valores limite fijados por las normas odependientes del comportamiento de ciertoscomponentes Un estudio teacutermico de unaenvolvente BT tiene por objetivo principal eldeterminar la intensidad admisible para cadaaparato compatible con sus caracteriacutesticasteniendo en cuenta su entorno defuncionamiento
El otro objetivo de seguridad para las personasy los bienes no debe perderse de vista desdelas dos condicionantes adicionales
disponibilidad de la energiacutea eleacutectrica (sinfuncionamiento intempestivo o nofuncionamiento)
tiempo de vida de los componentes
En definitiva el objetivo a alcanzar consiste enprever con alta fiabilidad el estado defuncionamiento teacutermico del tablero
Para conseguirlo nos apoyaremos en tres tiposde soluciones
n la experiencia del fabricanten los ensayos reales para los tablerosrepetitivos la utilizacioacuten de programas informaacuteticos conlos que es posible determinar en funcioacuten de lascaracteriacutesticas de la envolvente el parintensidad-temperatura para cada una de lasfuentes de calor dispositivos conductores)(capiacutetulo 4) y todo ello en funcioacuten de suposicioacuten y de la temperatura del aire que los
envuelve Es evidente que un programainformaacutetico amparado por la experiencia y losensayos es muy uacutetil ya que permite estudiarcomparativamente las numerosasconfiguraciones de instalaciones posibles yoptimizar el cuadro a realizar desde el punto devista teacutermico y del costo
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Causas Efectos
Proteccioacuten Soluciones
Solucionesaleatoriasposibles conun disentildeoconforme albuen saberhacer delprofesional
NormaIEC 60439
NormaIEC 60634
Conexiones
Destruccioacuten de los conductores
Disparo aleatorio
Verificacioacuten de lasdefectuosas de los dispositivos aguas arriba conexiones
Deteccioacuten decalentamientos
Seccioacuten
Destruccioacuten de los
Ninguna
Dimensionamientoinsuficiente de los conductores correcto de losconductores conductores
Problemas demontaje y demantenimiento
Defecto dedisentildeo de lainstalacioacuten
NormaIEC 60898
Temperatura externa Temperatura interna Alarma Mejorar la ventilacioacutendemasiado elevada del tablero demasiado elevada n Puesta en march del local o del cuadro
Disparo de los releacutes teacutermicos de alguna ventilacioacuten
Envejecimiento de la parte
electroacutenica
Temperatura de las paredesexternas del tablero
excesivamente alta
Coeficiente de Disparo de la proteccioacuten Desconexioacuten Dimensionardiversidad de cabecera del tablero adecuadamente el tablero
elevado
Temperatura internaDesbordamiento del tablero excesiva
de las posibilidades Temperatura de las paredesde la instalacioacuten externas del tablero excesivamente
alta
Cortocircuito Deterioro de los conductores Desconexioacuten de Dimensionar adecuada-o sobrecarga Deterioro de los soportes seguridad mente los conductores
aislantes de las barras
Buena capacidad electro-dinaacutemica de los soportesa temperatura elevada
Eleccioacuten o usoinadecuado dedispositivos
NormaIEC 60947
Error de escalonado
Funcionamiento anormal
Disparo o
Revisar la eleccioacuten de losde las protecciones (disparos) sentildealizacioacuten componentes y su distribucioacuten
o mala disposicioacuten Envejecimiento prematuro Ventilacioacutenfiacutesica
10485731114109917501 Problemas teacutermicos y relacioacuten causaefecto
22 Detalle sobre las normas
Son muchas las normas que abarcan el ampliocampo de la BT por ejemplo la Reglamentacioacuten AEA02 define las reglas a respetar para todas lasinstalaciones de baja tensioacutenen inmuebles
Para los aspectos de definicioacuten y de concepcioacutende los aparatos y conjuntos de BT podemosreferirnos respectivamente
n a las normas de dispositivos por ejemplo laIEC 60947
n a la norma IEC 60439 para los tableros (y
sus montaje) en BT
La norma internacional IEC 60439 se divide en
cinco partes
n IEC 604391 (nov 1992) que reuacutene las reglaspara los conjuntos de serie (CS) y los conjuntosderivados de serie (CDS)
n IEC 604392 (1997) que define las reglaspara las canalizaciones prefabricadas
n IEC 604393 (dic 1990) que comprende la
instalacioacuten de los dispositivos de BT en zonasaccesibles a personas no advertidas
n IEC 604394 (dic 1990) que define las reglas
para las instalaciones en canteras
n IEC 604395 (mar 1996) que se refiere almontaje de redes de distribucioacuten instaladas enel exterior (por ejemplo tableros para aceras o
andenes)
La parte que afecta particularmente a los
tableros de BT es la IEC 604391 editada en 1992
En el aacutembito europeo esta uacuteltima es la base dela mayor parte de normas nacionales (BritishStandard NFC VDE UNE ) En efecto sus
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contenidos transcriben fielmente el texto de lanorma IEC las diferencias corresponden maacutes a
costumbres propias de cada paiacutes que adiferencias causadas por puntos fundamentalesde la norma IEC
El aporte esencial de esta norma ha sido el
definir de forma precisa dos nociones
encaminadas ambas hacia un aumento de laseguridad Eacutestas son
la nocioacuten de conjuntos totalmente ensayadosCS (conjuntos de serie) o parcialmenteensayados CDS (conjuntos derivados de serie)
la nocioacuten de las formas (figura 2)
forma 1 forma 2b
forma 3b forma 4b
Fig 2 Diversas laquoformasraquo seguacuten la norma IEC 60439
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Sin entrar en el detalle podemos decir que losCS corresponden a productos perfectamentedefinidos y fijados tanto a nivel de componentes(planos precisos de cada uno de susconstituyentes) como de su fabricacioacuten (guiacutea de
montaje) y deben satisfacer los ensayos detipo (calentamiento cortocircuito continuidadde masa) definidos por la norma
Los CDS corresponden a conjuntos en los quela estructura de base es un CS con una o variasmodificaciones modificaciones que deben deestar validadas por el caacutelculo o por un ensayoespeciacutefico
La nocioacuten de forma corresponde a unadefinicioacuten precisa de los grados de separacioacutenque pueden encontrarse en un tablero y queaumentan la proteccioacuten de las personas por unano accesibilidad a las partes activas (juegos debarras) Se distinguen 4 tipos de formas quevan desde una ausencia total de separacioacuten(forma 1) hasta un cierre completo de losdiferentes elementos del tablero (forma 4)
Hay que advertir que este encierro incidemuchiacutesimo sobre la componente teacutermica deestos conjuntos
La norma IEC define igualmente el ensayo decalentamiento que debe satisfacer un conjunto
Esta norma precisa las condiciones y los liacutemitesde calentamiento (821 de la norma) que nodeben superar los diferentes componentes delconjunto
Condiciones de ensayo
1048573El conjunto debe estar dispuesto para el usonormal
1048573
La corriente correspondiente al valorasignado se reparte entre los diferenteselementos teniendo en cuenta un factor dediversidad (Kd) variable seguacuten el nuacutemero decircuitos principales
2 le n983226 de circuitos principales le 3 Kd = 09
4 le n983226 de circuitos principales le 5 Kd = 08
6 le n983226 de circuitos principales le 9 Kd = 07
nuacutemero de circuitos principales ge 10 Kd = 06
1048573
Se consigue realmente la estabilizacioacutenteacutermica cuando la variacioacuten de temperatura noexcede de 1oCh Los conductores conectadosa los aparatos deben tener su seccioacutenconforme a las directrices de la norma
1048573Las mediciones de temperatura se efectuacuteancon ayuda de termocuplas
1048573La temperatura ambiente de referencia es de35oC
Con relacioacuten a la temperatura ambiente nodeben excederse los calentamientos
70 K para los bornes de conexioacuten de losconductores exteriores 25 K para los oacuterganos de mando manual de
material aislante 30 K oacute 40 K para las superficies metaacutelicasexternas accesibles o no
valores especiacuteficos particulares para losconstituyentes incorporados y tambieacuten para losaislantes en contacto con los conductores
Hay que sentildealar todaviacutea un tema denormalizacioacuten la existencia de una guiacutea teacutecnicade predeterminacioacuten de los calentamientos (IEC60890) Ha estado validada por numerososensayos ya que no tiene la categoriacutea de norma
La guiacutea da resultados correctos para unasconfiguraciones simples (envolvente pococompartimentada fuentes de caloruniformemente repartidas) En el capiacutetulo 7
se hace una presentacioacuten de este meacutetodo asiacutecomo una comparacioacuten con nuestro meacutetodo deproyectista de laquotablerosraquo
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3 Comportamiento teacutermico de un tablero eleacutectrico en BT
Un tablero eleacutectrico es un sistema compuestode un fluido (el aire) y de cuerpos soacutelidos en losque el paso de corriente eleacutectrica vaacompantildeada de peacuterdidas de energiacutea queprovocan una elevacioacuten de temperatura
31 Repaso sobre los principales fenoacutemenos teacutermicos
Los intercambios teacutermicos permiten describir elcomportamiento de un sistema cualquiera en elque el sistema es un tablero eleacutectrico
Contemplan tres tipos de fenoacutemenos diferentes
Fenoacutemeno de conduccioacuten que corresponde auna transferencia de calor al interior de cuerpossoacutelidos (figura 3) Se distinguen
por una parte los fenoacutemenos de conduccioacutensimple para los que el cuerpo considerado noes la base de ninguacuten fenoacutemeno teacutermico porejemplo conduccioacuten al interior de un muro
por otra parte los fenoacutemenos de conduccioacutenviva donde el cuerpo estudiado es la base deuna creacioacuten de calor por ejemplo barra decobre recorrida por una corriente eleacutectrica
Los caacutelculos relativos a la transmisioacuten de calorpor conduccioacuten se basan en la ley de Fourierque para las geometriacuteas simples se reduce a larelacioacuten
917501ij 1114109 1048573S Ti
T j 1048573d
La evolucioacuten hacia el equilibrio teacutermico serealiza por transferencia del calor desde laspartes activas dispositivos conductores)donde se genera dicho calor hacia las partesen contacto con el exterior que lo transmiten asu alrededor al medio que los rodea
siendoΦij = flujo caloacuterico transmitido entre dos puntos i y j enW λ = conductividad teacutermica en Wm oC S = superficie de transmisioacuten en m2 Ti T j = temperaturas de los dos puntos en oC d = distancia entre los dos puntos en m λ es una caracteriacutestica del medio laquoconductorraquo Su valor es funcioacuten de la temperatura pero a
menudo se considera como una constante
Por ejemplo algunos valores de λ en Wm oC
Plata λ = 420
Cobre λ = 385
Aluminio λ = 203
Acero λ = 45
Materiales plaacutesticos λ = 02
Asfalto λ = 0935
Piedra λ = 0657
Lana de vidrio λ = 0055
Aire (30 oC) λ = 0026
10485731114109917501 Impedancia de las conexiones
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Fenoacutemeno de radiacioacuten corresponde a latransferencia de calor entre cuerpos soacutelidosseparados por un medio maacutes o menostransparente (figura 4)
Estos intercambios que se establecen entre lassuperficies de cuerpos cualesquiera dispuestosuno frente a otro se representan por relacionesbastante complejas en las que intervienen
la emisioacuten del soacutelido que si es consideradocomo un cuerpo negro no es funcioacuten de sutemperatura
los estados de superficie representado pormedio del coeficiente de emisividad e quecaracteriza el grado de las superficies de estoscuerpos con referencia al cuerpo negro
los fenoacutemenos de reflexioacuten y de absorcioacuten
la disposicioacuten de las superficies unasrespecto a las otras por la intermediacioacuten de losfactores de forma
Sin embargo en el caso particular de unasuperficie (por ejemplo j) que envuelvecompletamente a la otra (i) y tal que la razoacutenSiS j sea de valor bajo estas expresiones sesimplifican y se llega a
Φi = εi σ Si (Ti4 - T j
4)
siendo
Φi = flujo de calor transmitido a traveacutes de la
superficie Si en W εi = coeficiente de emisividad en la superficie S i
σ = constante de Stefan-Boltzmann
(567032 x 10-8 W m-2 K-4) Si = superficie en m2 Ti T j = temperatura de las superficies en
transmisioacuten en K
Fenoacutemenos de conveccioacuten bajo el teacutermino
general de conveccioacuten se funden de hecho dos
fenoacutemenos diferentes que a menudo se auacutenan
el fenoacutemeno de conveccioacuten propiamentedicho que corresponde a una transferencia decalor entre un cuerpo soacutelido y un fluido enmovimiento Seguacuten el origen del movimiento delfluido se distingue la conveccioacuten natural y laconveccioacuten forzada (figura 5)
Estas transferencias se caracterizan por loscoeficientes de intercambio hi
Φi = hi Si (Tf - Ti)
siendo
Φi = flujo de calor transferido a la superficie Si
en W hi = coeficiente de intercambio en Wm2 oC Tf Ti = temperaturas del fluido y de la superficie
de transferencia en oC
Desde un punto de vista fiacutesico el problema de
intercambio de calor por conveccioacuten estaacute
fuertemente relacionado a un problema de
mecaacutenica de fluidos
10485731114109917501 Fenoacutemenos de radiacioacuten
10485731114109917501 Fenoacutemenos de conveccioacuten
Desde un punto de vista praacutectico el problemapuede abordarse simplemente por utilizacioacuten decoeficientes de intercambio donde la expresioacutenhace intervenir
1048573 los paraacutemetros que describen la
transferencia de flujo del fluido (velocidad)1048573 las propiedades fiacutesicas del fluido(conductividad teacutermica viscosidad dinaacutemicacapacidad caloriacutefica masa volumeacutetrica)asociadas a menudo bajo forma de nombressin dimensioacuten o caracteriacutesticas (como NusseltPrandtl Reynolds Grasshof)
Por ejemplo expresioacuten del coeficiente deintercambio en conveccioacuten natural para unageometriacutea simple placa plana vertical de alturaL a una temperatura uniforme
Nu h =
Dh
siendo
Nu = nuacutemero de Nusselt 053(GrPr)025 dondeGr y Pr son respectivamente los nuacutemeros deGrasshof y de Prandtl funcioacuten de laspropiedades fiacutesicas del fluido y del salto detemperatura entre el fluido y la superficie detransmisioacuten
λ = conductividad teacutermica del fluido (Wm oC)Dh = dimensioacuten caracteriacutestica (m)
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Habitualmente esta magnitud corresponde a lamayor dimensioacuten del cuerpo soacutelido en contactocon el fluido en movimiento aquiacute L
Importante Es interesante notar que elcoeficiente de intercambio depende del salto detemperatura solamente a la potencia 025 Portanto h = K(∆t)025
el fenoacutemeno de movimientos convectivosque corresponde a la transferencia de calor enel seno de un fluido por medio de los bucles deconveccioacuten que explican por ejemplo elgradiente de temperatura observado entre laspartes baja y alta de un volumen de fluidocerrado sede de fenoacutemenos teacutermicos
Los movimientos de aire entre dos voluacutemenes iy j se caracterizan por las diferencias de masafuncioacuten de las secciones de paso y de lavelocidad de circulacioacuten (figura 6)
La transferencia de calor se representa por
Φij = M cp (Ti - T j)
siendo
Φij flujo de calor transferido entre i y j en W
M circulacioacuten maacutesica en kgs
cp capacidad caloriacutefica del fluido en Jkg oCTi T j temperatura del fluido en los voluacutemenes iy j en oC
Nota la transferencia de calor viene impuestapor el sentido de circulacioacuten
Expresioacuten de la velocidad del fluido en el casode la conveccioacuten natural el fluido se pone enmovimiento entre los puntos i y j por susvariaciones de masa volumeacutetrica con la
temperatura La velocidad se supone seraacute proporcional a las
citadas variaciones funcioacuten de la diferencia de
temperatura entre i y j
V 1114109Cste g Dij ij
siendo
∆ρ ρ variacioacuten relativa de masa volumeacutetricag aceleracioacuten de la gravedad en ms2Dij distancia entre los dos puntos i y j en m
Ademaacutes si se supone que el fluido consideradotiene un comportamiento de gas perfectoentonces
∆ρρ = β (Ti T j) de donde
Vij 1114109
Cste Ti
T j 1048573
g Dij
1siendo 1114109
(en caso de un gasTi T j 1048573 2
perfecto)
Ti T j temperatura del fluido en ordmK
Estas foacutermulas corresponden a movimientos de
voluacutemenes de fluidos ascendentes o
descendentes En el caso de movimiento de
fluido junto a una pared se trata de un
problema doble teacutermico-hidraacuteulico que puede
resolverse en algunos casos de forma analiacutetica
(desplazamiento laminar a lo largo de una
pared)
En este caso la velocidad del fluido a lo largo de
la pared presenta una expresioacuten similar es
decir es proporcional a una diferencia de
temperaturas (fluido-pared)
Ver en la terminologiacutea como repaso la
definicioacuten grado Celsius Kelvin y Fahrenheit
10485731114109917501 Fenoacutemenos del movimiento de conveccioacuten
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32 intercambios al nivel de un Tablero
En el esquema de la figura 7 se presentan loselementos que constituyen el sistema
estudiado aire ambiente envolvente aireinterno y las diferentes fuentes de calor Estadescripcioacuten del estado teacutermico del tablero nos
muestra que todos los fenoacutemenos deintercambios descritos hasta aquiacute debentenerse en cuenta y estaacuten fuertementeinterrelacionados
Por ejemplo
la temperatura del aire interno resulta
1048573de los intercambios por conveccioacuten entre elaire interno y las superficies de los diferentesdispositivos de los conductores y de las paredes
1048573del calor transportado por los movimientosconvectivos del aire
Al nivel de la dispositivos el calor generadopor efecto Joule es intercambiado
1048573por conveccioacuten entre su superficie deintercambio y el aire interno
1048573por conduccioacuten entre las barras y los cables
1048573por radiacioacuten con las paredes de laenvolvente y las superficies de los otrosdispositivos
Los fenoacutemenos maacutes importantes que
intervienen en el comportamiento del conjuntoson los fenoacutemenos de conveccioacuten
Temp ambiental
Paredes del local
s
Envolvente
Conduccioacuten
Radiacioacuten
Conveccioacuten
Movimientos de conveccioacuten
s
Temp interior
Conductores
JdB horizvert Dispositivos
t( (
t
10485731114109917501 Comportamiento teacutermico de una emvolvente
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4 Presentacioacuten de la modelizacioacuten
41 Principio
Todos los meacutetodos de resolucioacuten se basan en eldesarrollo de un sistema de modelizar enbloques elementales que es un meacutetodo deMonte-Carlo de diferencias finitas o deelementos finitos
El meacutetodo empleado el anaacutelisis nodal estaacutededucido de una aproximacioacuten a las diferenciasfinitas Esta teacutecnica si bien claacutesica presenta elintereacutes de poder representar el comportamientoteacutermico de un sistema complejo teniendo encuenta las interacciones entre las diferentespartes o componentes que lo constituyen
Por ejemplo puede utilizarse en dominios muydiversos para describir el comportamiento de unsateacutelite artificial de un motor eleacutectrico lascondiciones climaacuteticas en el interior de uncentro de transformacioacuten o de un edificio devarias viviendas
En principio este meacutetodo consiste endescomponer el sistema estudiado endiferentes voluacutemenes isoteacutermicosdenominados nudos A cada nudo se asociandiferentes paraacutemetros entre otros unatemperatura y eventualmente un aporte decalor independiente de los intercambiosteacutermicos Seguidamente se efectuacutean unosacoplamientos entre nudos es decir losdiferentes intercambios entre los voluacutemenesque nos permiten escribir unas ecuaciones debalance (conservacioacuten de la energiacutea y demateria en el elemento de volumen unido a unnudo determinado) Este meacutetodo quecorresponde de hecho a una discretizacioacutenespacial del sistema nos conduce a definir unared teacutermica con sus nudos sus capacidades
Magnitudes teacutermicas Magnitudes eleacutectricas
Temperatura Potencial
Resisteacutencia teacutermica Resistencia eleacutectrica
sus fuentes de calor sus conductancias quetraducen los diferentes acoplamientos entrenudos (analogiacutea entre los fenoacutemenos eleacutectricosy teacutermicos) (figura 8)
Se llega asiacute a un sistema de ecuacionesemparejadas eventualmente no lineales quenos permitiraacuten definir una matriz la matriz deadmitancia teacutermica Soacutelo falta entoncesprecisar los valores numeacutericos de los elementosde esta matriz que corresponden a lasconductancias teacutermicas
Expresioacuten de las conductancias por tipo deintercambio
Conduccioacuten Gij = λ i Sij Dij
Radiacioacuten Gij = α σ ε S Fij (Ti + T j)(Ti2 + T j
2)
Conveccioacuten Gij = hi Sij
Movimiento convectivo Gij = M cp
Expresioacuten del flujo teacutermico equivalente de laintensidad eleacutectrica
1I1114109 1048573U
R
1 2 3 4
Nudo 1 aire interiorNudos 2 y 3 paredes interiores y exterioresNudo 4 aire ambiente exterior
representa los intercambiospor conduccioacuten
representa los intercambios
por conveccioacuten
representa los intercambiosFlujo de calor Corrientepor desplazamiento del aire
U representa el aporte de calorΦ = G (T2 - T1) I1114109
1 1048573R en el nudo 1
repesenta la capacidad caloriacuteficaCapacidad teacutermica Capacidad eleacutectricaasociada a cada nudo
10485731114109917501 Correspondencia entre magnitudes teacutermicas y 10485731114109917501 Representacioacuten nodal simplificada -modelizacioacuten
eleacutectricas de una pieza
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Φij = Gij (Ti + T j)
siendo
Φij = flujo energeacutetico intercambiado entre los
nudos i y j
Gij = conductancia entre i y j funcioacuten del tipo de
intercambio considerado
Ti T j = temperaturas asociadas a los nudos i y j respectivamente
Tomamos como ejemplo la modelizacioacuten de
una pieza en la que hay una fuente de calor
Se ha descompuesto este sistema en 4 nudos
1 para el aire interno 2 para las paredes (interna y externa) 1 para el aire ambiente exterior
Representacioacuten nodal (simplificada) en lafigura 9
Ecuaciones que traducen los flujos teacutermicospara este sistema simple
nudo 1
Q1 - h12 S12 (T1 - T2) + M41cp (T4 - T1)
- M14cp (T1 - T4) = 1 V1 cp1 T1
nudo 2
2 S23- (T2 - T3) =
d23
h12 S12 (T1 - T2)
= 2 V2 cp2 T2
42 Modelizacioacuten de la conveccioacuten
Como se ha indicado anteriormente en elcapiacutetulo 2 en el teacutermino de conveccioacuten seemparejan a menudo dos fenoacutemenos(intercambios cuerpo-fluido e intercambios en elmismo fluido)
nudo 3
2 S23- (T2 - T3) - h34 S34 (T3 - T4) =
d23
= 2 V2 cp2 T2
nudo 4
h34 S34 (T3 - T4) + M14cp (T1 - T4)
- M41cp (T4 - T1) = 4 V4 cp4 T4
Importante los teacuterminos T i que corresponden adTidtla expresioacuten Estos teacuterminos no se toman
en consideracioacuten ya que soacutelo interesa elreacutegimen permanente es decir con lastemperaturas estabilizadas
A partir de estas ecuaciones se deduce elsistema de ecuaciones [G] [T] = [R]correspondiente seguro a
Φij = Gij (Ti - T j)
donde
G la matriz de admitancia teacutermicaT el vector de temperaturas desconocidasR el vector de las solicitaciones impuestas(fuentes de calor Q1 temperatura )
Este tipo de proceso ha permitido elaborar loscoacutedigos de caacutelculo y las reglas propias a losproblemas teacutermicos de los edificios
La modelizacioacuten de los intercambios porconveccioacuten debe dividirse en dos partes unadescribiendo las peacuterdidas maacutesicas (movimientosde aire) y otra describiendo los intercambiosteacutermicos (coeficientes de intercambio) con unadependencia mutua entre ellos por transferenciamaacutesicateacutermica ((figura 10)
Movimientos del aire Esquema nodal correspondiente que muestralos dos aspectos de la conveccioacuten
10485731114109917501 Modelizacioacuten maacutesica y teacutermica de la conveccioacuten
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43 Aplicacioacuten a las envolventes en BT
Distinguimos para la modelizacioacuten dos grandesgrupos de envolventes
Envolventes no compartimentadasEn este caso el esquema nodalcomo se muestra en la figura 11 es semejanteal del esquema de la figura 10 integrando lasfuentes de calor
Envolventes fuertemente compartimentadoscon o sin ventilacioacuten natural
A nivel de modelizacioacuten son posibles dosplanteamientos
n bien modelizando cada zona del tablerocomo se ha visto anteriormente asociando enconjunto los diferentes voluacutemenes Este sistemaconduce a matices demasiado complicadoscuando como es normal aparecen una decena
de zonas a asociar
aireambiente
10485731114109917501 Envolvente no-cerrada
o bien tratando el sistema globalmente sinmodelizar los bucles de conveccioacuten en el
interior de los diferentes voluacutemenes y noteniendo en cuenta la circulacioacuten de aire entrezonas (figura 12)
Estas modelizaciones nos han conducido aelaborar programas informaacuteticos adaptados acada tipo de envolvente Todos estosprogramas estaacuten estructurados de la mismaforma
Antes de entrar maacutes en detalle en la utilizacioacutende un programa (capiacutetulo 6) conviene conocermejor las fuentes de calor (juegos de barrasaparatos ) para determinar el nivel defuncionamiento real de un cuadro
abertura
aireambiente
zona A zona B
zona A zona B
10485731114109917501 Caso de una envolvente cerrada
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5 Comportamiento de las fuentes de calor Caracteriacutesticas
Las fuentes de calor consideradas en lamodelizacioacuten son los juegos de barras losconductores de interconexioacuten y los aparatoseleacutectricos
Referente a estos uacuteltimos los consideramoscomo laquolas cajas negrasraquo disipando caloriacuteas y
51 Los juegos de barras
Los juegos de barras se calculan de forma queverifiquen dos condiciones poder soportar el paso de la corrientenominal necesaria sin provocar uncalentamiento de las barras que pueda provocarun deterioro de los aislantes que soportan lasbarras Por ejemplo las barras pueden estardimensionadas de forma que no superen enreacutegimen permanente una temperatura de110983226C valor este que es enteramentedependiente de la naturaleza de los materialesaislantes en contacto con las barras porejemplo los soportes La tabla de la figura 13da para una temperatura ambiente de 50983226C y65983226C unos valores de temperatura para los
juegos de barras poder soportar una corriente de cortocircuitosin provocar deformaciones notables en lasbarras rotura de los soportes aislantes ocalentamiento excesivo
no como nudos de la modelizacioacuten Es decirque no se calcula su temperatura defuncionamiento sino la intensidad maacutexima quepueden soportar para una configuracioacuten deinstalacioacuten determinada con el fin de no exceder
su temperatura liacutemite de utilizacioacuten
La segunda condicioacuten corresponde a unproblema de esfuerzos electrodinaacutemicos ypuede estudiarse separadamente aunque laprimera necesita conocer el nivel defuncionamiento del conjunto
En particular hay que tener en cuenta latemperatura del aire que envuelve las barraspara dimensionarlas de forma precisa y evitarque sobrepasen una temperatura criacutetica que esfuncioacuten principalmente de la naturaleza delmaterial utilizado para los soportes
Asiacute conociendo la temperatura del aire en lasdiferentes zonas del tablero podemosdeterminar la temperatura delas barras en funcioacuten de sus caracteriacutesticas(dimensiones forma disposicioacuten) y validar eldimensionamiento
Importante En referencia a los caacutelculos de flujoteacutermico se considera que las barras disipan elcalor principalmente por conveccioacuten y radiacioacutenal aire interno
Temperatura Seccioacuten Intensidad Potencia Temperaturaaprox de las barras disipada (A) de las barras (W) (oC)
50 1 barra 100 x 5 1000 45 79
50 1 barra 100 x 5 1500 107 109
50 3 barras 100 x 5 1500 10 65
50 3 barras 100 x 5 3400 61 110
65 1 barra 100 x 5 1000 45 92
65 3 barras 100 x 5 1500 11 80
10485731114109917501 Valores teacutermicos relativos a un juego de barras de una longitud de 1 m situados en un ambiente dado
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52 Los Dispositivos
En los tableros de distribucioacuten eleacutectrica los
interruptores automaacuteticos constituyen el nuacutecleoprincipal de los dispositivos de potencia Ellos ylos demaacutes componentes como por ejemplo loscontactores disipan
Examinemos con maacutes detalle los interruptores
automaacuteticos frente a los problemas teacutermicos La potencia disipada es proporcional alcuadrado de la intensidad que los recorre
2sus caloriacuteas cuando son recorridos por la IPW PNcorriente eleacutectrica In
La tabla de la figura 14 nos facilita a tiacutetuloindicativo algunos valores de potencia disipadapor fase (por polo)
Interruptores automaacuteticosPotencia medida con watiacutemetro y no calculada a partirde la medida de la resistencia
In (A) 250 400 630 800
Pw - versioacuten fija 141 19 40 416
con In en 197 30 52 58versioacuten desenchufable
Contactores
I
n (A) 265 400 630 780Pw con In 22 45 48 60
10485731114109917501 Potencia disipada por polo a In en la
aparamenta claacutesica
Electroacutenico
Desplazamientovoluntario
compensado
Bimetal simple
donde PN representa la potencia disipada a laintensidad nominal de empleo In
La intensidad nominal de empleo (In) de uninterruptor automaacutetico corresponde a unatemperatura ambiente determinada por ejemplo40oC fijada por la norma de construccioacuten Dehecho para ciertos interruptores automaacuteticos latemperatura ambiente correspondiente a Inpuede alcanzar e incluso sobrepasar los 50ordmC dato
que debe dar una seguridad por ejemplo enlos paiacuteses caacutelidos
la intensidad de funcionamiento (Ith o Ithe)puede variar en funcioacuten de la temperaturaambiente y seguacuten el tipo de releacute teacutermico simpleteacutermico compensado electroacutenico (figura 15) loque puede permitir definir una corriente maacuteximade empleo diferente de In
Los paraacutemetros que intervienen en ladeterminacioacuten de desplazamiento portemperatura tienen en cuenta ademaacutes de latemperatura del aire alrededor del dispositivo (T i)
la temperatura liacutemite (TL) de los
componentes internos del interruptorautomaacutetico
1048573 temperatura maacutexima de funcionamiento delbimetal para un interruptor automaacutetico con releacutetermomagneacutetico
1048573 temperatura de los componenteselectroacutenicos para interruptores automaacuteticos conreleacute electroacutenico incorporado
1048573 la temperatura no debe transmitirse a losmateriales plaacutesticos los maacutes sensibles en uninterruptor automaacutetico con electroacutenicaintercambiable (releacute exteriorinterruptor abierto)Estas temperaturas liacutemite estaacuten comprendiasentre 100 y 150oC
la razoacuten entre la Ir del releacute y la corriente realde disparo cuando eacuteste estaacute a la temperatura
Bimetal
T TN
TN temperatura nominal de funcionamiento
T L temperatura liacutemite de funcionamiento
de definicioacuten de In K1Ir (figura 16)In
T ambiente
L
las secciones de los cables o las barras deconexioacuten que juegan un papel de radiador Suinfluencia se toma en cuenta para un coeficiente10485731114109917501 Curvas de desplazamiento tipo de los releacutes enK2funcioacuten de la temperatura
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Importante Debe tenerse en cuenta que laseccioacuten de los conductores utilizados esraramente igual a la que se emplea para losensayos de certificacioacuten de los interruptoresautomaacuteticos
El desplazamiento que tiene en cuenta estosdiversos criterios puede expresarsematemaacuteticamente
Foacutermula de desplazamiento
El interruptor automaacutetico y sus conductores deconexioacuten disipan esencialmente por conveccioacuten
Aparece por ello la relacioacuten
W1 = h S (TL - Ti)
siendo
W1 potencia disipada en W para un aparatoconectado dentro de una envolvente con unvolumen de aire a la temperatura T i
h = coeficiente de intercambio en Wm2 983226C
S superficie de intercambio en m2TL temperatura del punto caliente en 983226C (porejemplo el bimetal)
Ti temperatura del aire interno alrededor delaparato en 983226C
h = Cste S (TL - Ti)α
de donde W1 = Cste S (TL - Ti)1+α
Cuando el aparato se halla al aire libre a 40983226Cse tiene una relacioacuten similar
W2 = Cste S (TL - 40)1+α
de donde
1
1 L i W T
T
W T
402
L
Ademaacutes se sabe que1 = RIthe
2 y que W2 = RIr 2
W TL -T
y por tanto Ithe 1114109Ir
i
TL - 40
siendo Ithe la intensidad que recorre el aparato
Id = K1 x In y β = (1 + α)2
β coeficiente que caracteriza el tipo de dispositivoSe determina experimentalmente o por unanaacutelisis maacutes fino del comportamiento teacutermicodel elemento Su valor estaacute comprendido entre02 y 07
Relacioacuten final integrando ademaacutes el efecto
de las secciones (coeficiente K2)
TL
T iI 1114109
I K K
the n 1 2 TL
40
Los datos que corresponden alcomportamiento del interruptor automaacutetico y queintervienen en esta foacutermula estaacuten en losficheros que utiliza el programa informaacutetico alcalcular las temperaturas en el interior deltablero
tteacutermico
magneacutetico
curvaliacutemitedel cable
CR
LR
t
curvaliacutemitedel cable
retardocorto
retardolargo
Ir Irm Icu I Ir Irm Iins Icu I
ILR ICRIr = ajuste del releacute teacutermicoIrm = ajuste del releacute magneacutetico
zona
zona de
zona desobre-Icu = poder de corte uacuteltimo normal cortocircuitoscarga
10485731114109917501 Curvas de disparo de un interruptor automaacutetico
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6 Meacutetodo de caacutelculo de la temperatura en las envolventes
La modelizacioacuten presentada hasta ahora debeservir de base al desarrollo de nuestro meacutetodode caacutelculo que debe permitirnos determinar elfuncionamiento real del tablero (intensidadmaacutexima en cada derivacioacuten) y con ello utilizarel conjunto al maacuteximo con una seguridadgarantizada
61 Principio
El programa se desarrolla con dos bucles deiteraciones imbricadas con el fin de determinarel nivel permanente El primero concierne a laresolucioacuten del problema teacutermico el otro a loscoeficientes de desplazamiento
El esquema de caacutelculo se presenta en la figura17
1983210 etapa descripcioacuten de la configuracioacuten esdecir tipo de envolvente utilizado nuacutemero dedispositivos y su posicioacuten relativa A este nivel elprograma utiliza el fichero de aparatos pararecuperar los datos descritos con anterioridad
2983210 etapa descomposicioacuten de la envolvente ensus voluacutemenes isotermos (nudos de lamodelizacioacuten nodal)
3983210 etapa inicio de los nuacutecleos de iteracioacuten concaacutelculo
de la potencia disipada (en la primeraiteracioacuten los coeficientes de desplazamiento setoman igual a 1)
de los coeficientes de la matriz de admitanciaa partir de las ecuaciones de balance
de las temperaturas internas (resolucioacuten delproblema teacutermico)
Como acostumbra a suceder en teacutermica lasnumerosas relaciones entre paraacutemetrosprecisan de una definicioacuten iterativa con laelaboracioacuten de un programa del que vamos apresentar el principio
de los nuevos coeficientes dedesplazamiento comparaacutendolos con losanteriores Si el salto se juzga poco importante(prueba de paro de la iteracioacuten) se procede a unnuevo bucle calculando las nuevasintensidades que atraviesan cada aparato denuevo la potencia disipada
4983210 etapa salida de los resultados
Descripcioacuten de la configuracioacutenestudiada
Intensidad
Potencia disipadadentro de la envolvente
Coeficientes dedesplazamiento
Temperaturasiinteriores
10485731114109917501 Principio de funcionamiento de los programas
62 Descripcioacuten de los datos a suministrar y de los resultados obtenidos
Datos
tipo de envolvente ymaterial
iacutendice de proteccioacuten
temperatura ambiente alrededor de laenvolvente
nuacutemero de filas de dispositivos
denominacioacuten de los aparatos que permitensu localizacioacuten en el fichero
configuracioacuten del tablero y posicioacuten de los
dispositivos
Resultados
eleccioacuten de un juego de barras horizontal yvertical (seccioacuten) e intensidad en estas barras
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potencia teacutermica total disipada en el tablero
coeficiente de desplazamiento para cadadispositivo debido a las intensidades circulantes
eventualmente la temperatura alcanzada por
las barras y su nivel en las diferentes zonas deltablero
63 Configuraciones modelizadas
Es bien sabido que en un programa como elque se indica no pueden considerarse todas lasconfiguraciones de instalacioacuten imaginablesSolamente se consideran las maacutes comunes esdecir las que permiten responder al 90 de loscasos deseados Un ejemplo en la figura 18
Configuracioacuten 1 Configuracioacuten 2 Configuracioacuten 3sin aparato de entrada aparato de entrada
en posicioacuten altaaparato de entradaen posicioacuten baja
10485731114109917501 Configuraciones modelizadas
64 Resultados
Este progreso en el caacutelculo informaacutetico demodelos es especialmente interesante porquepermite efectuar los diversos estudios
Estudio detallado de una configuracioacutendeterminada para optimizar la posicioacuten de undispositivo o la eleccioacuten de un juego de barrasconocer la potencia disipada por el conjuntopara dimensionar una climatizacioacuten adaptada
El ejemplo siguiente se ha efectuado con unacolumna de un cuadro industrial de potenciacompartimentado forma 2 conteniendo
un juego de barras horizontal alimentando un
aparato de entrada y la columna adyacente un aparato de entrada de 2500 A diferentes interruptores automaacuteticos de caja
moldeada
El programa nos facilita entre otros los coeficientes de desplazamiento Kdesp las intensidades que circulan por cadaaparato Ir
Advertencia sobre el coeficiente Kdiv
Este coeficiente nos permite tener en cuenta elcoeficiente de diversidad o de esponjamientoderivacioacuten por derivacioacuten
Es decir los niveles de funcionamiento en uninstante dado de los diferentes aparatos
Por ejemplo en un instante dado 2derivaciones son solicitadas al maacuteximo y lasotras hasta el 05 de sus posibilidadesafectando al sistema teacutermico del conjunto
Los resultados se presentan en la hoja decaacutelculo de la figura 19
Tabla de desplazamiento para unaconfiguracioacuten dada
Esta posibilidad de utilizacioacuten del programasemejante a la utilizacioacuten anterior permite reunirpara una configuracioacuten frecuente losdesplazamientos de los diferentes dispositivosteniendo en cuenta su posicioacuten real en el
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tablero las secciones de los conductoresutilizados los iacutendices de proteccioacuten y de latemperatura ambiente exterior
En la figura 20 se puede ver un ejemplo de uncuadro industrial de potencia con los datosdetallados de los dispositivos instalados en columna
Tabla de desplazamiento para un tipo dedispositivo
Para la mayor parte de interruptoresautomaacuteticos de caja moldeada eldesplazamiento es relativamente independientede la configuracioacuten
Masterbloc MB200 IP = 31
Tabla con aparato de llegada en posicioacuten alta alimentada con JdB horizontal
Referencia Posicioacuten Kdespl Kdiv Ia(A) Or(A)
M25H 1 12 88 1 2200 2200
NS630ST 17 21 93 1 586 518
NS630ST 22 26 96 1 605 534
NS400ST 27 31 1 1 400 353
NS400ST 32 36 1 1 400 353
NS250D250 37 40 1 1 250 221
NS250D250 41 44 1 1 250 221
Juego de barras horizontal
intensidad 2200 A
M 25
NS 630
NS 630
NS 400
NS 400
NS 250
NS 250
seccioacuten 1 4 barras de 100 5
Juego de barras vertical
intensidad 2200 A Temperatura JdB horizontal 95oC
seccioacuten 1 4 barras de 80 5Temperatura JdB vericalTemperatura ambiente
104oC35oC
Temperatura del techo 70oCPotencia total disipada 1953 W Temperatura JdB horizontal 75oCdetalle en dispositivos 593 W Temperatura aparellaje alto 68oC bajo 35oC
en auxiliares 0 W Temperatura auxiliar alto 52oC bajo 35oC juegos de barras + derivaciones 1271 W Temperatura JdB + derivaciones alto 77oC bajo 35oC juego de barras horizontal 89 W Temperatura conexiones alto 58oC bajo 35oC
10485731114109917501 Resultados del caacutelculo para una configuracioacuten determinada
IP31
Tdeg amb 35 40 45 50 55
M25 09 087 084 081 079M16 097 094 091 088 086M08 1 1 1 1 1
IP 4254
Tdeg amb 35 40 45 50 55
M25 079 077 075 073 071M16 087 085 083 081 079M08 1 1 1 1 1
3b 1005
3b 1005
2b 805
2b 805
1b 635
1b 635
3b 1005
4 b
8 0 5
1 b 8
0 5
M 252500 A
M 161600 A
M 08800 A
hueco
x
x
x
10485731114109917501 Desplazamiento de los interruptores automaacuteticos descritos en funcioacuten de la temperatura ambiente
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Los coeficientes de desplazamiento seestablecen por exceso situando los dispositivos enlo alto del tablero o del compartimento
Ver a tiacutetulo de ejemplo la figura 21
Curvas caracteriacutesticas del comportamientoteacutermico de un tipo de envolvente
Se establecen dos tipos graacuteficos
un conjunto de curvas que permitendeterminar la temperatura media en el interiorde una envolvente determinada en funcioacuten de lapotencia disipada y de la temperatura ambienteexterior
En la figura 22 se indican estas curvas para untablero de distribucioacuten no compartimentado
unas curvas que permiten determinar lapotencia que estas envolventes pueden disiparpara un calentamiento definido en funcioacuten desus caracteriacutesticas dimensionales
Ejemplo temperatura ambiente exterior 35 oCcalentamiento maacuteximo admisible ∆Ta = 30 oC
1048573 tablero altura 2 m anchura 09 mprofundidad 04 m
potencia disipable 850 W
1048573 tablero altura 2 m anchura 09 mprofundidad 06 m
potencia disipable 1000 W seguacuten curvas de lafigura 23
IP 31 IP 4254
Tdeg amb 35 40 45 50 55 35 40 45 50 55
NS100 100 100 100 100 95 100 95 90 85 80
NS160 160 155 150 145 140 150 140 135 125 120
NS250 235 225 220 210 200 205 195 180 170 165
NS400 380 370 360 350 340 350 340 330 320 310
NS630 540 520 510 500 485 485 475 465 450 440
10485731114109917501 Ejemplo de intensidades de corriente (en A) de disparo de interruptores automaacuteticos Compact NS
instalados dentro de una envolvente de BT determinada
Temperaturamedia en oC
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Tamb 60oC
Tamb 55oC
Tamb 50o
CTamb 45oCTamb 40oCTamb 35oC
Tamb 25oC
Dimensiones de
la envolventealto 2 mancho 09 mprofundo 04 m
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Potencia disipada en vatios
10485731114109917501 Temperatura media del aire en el interior de un armario de distribucioacuten metaacutelico IP2 y de forma 1
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Envolvente de 400 mmde profundidad
Potencia disipadaen vatios
1600
1400 T = 40oC
1200
1000 T = 30oC
800
T = 20oC600
400T = 10oC
200
800 900 1000 1100
Anchura en mm
Envolvente de 600 mmde profundidad
Potencia disipadaen vatios
1600 T = 40o
C
1400T = 30oC
1200
1000
T = 20oC1000
600
400 T = 10oC
200
800 900 1000 1100
Anchura en mm
10485731114109917501 Potencia disipable por calentamiento en una envolvente dada en funcioacuten de su anchura Curvas que se
refieren a un gabinete metaacutelico de formas 1 de 2 metros de altura
65 Resultados experimentales
Se han efectuado ensayos de calentamiento enel laboratorio Ampegravere de ASEFA con diversostipos de envolventes cofrets de plancha oplaacutestico armarios Prisma tableros de
distribucioacuten MasterblocDurante estos ensayos se han medido
temperaturas
1048573del aire en diferentes zonas de la envolvente
1048573de los conductores juego de barras yderivaciones
1048573de los puntos calientes de los dispositivos(bimetal ambiente electroacutenico)
intensidades
paraacutemetros que intervienen en lamodelizacioacuten en particular los coeficientes deintercambio aireparedes
Estas mediciones han permitido por una parte
verificar la conformidad a la norma IIEC 604311 deciertos valores (liacutemites de calentamientomencionados en el capiacutetulo 12 sobre lasnormas) y por otra parte para validar el modelo
En lo referente a las temperaturas del aire ladiferencia entre los valores medidos ycalculados depende del tipo de envolventemodelizada ya que al nivel de la modelizacioacuten
los supuestos difieren seguacuten que se considerelas envolventes compartimentadas o no
Sobre el conjunto de ensayos efectuados encuadros de diferentes formas(compartimentados o no) las diferenciasmaacuteximas constatadas han sido siempreinferiores a 6983226C
Las temperaturas calculadas para los juegos debarras muestran tambieacuten una concordancia conlas mediciones y han permitido validar elprograma informaacutetico
En referencia a las intensidades lasdesviaciones en valor medio son inferiores al5 En una homologacioacuten reciente de unaconfiguracioacuten de cuadro Masterbloc encalentamiento el programa ha permitido preverel nivel de funcionamiento del cuadro
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7 Meacutetodo propuesto por el documento IEC 60890
No hace mucho tiempo atras los gabinetes eleacutectricos
se escogiacutean equipaban y llenaban en funcioacutende la experiencia tambieacuten en lo que se refierea la tasa de llenado y a la variacioacuten de latemperatura en el tablero durante elfuncionamiento
Por ejemplo Temperatura exterior maacutexima
30983226C y 60983226C en el interior (los fabricantes de
aparamenta dan de margen hasta los 60983226C)
Esta praacutectica conduciacutea o a una pobre utilizacioacuten
del material o a actuaciones intempestivas de
las protecciones tenieacutendose la necesidad de
trabajar con las puertas abiertas
El meacutetodo propuesto por la recomendacioacuten
IEC aunque no se trate de una norma sino de
una guiacutea es de un intereacutes evidente Se
presenta detalladamente en el anexo de la
norma NFC 63410 o en la recomendacioacuten de la
IEC Ndeg 60890
Debemos de recordar los fundamentosmostrando los liacutemites y comparando con elmeacutetodo presentado en este Cuaderno Teacutecnico
En principio este meacutetodo se aplica aenvolventes a las que se puedan aplicar lassiguientes hipoacutetesis
reparto uniforme de la potencia disipada
el equipamiento se dispone de manera que no sedificulte la circulacioacuten de aire
no maacutes de 3 separaciones horizontales
Datos necesarios
dimensiones de la envolvente
potencia disipada en el interior (equipamiento
conductores)
tipo de instalacioacuten (envolvente aislada osituado en un extremo) (figura 24)
Caacutelculo
la temperatura se calcula uacutenicamente en 2
puntos de la envolvente
a media altura
T05 = Ta + ∆T050804siendo ∆T05 = dk Pw
d es un coeficiente que tiene en cuenta laexistencia de separaciones horizontales
1048573Si Ae lt 125 m2 d =1 (definicioacuten de Ae queveremos inmediatamente)
Si Ae gt 125 m2
Factor de repartode temperatura c165
116 2
3155 4
515
145
14
135
13
125
12
115
11
105
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Factor fCurvaTipo de instalacioacuten
1 Tapas separadas quitadas por todos los lados 3 Tapas separadas en montaje mural 2 Primera o uacuteltima tapa quitada
3 Tapa central quitada
5 Tapa central en montaje mural 4 Tapa central en montaje mural y con la parte
superior abierta
10485731114109917501 Factor de distribucioacuten de temperatura c para
envolventes sin orificios de ventilacioacuten y con una
superficie efectiva de enfriamiento A gt 125 m2 e
Valor de la superficie efectiva Constantede refrigeracioacuten Ae en m 2 de envolvente k
0 4
038
1 036
03415 032
2 03
028
3
25
026
4 024
5 022
6 0278 018
10 016
12 01414
01201
008
100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650
Seccion de los orificios de entrada de aire en cm2
10485731114109917501 Constante de la envolvente k para una
envolvente con orificio de ventilacioacuten y una superficie
efectiva de enfriamiento A gt 125 m2 e
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d = 1 con o sin orificios de ventilacioacuten sin
ninguna separacioacuten
d = 105 con o sin orificios de ventilacioacuten para
1 de separacioacuten
d = 115 oacute 110 con orificios de ventilacioacuten para 2 separaciones
d = 130 oacute 115 con orificios de ventilacioacuten para
3 separaciones
k es una constante que caracteriza laenvolvente su valor se determina con aacutebacos(figura 25) y es funcioacuten de la superficie deintercambio de la envolvente Ae (m2)
Ae = Σ Aob oacute Ao es la superficie geomeacutetrica delas diferentes paredes de la envolvente
b es una constante que tiene en cuenta el tipode instalacioacuten
Valores de b
1048573parte superior abierta b = 14
1048573
parte superior cubierta b = 071048573paredes laterales abiertas b = 09
1048573paredes laterales tapadas b = 05
1048573paredes laterales deenvolventes centrales b = 05
1048573parte inferior b = 0
Pw potencia disipada en Watt en la partealta de la envolvente
T1 = Ta + ∆T1
siendo ∆T1 = c ∆T05 o ∆T05 representa elcalentamiento precedente
c es una constante de calentamientodeterminada a partir de aacutebacos
Por ejemplo en el aacutebaco de la figura 24 c es
funcioacuten de Ae y de uno de los factores f o g
f = h135
(L P) si Ae gt 125 m2
g = h135L si Ae lt 125 m2
Liacutemites
Los liacutemites esenciales de este meacutetodo son
que se aplica bien a las envolventes nocompartimentadas de tipo gabinete y no a los
tableros de potencia muy compartimentados
que no tiene en cuenta la posicioacuten de lasfuentes de calor que la mayor parte de vecesno estaacuten repartidas de forma uniforme
Comparacioacuten con nuestra aproximacioacuten
Se constata que las aproximaciones danresultados similares para los tableros no
compartimentados y con fuentes de calorrepartidas (figura 26)
En lo que se refiere a las envolventes muycerradas la localizacioacuten de las fuentes de calory los intercambios entre las diferentes zonasinfluyen mucho en el calentamiento
Temperatura en oC
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Temperatura calculada seguacuten la norma
Temperatura calculada con el programa de MG
Temperatura del aire ambiente 35 oC
Dimensiones de la envolvente
alto 2 m
ancho 09 m
profundo 04 m
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
Potenciadisipada en Watt
Fig 26 Temperatura del aire a media altura en un tablero metaacutelico de distribucioacuten IP2 y de la forma 1
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8 Conclusioacuten
La importancia de los tableros eleacutectricos en la
distribucioacuten no hay que demostrarla
En cuanto a la disponibilidad de la energiacutea
eleacutectrica y de la seguridad de funcionamiento resulta indiscutible que el control teacutermico de los
tableros eleacutectricos es un objetivo fundamental
Las normas que se refieren a las envolventes ya los productos determinan los liacutemites teacutermicosque no hay que sobrepasar
Les queda a los profesionales convertirse enlaquoarquitectos teacutermicosraquo del disentildeo de lasenvolventes y tableros eleacutectricos hoy es ya
cosa hecha incluso para los tableros de serie
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Causas Efectos
Proteccioacuten Soluciones
Solucionesaleatoriasposibles conun disentildeoconforme albuen saberhacer delprofesional
NormaIEC 60439
NormaIEC 60634
Conexiones
Destruccioacuten de los conductores
Disparo aleatorio
Verificacioacuten de lasdefectuosas de los dispositivos aguas arriba conexiones
Deteccioacuten decalentamientos
Seccioacuten
Destruccioacuten de los
Ninguna
Dimensionamientoinsuficiente de los conductores correcto de losconductores conductores
Problemas demontaje y demantenimiento
Defecto dedisentildeo de lainstalacioacuten
NormaIEC 60898
Temperatura externa Temperatura interna Alarma Mejorar la ventilacioacutendemasiado elevada del tablero demasiado elevada n Puesta en march del local o del cuadro
Disparo de los releacutes teacutermicos de alguna ventilacioacuten
Envejecimiento de la parte
electroacutenica
Temperatura de las paredesexternas del tablero
excesivamente alta
Coeficiente de Disparo de la proteccioacuten Desconexioacuten Dimensionardiversidad de cabecera del tablero adecuadamente el tablero
elevado
Temperatura internaDesbordamiento del tablero excesiva
de las posibilidades Temperatura de las paredesde la instalacioacuten externas del tablero excesivamente
alta
Cortocircuito Deterioro de los conductores Desconexioacuten de Dimensionar adecuada-o sobrecarga Deterioro de los soportes seguridad mente los conductores
aislantes de las barras
Buena capacidad electro-dinaacutemica de los soportesa temperatura elevada
Eleccioacuten o usoinadecuado dedispositivos
NormaIEC 60947
Error de escalonado
Funcionamiento anormal
Disparo o
Revisar la eleccioacuten de losde las protecciones (disparos) sentildealizacioacuten componentes y su distribucioacuten
o mala disposicioacuten Envejecimiento prematuro Ventilacioacutenfiacutesica
10485731114109917501 Problemas teacutermicos y relacioacuten causaefecto
22 Detalle sobre las normas
Son muchas las normas que abarcan el ampliocampo de la BT por ejemplo la Reglamentacioacuten AEA02 define las reglas a respetar para todas lasinstalaciones de baja tensioacutenen inmuebles
Para los aspectos de definicioacuten y de concepcioacutende los aparatos y conjuntos de BT podemosreferirnos respectivamente
n a las normas de dispositivos por ejemplo laIEC 60947
n a la norma IEC 60439 para los tableros (y
sus montaje) en BT
La norma internacional IEC 60439 se divide en
cinco partes
n IEC 604391 (nov 1992) que reuacutene las reglaspara los conjuntos de serie (CS) y los conjuntosderivados de serie (CDS)
n IEC 604392 (1997) que define las reglaspara las canalizaciones prefabricadas
n IEC 604393 (dic 1990) que comprende la
instalacioacuten de los dispositivos de BT en zonasaccesibles a personas no advertidas
n IEC 604394 (dic 1990) que define las reglas
para las instalaciones en canteras
n IEC 604395 (mar 1996) que se refiere almontaje de redes de distribucioacuten instaladas enel exterior (por ejemplo tableros para aceras o
andenes)
La parte que afecta particularmente a los
tableros de BT es la IEC 604391 editada en 1992
En el aacutembito europeo esta uacuteltima es la base dela mayor parte de normas nacionales (BritishStandard NFC VDE UNE ) En efecto sus
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contenidos transcriben fielmente el texto de lanorma IEC las diferencias corresponden maacutes a
costumbres propias de cada paiacutes que adiferencias causadas por puntos fundamentalesde la norma IEC
El aporte esencial de esta norma ha sido el
definir de forma precisa dos nociones
encaminadas ambas hacia un aumento de laseguridad Eacutestas son
la nocioacuten de conjuntos totalmente ensayadosCS (conjuntos de serie) o parcialmenteensayados CDS (conjuntos derivados de serie)
la nocioacuten de las formas (figura 2)
forma 1 forma 2b
forma 3b forma 4b
Fig 2 Diversas laquoformasraquo seguacuten la norma IEC 60439
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Sin entrar en el detalle podemos decir que losCS corresponden a productos perfectamentedefinidos y fijados tanto a nivel de componentes(planos precisos de cada uno de susconstituyentes) como de su fabricacioacuten (guiacutea de
montaje) y deben satisfacer los ensayos detipo (calentamiento cortocircuito continuidadde masa) definidos por la norma
Los CDS corresponden a conjuntos en los quela estructura de base es un CS con una o variasmodificaciones modificaciones que deben deestar validadas por el caacutelculo o por un ensayoespeciacutefico
La nocioacuten de forma corresponde a unadefinicioacuten precisa de los grados de separacioacutenque pueden encontrarse en un tablero y queaumentan la proteccioacuten de las personas por unano accesibilidad a las partes activas (juegos debarras) Se distinguen 4 tipos de formas quevan desde una ausencia total de separacioacuten(forma 1) hasta un cierre completo de losdiferentes elementos del tablero (forma 4)
Hay que advertir que este encierro incidemuchiacutesimo sobre la componente teacutermica deestos conjuntos
La norma IEC define igualmente el ensayo decalentamiento que debe satisfacer un conjunto
Esta norma precisa las condiciones y los liacutemitesde calentamiento (821 de la norma) que nodeben superar los diferentes componentes delconjunto
Condiciones de ensayo
1048573El conjunto debe estar dispuesto para el usonormal
1048573
La corriente correspondiente al valorasignado se reparte entre los diferenteselementos teniendo en cuenta un factor dediversidad (Kd) variable seguacuten el nuacutemero decircuitos principales
2 le n983226 de circuitos principales le 3 Kd = 09
4 le n983226 de circuitos principales le 5 Kd = 08
6 le n983226 de circuitos principales le 9 Kd = 07
nuacutemero de circuitos principales ge 10 Kd = 06
1048573
Se consigue realmente la estabilizacioacutenteacutermica cuando la variacioacuten de temperatura noexcede de 1oCh Los conductores conectadosa los aparatos deben tener su seccioacutenconforme a las directrices de la norma
1048573Las mediciones de temperatura se efectuacuteancon ayuda de termocuplas
1048573La temperatura ambiente de referencia es de35oC
Con relacioacuten a la temperatura ambiente nodeben excederse los calentamientos
70 K para los bornes de conexioacuten de losconductores exteriores 25 K para los oacuterganos de mando manual de
material aislante 30 K oacute 40 K para las superficies metaacutelicasexternas accesibles o no
valores especiacuteficos particulares para losconstituyentes incorporados y tambieacuten para losaislantes en contacto con los conductores
Hay que sentildealar todaviacutea un tema denormalizacioacuten la existencia de una guiacutea teacutecnicade predeterminacioacuten de los calentamientos (IEC60890) Ha estado validada por numerososensayos ya que no tiene la categoriacutea de norma
La guiacutea da resultados correctos para unasconfiguraciones simples (envolvente pococompartimentada fuentes de caloruniformemente repartidas) En el capiacutetulo 7
se hace una presentacioacuten de este meacutetodo asiacutecomo una comparacioacuten con nuestro meacutetodo deproyectista de laquotablerosraquo
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3 Comportamiento teacutermico de un tablero eleacutectrico en BT
Un tablero eleacutectrico es un sistema compuestode un fluido (el aire) y de cuerpos soacutelidos en losque el paso de corriente eleacutectrica vaacompantildeada de peacuterdidas de energiacutea queprovocan una elevacioacuten de temperatura
31 Repaso sobre los principales fenoacutemenos teacutermicos
Los intercambios teacutermicos permiten describir elcomportamiento de un sistema cualquiera en elque el sistema es un tablero eleacutectrico
Contemplan tres tipos de fenoacutemenos diferentes
Fenoacutemeno de conduccioacuten que corresponde auna transferencia de calor al interior de cuerpossoacutelidos (figura 3) Se distinguen
por una parte los fenoacutemenos de conduccioacutensimple para los que el cuerpo considerado noes la base de ninguacuten fenoacutemeno teacutermico porejemplo conduccioacuten al interior de un muro
por otra parte los fenoacutemenos de conduccioacutenviva donde el cuerpo estudiado es la base deuna creacioacuten de calor por ejemplo barra decobre recorrida por una corriente eleacutectrica
Los caacutelculos relativos a la transmisioacuten de calorpor conduccioacuten se basan en la ley de Fourierque para las geometriacuteas simples se reduce a larelacioacuten
917501ij 1114109 1048573S Ti
T j 1048573d
La evolucioacuten hacia el equilibrio teacutermico serealiza por transferencia del calor desde laspartes activas dispositivos conductores)donde se genera dicho calor hacia las partesen contacto con el exterior que lo transmiten asu alrededor al medio que los rodea
siendoΦij = flujo caloacuterico transmitido entre dos puntos i y j enW λ = conductividad teacutermica en Wm oC S = superficie de transmisioacuten en m2 Ti T j = temperaturas de los dos puntos en oC d = distancia entre los dos puntos en m λ es una caracteriacutestica del medio laquoconductorraquo Su valor es funcioacuten de la temperatura pero a
menudo se considera como una constante
Por ejemplo algunos valores de λ en Wm oC
Plata λ = 420
Cobre λ = 385
Aluminio λ = 203
Acero λ = 45
Materiales plaacutesticos λ = 02
Asfalto λ = 0935
Piedra λ = 0657
Lana de vidrio λ = 0055
Aire (30 oC) λ = 0026
10485731114109917501 Impedancia de las conexiones
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Fenoacutemeno de radiacioacuten corresponde a latransferencia de calor entre cuerpos soacutelidosseparados por un medio maacutes o menostransparente (figura 4)
Estos intercambios que se establecen entre lassuperficies de cuerpos cualesquiera dispuestosuno frente a otro se representan por relacionesbastante complejas en las que intervienen
la emisioacuten del soacutelido que si es consideradocomo un cuerpo negro no es funcioacuten de sutemperatura
los estados de superficie representado pormedio del coeficiente de emisividad e quecaracteriza el grado de las superficies de estoscuerpos con referencia al cuerpo negro
los fenoacutemenos de reflexioacuten y de absorcioacuten
la disposicioacuten de las superficies unasrespecto a las otras por la intermediacioacuten de losfactores de forma
Sin embargo en el caso particular de unasuperficie (por ejemplo j) que envuelvecompletamente a la otra (i) y tal que la razoacutenSiS j sea de valor bajo estas expresiones sesimplifican y se llega a
Φi = εi σ Si (Ti4 - T j
4)
siendo
Φi = flujo de calor transmitido a traveacutes de la
superficie Si en W εi = coeficiente de emisividad en la superficie S i
σ = constante de Stefan-Boltzmann
(567032 x 10-8 W m-2 K-4) Si = superficie en m2 Ti T j = temperatura de las superficies en
transmisioacuten en K
Fenoacutemenos de conveccioacuten bajo el teacutermino
general de conveccioacuten se funden de hecho dos
fenoacutemenos diferentes que a menudo se auacutenan
el fenoacutemeno de conveccioacuten propiamentedicho que corresponde a una transferencia decalor entre un cuerpo soacutelido y un fluido enmovimiento Seguacuten el origen del movimiento delfluido se distingue la conveccioacuten natural y laconveccioacuten forzada (figura 5)
Estas transferencias se caracterizan por loscoeficientes de intercambio hi
Φi = hi Si (Tf - Ti)
siendo
Φi = flujo de calor transferido a la superficie Si
en W hi = coeficiente de intercambio en Wm2 oC Tf Ti = temperaturas del fluido y de la superficie
de transferencia en oC
Desde un punto de vista fiacutesico el problema de
intercambio de calor por conveccioacuten estaacute
fuertemente relacionado a un problema de
mecaacutenica de fluidos
10485731114109917501 Fenoacutemenos de radiacioacuten
10485731114109917501 Fenoacutemenos de conveccioacuten
Desde un punto de vista praacutectico el problemapuede abordarse simplemente por utilizacioacuten decoeficientes de intercambio donde la expresioacutenhace intervenir
1048573 los paraacutemetros que describen la
transferencia de flujo del fluido (velocidad)1048573 las propiedades fiacutesicas del fluido(conductividad teacutermica viscosidad dinaacutemicacapacidad caloriacutefica masa volumeacutetrica)asociadas a menudo bajo forma de nombressin dimensioacuten o caracteriacutesticas (como NusseltPrandtl Reynolds Grasshof)
Por ejemplo expresioacuten del coeficiente deintercambio en conveccioacuten natural para unageometriacutea simple placa plana vertical de alturaL a una temperatura uniforme
Nu h =
Dh
siendo
Nu = nuacutemero de Nusselt 053(GrPr)025 dondeGr y Pr son respectivamente los nuacutemeros deGrasshof y de Prandtl funcioacuten de laspropiedades fiacutesicas del fluido y del salto detemperatura entre el fluido y la superficie detransmisioacuten
λ = conductividad teacutermica del fluido (Wm oC)Dh = dimensioacuten caracteriacutestica (m)
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Habitualmente esta magnitud corresponde a lamayor dimensioacuten del cuerpo soacutelido en contactocon el fluido en movimiento aquiacute L
Importante Es interesante notar que elcoeficiente de intercambio depende del salto detemperatura solamente a la potencia 025 Portanto h = K(∆t)025
el fenoacutemeno de movimientos convectivosque corresponde a la transferencia de calor enel seno de un fluido por medio de los bucles deconveccioacuten que explican por ejemplo elgradiente de temperatura observado entre laspartes baja y alta de un volumen de fluidocerrado sede de fenoacutemenos teacutermicos
Los movimientos de aire entre dos voluacutemenes iy j se caracterizan por las diferencias de masafuncioacuten de las secciones de paso y de lavelocidad de circulacioacuten (figura 6)
La transferencia de calor se representa por
Φij = M cp (Ti - T j)
siendo
Φij flujo de calor transferido entre i y j en W
M circulacioacuten maacutesica en kgs
cp capacidad caloriacutefica del fluido en Jkg oCTi T j temperatura del fluido en los voluacutemenes iy j en oC
Nota la transferencia de calor viene impuestapor el sentido de circulacioacuten
Expresioacuten de la velocidad del fluido en el casode la conveccioacuten natural el fluido se pone enmovimiento entre los puntos i y j por susvariaciones de masa volumeacutetrica con la
temperatura La velocidad se supone seraacute proporcional a las
citadas variaciones funcioacuten de la diferencia de
temperatura entre i y j
V 1114109Cste g Dij ij
siendo
∆ρ ρ variacioacuten relativa de masa volumeacutetricag aceleracioacuten de la gravedad en ms2Dij distancia entre los dos puntos i y j en m
Ademaacutes si se supone que el fluido consideradotiene un comportamiento de gas perfectoentonces
∆ρρ = β (Ti T j) de donde
Vij 1114109
Cste Ti
T j 1048573
g Dij
1siendo 1114109
(en caso de un gasTi T j 1048573 2
perfecto)
Ti T j temperatura del fluido en ordmK
Estas foacutermulas corresponden a movimientos de
voluacutemenes de fluidos ascendentes o
descendentes En el caso de movimiento de
fluido junto a una pared se trata de un
problema doble teacutermico-hidraacuteulico que puede
resolverse en algunos casos de forma analiacutetica
(desplazamiento laminar a lo largo de una
pared)
En este caso la velocidad del fluido a lo largo de
la pared presenta una expresioacuten similar es
decir es proporcional a una diferencia de
temperaturas (fluido-pared)
Ver en la terminologiacutea como repaso la
definicioacuten grado Celsius Kelvin y Fahrenheit
10485731114109917501 Fenoacutemenos del movimiento de conveccioacuten
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32 intercambios al nivel de un Tablero
En el esquema de la figura 7 se presentan loselementos que constituyen el sistema
estudiado aire ambiente envolvente aireinterno y las diferentes fuentes de calor Estadescripcioacuten del estado teacutermico del tablero nos
muestra que todos los fenoacutemenos deintercambios descritos hasta aquiacute debentenerse en cuenta y estaacuten fuertementeinterrelacionados
Por ejemplo
la temperatura del aire interno resulta
1048573de los intercambios por conveccioacuten entre elaire interno y las superficies de los diferentesdispositivos de los conductores y de las paredes
1048573del calor transportado por los movimientosconvectivos del aire
Al nivel de la dispositivos el calor generadopor efecto Joule es intercambiado
1048573por conveccioacuten entre su superficie deintercambio y el aire interno
1048573por conduccioacuten entre las barras y los cables
1048573por radiacioacuten con las paredes de laenvolvente y las superficies de los otrosdispositivos
Los fenoacutemenos maacutes importantes que
intervienen en el comportamiento del conjuntoson los fenoacutemenos de conveccioacuten
Temp ambiental
Paredes del local
s
Envolvente
Conduccioacuten
Radiacioacuten
Conveccioacuten
Movimientos de conveccioacuten
s
Temp interior
Conductores
JdB horizvert Dispositivos
t( (
t
10485731114109917501 Comportamiento teacutermico de una emvolvente
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4 Presentacioacuten de la modelizacioacuten
41 Principio
Todos los meacutetodos de resolucioacuten se basan en eldesarrollo de un sistema de modelizar enbloques elementales que es un meacutetodo deMonte-Carlo de diferencias finitas o deelementos finitos
El meacutetodo empleado el anaacutelisis nodal estaacutededucido de una aproximacioacuten a las diferenciasfinitas Esta teacutecnica si bien claacutesica presenta elintereacutes de poder representar el comportamientoteacutermico de un sistema complejo teniendo encuenta las interacciones entre las diferentespartes o componentes que lo constituyen
Por ejemplo puede utilizarse en dominios muydiversos para describir el comportamiento de unsateacutelite artificial de un motor eleacutectrico lascondiciones climaacuteticas en el interior de uncentro de transformacioacuten o de un edificio devarias viviendas
En principio este meacutetodo consiste endescomponer el sistema estudiado endiferentes voluacutemenes isoteacutermicosdenominados nudos A cada nudo se asociandiferentes paraacutemetros entre otros unatemperatura y eventualmente un aporte decalor independiente de los intercambiosteacutermicos Seguidamente se efectuacutean unosacoplamientos entre nudos es decir losdiferentes intercambios entre los voluacutemenesque nos permiten escribir unas ecuaciones debalance (conservacioacuten de la energiacutea y demateria en el elemento de volumen unido a unnudo determinado) Este meacutetodo quecorresponde de hecho a una discretizacioacutenespacial del sistema nos conduce a definir unared teacutermica con sus nudos sus capacidades
Magnitudes teacutermicas Magnitudes eleacutectricas
Temperatura Potencial
Resisteacutencia teacutermica Resistencia eleacutectrica
sus fuentes de calor sus conductancias quetraducen los diferentes acoplamientos entrenudos (analogiacutea entre los fenoacutemenos eleacutectricosy teacutermicos) (figura 8)
Se llega asiacute a un sistema de ecuacionesemparejadas eventualmente no lineales quenos permitiraacuten definir una matriz la matriz deadmitancia teacutermica Soacutelo falta entoncesprecisar los valores numeacutericos de los elementosde esta matriz que corresponden a lasconductancias teacutermicas
Expresioacuten de las conductancias por tipo deintercambio
Conduccioacuten Gij = λ i Sij Dij
Radiacioacuten Gij = α σ ε S Fij (Ti + T j)(Ti2 + T j
2)
Conveccioacuten Gij = hi Sij
Movimiento convectivo Gij = M cp
Expresioacuten del flujo teacutermico equivalente de laintensidad eleacutectrica
1I1114109 1048573U
R
1 2 3 4
Nudo 1 aire interiorNudos 2 y 3 paredes interiores y exterioresNudo 4 aire ambiente exterior
representa los intercambiospor conduccioacuten
representa los intercambios
por conveccioacuten
representa los intercambiosFlujo de calor Corrientepor desplazamiento del aire
U representa el aporte de calorΦ = G (T2 - T1) I1114109
1 1048573R en el nudo 1
repesenta la capacidad caloriacuteficaCapacidad teacutermica Capacidad eleacutectricaasociada a cada nudo
10485731114109917501 Correspondencia entre magnitudes teacutermicas y 10485731114109917501 Representacioacuten nodal simplificada -modelizacioacuten
eleacutectricas de una pieza
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Φij = Gij (Ti + T j)
siendo
Φij = flujo energeacutetico intercambiado entre los
nudos i y j
Gij = conductancia entre i y j funcioacuten del tipo de
intercambio considerado
Ti T j = temperaturas asociadas a los nudos i y j respectivamente
Tomamos como ejemplo la modelizacioacuten de
una pieza en la que hay una fuente de calor
Se ha descompuesto este sistema en 4 nudos
1 para el aire interno 2 para las paredes (interna y externa) 1 para el aire ambiente exterior
Representacioacuten nodal (simplificada) en lafigura 9
Ecuaciones que traducen los flujos teacutermicospara este sistema simple
nudo 1
Q1 - h12 S12 (T1 - T2) + M41cp (T4 - T1)
- M14cp (T1 - T4) = 1 V1 cp1 T1
nudo 2
2 S23- (T2 - T3) =
d23
h12 S12 (T1 - T2)
= 2 V2 cp2 T2
42 Modelizacioacuten de la conveccioacuten
Como se ha indicado anteriormente en elcapiacutetulo 2 en el teacutermino de conveccioacuten seemparejan a menudo dos fenoacutemenos(intercambios cuerpo-fluido e intercambios en elmismo fluido)
nudo 3
2 S23- (T2 - T3) - h34 S34 (T3 - T4) =
d23
= 2 V2 cp2 T2
nudo 4
h34 S34 (T3 - T4) + M14cp (T1 - T4)
- M41cp (T4 - T1) = 4 V4 cp4 T4
Importante los teacuterminos T i que corresponden adTidtla expresioacuten Estos teacuterminos no se toman
en consideracioacuten ya que soacutelo interesa elreacutegimen permanente es decir con lastemperaturas estabilizadas
A partir de estas ecuaciones se deduce elsistema de ecuaciones [G] [T] = [R]correspondiente seguro a
Φij = Gij (Ti - T j)
donde
G la matriz de admitancia teacutermicaT el vector de temperaturas desconocidasR el vector de las solicitaciones impuestas(fuentes de calor Q1 temperatura )
Este tipo de proceso ha permitido elaborar loscoacutedigos de caacutelculo y las reglas propias a losproblemas teacutermicos de los edificios
La modelizacioacuten de los intercambios porconveccioacuten debe dividirse en dos partes unadescribiendo las peacuterdidas maacutesicas (movimientosde aire) y otra describiendo los intercambiosteacutermicos (coeficientes de intercambio) con unadependencia mutua entre ellos por transferenciamaacutesicateacutermica ((figura 10)
Movimientos del aire Esquema nodal correspondiente que muestralos dos aspectos de la conveccioacuten
10485731114109917501 Modelizacioacuten maacutesica y teacutermica de la conveccioacuten
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43 Aplicacioacuten a las envolventes en BT
Distinguimos para la modelizacioacuten dos grandesgrupos de envolventes
Envolventes no compartimentadasEn este caso el esquema nodalcomo se muestra en la figura 11 es semejanteal del esquema de la figura 10 integrando lasfuentes de calor
Envolventes fuertemente compartimentadoscon o sin ventilacioacuten natural
A nivel de modelizacioacuten son posibles dosplanteamientos
n bien modelizando cada zona del tablerocomo se ha visto anteriormente asociando enconjunto los diferentes voluacutemenes Este sistemaconduce a matices demasiado complicadoscuando como es normal aparecen una decena
de zonas a asociar
aireambiente
10485731114109917501 Envolvente no-cerrada
o bien tratando el sistema globalmente sinmodelizar los bucles de conveccioacuten en el
interior de los diferentes voluacutemenes y noteniendo en cuenta la circulacioacuten de aire entrezonas (figura 12)
Estas modelizaciones nos han conducido aelaborar programas informaacuteticos adaptados acada tipo de envolvente Todos estosprogramas estaacuten estructurados de la mismaforma
Antes de entrar maacutes en detalle en la utilizacioacutende un programa (capiacutetulo 6) conviene conocermejor las fuentes de calor (juegos de barrasaparatos ) para determinar el nivel defuncionamiento real de un cuadro
abertura
aireambiente
zona A zona B
zona A zona B
10485731114109917501 Caso de una envolvente cerrada
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5 Comportamiento de las fuentes de calor Caracteriacutesticas
Las fuentes de calor consideradas en lamodelizacioacuten son los juegos de barras losconductores de interconexioacuten y los aparatoseleacutectricos
Referente a estos uacuteltimos los consideramoscomo laquolas cajas negrasraquo disipando caloriacuteas y
51 Los juegos de barras
Los juegos de barras se calculan de forma queverifiquen dos condiciones poder soportar el paso de la corrientenominal necesaria sin provocar uncalentamiento de las barras que pueda provocarun deterioro de los aislantes que soportan lasbarras Por ejemplo las barras pueden estardimensionadas de forma que no superen enreacutegimen permanente una temperatura de110983226C valor este que es enteramentedependiente de la naturaleza de los materialesaislantes en contacto con las barras porejemplo los soportes La tabla de la figura 13da para una temperatura ambiente de 50983226C y65983226C unos valores de temperatura para los
juegos de barras poder soportar una corriente de cortocircuitosin provocar deformaciones notables en lasbarras rotura de los soportes aislantes ocalentamiento excesivo
no como nudos de la modelizacioacuten Es decirque no se calcula su temperatura defuncionamiento sino la intensidad maacutexima quepueden soportar para una configuracioacuten deinstalacioacuten determinada con el fin de no exceder
su temperatura liacutemite de utilizacioacuten
La segunda condicioacuten corresponde a unproblema de esfuerzos electrodinaacutemicos ypuede estudiarse separadamente aunque laprimera necesita conocer el nivel defuncionamiento del conjunto
En particular hay que tener en cuenta latemperatura del aire que envuelve las barraspara dimensionarlas de forma precisa y evitarque sobrepasen una temperatura criacutetica que esfuncioacuten principalmente de la naturaleza delmaterial utilizado para los soportes
Asiacute conociendo la temperatura del aire en lasdiferentes zonas del tablero podemosdeterminar la temperatura delas barras en funcioacuten de sus caracteriacutesticas(dimensiones forma disposicioacuten) y validar eldimensionamiento
Importante En referencia a los caacutelculos de flujoteacutermico se considera que las barras disipan elcalor principalmente por conveccioacuten y radiacioacutenal aire interno
Temperatura Seccioacuten Intensidad Potencia Temperaturaaprox de las barras disipada (A) de las barras (W) (oC)
50 1 barra 100 x 5 1000 45 79
50 1 barra 100 x 5 1500 107 109
50 3 barras 100 x 5 1500 10 65
50 3 barras 100 x 5 3400 61 110
65 1 barra 100 x 5 1000 45 92
65 3 barras 100 x 5 1500 11 80
10485731114109917501 Valores teacutermicos relativos a un juego de barras de una longitud de 1 m situados en un ambiente dado
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52 Los Dispositivos
En los tableros de distribucioacuten eleacutectrica los
interruptores automaacuteticos constituyen el nuacutecleoprincipal de los dispositivos de potencia Ellos ylos demaacutes componentes como por ejemplo loscontactores disipan
Examinemos con maacutes detalle los interruptores
automaacuteticos frente a los problemas teacutermicos La potencia disipada es proporcional alcuadrado de la intensidad que los recorre
2sus caloriacuteas cuando son recorridos por la IPW PNcorriente eleacutectrica In
La tabla de la figura 14 nos facilita a tiacutetuloindicativo algunos valores de potencia disipadapor fase (por polo)
Interruptores automaacuteticosPotencia medida con watiacutemetro y no calculada a partirde la medida de la resistencia
In (A) 250 400 630 800
Pw - versioacuten fija 141 19 40 416
con In en 197 30 52 58versioacuten desenchufable
Contactores
I
n (A) 265 400 630 780Pw con In 22 45 48 60
10485731114109917501 Potencia disipada por polo a In en la
aparamenta claacutesica
Electroacutenico
Desplazamientovoluntario
compensado
Bimetal simple
donde PN representa la potencia disipada a laintensidad nominal de empleo In
La intensidad nominal de empleo (In) de uninterruptor automaacutetico corresponde a unatemperatura ambiente determinada por ejemplo40oC fijada por la norma de construccioacuten Dehecho para ciertos interruptores automaacuteticos latemperatura ambiente correspondiente a Inpuede alcanzar e incluso sobrepasar los 50ordmC dato
que debe dar una seguridad por ejemplo enlos paiacuteses caacutelidos
la intensidad de funcionamiento (Ith o Ithe)puede variar en funcioacuten de la temperaturaambiente y seguacuten el tipo de releacute teacutermico simpleteacutermico compensado electroacutenico (figura 15) loque puede permitir definir una corriente maacuteximade empleo diferente de In
Los paraacutemetros que intervienen en ladeterminacioacuten de desplazamiento portemperatura tienen en cuenta ademaacutes de latemperatura del aire alrededor del dispositivo (T i)
la temperatura liacutemite (TL) de los
componentes internos del interruptorautomaacutetico
1048573 temperatura maacutexima de funcionamiento delbimetal para un interruptor automaacutetico con releacutetermomagneacutetico
1048573 temperatura de los componenteselectroacutenicos para interruptores automaacuteticos conreleacute electroacutenico incorporado
1048573 la temperatura no debe transmitirse a losmateriales plaacutesticos los maacutes sensibles en uninterruptor automaacutetico con electroacutenicaintercambiable (releacute exteriorinterruptor abierto)Estas temperaturas liacutemite estaacuten comprendiasentre 100 y 150oC
la razoacuten entre la Ir del releacute y la corriente realde disparo cuando eacuteste estaacute a la temperatura
Bimetal
T TN
TN temperatura nominal de funcionamiento
T L temperatura liacutemite de funcionamiento
de definicioacuten de In K1Ir (figura 16)In
T ambiente
L
las secciones de los cables o las barras deconexioacuten que juegan un papel de radiador Suinfluencia se toma en cuenta para un coeficiente10485731114109917501 Curvas de desplazamiento tipo de los releacutes enK2funcioacuten de la temperatura
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Importante Debe tenerse en cuenta que laseccioacuten de los conductores utilizados esraramente igual a la que se emplea para losensayos de certificacioacuten de los interruptoresautomaacuteticos
El desplazamiento que tiene en cuenta estosdiversos criterios puede expresarsematemaacuteticamente
Foacutermula de desplazamiento
El interruptor automaacutetico y sus conductores deconexioacuten disipan esencialmente por conveccioacuten
Aparece por ello la relacioacuten
W1 = h S (TL - Ti)
siendo
W1 potencia disipada en W para un aparatoconectado dentro de una envolvente con unvolumen de aire a la temperatura T i
h = coeficiente de intercambio en Wm2 983226C
S superficie de intercambio en m2TL temperatura del punto caliente en 983226C (porejemplo el bimetal)
Ti temperatura del aire interno alrededor delaparato en 983226C
h = Cste S (TL - Ti)α
de donde W1 = Cste S (TL - Ti)1+α
Cuando el aparato se halla al aire libre a 40983226Cse tiene una relacioacuten similar
W2 = Cste S (TL - 40)1+α
de donde
1
1 L i W T
T
W T
402
L
Ademaacutes se sabe que1 = RIthe
2 y que W2 = RIr 2
W TL -T
y por tanto Ithe 1114109Ir
i
TL - 40
siendo Ithe la intensidad que recorre el aparato
Id = K1 x In y β = (1 + α)2
β coeficiente que caracteriza el tipo de dispositivoSe determina experimentalmente o por unanaacutelisis maacutes fino del comportamiento teacutermicodel elemento Su valor estaacute comprendido entre02 y 07
Relacioacuten final integrando ademaacutes el efecto
de las secciones (coeficiente K2)
TL
T iI 1114109
I K K
the n 1 2 TL
40
Los datos que corresponden alcomportamiento del interruptor automaacutetico y queintervienen en esta foacutermula estaacuten en losficheros que utiliza el programa informaacutetico alcalcular las temperaturas en el interior deltablero
tteacutermico
magneacutetico
curvaliacutemitedel cable
CR
LR
t
curvaliacutemitedel cable
retardocorto
retardolargo
Ir Irm Icu I Ir Irm Iins Icu I
ILR ICRIr = ajuste del releacute teacutermicoIrm = ajuste del releacute magneacutetico
zona
zona de
zona desobre-Icu = poder de corte uacuteltimo normal cortocircuitoscarga
10485731114109917501 Curvas de disparo de un interruptor automaacutetico
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6 Meacutetodo de caacutelculo de la temperatura en las envolventes
La modelizacioacuten presentada hasta ahora debeservir de base al desarrollo de nuestro meacutetodode caacutelculo que debe permitirnos determinar elfuncionamiento real del tablero (intensidadmaacutexima en cada derivacioacuten) y con ello utilizarel conjunto al maacuteximo con una seguridadgarantizada
61 Principio
El programa se desarrolla con dos bucles deiteraciones imbricadas con el fin de determinarel nivel permanente El primero concierne a laresolucioacuten del problema teacutermico el otro a loscoeficientes de desplazamiento
El esquema de caacutelculo se presenta en la figura17
1983210 etapa descripcioacuten de la configuracioacuten esdecir tipo de envolvente utilizado nuacutemero dedispositivos y su posicioacuten relativa A este nivel elprograma utiliza el fichero de aparatos pararecuperar los datos descritos con anterioridad
2983210 etapa descomposicioacuten de la envolvente ensus voluacutemenes isotermos (nudos de lamodelizacioacuten nodal)
3983210 etapa inicio de los nuacutecleos de iteracioacuten concaacutelculo
de la potencia disipada (en la primeraiteracioacuten los coeficientes de desplazamiento setoman igual a 1)
de los coeficientes de la matriz de admitanciaa partir de las ecuaciones de balance
de las temperaturas internas (resolucioacuten delproblema teacutermico)
Como acostumbra a suceder en teacutermica lasnumerosas relaciones entre paraacutemetrosprecisan de una definicioacuten iterativa con laelaboracioacuten de un programa del que vamos apresentar el principio
de los nuevos coeficientes dedesplazamiento comparaacutendolos con losanteriores Si el salto se juzga poco importante(prueba de paro de la iteracioacuten) se procede a unnuevo bucle calculando las nuevasintensidades que atraviesan cada aparato denuevo la potencia disipada
4983210 etapa salida de los resultados
Descripcioacuten de la configuracioacutenestudiada
Intensidad
Potencia disipadadentro de la envolvente
Coeficientes dedesplazamiento
Temperaturasiinteriores
10485731114109917501 Principio de funcionamiento de los programas
62 Descripcioacuten de los datos a suministrar y de los resultados obtenidos
Datos
tipo de envolvente ymaterial
iacutendice de proteccioacuten
temperatura ambiente alrededor de laenvolvente
nuacutemero de filas de dispositivos
denominacioacuten de los aparatos que permitensu localizacioacuten en el fichero
configuracioacuten del tablero y posicioacuten de los
dispositivos
Resultados
eleccioacuten de un juego de barras horizontal yvertical (seccioacuten) e intensidad en estas barras
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potencia teacutermica total disipada en el tablero
coeficiente de desplazamiento para cadadispositivo debido a las intensidades circulantes
eventualmente la temperatura alcanzada por
las barras y su nivel en las diferentes zonas deltablero
63 Configuraciones modelizadas
Es bien sabido que en un programa como elque se indica no pueden considerarse todas lasconfiguraciones de instalacioacuten imaginablesSolamente se consideran las maacutes comunes esdecir las que permiten responder al 90 de loscasos deseados Un ejemplo en la figura 18
Configuracioacuten 1 Configuracioacuten 2 Configuracioacuten 3sin aparato de entrada aparato de entrada
en posicioacuten altaaparato de entradaen posicioacuten baja
10485731114109917501 Configuraciones modelizadas
64 Resultados
Este progreso en el caacutelculo informaacutetico demodelos es especialmente interesante porquepermite efectuar los diversos estudios
Estudio detallado de una configuracioacutendeterminada para optimizar la posicioacuten de undispositivo o la eleccioacuten de un juego de barrasconocer la potencia disipada por el conjuntopara dimensionar una climatizacioacuten adaptada
El ejemplo siguiente se ha efectuado con unacolumna de un cuadro industrial de potenciacompartimentado forma 2 conteniendo
un juego de barras horizontal alimentando un
aparato de entrada y la columna adyacente un aparato de entrada de 2500 A diferentes interruptores automaacuteticos de caja
moldeada
El programa nos facilita entre otros los coeficientes de desplazamiento Kdesp las intensidades que circulan por cadaaparato Ir
Advertencia sobre el coeficiente Kdiv
Este coeficiente nos permite tener en cuenta elcoeficiente de diversidad o de esponjamientoderivacioacuten por derivacioacuten
Es decir los niveles de funcionamiento en uninstante dado de los diferentes aparatos
Por ejemplo en un instante dado 2derivaciones son solicitadas al maacuteximo y lasotras hasta el 05 de sus posibilidadesafectando al sistema teacutermico del conjunto
Los resultados se presentan en la hoja decaacutelculo de la figura 19
Tabla de desplazamiento para unaconfiguracioacuten dada
Esta posibilidad de utilizacioacuten del programasemejante a la utilizacioacuten anterior permite reunirpara una configuracioacuten frecuente losdesplazamientos de los diferentes dispositivosteniendo en cuenta su posicioacuten real en el
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tablero las secciones de los conductoresutilizados los iacutendices de proteccioacuten y de latemperatura ambiente exterior
En la figura 20 se puede ver un ejemplo de uncuadro industrial de potencia con los datosdetallados de los dispositivos instalados en columna
Tabla de desplazamiento para un tipo dedispositivo
Para la mayor parte de interruptoresautomaacuteticos de caja moldeada eldesplazamiento es relativamente independientede la configuracioacuten
Masterbloc MB200 IP = 31
Tabla con aparato de llegada en posicioacuten alta alimentada con JdB horizontal
Referencia Posicioacuten Kdespl Kdiv Ia(A) Or(A)
M25H 1 12 88 1 2200 2200
NS630ST 17 21 93 1 586 518
NS630ST 22 26 96 1 605 534
NS400ST 27 31 1 1 400 353
NS400ST 32 36 1 1 400 353
NS250D250 37 40 1 1 250 221
NS250D250 41 44 1 1 250 221
Juego de barras horizontal
intensidad 2200 A
M 25
NS 630
NS 630
NS 400
NS 400
NS 250
NS 250
seccioacuten 1 4 barras de 100 5
Juego de barras vertical
intensidad 2200 A Temperatura JdB horizontal 95oC
seccioacuten 1 4 barras de 80 5Temperatura JdB vericalTemperatura ambiente
104oC35oC
Temperatura del techo 70oCPotencia total disipada 1953 W Temperatura JdB horizontal 75oCdetalle en dispositivos 593 W Temperatura aparellaje alto 68oC bajo 35oC
en auxiliares 0 W Temperatura auxiliar alto 52oC bajo 35oC juegos de barras + derivaciones 1271 W Temperatura JdB + derivaciones alto 77oC bajo 35oC juego de barras horizontal 89 W Temperatura conexiones alto 58oC bajo 35oC
10485731114109917501 Resultados del caacutelculo para una configuracioacuten determinada
IP31
Tdeg amb 35 40 45 50 55
M25 09 087 084 081 079M16 097 094 091 088 086M08 1 1 1 1 1
IP 4254
Tdeg amb 35 40 45 50 55
M25 079 077 075 073 071M16 087 085 083 081 079M08 1 1 1 1 1
3b 1005
3b 1005
2b 805
2b 805
1b 635
1b 635
3b 1005
4 b
8 0 5
1 b 8
0 5
M 252500 A
M 161600 A
M 08800 A
hueco
x
x
x
10485731114109917501 Desplazamiento de los interruptores automaacuteticos descritos en funcioacuten de la temperatura ambiente
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Los coeficientes de desplazamiento seestablecen por exceso situando los dispositivos enlo alto del tablero o del compartimento
Ver a tiacutetulo de ejemplo la figura 21
Curvas caracteriacutesticas del comportamientoteacutermico de un tipo de envolvente
Se establecen dos tipos graacuteficos
un conjunto de curvas que permitendeterminar la temperatura media en el interiorde una envolvente determinada en funcioacuten de lapotencia disipada y de la temperatura ambienteexterior
En la figura 22 se indican estas curvas para untablero de distribucioacuten no compartimentado
unas curvas que permiten determinar lapotencia que estas envolventes pueden disiparpara un calentamiento definido en funcioacuten desus caracteriacutesticas dimensionales
Ejemplo temperatura ambiente exterior 35 oCcalentamiento maacuteximo admisible ∆Ta = 30 oC
1048573 tablero altura 2 m anchura 09 mprofundidad 04 m
potencia disipable 850 W
1048573 tablero altura 2 m anchura 09 mprofundidad 06 m
potencia disipable 1000 W seguacuten curvas de lafigura 23
IP 31 IP 4254
Tdeg amb 35 40 45 50 55 35 40 45 50 55
NS100 100 100 100 100 95 100 95 90 85 80
NS160 160 155 150 145 140 150 140 135 125 120
NS250 235 225 220 210 200 205 195 180 170 165
NS400 380 370 360 350 340 350 340 330 320 310
NS630 540 520 510 500 485 485 475 465 450 440
10485731114109917501 Ejemplo de intensidades de corriente (en A) de disparo de interruptores automaacuteticos Compact NS
instalados dentro de una envolvente de BT determinada
Temperaturamedia en oC
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Tamb 60oC
Tamb 55oC
Tamb 50o
CTamb 45oCTamb 40oCTamb 35oC
Tamb 25oC
Dimensiones de
la envolventealto 2 mancho 09 mprofundo 04 m
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Potencia disipada en vatios
10485731114109917501 Temperatura media del aire en el interior de un armario de distribucioacuten metaacutelico IP2 y de forma 1
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Envolvente de 400 mmde profundidad
Potencia disipadaen vatios
1600
1400 T = 40oC
1200
1000 T = 30oC
800
T = 20oC600
400T = 10oC
200
800 900 1000 1100
Anchura en mm
Envolvente de 600 mmde profundidad
Potencia disipadaen vatios
1600 T = 40o
C
1400T = 30oC
1200
1000
T = 20oC1000
600
400 T = 10oC
200
800 900 1000 1100
Anchura en mm
10485731114109917501 Potencia disipable por calentamiento en una envolvente dada en funcioacuten de su anchura Curvas que se
refieren a un gabinete metaacutelico de formas 1 de 2 metros de altura
65 Resultados experimentales
Se han efectuado ensayos de calentamiento enel laboratorio Ampegravere de ASEFA con diversostipos de envolventes cofrets de plancha oplaacutestico armarios Prisma tableros de
distribucioacuten MasterblocDurante estos ensayos se han medido
temperaturas
1048573del aire en diferentes zonas de la envolvente
1048573de los conductores juego de barras yderivaciones
1048573de los puntos calientes de los dispositivos(bimetal ambiente electroacutenico)
intensidades
paraacutemetros que intervienen en lamodelizacioacuten en particular los coeficientes deintercambio aireparedes
Estas mediciones han permitido por una parte
verificar la conformidad a la norma IIEC 604311 deciertos valores (liacutemites de calentamientomencionados en el capiacutetulo 12 sobre lasnormas) y por otra parte para validar el modelo
En lo referente a las temperaturas del aire ladiferencia entre los valores medidos ycalculados depende del tipo de envolventemodelizada ya que al nivel de la modelizacioacuten
los supuestos difieren seguacuten que se considerelas envolventes compartimentadas o no
Sobre el conjunto de ensayos efectuados encuadros de diferentes formas(compartimentados o no) las diferenciasmaacuteximas constatadas han sido siempreinferiores a 6983226C
Las temperaturas calculadas para los juegos debarras muestran tambieacuten una concordancia conlas mediciones y han permitido validar elprograma informaacutetico
En referencia a las intensidades lasdesviaciones en valor medio son inferiores al5 En una homologacioacuten reciente de unaconfiguracioacuten de cuadro Masterbloc encalentamiento el programa ha permitido preverel nivel de funcionamiento del cuadro
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7 Meacutetodo propuesto por el documento IEC 60890
No hace mucho tiempo atras los gabinetes eleacutectricos
se escogiacutean equipaban y llenaban en funcioacutende la experiencia tambieacuten en lo que se refierea la tasa de llenado y a la variacioacuten de latemperatura en el tablero durante elfuncionamiento
Por ejemplo Temperatura exterior maacutexima
30983226C y 60983226C en el interior (los fabricantes de
aparamenta dan de margen hasta los 60983226C)
Esta praacutectica conduciacutea o a una pobre utilizacioacuten
del material o a actuaciones intempestivas de
las protecciones tenieacutendose la necesidad de
trabajar con las puertas abiertas
El meacutetodo propuesto por la recomendacioacuten
IEC aunque no se trate de una norma sino de
una guiacutea es de un intereacutes evidente Se
presenta detalladamente en el anexo de la
norma NFC 63410 o en la recomendacioacuten de la
IEC Ndeg 60890
Debemos de recordar los fundamentosmostrando los liacutemites y comparando con elmeacutetodo presentado en este Cuaderno Teacutecnico
En principio este meacutetodo se aplica aenvolventes a las que se puedan aplicar lassiguientes hipoacutetesis
reparto uniforme de la potencia disipada
el equipamiento se dispone de manera que no sedificulte la circulacioacuten de aire
no maacutes de 3 separaciones horizontales
Datos necesarios
dimensiones de la envolvente
potencia disipada en el interior (equipamiento
conductores)
tipo de instalacioacuten (envolvente aislada osituado en un extremo) (figura 24)
Caacutelculo
la temperatura se calcula uacutenicamente en 2
puntos de la envolvente
a media altura
T05 = Ta + ∆T050804siendo ∆T05 = dk Pw
d es un coeficiente que tiene en cuenta laexistencia de separaciones horizontales
1048573Si Ae lt 125 m2 d =1 (definicioacuten de Ae queveremos inmediatamente)
Si Ae gt 125 m2
Factor de repartode temperatura c165
116 2
3155 4
515
145
14
135
13
125
12
115
11
105
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Factor fCurvaTipo de instalacioacuten
1 Tapas separadas quitadas por todos los lados 3 Tapas separadas en montaje mural 2 Primera o uacuteltima tapa quitada
3 Tapa central quitada
5 Tapa central en montaje mural 4 Tapa central en montaje mural y con la parte
superior abierta
10485731114109917501 Factor de distribucioacuten de temperatura c para
envolventes sin orificios de ventilacioacuten y con una
superficie efectiva de enfriamiento A gt 125 m2 e
Valor de la superficie efectiva Constantede refrigeracioacuten Ae en m 2 de envolvente k
0 4
038
1 036
03415 032
2 03
028
3
25
026
4 024
5 022
6 0278 018
10 016
12 01414
01201
008
100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650
Seccion de los orificios de entrada de aire en cm2
10485731114109917501 Constante de la envolvente k para una
envolvente con orificio de ventilacioacuten y una superficie
efectiva de enfriamiento A gt 125 m2 e
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d = 1 con o sin orificios de ventilacioacuten sin
ninguna separacioacuten
d = 105 con o sin orificios de ventilacioacuten para
1 de separacioacuten
d = 115 oacute 110 con orificios de ventilacioacuten para 2 separaciones
d = 130 oacute 115 con orificios de ventilacioacuten para
3 separaciones
k es una constante que caracteriza laenvolvente su valor se determina con aacutebacos(figura 25) y es funcioacuten de la superficie deintercambio de la envolvente Ae (m2)
Ae = Σ Aob oacute Ao es la superficie geomeacutetrica delas diferentes paredes de la envolvente
b es una constante que tiene en cuenta el tipode instalacioacuten
Valores de b
1048573parte superior abierta b = 14
1048573
parte superior cubierta b = 071048573paredes laterales abiertas b = 09
1048573paredes laterales tapadas b = 05
1048573paredes laterales deenvolventes centrales b = 05
1048573parte inferior b = 0
Pw potencia disipada en Watt en la partealta de la envolvente
T1 = Ta + ∆T1
siendo ∆T1 = c ∆T05 o ∆T05 representa elcalentamiento precedente
c es una constante de calentamientodeterminada a partir de aacutebacos
Por ejemplo en el aacutebaco de la figura 24 c es
funcioacuten de Ae y de uno de los factores f o g
f = h135
(L P) si Ae gt 125 m2
g = h135L si Ae lt 125 m2
Liacutemites
Los liacutemites esenciales de este meacutetodo son
que se aplica bien a las envolventes nocompartimentadas de tipo gabinete y no a los
tableros de potencia muy compartimentados
que no tiene en cuenta la posicioacuten de lasfuentes de calor que la mayor parte de vecesno estaacuten repartidas de forma uniforme
Comparacioacuten con nuestra aproximacioacuten
Se constata que las aproximaciones danresultados similares para los tableros no
compartimentados y con fuentes de calorrepartidas (figura 26)
En lo que se refiere a las envolventes muycerradas la localizacioacuten de las fuentes de calory los intercambios entre las diferentes zonasinfluyen mucho en el calentamiento
Temperatura en oC
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Temperatura calculada seguacuten la norma
Temperatura calculada con el programa de MG
Temperatura del aire ambiente 35 oC
Dimensiones de la envolvente
alto 2 m
ancho 09 m
profundo 04 m
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
Potenciadisipada en Watt
Fig 26 Temperatura del aire a media altura en un tablero metaacutelico de distribucioacuten IP2 y de la forma 1
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8 Conclusioacuten
La importancia de los tableros eleacutectricos en la
distribucioacuten no hay que demostrarla
En cuanto a la disponibilidad de la energiacutea
eleacutectrica y de la seguridad de funcionamiento resulta indiscutible que el control teacutermico de los
tableros eleacutectricos es un objetivo fundamental
Las normas que se refieren a las envolventes ya los productos determinan los liacutemites teacutermicosque no hay que sobrepasar
Les queda a los profesionales convertirse enlaquoarquitectos teacutermicosraquo del disentildeo de lasenvolventes y tableros eleacutectricos hoy es ya
cosa hecha incluso para los tableros de serie
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contenidos transcriben fielmente el texto de lanorma IEC las diferencias corresponden maacutes a
costumbres propias de cada paiacutes que adiferencias causadas por puntos fundamentalesde la norma IEC
El aporte esencial de esta norma ha sido el
definir de forma precisa dos nociones
encaminadas ambas hacia un aumento de laseguridad Eacutestas son
la nocioacuten de conjuntos totalmente ensayadosCS (conjuntos de serie) o parcialmenteensayados CDS (conjuntos derivados de serie)
la nocioacuten de las formas (figura 2)
forma 1 forma 2b
forma 3b forma 4b
Fig 2 Diversas laquoformasraquo seguacuten la norma IEC 60439
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Sin entrar en el detalle podemos decir que losCS corresponden a productos perfectamentedefinidos y fijados tanto a nivel de componentes(planos precisos de cada uno de susconstituyentes) como de su fabricacioacuten (guiacutea de
montaje) y deben satisfacer los ensayos detipo (calentamiento cortocircuito continuidadde masa) definidos por la norma
Los CDS corresponden a conjuntos en los quela estructura de base es un CS con una o variasmodificaciones modificaciones que deben deestar validadas por el caacutelculo o por un ensayoespeciacutefico
La nocioacuten de forma corresponde a unadefinicioacuten precisa de los grados de separacioacutenque pueden encontrarse en un tablero y queaumentan la proteccioacuten de las personas por unano accesibilidad a las partes activas (juegos debarras) Se distinguen 4 tipos de formas quevan desde una ausencia total de separacioacuten(forma 1) hasta un cierre completo de losdiferentes elementos del tablero (forma 4)
Hay que advertir que este encierro incidemuchiacutesimo sobre la componente teacutermica deestos conjuntos
La norma IEC define igualmente el ensayo decalentamiento que debe satisfacer un conjunto
Esta norma precisa las condiciones y los liacutemitesde calentamiento (821 de la norma) que nodeben superar los diferentes componentes delconjunto
Condiciones de ensayo
1048573El conjunto debe estar dispuesto para el usonormal
1048573
La corriente correspondiente al valorasignado se reparte entre los diferenteselementos teniendo en cuenta un factor dediversidad (Kd) variable seguacuten el nuacutemero decircuitos principales
2 le n983226 de circuitos principales le 3 Kd = 09
4 le n983226 de circuitos principales le 5 Kd = 08
6 le n983226 de circuitos principales le 9 Kd = 07
nuacutemero de circuitos principales ge 10 Kd = 06
1048573
Se consigue realmente la estabilizacioacutenteacutermica cuando la variacioacuten de temperatura noexcede de 1oCh Los conductores conectadosa los aparatos deben tener su seccioacutenconforme a las directrices de la norma
1048573Las mediciones de temperatura se efectuacuteancon ayuda de termocuplas
1048573La temperatura ambiente de referencia es de35oC
Con relacioacuten a la temperatura ambiente nodeben excederse los calentamientos
70 K para los bornes de conexioacuten de losconductores exteriores 25 K para los oacuterganos de mando manual de
material aislante 30 K oacute 40 K para las superficies metaacutelicasexternas accesibles o no
valores especiacuteficos particulares para losconstituyentes incorporados y tambieacuten para losaislantes en contacto con los conductores
Hay que sentildealar todaviacutea un tema denormalizacioacuten la existencia de una guiacutea teacutecnicade predeterminacioacuten de los calentamientos (IEC60890) Ha estado validada por numerososensayos ya que no tiene la categoriacutea de norma
La guiacutea da resultados correctos para unasconfiguraciones simples (envolvente pococompartimentada fuentes de caloruniformemente repartidas) En el capiacutetulo 7
se hace una presentacioacuten de este meacutetodo asiacutecomo una comparacioacuten con nuestro meacutetodo deproyectista de laquotablerosraquo
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3 Comportamiento teacutermico de un tablero eleacutectrico en BT
Un tablero eleacutectrico es un sistema compuestode un fluido (el aire) y de cuerpos soacutelidos en losque el paso de corriente eleacutectrica vaacompantildeada de peacuterdidas de energiacutea queprovocan una elevacioacuten de temperatura
31 Repaso sobre los principales fenoacutemenos teacutermicos
Los intercambios teacutermicos permiten describir elcomportamiento de un sistema cualquiera en elque el sistema es un tablero eleacutectrico
Contemplan tres tipos de fenoacutemenos diferentes
Fenoacutemeno de conduccioacuten que corresponde auna transferencia de calor al interior de cuerpossoacutelidos (figura 3) Se distinguen
por una parte los fenoacutemenos de conduccioacutensimple para los que el cuerpo considerado noes la base de ninguacuten fenoacutemeno teacutermico porejemplo conduccioacuten al interior de un muro
por otra parte los fenoacutemenos de conduccioacutenviva donde el cuerpo estudiado es la base deuna creacioacuten de calor por ejemplo barra decobre recorrida por una corriente eleacutectrica
Los caacutelculos relativos a la transmisioacuten de calorpor conduccioacuten se basan en la ley de Fourierque para las geometriacuteas simples se reduce a larelacioacuten
917501ij 1114109 1048573S Ti
T j 1048573d
La evolucioacuten hacia el equilibrio teacutermico serealiza por transferencia del calor desde laspartes activas dispositivos conductores)donde se genera dicho calor hacia las partesen contacto con el exterior que lo transmiten asu alrededor al medio que los rodea
siendoΦij = flujo caloacuterico transmitido entre dos puntos i y j enW λ = conductividad teacutermica en Wm oC S = superficie de transmisioacuten en m2 Ti T j = temperaturas de los dos puntos en oC d = distancia entre los dos puntos en m λ es una caracteriacutestica del medio laquoconductorraquo Su valor es funcioacuten de la temperatura pero a
menudo se considera como una constante
Por ejemplo algunos valores de λ en Wm oC
Plata λ = 420
Cobre λ = 385
Aluminio λ = 203
Acero λ = 45
Materiales plaacutesticos λ = 02
Asfalto λ = 0935
Piedra λ = 0657
Lana de vidrio λ = 0055
Aire (30 oC) λ = 0026
10485731114109917501 Impedancia de las conexiones
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Fenoacutemeno de radiacioacuten corresponde a latransferencia de calor entre cuerpos soacutelidosseparados por un medio maacutes o menostransparente (figura 4)
Estos intercambios que se establecen entre lassuperficies de cuerpos cualesquiera dispuestosuno frente a otro se representan por relacionesbastante complejas en las que intervienen
la emisioacuten del soacutelido que si es consideradocomo un cuerpo negro no es funcioacuten de sutemperatura
los estados de superficie representado pormedio del coeficiente de emisividad e quecaracteriza el grado de las superficies de estoscuerpos con referencia al cuerpo negro
los fenoacutemenos de reflexioacuten y de absorcioacuten
la disposicioacuten de las superficies unasrespecto a las otras por la intermediacioacuten de losfactores de forma
Sin embargo en el caso particular de unasuperficie (por ejemplo j) que envuelvecompletamente a la otra (i) y tal que la razoacutenSiS j sea de valor bajo estas expresiones sesimplifican y se llega a
Φi = εi σ Si (Ti4 - T j
4)
siendo
Φi = flujo de calor transmitido a traveacutes de la
superficie Si en W εi = coeficiente de emisividad en la superficie S i
σ = constante de Stefan-Boltzmann
(567032 x 10-8 W m-2 K-4) Si = superficie en m2 Ti T j = temperatura de las superficies en
transmisioacuten en K
Fenoacutemenos de conveccioacuten bajo el teacutermino
general de conveccioacuten se funden de hecho dos
fenoacutemenos diferentes que a menudo se auacutenan
el fenoacutemeno de conveccioacuten propiamentedicho que corresponde a una transferencia decalor entre un cuerpo soacutelido y un fluido enmovimiento Seguacuten el origen del movimiento delfluido se distingue la conveccioacuten natural y laconveccioacuten forzada (figura 5)
Estas transferencias se caracterizan por loscoeficientes de intercambio hi
Φi = hi Si (Tf - Ti)
siendo
Φi = flujo de calor transferido a la superficie Si
en W hi = coeficiente de intercambio en Wm2 oC Tf Ti = temperaturas del fluido y de la superficie
de transferencia en oC
Desde un punto de vista fiacutesico el problema de
intercambio de calor por conveccioacuten estaacute
fuertemente relacionado a un problema de
mecaacutenica de fluidos
10485731114109917501 Fenoacutemenos de radiacioacuten
10485731114109917501 Fenoacutemenos de conveccioacuten
Desde un punto de vista praacutectico el problemapuede abordarse simplemente por utilizacioacuten decoeficientes de intercambio donde la expresioacutenhace intervenir
1048573 los paraacutemetros que describen la
transferencia de flujo del fluido (velocidad)1048573 las propiedades fiacutesicas del fluido(conductividad teacutermica viscosidad dinaacutemicacapacidad caloriacutefica masa volumeacutetrica)asociadas a menudo bajo forma de nombressin dimensioacuten o caracteriacutesticas (como NusseltPrandtl Reynolds Grasshof)
Por ejemplo expresioacuten del coeficiente deintercambio en conveccioacuten natural para unageometriacutea simple placa plana vertical de alturaL a una temperatura uniforme
Nu h =
Dh
siendo
Nu = nuacutemero de Nusselt 053(GrPr)025 dondeGr y Pr son respectivamente los nuacutemeros deGrasshof y de Prandtl funcioacuten de laspropiedades fiacutesicas del fluido y del salto detemperatura entre el fluido y la superficie detransmisioacuten
λ = conductividad teacutermica del fluido (Wm oC)Dh = dimensioacuten caracteriacutestica (m)
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Habitualmente esta magnitud corresponde a lamayor dimensioacuten del cuerpo soacutelido en contactocon el fluido en movimiento aquiacute L
Importante Es interesante notar que elcoeficiente de intercambio depende del salto detemperatura solamente a la potencia 025 Portanto h = K(∆t)025
el fenoacutemeno de movimientos convectivosque corresponde a la transferencia de calor enel seno de un fluido por medio de los bucles deconveccioacuten que explican por ejemplo elgradiente de temperatura observado entre laspartes baja y alta de un volumen de fluidocerrado sede de fenoacutemenos teacutermicos
Los movimientos de aire entre dos voluacutemenes iy j se caracterizan por las diferencias de masafuncioacuten de las secciones de paso y de lavelocidad de circulacioacuten (figura 6)
La transferencia de calor se representa por
Φij = M cp (Ti - T j)
siendo
Φij flujo de calor transferido entre i y j en W
M circulacioacuten maacutesica en kgs
cp capacidad caloriacutefica del fluido en Jkg oCTi T j temperatura del fluido en los voluacutemenes iy j en oC
Nota la transferencia de calor viene impuestapor el sentido de circulacioacuten
Expresioacuten de la velocidad del fluido en el casode la conveccioacuten natural el fluido se pone enmovimiento entre los puntos i y j por susvariaciones de masa volumeacutetrica con la
temperatura La velocidad se supone seraacute proporcional a las
citadas variaciones funcioacuten de la diferencia de
temperatura entre i y j
V 1114109Cste g Dij ij
siendo
∆ρ ρ variacioacuten relativa de masa volumeacutetricag aceleracioacuten de la gravedad en ms2Dij distancia entre los dos puntos i y j en m
Ademaacutes si se supone que el fluido consideradotiene un comportamiento de gas perfectoentonces
∆ρρ = β (Ti T j) de donde
Vij 1114109
Cste Ti
T j 1048573
g Dij
1siendo 1114109
(en caso de un gasTi T j 1048573 2
perfecto)
Ti T j temperatura del fluido en ordmK
Estas foacutermulas corresponden a movimientos de
voluacutemenes de fluidos ascendentes o
descendentes En el caso de movimiento de
fluido junto a una pared se trata de un
problema doble teacutermico-hidraacuteulico que puede
resolverse en algunos casos de forma analiacutetica
(desplazamiento laminar a lo largo de una
pared)
En este caso la velocidad del fluido a lo largo de
la pared presenta una expresioacuten similar es
decir es proporcional a una diferencia de
temperaturas (fluido-pared)
Ver en la terminologiacutea como repaso la
definicioacuten grado Celsius Kelvin y Fahrenheit
10485731114109917501 Fenoacutemenos del movimiento de conveccioacuten
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32 intercambios al nivel de un Tablero
En el esquema de la figura 7 se presentan loselementos que constituyen el sistema
estudiado aire ambiente envolvente aireinterno y las diferentes fuentes de calor Estadescripcioacuten del estado teacutermico del tablero nos
muestra que todos los fenoacutemenos deintercambios descritos hasta aquiacute debentenerse en cuenta y estaacuten fuertementeinterrelacionados
Por ejemplo
la temperatura del aire interno resulta
1048573de los intercambios por conveccioacuten entre elaire interno y las superficies de los diferentesdispositivos de los conductores y de las paredes
1048573del calor transportado por los movimientosconvectivos del aire
Al nivel de la dispositivos el calor generadopor efecto Joule es intercambiado
1048573por conveccioacuten entre su superficie deintercambio y el aire interno
1048573por conduccioacuten entre las barras y los cables
1048573por radiacioacuten con las paredes de laenvolvente y las superficies de los otrosdispositivos
Los fenoacutemenos maacutes importantes que
intervienen en el comportamiento del conjuntoson los fenoacutemenos de conveccioacuten
Temp ambiental
Paredes del local
s
Envolvente
Conduccioacuten
Radiacioacuten
Conveccioacuten
Movimientos de conveccioacuten
s
Temp interior
Conductores
JdB horizvert Dispositivos
t( (
t
10485731114109917501 Comportamiento teacutermico de una emvolvente
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4 Presentacioacuten de la modelizacioacuten
41 Principio
Todos los meacutetodos de resolucioacuten se basan en eldesarrollo de un sistema de modelizar enbloques elementales que es un meacutetodo deMonte-Carlo de diferencias finitas o deelementos finitos
El meacutetodo empleado el anaacutelisis nodal estaacutededucido de una aproximacioacuten a las diferenciasfinitas Esta teacutecnica si bien claacutesica presenta elintereacutes de poder representar el comportamientoteacutermico de un sistema complejo teniendo encuenta las interacciones entre las diferentespartes o componentes que lo constituyen
Por ejemplo puede utilizarse en dominios muydiversos para describir el comportamiento de unsateacutelite artificial de un motor eleacutectrico lascondiciones climaacuteticas en el interior de uncentro de transformacioacuten o de un edificio devarias viviendas
En principio este meacutetodo consiste endescomponer el sistema estudiado endiferentes voluacutemenes isoteacutermicosdenominados nudos A cada nudo se asociandiferentes paraacutemetros entre otros unatemperatura y eventualmente un aporte decalor independiente de los intercambiosteacutermicos Seguidamente se efectuacutean unosacoplamientos entre nudos es decir losdiferentes intercambios entre los voluacutemenesque nos permiten escribir unas ecuaciones debalance (conservacioacuten de la energiacutea y demateria en el elemento de volumen unido a unnudo determinado) Este meacutetodo quecorresponde de hecho a una discretizacioacutenespacial del sistema nos conduce a definir unared teacutermica con sus nudos sus capacidades
Magnitudes teacutermicas Magnitudes eleacutectricas
Temperatura Potencial
Resisteacutencia teacutermica Resistencia eleacutectrica
sus fuentes de calor sus conductancias quetraducen los diferentes acoplamientos entrenudos (analogiacutea entre los fenoacutemenos eleacutectricosy teacutermicos) (figura 8)
Se llega asiacute a un sistema de ecuacionesemparejadas eventualmente no lineales quenos permitiraacuten definir una matriz la matriz deadmitancia teacutermica Soacutelo falta entoncesprecisar los valores numeacutericos de los elementosde esta matriz que corresponden a lasconductancias teacutermicas
Expresioacuten de las conductancias por tipo deintercambio
Conduccioacuten Gij = λ i Sij Dij
Radiacioacuten Gij = α σ ε S Fij (Ti + T j)(Ti2 + T j
2)
Conveccioacuten Gij = hi Sij
Movimiento convectivo Gij = M cp
Expresioacuten del flujo teacutermico equivalente de laintensidad eleacutectrica
1I1114109 1048573U
R
1 2 3 4
Nudo 1 aire interiorNudos 2 y 3 paredes interiores y exterioresNudo 4 aire ambiente exterior
representa los intercambiospor conduccioacuten
representa los intercambios
por conveccioacuten
representa los intercambiosFlujo de calor Corrientepor desplazamiento del aire
U representa el aporte de calorΦ = G (T2 - T1) I1114109
1 1048573R en el nudo 1
repesenta la capacidad caloriacuteficaCapacidad teacutermica Capacidad eleacutectricaasociada a cada nudo
10485731114109917501 Correspondencia entre magnitudes teacutermicas y 10485731114109917501 Representacioacuten nodal simplificada -modelizacioacuten
eleacutectricas de una pieza
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Φij = Gij (Ti + T j)
siendo
Φij = flujo energeacutetico intercambiado entre los
nudos i y j
Gij = conductancia entre i y j funcioacuten del tipo de
intercambio considerado
Ti T j = temperaturas asociadas a los nudos i y j respectivamente
Tomamos como ejemplo la modelizacioacuten de
una pieza en la que hay una fuente de calor
Se ha descompuesto este sistema en 4 nudos
1 para el aire interno 2 para las paredes (interna y externa) 1 para el aire ambiente exterior
Representacioacuten nodal (simplificada) en lafigura 9
Ecuaciones que traducen los flujos teacutermicospara este sistema simple
nudo 1
Q1 - h12 S12 (T1 - T2) + M41cp (T4 - T1)
- M14cp (T1 - T4) = 1 V1 cp1 T1
nudo 2
2 S23- (T2 - T3) =
d23
h12 S12 (T1 - T2)
= 2 V2 cp2 T2
42 Modelizacioacuten de la conveccioacuten
Como se ha indicado anteriormente en elcapiacutetulo 2 en el teacutermino de conveccioacuten seemparejan a menudo dos fenoacutemenos(intercambios cuerpo-fluido e intercambios en elmismo fluido)
nudo 3
2 S23- (T2 - T3) - h34 S34 (T3 - T4) =
d23
= 2 V2 cp2 T2
nudo 4
h34 S34 (T3 - T4) + M14cp (T1 - T4)
- M41cp (T4 - T1) = 4 V4 cp4 T4
Importante los teacuterminos T i que corresponden adTidtla expresioacuten Estos teacuterminos no se toman
en consideracioacuten ya que soacutelo interesa elreacutegimen permanente es decir con lastemperaturas estabilizadas
A partir de estas ecuaciones se deduce elsistema de ecuaciones [G] [T] = [R]correspondiente seguro a
Φij = Gij (Ti - T j)
donde
G la matriz de admitancia teacutermicaT el vector de temperaturas desconocidasR el vector de las solicitaciones impuestas(fuentes de calor Q1 temperatura )
Este tipo de proceso ha permitido elaborar loscoacutedigos de caacutelculo y las reglas propias a losproblemas teacutermicos de los edificios
La modelizacioacuten de los intercambios porconveccioacuten debe dividirse en dos partes unadescribiendo las peacuterdidas maacutesicas (movimientosde aire) y otra describiendo los intercambiosteacutermicos (coeficientes de intercambio) con unadependencia mutua entre ellos por transferenciamaacutesicateacutermica ((figura 10)
Movimientos del aire Esquema nodal correspondiente que muestralos dos aspectos de la conveccioacuten
10485731114109917501 Modelizacioacuten maacutesica y teacutermica de la conveccioacuten
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43 Aplicacioacuten a las envolventes en BT
Distinguimos para la modelizacioacuten dos grandesgrupos de envolventes
Envolventes no compartimentadasEn este caso el esquema nodalcomo se muestra en la figura 11 es semejanteal del esquema de la figura 10 integrando lasfuentes de calor
Envolventes fuertemente compartimentadoscon o sin ventilacioacuten natural
A nivel de modelizacioacuten son posibles dosplanteamientos
n bien modelizando cada zona del tablerocomo se ha visto anteriormente asociando enconjunto los diferentes voluacutemenes Este sistemaconduce a matices demasiado complicadoscuando como es normal aparecen una decena
de zonas a asociar
aireambiente
10485731114109917501 Envolvente no-cerrada
o bien tratando el sistema globalmente sinmodelizar los bucles de conveccioacuten en el
interior de los diferentes voluacutemenes y noteniendo en cuenta la circulacioacuten de aire entrezonas (figura 12)
Estas modelizaciones nos han conducido aelaborar programas informaacuteticos adaptados acada tipo de envolvente Todos estosprogramas estaacuten estructurados de la mismaforma
Antes de entrar maacutes en detalle en la utilizacioacutende un programa (capiacutetulo 6) conviene conocermejor las fuentes de calor (juegos de barrasaparatos ) para determinar el nivel defuncionamiento real de un cuadro
abertura
aireambiente
zona A zona B
zona A zona B
10485731114109917501 Caso de una envolvente cerrada
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5 Comportamiento de las fuentes de calor Caracteriacutesticas
Las fuentes de calor consideradas en lamodelizacioacuten son los juegos de barras losconductores de interconexioacuten y los aparatoseleacutectricos
Referente a estos uacuteltimos los consideramoscomo laquolas cajas negrasraquo disipando caloriacuteas y
51 Los juegos de barras
Los juegos de barras se calculan de forma queverifiquen dos condiciones poder soportar el paso de la corrientenominal necesaria sin provocar uncalentamiento de las barras que pueda provocarun deterioro de los aislantes que soportan lasbarras Por ejemplo las barras pueden estardimensionadas de forma que no superen enreacutegimen permanente una temperatura de110983226C valor este que es enteramentedependiente de la naturaleza de los materialesaislantes en contacto con las barras porejemplo los soportes La tabla de la figura 13da para una temperatura ambiente de 50983226C y65983226C unos valores de temperatura para los
juegos de barras poder soportar una corriente de cortocircuitosin provocar deformaciones notables en lasbarras rotura de los soportes aislantes ocalentamiento excesivo
no como nudos de la modelizacioacuten Es decirque no se calcula su temperatura defuncionamiento sino la intensidad maacutexima quepueden soportar para una configuracioacuten deinstalacioacuten determinada con el fin de no exceder
su temperatura liacutemite de utilizacioacuten
La segunda condicioacuten corresponde a unproblema de esfuerzos electrodinaacutemicos ypuede estudiarse separadamente aunque laprimera necesita conocer el nivel defuncionamiento del conjunto
En particular hay que tener en cuenta latemperatura del aire que envuelve las barraspara dimensionarlas de forma precisa y evitarque sobrepasen una temperatura criacutetica que esfuncioacuten principalmente de la naturaleza delmaterial utilizado para los soportes
Asiacute conociendo la temperatura del aire en lasdiferentes zonas del tablero podemosdeterminar la temperatura delas barras en funcioacuten de sus caracteriacutesticas(dimensiones forma disposicioacuten) y validar eldimensionamiento
Importante En referencia a los caacutelculos de flujoteacutermico se considera que las barras disipan elcalor principalmente por conveccioacuten y radiacioacutenal aire interno
Temperatura Seccioacuten Intensidad Potencia Temperaturaaprox de las barras disipada (A) de las barras (W) (oC)
50 1 barra 100 x 5 1000 45 79
50 1 barra 100 x 5 1500 107 109
50 3 barras 100 x 5 1500 10 65
50 3 barras 100 x 5 3400 61 110
65 1 barra 100 x 5 1000 45 92
65 3 barras 100 x 5 1500 11 80
10485731114109917501 Valores teacutermicos relativos a un juego de barras de una longitud de 1 m situados en un ambiente dado
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1114109
1114109
52 Los Dispositivos
En los tableros de distribucioacuten eleacutectrica los
interruptores automaacuteticos constituyen el nuacutecleoprincipal de los dispositivos de potencia Ellos ylos demaacutes componentes como por ejemplo loscontactores disipan
Examinemos con maacutes detalle los interruptores
automaacuteticos frente a los problemas teacutermicos La potencia disipada es proporcional alcuadrado de la intensidad que los recorre
2sus caloriacuteas cuando son recorridos por la IPW PNcorriente eleacutectrica In
La tabla de la figura 14 nos facilita a tiacutetuloindicativo algunos valores de potencia disipadapor fase (por polo)
Interruptores automaacuteticosPotencia medida con watiacutemetro y no calculada a partirde la medida de la resistencia
In (A) 250 400 630 800
Pw - versioacuten fija 141 19 40 416
con In en 197 30 52 58versioacuten desenchufable
Contactores
I
n (A) 265 400 630 780Pw con In 22 45 48 60
10485731114109917501 Potencia disipada por polo a In en la
aparamenta claacutesica
Electroacutenico
Desplazamientovoluntario
compensado
Bimetal simple
donde PN representa la potencia disipada a laintensidad nominal de empleo In
La intensidad nominal de empleo (In) de uninterruptor automaacutetico corresponde a unatemperatura ambiente determinada por ejemplo40oC fijada por la norma de construccioacuten Dehecho para ciertos interruptores automaacuteticos latemperatura ambiente correspondiente a Inpuede alcanzar e incluso sobrepasar los 50ordmC dato
que debe dar una seguridad por ejemplo enlos paiacuteses caacutelidos
la intensidad de funcionamiento (Ith o Ithe)puede variar en funcioacuten de la temperaturaambiente y seguacuten el tipo de releacute teacutermico simpleteacutermico compensado electroacutenico (figura 15) loque puede permitir definir una corriente maacuteximade empleo diferente de In
Los paraacutemetros que intervienen en ladeterminacioacuten de desplazamiento portemperatura tienen en cuenta ademaacutes de latemperatura del aire alrededor del dispositivo (T i)
la temperatura liacutemite (TL) de los
componentes internos del interruptorautomaacutetico
1048573 temperatura maacutexima de funcionamiento delbimetal para un interruptor automaacutetico con releacutetermomagneacutetico
1048573 temperatura de los componenteselectroacutenicos para interruptores automaacuteticos conreleacute electroacutenico incorporado
1048573 la temperatura no debe transmitirse a losmateriales plaacutesticos los maacutes sensibles en uninterruptor automaacutetico con electroacutenicaintercambiable (releacute exteriorinterruptor abierto)Estas temperaturas liacutemite estaacuten comprendiasentre 100 y 150oC
la razoacuten entre la Ir del releacute y la corriente realde disparo cuando eacuteste estaacute a la temperatura
Bimetal
T TN
TN temperatura nominal de funcionamiento
T L temperatura liacutemite de funcionamiento
de definicioacuten de In K1Ir (figura 16)In
T ambiente
L
las secciones de los cables o las barras deconexioacuten que juegan un papel de radiador Suinfluencia se toma en cuenta para un coeficiente10485731114109917501 Curvas de desplazamiento tipo de los releacutes enK2funcioacuten de la temperatura
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1114109
Importante Debe tenerse en cuenta que laseccioacuten de los conductores utilizados esraramente igual a la que se emplea para losensayos de certificacioacuten de los interruptoresautomaacuteticos
El desplazamiento que tiene en cuenta estosdiversos criterios puede expresarsematemaacuteticamente
Foacutermula de desplazamiento
El interruptor automaacutetico y sus conductores deconexioacuten disipan esencialmente por conveccioacuten
Aparece por ello la relacioacuten
W1 = h S (TL - Ti)
siendo
W1 potencia disipada en W para un aparatoconectado dentro de una envolvente con unvolumen de aire a la temperatura T i
h = coeficiente de intercambio en Wm2 983226C
S superficie de intercambio en m2TL temperatura del punto caliente en 983226C (porejemplo el bimetal)
Ti temperatura del aire interno alrededor delaparato en 983226C
h = Cste S (TL - Ti)α
de donde W1 = Cste S (TL - Ti)1+α
Cuando el aparato se halla al aire libre a 40983226Cse tiene una relacioacuten similar
W2 = Cste S (TL - 40)1+α
de donde
1
1 L i W T
T
W T
402
L
Ademaacutes se sabe que1 = RIthe
2 y que W2 = RIr 2
W TL -T
y por tanto Ithe 1114109Ir
i
TL - 40
siendo Ithe la intensidad que recorre el aparato
Id = K1 x In y β = (1 + α)2
β coeficiente que caracteriza el tipo de dispositivoSe determina experimentalmente o por unanaacutelisis maacutes fino del comportamiento teacutermicodel elemento Su valor estaacute comprendido entre02 y 07
Relacioacuten final integrando ademaacutes el efecto
de las secciones (coeficiente K2)
TL
T iI 1114109
I K K
the n 1 2 TL
40
Los datos que corresponden alcomportamiento del interruptor automaacutetico y queintervienen en esta foacutermula estaacuten en losficheros que utiliza el programa informaacutetico alcalcular las temperaturas en el interior deltablero
tteacutermico
magneacutetico
curvaliacutemitedel cable
CR
LR
t
curvaliacutemitedel cable
retardocorto
retardolargo
Ir Irm Icu I Ir Irm Iins Icu I
ILR ICRIr = ajuste del releacute teacutermicoIrm = ajuste del releacute magneacutetico
zona
zona de
zona desobre-Icu = poder de corte uacuteltimo normal cortocircuitoscarga
10485731114109917501 Curvas de disparo de un interruptor automaacutetico
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6 Meacutetodo de caacutelculo de la temperatura en las envolventes
La modelizacioacuten presentada hasta ahora debeservir de base al desarrollo de nuestro meacutetodode caacutelculo que debe permitirnos determinar elfuncionamiento real del tablero (intensidadmaacutexima en cada derivacioacuten) y con ello utilizarel conjunto al maacuteximo con una seguridadgarantizada
61 Principio
El programa se desarrolla con dos bucles deiteraciones imbricadas con el fin de determinarel nivel permanente El primero concierne a laresolucioacuten del problema teacutermico el otro a loscoeficientes de desplazamiento
El esquema de caacutelculo se presenta en la figura17
1983210 etapa descripcioacuten de la configuracioacuten esdecir tipo de envolvente utilizado nuacutemero dedispositivos y su posicioacuten relativa A este nivel elprograma utiliza el fichero de aparatos pararecuperar los datos descritos con anterioridad
2983210 etapa descomposicioacuten de la envolvente ensus voluacutemenes isotermos (nudos de lamodelizacioacuten nodal)
3983210 etapa inicio de los nuacutecleos de iteracioacuten concaacutelculo
de la potencia disipada (en la primeraiteracioacuten los coeficientes de desplazamiento setoman igual a 1)
de los coeficientes de la matriz de admitanciaa partir de las ecuaciones de balance
de las temperaturas internas (resolucioacuten delproblema teacutermico)
Como acostumbra a suceder en teacutermica lasnumerosas relaciones entre paraacutemetrosprecisan de una definicioacuten iterativa con laelaboracioacuten de un programa del que vamos apresentar el principio
de los nuevos coeficientes dedesplazamiento comparaacutendolos con losanteriores Si el salto se juzga poco importante(prueba de paro de la iteracioacuten) se procede a unnuevo bucle calculando las nuevasintensidades que atraviesan cada aparato denuevo la potencia disipada
4983210 etapa salida de los resultados
Descripcioacuten de la configuracioacutenestudiada
Intensidad
Potencia disipadadentro de la envolvente
Coeficientes dedesplazamiento
Temperaturasiinteriores
10485731114109917501 Principio de funcionamiento de los programas
62 Descripcioacuten de los datos a suministrar y de los resultados obtenidos
Datos
tipo de envolvente ymaterial
iacutendice de proteccioacuten
temperatura ambiente alrededor de laenvolvente
nuacutemero de filas de dispositivos
denominacioacuten de los aparatos que permitensu localizacioacuten en el fichero
configuracioacuten del tablero y posicioacuten de los
dispositivos
Resultados
eleccioacuten de un juego de barras horizontal yvertical (seccioacuten) e intensidad en estas barras
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potencia teacutermica total disipada en el tablero
coeficiente de desplazamiento para cadadispositivo debido a las intensidades circulantes
eventualmente la temperatura alcanzada por
las barras y su nivel en las diferentes zonas deltablero
63 Configuraciones modelizadas
Es bien sabido que en un programa como elque se indica no pueden considerarse todas lasconfiguraciones de instalacioacuten imaginablesSolamente se consideran las maacutes comunes esdecir las que permiten responder al 90 de loscasos deseados Un ejemplo en la figura 18
Configuracioacuten 1 Configuracioacuten 2 Configuracioacuten 3sin aparato de entrada aparato de entrada
en posicioacuten altaaparato de entradaen posicioacuten baja
10485731114109917501 Configuraciones modelizadas
64 Resultados
Este progreso en el caacutelculo informaacutetico demodelos es especialmente interesante porquepermite efectuar los diversos estudios
Estudio detallado de una configuracioacutendeterminada para optimizar la posicioacuten de undispositivo o la eleccioacuten de un juego de barrasconocer la potencia disipada por el conjuntopara dimensionar una climatizacioacuten adaptada
El ejemplo siguiente se ha efectuado con unacolumna de un cuadro industrial de potenciacompartimentado forma 2 conteniendo
un juego de barras horizontal alimentando un
aparato de entrada y la columna adyacente un aparato de entrada de 2500 A diferentes interruptores automaacuteticos de caja
moldeada
El programa nos facilita entre otros los coeficientes de desplazamiento Kdesp las intensidades que circulan por cadaaparato Ir
Advertencia sobre el coeficiente Kdiv
Este coeficiente nos permite tener en cuenta elcoeficiente de diversidad o de esponjamientoderivacioacuten por derivacioacuten
Es decir los niveles de funcionamiento en uninstante dado de los diferentes aparatos
Por ejemplo en un instante dado 2derivaciones son solicitadas al maacuteximo y lasotras hasta el 05 de sus posibilidadesafectando al sistema teacutermico del conjunto
Los resultados se presentan en la hoja decaacutelculo de la figura 19
Tabla de desplazamiento para unaconfiguracioacuten dada
Esta posibilidad de utilizacioacuten del programasemejante a la utilizacioacuten anterior permite reunirpara una configuracioacuten frecuente losdesplazamientos de los diferentes dispositivosteniendo en cuenta su posicioacuten real en el
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tablero las secciones de los conductoresutilizados los iacutendices de proteccioacuten y de latemperatura ambiente exterior
En la figura 20 se puede ver un ejemplo de uncuadro industrial de potencia con los datosdetallados de los dispositivos instalados en columna
Tabla de desplazamiento para un tipo dedispositivo
Para la mayor parte de interruptoresautomaacuteticos de caja moldeada eldesplazamiento es relativamente independientede la configuracioacuten
Masterbloc MB200 IP = 31
Tabla con aparato de llegada en posicioacuten alta alimentada con JdB horizontal
Referencia Posicioacuten Kdespl Kdiv Ia(A) Or(A)
M25H 1 12 88 1 2200 2200
NS630ST 17 21 93 1 586 518
NS630ST 22 26 96 1 605 534
NS400ST 27 31 1 1 400 353
NS400ST 32 36 1 1 400 353
NS250D250 37 40 1 1 250 221
NS250D250 41 44 1 1 250 221
Juego de barras horizontal
intensidad 2200 A
M 25
NS 630
NS 630
NS 400
NS 400
NS 250
NS 250
seccioacuten 1 4 barras de 100 5
Juego de barras vertical
intensidad 2200 A Temperatura JdB horizontal 95oC
seccioacuten 1 4 barras de 80 5Temperatura JdB vericalTemperatura ambiente
104oC35oC
Temperatura del techo 70oCPotencia total disipada 1953 W Temperatura JdB horizontal 75oCdetalle en dispositivos 593 W Temperatura aparellaje alto 68oC bajo 35oC
en auxiliares 0 W Temperatura auxiliar alto 52oC bajo 35oC juegos de barras + derivaciones 1271 W Temperatura JdB + derivaciones alto 77oC bajo 35oC juego de barras horizontal 89 W Temperatura conexiones alto 58oC bajo 35oC
10485731114109917501 Resultados del caacutelculo para una configuracioacuten determinada
IP31
Tdeg amb 35 40 45 50 55
M25 09 087 084 081 079M16 097 094 091 088 086M08 1 1 1 1 1
IP 4254
Tdeg amb 35 40 45 50 55
M25 079 077 075 073 071M16 087 085 083 081 079M08 1 1 1 1 1
3b 1005
3b 1005
2b 805
2b 805
1b 635
1b 635
3b 1005
4 b
8 0 5
1 b 8
0 5
M 252500 A
M 161600 A
M 08800 A
hueco
x
x
x
10485731114109917501 Desplazamiento de los interruptores automaacuteticos descritos en funcioacuten de la temperatura ambiente
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Los coeficientes de desplazamiento seestablecen por exceso situando los dispositivos enlo alto del tablero o del compartimento
Ver a tiacutetulo de ejemplo la figura 21
Curvas caracteriacutesticas del comportamientoteacutermico de un tipo de envolvente
Se establecen dos tipos graacuteficos
un conjunto de curvas que permitendeterminar la temperatura media en el interiorde una envolvente determinada en funcioacuten de lapotencia disipada y de la temperatura ambienteexterior
En la figura 22 se indican estas curvas para untablero de distribucioacuten no compartimentado
unas curvas que permiten determinar lapotencia que estas envolventes pueden disiparpara un calentamiento definido en funcioacuten desus caracteriacutesticas dimensionales
Ejemplo temperatura ambiente exterior 35 oCcalentamiento maacuteximo admisible ∆Ta = 30 oC
1048573 tablero altura 2 m anchura 09 mprofundidad 04 m
potencia disipable 850 W
1048573 tablero altura 2 m anchura 09 mprofundidad 06 m
potencia disipable 1000 W seguacuten curvas de lafigura 23
IP 31 IP 4254
Tdeg amb 35 40 45 50 55 35 40 45 50 55
NS100 100 100 100 100 95 100 95 90 85 80
NS160 160 155 150 145 140 150 140 135 125 120
NS250 235 225 220 210 200 205 195 180 170 165
NS400 380 370 360 350 340 350 340 330 320 310
NS630 540 520 510 500 485 485 475 465 450 440
10485731114109917501 Ejemplo de intensidades de corriente (en A) de disparo de interruptores automaacuteticos Compact NS
instalados dentro de una envolvente de BT determinada
Temperaturamedia en oC
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Tamb 60oC
Tamb 55oC
Tamb 50o
CTamb 45oCTamb 40oCTamb 35oC
Tamb 25oC
Dimensiones de
la envolventealto 2 mancho 09 mprofundo 04 m
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Potencia disipada en vatios
10485731114109917501 Temperatura media del aire en el interior de un armario de distribucioacuten metaacutelico IP2 y de forma 1
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Envolvente de 400 mmde profundidad
Potencia disipadaen vatios
1600
1400 T = 40oC
1200
1000 T = 30oC
800
T = 20oC600
400T = 10oC
200
800 900 1000 1100
Anchura en mm
Envolvente de 600 mmde profundidad
Potencia disipadaen vatios
1600 T = 40o
C
1400T = 30oC
1200
1000
T = 20oC1000
600
400 T = 10oC
200
800 900 1000 1100
Anchura en mm
10485731114109917501 Potencia disipable por calentamiento en una envolvente dada en funcioacuten de su anchura Curvas que se
refieren a un gabinete metaacutelico de formas 1 de 2 metros de altura
65 Resultados experimentales
Se han efectuado ensayos de calentamiento enel laboratorio Ampegravere de ASEFA con diversostipos de envolventes cofrets de plancha oplaacutestico armarios Prisma tableros de
distribucioacuten MasterblocDurante estos ensayos se han medido
temperaturas
1048573del aire en diferentes zonas de la envolvente
1048573de los conductores juego de barras yderivaciones
1048573de los puntos calientes de los dispositivos(bimetal ambiente electroacutenico)
intensidades
paraacutemetros que intervienen en lamodelizacioacuten en particular los coeficientes deintercambio aireparedes
Estas mediciones han permitido por una parte
verificar la conformidad a la norma IIEC 604311 deciertos valores (liacutemites de calentamientomencionados en el capiacutetulo 12 sobre lasnormas) y por otra parte para validar el modelo
En lo referente a las temperaturas del aire ladiferencia entre los valores medidos ycalculados depende del tipo de envolventemodelizada ya que al nivel de la modelizacioacuten
los supuestos difieren seguacuten que se considerelas envolventes compartimentadas o no
Sobre el conjunto de ensayos efectuados encuadros de diferentes formas(compartimentados o no) las diferenciasmaacuteximas constatadas han sido siempreinferiores a 6983226C
Las temperaturas calculadas para los juegos debarras muestran tambieacuten una concordancia conlas mediciones y han permitido validar elprograma informaacutetico
En referencia a las intensidades lasdesviaciones en valor medio son inferiores al5 En una homologacioacuten reciente de unaconfiguracioacuten de cuadro Masterbloc encalentamiento el programa ha permitido preverel nivel de funcionamiento del cuadro
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7 Meacutetodo propuesto por el documento IEC 60890
No hace mucho tiempo atras los gabinetes eleacutectricos
se escogiacutean equipaban y llenaban en funcioacutende la experiencia tambieacuten en lo que se refierea la tasa de llenado y a la variacioacuten de latemperatura en el tablero durante elfuncionamiento
Por ejemplo Temperatura exterior maacutexima
30983226C y 60983226C en el interior (los fabricantes de
aparamenta dan de margen hasta los 60983226C)
Esta praacutectica conduciacutea o a una pobre utilizacioacuten
del material o a actuaciones intempestivas de
las protecciones tenieacutendose la necesidad de
trabajar con las puertas abiertas
El meacutetodo propuesto por la recomendacioacuten
IEC aunque no se trate de una norma sino de
una guiacutea es de un intereacutes evidente Se
presenta detalladamente en el anexo de la
norma NFC 63410 o en la recomendacioacuten de la
IEC Ndeg 60890
Debemos de recordar los fundamentosmostrando los liacutemites y comparando con elmeacutetodo presentado en este Cuaderno Teacutecnico
En principio este meacutetodo se aplica aenvolventes a las que se puedan aplicar lassiguientes hipoacutetesis
reparto uniforme de la potencia disipada
el equipamiento se dispone de manera que no sedificulte la circulacioacuten de aire
no maacutes de 3 separaciones horizontales
Datos necesarios
dimensiones de la envolvente
potencia disipada en el interior (equipamiento
conductores)
tipo de instalacioacuten (envolvente aislada osituado en un extremo) (figura 24)
Caacutelculo
la temperatura se calcula uacutenicamente en 2
puntos de la envolvente
a media altura
T05 = Ta + ∆T050804siendo ∆T05 = dk Pw
d es un coeficiente que tiene en cuenta laexistencia de separaciones horizontales
1048573Si Ae lt 125 m2 d =1 (definicioacuten de Ae queveremos inmediatamente)
Si Ae gt 125 m2
Factor de repartode temperatura c165
116 2
3155 4
515
145
14
135
13
125
12
115
11
105
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Factor fCurvaTipo de instalacioacuten
1 Tapas separadas quitadas por todos los lados 3 Tapas separadas en montaje mural 2 Primera o uacuteltima tapa quitada
3 Tapa central quitada
5 Tapa central en montaje mural 4 Tapa central en montaje mural y con la parte
superior abierta
10485731114109917501 Factor de distribucioacuten de temperatura c para
envolventes sin orificios de ventilacioacuten y con una
superficie efectiva de enfriamiento A gt 125 m2 e
Valor de la superficie efectiva Constantede refrigeracioacuten Ae en m 2 de envolvente k
0 4
038
1 036
03415 032
2 03
028
3
25
026
4 024
5 022
6 0278 018
10 016
12 01414
01201
008
100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650
Seccion de los orificios de entrada de aire en cm2
10485731114109917501 Constante de la envolvente k para una
envolvente con orificio de ventilacioacuten y una superficie
efectiva de enfriamiento A gt 125 m2 e
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d = 1 con o sin orificios de ventilacioacuten sin
ninguna separacioacuten
d = 105 con o sin orificios de ventilacioacuten para
1 de separacioacuten
d = 115 oacute 110 con orificios de ventilacioacuten para 2 separaciones
d = 130 oacute 115 con orificios de ventilacioacuten para
3 separaciones
k es una constante que caracteriza laenvolvente su valor se determina con aacutebacos(figura 25) y es funcioacuten de la superficie deintercambio de la envolvente Ae (m2)
Ae = Σ Aob oacute Ao es la superficie geomeacutetrica delas diferentes paredes de la envolvente
b es una constante que tiene en cuenta el tipode instalacioacuten
Valores de b
1048573parte superior abierta b = 14
1048573
parte superior cubierta b = 071048573paredes laterales abiertas b = 09
1048573paredes laterales tapadas b = 05
1048573paredes laterales deenvolventes centrales b = 05
1048573parte inferior b = 0
Pw potencia disipada en Watt en la partealta de la envolvente
T1 = Ta + ∆T1
siendo ∆T1 = c ∆T05 o ∆T05 representa elcalentamiento precedente
c es una constante de calentamientodeterminada a partir de aacutebacos
Por ejemplo en el aacutebaco de la figura 24 c es
funcioacuten de Ae y de uno de los factores f o g
f = h135
(L P) si Ae gt 125 m2
g = h135L si Ae lt 125 m2
Liacutemites
Los liacutemites esenciales de este meacutetodo son
que se aplica bien a las envolventes nocompartimentadas de tipo gabinete y no a los
tableros de potencia muy compartimentados
que no tiene en cuenta la posicioacuten de lasfuentes de calor que la mayor parte de vecesno estaacuten repartidas de forma uniforme
Comparacioacuten con nuestra aproximacioacuten
Se constata que las aproximaciones danresultados similares para los tableros no
compartimentados y con fuentes de calorrepartidas (figura 26)
En lo que se refiere a las envolventes muycerradas la localizacioacuten de las fuentes de calory los intercambios entre las diferentes zonasinfluyen mucho en el calentamiento
Temperatura en oC
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Temperatura calculada seguacuten la norma
Temperatura calculada con el programa de MG
Temperatura del aire ambiente 35 oC
Dimensiones de la envolvente
alto 2 m
ancho 09 m
profundo 04 m
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
Potenciadisipada en Watt
Fig 26 Temperatura del aire a media altura en un tablero metaacutelico de distribucioacuten IP2 y de la forma 1
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8 Conclusioacuten
La importancia de los tableros eleacutectricos en la
distribucioacuten no hay que demostrarla
En cuanto a la disponibilidad de la energiacutea
eleacutectrica y de la seguridad de funcionamiento resulta indiscutible que el control teacutermico de los
tableros eleacutectricos es un objetivo fundamental
Las normas que se refieren a las envolventes ya los productos determinan los liacutemites teacutermicosque no hay que sobrepasar
Les queda a los profesionales convertirse enlaquoarquitectos teacutermicosraquo del disentildeo de lasenvolventes y tableros eleacutectricos hoy es ya
cosa hecha incluso para los tableros de serie
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Sin entrar en el detalle podemos decir que losCS corresponden a productos perfectamentedefinidos y fijados tanto a nivel de componentes(planos precisos de cada uno de susconstituyentes) como de su fabricacioacuten (guiacutea de
montaje) y deben satisfacer los ensayos detipo (calentamiento cortocircuito continuidadde masa) definidos por la norma
Los CDS corresponden a conjuntos en los quela estructura de base es un CS con una o variasmodificaciones modificaciones que deben deestar validadas por el caacutelculo o por un ensayoespeciacutefico
La nocioacuten de forma corresponde a unadefinicioacuten precisa de los grados de separacioacutenque pueden encontrarse en un tablero y queaumentan la proteccioacuten de las personas por unano accesibilidad a las partes activas (juegos debarras) Se distinguen 4 tipos de formas quevan desde una ausencia total de separacioacuten(forma 1) hasta un cierre completo de losdiferentes elementos del tablero (forma 4)
Hay que advertir que este encierro incidemuchiacutesimo sobre la componente teacutermica deestos conjuntos
La norma IEC define igualmente el ensayo decalentamiento que debe satisfacer un conjunto
Esta norma precisa las condiciones y los liacutemitesde calentamiento (821 de la norma) que nodeben superar los diferentes componentes delconjunto
Condiciones de ensayo
1048573El conjunto debe estar dispuesto para el usonormal
1048573
La corriente correspondiente al valorasignado se reparte entre los diferenteselementos teniendo en cuenta un factor dediversidad (Kd) variable seguacuten el nuacutemero decircuitos principales
2 le n983226 de circuitos principales le 3 Kd = 09
4 le n983226 de circuitos principales le 5 Kd = 08
6 le n983226 de circuitos principales le 9 Kd = 07
nuacutemero de circuitos principales ge 10 Kd = 06
1048573
Se consigue realmente la estabilizacioacutenteacutermica cuando la variacioacuten de temperatura noexcede de 1oCh Los conductores conectadosa los aparatos deben tener su seccioacutenconforme a las directrices de la norma
1048573Las mediciones de temperatura se efectuacuteancon ayuda de termocuplas
1048573La temperatura ambiente de referencia es de35oC
Con relacioacuten a la temperatura ambiente nodeben excederse los calentamientos
70 K para los bornes de conexioacuten de losconductores exteriores 25 K para los oacuterganos de mando manual de
material aislante 30 K oacute 40 K para las superficies metaacutelicasexternas accesibles o no
valores especiacuteficos particulares para losconstituyentes incorporados y tambieacuten para losaislantes en contacto con los conductores
Hay que sentildealar todaviacutea un tema denormalizacioacuten la existencia de una guiacutea teacutecnicade predeterminacioacuten de los calentamientos (IEC60890) Ha estado validada por numerososensayos ya que no tiene la categoriacutea de norma
La guiacutea da resultados correctos para unasconfiguraciones simples (envolvente pococompartimentada fuentes de caloruniformemente repartidas) En el capiacutetulo 7
se hace una presentacioacuten de este meacutetodo asiacutecomo una comparacioacuten con nuestro meacutetodo deproyectista de laquotablerosraquo
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3 Comportamiento teacutermico de un tablero eleacutectrico en BT
Un tablero eleacutectrico es un sistema compuestode un fluido (el aire) y de cuerpos soacutelidos en losque el paso de corriente eleacutectrica vaacompantildeada de peacuterdidas de energiacutea queprovocan una elevacioacuten de temperatura
31 Repaso sobre los principales fenoacutemenos teacutermicos
Los intercambios teacutermicos permiten describir elcomportamiento de un sistema cualquiera en elque el sistema es un tablero eleacutectrico
Contemplan tres tipos de fenoacutemenos diferentes
Fenoacutemeno de conduccioacuten que corresponde auna transferencia de calor al interior de cuerpossoacutelidos (figura 3) Se distinguen
por una parte los fenoacutemenos de conduccioacutensimple para los que el cuerpo considerado noes la base de ninguacuten fenoacutemeno teacutermico porejemplo conduccioacuten al interior de un muro
por otra parte los fenoacutemenos de conduccioacutenviva donde el cuerpo estudiado es la base deuna creacioacuten de calor por ejemplo barra decobre recorrida por una corriente eleacutectrica
Los caacutelculos relativos a la transmisioacuten de calorpor conduccioacuten se basan en la ley de Fourierque para las geometriacuteas simples se reduce a larelacioacuten
917501ij 1114109 1048573S Ti
T j 1048573d
La evolucioacuten hacia el equilibrio teacutermico serealiza por transferencia del calor desde laspartes activas dispositivos conductores)donde se genera dicho calor hacia las partesen contacto con el exterior que lo transmiten asu alrededor al medio que los rodea
siendoΦij = flujo caloacuterico transmitido entre dos puntos i y j enW λ = conductividad teacutermica en Wm oC S = superficie de transmisioacuten en m2 Ti T j = temperaturas de los dos puntos en oC d = distancia entre los dos puntos en m λ es una caracteriacutestica del medio laquoconductorraquo Su valor es funcioacuten de la temperatura pero a
menudo se considera como una constante
Por ejemplo algunos valores de λ en Wm oC
Plata λ = 420
Cobre λ = 385
Aluminio λ = 203
Acero λ = 45
Materiales plaacutesticos λ = 02
Asfalto λ = 0935
Piedra λ = 0657
Lana de vidrio λ = 0055
Aire (30 oC) λ = 0026
10485731114109917501 Impedancia de las conexiones
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Fenoacutemeno de radiacioacuten corresponde a latransferencia de calor entre cuerpos soacutelidosseparados por un medio maacutes o menostransparente (figura 4)
Estos intercambios que se establecen entre lassuperficies de cuerpos cualesquiera dispuestosuno frente a otro se representan por relacionesbastante complejas en las que intervienen
la emisioacuten del soacutelido que si es consideradocomo un cuerpo negro no es funcioacuten de sutemperatura
los estados de superficie representado pormedio del coeficiente de emisividad e quecaracteriza el grado de las superficies de estoscuerpos con referencia al cuerpo negro
los fenoacutemenos de reflexioacuten y de absorcioacuten
la disposicioacuten de las superficies unasrespecto a las otras por la intermediacioacuten de losfactores de forma
Sin embargo en el caso particular de unasuperficie (por ejemplo j) que envuelvecompletamente a la otra (i) y tal que la razoacutenSiS j sea de valor bajo estas expresiones sesimplifican y se llega a
Φi = εi σ Si (Ti4 - T j
4)
siendo
Φi = flujo de calor transmitido a traveacutes de la
superficie Si en W εi = coeficiente de emisividad en la superficie S i
σ = constante de Stefan-Boltzmann
(567032 x 10-8 W m-2 K-4) Si = superficie en m2 Ti T j = temperatura de las superficies en
transmisioacuten en K
Fenoacutemenos de conveccioacuten bajo el teacutermino
general de conveccioacuten se funden de hecho dos
fenoacutemenos diferentes que a menudo se auacutenan
el fenoacutemeno de conveccioacuten propiamentedicho que corresponde a una transferencia decalor entre un cuerpo soacutelido y un fluido enmovimiento Seguacuten el origen del movimiento delfluido se distingue la conveccioacuten natural y laconveccioacuten forzada (figura 5)
Estas transferencias se caracterizan por loscoeficientes de intercambio hi
Φi = hi Si (Tf - Ti)
siendo
Φi = flujo de calor transferido a la superficie Si
en W hi = coeficiente de intercambio en Wm2 oC Tf Ti = temperaturas del fluido y de la superficie
de transferencia en oC
Desde un punto de vista fiacutesico el problema de
intercambio de calor por conveccioacuten estaacute
fuertemente relacionado a un problema de
mecaacutenica de fluidos
10485731114109917501 Fenoacutemenos de radiacioacuten
10485731114109917501 Fenoacutemenos de conveccioacuten
Desde un punto de vista praacutectico el problemapuede abordarse simplemente por utilizacioacuten decoeficientes de intercambio donde la expresioacutenhace intervenir
1048573 los paraacutemetros que describen la
transferencia de flujo del fluido (velocidad)1048573 las propiedades fiacutesicas del fluido(conductividad teacutermica viscosidad dinaacutemicacapacidad caloriacutefica masa volumeacutetrica)asociadas a menudo bajo forma de nombressin dimensioacuten o caracteriacutesticas (como NusseltPrandtl Reynolds Grasshof)
Por ejemplo expresioacuten del coeficiente deintercambio en conveccioacuten natural para unageometriacutea simple placa plana vertical de alturaL a una temperatura uniforme
Nu h =
Dh
siendo
Nu = nuacutemero de Nusselt 053(GrPr)025 dondeGr y Pr son respectivamente los nuacutemeros deGrasshof y de Prandtl funcioacuten de laspropiedades fiacutesicas del fluido y del salto detemperatura entre el fluido y la superficie detransmisioacuten
λ = conductividad teacutermica del fluido (Wm oC)Dh = dimensioacuten caracteriacutestica (m)
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Habitualmente esta magnitud corresponde a lamayor dimensioacuten del cuerpo soacutelido en contactocon el fluido en movimiento aquiacute L
Importante Es interesante notar que elcoeficiente de intercambio depende del salto detemperatura solamente a la potencia 025 Portanto h = K(∆t)025
el fenoacutemeno de movimientos convectivosque corresponde a la transferencia de calor enel seno de un fluido por medio de los bucles deconveccioacuten que explican por ejemplo elgradiente de temperatura observado entre laspartes baja y alta de un volumen de fluidocerrado sede de fenoacutemenos teacutermicos
Los movimientos de aire entre dos voluacutemenes iy j se caracterizan por las diferencias de masafuncioacuten de las secciones de paso y de lavelocidad de circulacioacuten (figura 6)
La transferencia de calor se representa por
Φij = M cp (Ti - T j)
siendo
Φij flujo de calor transferido entre i y j en W
M circulacioacuten maacutesica en kgs
cp capacidad caloriacutefica del fluido en Jkg oCTi T j temperatura del fluido en los voluacutemenes iy j en oC
Nota la transferencia de calor viene impuestapor el sentido de circulacioacuten
Expresioacuten de la velocidad del fluido en el casode la conveccioacuten natural el fluido se pone enmovimiento entre los puntos i y j por susvariaciones de masa volumeacutetrica con la
temperatura La velocidad se supone seraacute proporcional a las
citadas variaciones funcioacuten de la diferencia de
temperatura entre i y j
V 1114109Cste g Dij ij
siendo
∆ρ ρ variacioacuten relativa de masa volumeacutetricag aceleracioacuten de la gravedad en ms2Dij distancia entre los dos puntos i y j en m
Ademaacutes si se supone que el fluido consideradotiene un comportamiento de gas perfectoentonces
∆ρρ = β (Ti T j) de donde
Vij 1114109
Cste Ti
T j 1048573
g Dij
1siendo 1114109
(en caso de un gasTi T j 1048573 2
perfecto)
Ti T j temperatura del fluido en ordmK
Estas foacutermulas corresponden a movimientos de
voluacutemenes de fluidos ascendentes o
descendentes En el caso de movimiento de
fluido junto a una pared se trata de un
problema doble teacutermico-hidraacuteulico que puede
resolverse en algunos casos de forma analiacutetica
(desplazamiento laminar a lo largo de una
pared)
En este caso la velocidad del fluido a lo largo de
la pared presenta una expresioacuten similar es
decir es proporcional a una diferencia de
temperaturas (fluido-pared)
Ver en la terminologiacutea como repaso la
definicioacuten grado Celsius Kelvin y Fahrenheit
10485731114109917501 Fenoacutemenos del movimiento de conveccioacuten
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32 intercambios al nivel de un Tablero
En el esquema de la figura 7 se presentan loselementos que constituyen el sistema
estudiado aire ambiente envolvente aireinterno y las diferentes fuentes de calor Estadescripcioacuten del estado teacutermico del tablero nos
muestra que todos los fenoacutemenos deintercambios descritos hasta aquiacute debentenerse en cuenta y estaacuten fuertementeinterrelacionados
Por ejemplo
la temperatura del aire interno resulta
1048573de los intercambios por conveccioacuten entre elaire interno y las superficies de los diferentesdispositivos de los conductores y de las paredes
1048573del calor transportado por los movimientosconvectivos del aire
Al nivel de la dispositivos el calor generadopor efecto Joule es intercambiado
1048573por conveccioacuten entre su superficie deintercambio y el aire interno
1048573por conduccioacuten entre las barras y los cables
1048573por radiacioacuten con las paredes de laenvolvente y las superficies de los otrosdispositivos
Los fenoacutemenos maacutes importantes que
intervienen en el comportamiento del conjuntoson los fenoacutemenos de conveccioacuten
Temp ambiental
Paredes del local
s
Envolvente
Conduccioacuten
Radiacioacuten
Conveccioacuten
Movimientos de conveccioacuten
s
Temp interior
Conductores
JdB horizvert Dispositivos
t( (
t
10485731114109917501 Comportamiento teacutermico de una emvolvente
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4 Presentacioacuten de la modelizacioacuten
41 Principio
Todos los meacutetodos de resolucioacuten se basan en eldesarrollo de un sistema de modelizar enbloques elementales que es un meacutetodo deMonte-Carlo de diferencias finitas o deelementos finitos
El meacutetodo empleado el anaacutelisis nodal estaacutededucido de una aproximacioacuten a las diferenciasfinitas Esta teacutecnica si bien claacutesica presenta elintereacutes de poder representar el comportamientoteacutermico de un sistema complejo teniendo encuenta las interacciones entre las diferentespartes o componentes que lo constituyen
Por ejemplo puede utilizarse en dominios muydiversos para describir el comportamiento de unsateacutelite artificial de un motor eleacutectrico lascondiciones climaacuteticas en el interior de uncentro de transformacioacuten o de un edificio devarias viviendas
En principio este meacutetodo consiste endescomponer el sistema estudiado endiferentes voluacutemenes isoteacutermicosdenominados nudos A cada nudo se asociandiferentes paraacutemetros entre otros unatemperatura y eventualmente un aporte decalor independiente de los intercambiosteacutermicos Seguidamente se efectuacutean unosacoplamientos entre nudos es decir losdiferentes intercambios entre los voluacutemenesque nos permiten escribir unas ecuaciones debalance (conservacioacuten de la energiacutea y demateria en el elemento de volumen unido a unnudo determinado) Este meacutetodo quecorresponde de hecho a una discretizacioacutenespacial del sistema nos conduce a definir unared teacutermica con sus nudos sus capacidades
Magnitudes teacutermicas Magnitudes eleacutectricas
Temperatura Potencial
Resisteacutencia teacutermica Resistencia eleacutectrica
sus fuentes de calor sus conductancias quetraducen los diferentes acoplamientos entrenudos (analogiacutea entre los fenoacutemenos eleacutectricosy teacutermicos) (figura 8)
Se llega asiacute a un sistema de ecuacionesemparejadas eventualmente no lineales quenos permitiraacuten definir una matriz la matriz deadmitancia teacutermica Soacutelo falta entoncesprecisar los valores numeacutericos de los elementosde esta matriz que corresponden a lasconductancias teacutermicas
Expresioacuten de las conductancias por tipo deintercambio
Conduccioacuten Gij = λ i Sij Dij
Radiacioacuten Gij = α σ ε S Fij (Ti + T j)(Ti2 + T j
2)
Conveccioacuten Gij = hi Sij
Movimiento convectivo Gij = M cp
Expresioacuten del flujo teacutermico equivalente de laintensidad eleacutectrica
1I1114109 1048573U
R
1 2 3 4
Nudo 1 aire interiorNudos 2 y 3 paredes interiores y exterioresNudo 4 aire ambiente exterior
representa los intercambiospor conduccioacuten
representa los intercambios
por conveccioacuten
representa los intercambiosFlujo de calor Corrientepor desplazamiento del aire
U representa el aporte de calorΦ = G (T2 - T1) I1114109
1 1048573R en el nudo 1
repesenta la capacidad caloriacuteficaCapacidad teacutermica Capacidad eleacutectricaasociada a cada nudo
10485731114109917501 Correspondencia entre magnitudes teacutermicas y 10485731114109917501 Representacioacuten nodal simplificada -modelizacioacuten
eleacutectricas de una pieza
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Φij = Gij (Ti + T j)
siendo
Φij = flujo energeacutetico intercambiado entre los
nudos i y j
Gij = conductancia entre i y j funcioacuten del tipo de
intercambio considerado
Ti T j = temperaturas asociadas a los nudos i y j respectivamente
Tomamos como ejemplo la modelizacioacuten de
una pieza en la que hay una fuente de calor
Se ha descompuesto este sistema en 4 nudos
1 para el aire interno 2 para las paredes (interna y externa) 1 para el aire ambiente exterior
Representacioacuten nodal (simplificada) en lafigura 9
Ecuaciones que traducen los flujos teacutermicospara este sistema simple
nudo 1
Q1 - h12 S12 (T1 - T2) + M41cp (T4 - T1)
- M14cp (T1 - T4) = 1 V1 cp1 T1
nudo 2
2 S23- (T2 - T3) =
d23
h12 S12 (T1 - T2)
= 2 V2 cp2 T2
42 Modelizacioacuten de la conveccioacuten
Como se ha indicado anteriormente en elcapiacutetulo 2 en el teacutermino de conveccioacuten seemparejan a menudo dos fenoacutemenos(intercambios cuerpo-fluido e intercambios en elmismo fluido)
nudo 3
2 S23- (T2 - T3) - h34 S34 (T3 - T4) =
d23
= 2 V2 cp2 T2
nudo 4
h34 S34 (T3 - T4) + M14cp (T1 - T4)
- M41cp (T4 - T1) = 4 V4 cp4 T4
Importante los teacuterminos T i que corresponden adTidtla expresioacuten Estos teacuterminos no se toman
en consideracioacuten ya que soacutelo interesa elreacutegimen permanente es decir con lastemperaturas estabilizadas
A partir de estas ecuaciones se deduce elsistema de ecuaciones [G] [T] = [R]correspondiente seguro a
Φij = Gij (Ti - T j)
donde
G la matriz de admitancia teacutermicaT el vector de temperaturas desconocidasR el vector de las solicitaciones impuestas(fuentes de calor Q1 temperatura )
Este tipo de proceso ha permitido elaborar loscoacutedigos de caacutelculo y las reglas propias a losproblemas teacutermicos de los edificios
La modelizacioacuten de los intercambios porconveccioacuten debe dividirse en dos partes unadescribiendo las peacuterdidas maacutesicas (movimientosde aire) y otra describiendo los intercambiosteacutermicos (coeficientes de intercambio) con unadependencia mutua entre ellos por transferenciamaacutesicateacutermica ((figura 10)
Movimientos del aire Esquema nodal correspondiente que muestralos dos aspectos de la conveccioacuten
10485731114109917501 Modelizacioacuten maacutesica y teacutermica de la conveccioacuten
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43 Aplicacioacuten a las envolventes en BT
Distinguimos para la modelizacioacuten dos grandesgrupos de envolventes
Envolventes no compartimentadasEn este caso el esquema nodalcomo se muestra en la figura 11 es semejanteal del esquema de la figura 10 integrando lasfuentes de calor
Envolventes fuertemente compartimentadoscon o sin ventilacioacuten natural
A nivel de modelizacioacuten son posibles dosplanteamientos
n bien modelizando cada zona del tablerocomo se ha visto anteriormente asociando enconjunto los diferentes voluacutemenes Este sistemaconduce a matices demasiado complicadoscuando como es normal aparecen una decena
de zonas a asociar
aireambiente
10485731114109917501 Envolvente no-cerrada
o bien tratando el sistema globalmente sinmodelizar los bucles de conveccioacuten en el
interior de los diferentes voluacutemenes y noteniendo en cuenta la circulacioacuten de aire entrezonas (figura 12)
Estas modelizaciones nos han conducido aelaborar programas informaacuteticos adaptados acada tipo de envolvente Todos estosprogramas estaacuten estructurados de la mismaforma
Antes de entrar maacutes en detalle en la utilizacioacutende un programa (capiacutetulo 6) conviene conocermejor las fuentes de calor (juegos de barrasaparatos ) para determinar el nivel defuncionamiento real de un cuadro
abertura
aireambiente
zona A zona B
zona A zona B
10485731114109917501 Caso de una envolvente cerrada
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5 Comportamiento de las fuentes de calor Caracteriacutesticas
Las fuentes de calor consideradas en lamodelizacioacuten son los juegos de barras losconductores de interconexioacuten y los aparatoseleacutectricos
Referente a estos uacuteltimos los consideramoscomo laquolas cajas negrasraquo disipando caloriacuteas y
51 Los juegos de barras
Los juegos de barras se calculan de forma queverifiquen dos condiciones poder soportar el paso de la corrientenominal necesaria sin provocar uncalentamiento de las barras que pueda provocarun deterioro de los aislantes que soportan lasbarras Por ejemplo las barras pueden estardimensionadas de forma que no superen enreacutegimen permanente una temperatura de110983226C valor este que es enteramentedependiente de la naturaleza de los materialesaislantes en contacto con las barras porejemplo los soportes La tabla de la figura 13da para una temperatura ambiente de 50983226C y65983226C unos valores de temperatura para los
juegos de barras poder soportar una corriente de cortocircuitosin provocar deformaciones notables en lasbarras rotura de los soportes aislantes ocalentamiento excesivo
no como nudos de la modelizacioacuten Es decirque no se calcula su temperatura defuncionamiento sino la intensidad maacutexima quepueden soportar para una configuracioacuten deinstalacioacuten determinada con el fin de no exceder
su temperatura liacutemite de utilizacioacuten
La segunda condicioacuten corresponde a unproblema de esfuerzos electrodinaacutemicos ypuede estudiarse separadamente aunque laprimera necesita conocer el nivel defuncionamiento del conjunto
En particular hay que tener en cuenta latemperatura del aire que envuelve las barraspara dimensionarlas de forma precisa y evitarque sobrepasen una temperatura criacutetica que esfuncioacuten principalmente de la naturaleza delmaterial utilizado para los soportes
Asiacute conociendo la temperatura del aire en lasdiferentes zonas del tablero podemosdeterminar la temperatura delas barras en funcioacuten de sus caracteriacutesticas(dimensiones forma disposicioacuten) y validar eldimensionamiento
Importante En referencia a los caacutelculos de flujoteacutermico se considera que las barras disipan elcalor principalmente por conveccioacuten y radiacioacutenal aire interno
Temperatura Seccioacuten Intensidad Potencia Temperaturaaprox de las barras disipada (A) de las barras (W) (oC)
50 1 barra 100 x 5 1000 45 79
50 1 barra 100 x 5 1500 107 109
50 3 barras 100 x 5 1500 10 65
50 3 barras 100 x 5 3400 61 110
65 1 barra 100 x 5 1000 45 92
65 3 barras 100 x 5 1500 11 80
10485731114109917501 Valores teacutermicos relativos a un juego de barras de una longitud de 1 m situados en un ambiente dado
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52 Los Dispositivos
En los tableros de distribucioacuten eleacutectrica los
interruptores automaacuteticos constituyen el nuacutecleoprincipal de los dispositivos de potencia Ellos ylos demaacutes componentes como por ejemplo loscontactores disipan
Examinemos con maacutes detalle los interruptores
automaacuteticos frente a los problemas teacutermicos La potencia disipada es proporcional alcuadrado de la intensidad que los recorre
2sus caloriacuteas cuando son recorridos por la IPW PNcorriente eleacutectrica In
La tabla de la figura 14 nos facilita a tiacutetuloindicativo algunos valores de potencia disipadapor fase (por polo)
Interruptores automaacuteticosPotencia medida con watiacutemetro y no calculada a partirde la medida de la resistencia
In (A) 250 400 630 800
Pw - versioacuten fija 141 19 40 416
con In en 197 30 52 58versioacuten desenchufable
Contactores
I
n (A) 265 400 630 780Pw con In 22 45 48 60
10485731114109917501 Potencia disipada por polo a In en la
aparamenta claacutesica
Electroacutenico
Desplazamientovoluntario
compensado
Bimetal simple
donde PN representa la potencia disipada a laintensidad nominal de empleo In
La intensidad nominal de empleo (In) de uninterruptor automaacutetico corresponde a unatemperatura ambiente determinada por ejemplo40oC fijada por la norma de construccioacuten Dehecho para ciertos interruptores automaacuteticos latemperatura ambiente correspondiente a Inpuede alcanzar e incluso sobrepasar los 50ordmC dato
que debe dar una seguridad por ejemplo enlos paiacuteses caacutelidos
la intensidad de funcionamiento (Ith o Ithe)puede variar en funcioacuten de la temperaturaambiente y seguacuten el tipo de releacute teacutermico simpleteacutermico compensado electroacutenico (figura 15) loque puede permitir definir una corriente maacuteximade empleo diferente de In
Los paraacutemetros que intervienen en ladeterminacioacuten de desplazamiento portemperatura tienen en cuenta ademaacutes de latemperatura del aire alrededor del dispositivo (T i)
la temperatura liacutemite (TL) de los
componentes internos del interruptorautomaacutetico
1048573 temperatura maacutexima de funcionamiento delbimetal para un interruptor automaacutetico con releacutetermomagneacutetico
1048573 temperatura de los componenteselectroacutenicos para interruptores automaacuteticos conreleacute electroacutenico incorporado
1048573 la temperatura no debe transmitirse a losmateriales plaacutesticos los maacutes sensibles en uninterruptor automaacutetico con electroacutenicaintercambiable (releacute exteriorinterruptor abierto)Estas temperaturas liacutemite estaacuten comprendiasentre 100 y 150oC
la razoacuten entre la Ir del releacute y la corriente realde disparo cuando eacuteste estaacute a la temperatura
Bimetal
T TN
TN temperatura nominal de funcionamiento
T L temperatura liacutemite de funcionamiento
de definicioacuten de In K1Ir (figura 16)In
T ambiente
L
las secciones de los cables o las barras deconexioacuten que juegan un papel de radiador Suinfluencia se toma en cuenta para un coeficiente10485731114109917501 Curvas de desplazamiento tipo de los releacutes enK2funcioacuten de la temperatura
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Importante Debe tenerse en cuenta que laseccioacuten de los conductores utilizados esraramente igual a la que se emplea para losensayos de certificacioacuten de los interruptoresautomaacuteticos
El desplazamiento que tiene en cuenta estosdiversos criterios puede expresarsematemaacuteticamente
Foacutermula de desplazamiento
El interruptor automaacutetico y sus conductores deconexioacuten disipan esencialmente por conveccioacuten
Aparece por ello la relacioacuten
W1 = h S (TL - Ti)
siendo
W1 potencia disipada en W para un aparatoconectado dentro de una envolvente con unvolumen de aire a la temperatura T i
h = coeficiente de intercambio en Wm2 983226C
S superficie de intercambio en m2TL temperatura del punto caliente en 983226C (porejemplo el bimetal)
Ti temperatura del aire interno alrededor delaparato en 983226C
h = Cste S (TL - Ti)α
de donde W1 = Cste S (TL - Ti)1+α
Cuando el aparato se halla al aire libre a 40983226Cse tiene una relacioacuten similar
W2 = Cste S (TL - 40)1+α
de donde
1
1 L i W T
T
W T
402
L
Ademaacutes se sabe que1 = RIthe
2 y que W2 = RIr 2
W TL -T
y por tanto Ithe 1114109Ir
i
TL - 40
siendo Ithe la intensidad que recorre el aparato
Id = K1 x In y β = (1 + α)2
β coeficiente que caracteriza el tipo de dispositivoSe determina experimentalmente o por unanaacutelisis maacutes fino del comportamiento teacutermicodel elemento Su valor estaacute comprendido entre02 y 07
Relacioacuten final integrando ademaacutes el efecto
de las secciones (coeficiente K2)
TL
T iI 1114109
I K K
the n 1 2 TL
40
Los datos que corresponden alcomportamiento del interruptor automaacutetico y queintervienen en esta foacutermula estaacuten en losficheros que utiliza el programa informaacutetico alcalcular las temperaturas en el interior deltablero
tteacutermico
magneacutetico
curvaliacutemitedel cable
CR
LR
t
curvaliacutemitedel cable
retardocorto
retardolargo
Ir Irm Icu I Ir Irm Iins Icu I
ILR ICRIr = ajuste del releacute teacutermicoIrm = ajuste del releacute magneacutetico
zona
zona de
zona desobre-Icu = poder de corte uacuteltimo normal cortocircuitoscarga
10485731114109917501 Curvas de disparo de un interruptor automaacutetico
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6 Meacutetodo de caacutelculo de la temperatura en las envolventes
La modelizacioacuten presentada hasta ahora debeservir de base al desarrollo de nuestro meacutetodode caacutelculo que debe permitirnos determinar elfuncionamiento real del tablero (intensidadmaacutexima en cada derivacioacuten) y con ello utilizarel conjunto al maacuteximo con una seguridadgarantizada
61 Principio
El programa se desarrolla con dos bucles deiteraciones imbricadas con el fin de determinarel nivel permanente El primero concierne a laresolucioacuten del problema teacutermico el otro a loscoeficientes de desplazamiento
El esquema de caacutelculo se presenta en la figura17
1983210 etapa descripcioacuten de la configuracioacuten esdecir tipo de envolvente utilizado nuacutemero dedispositivos y su posicioacuten relativa A este nivel elprograma utiliza el fichero de aparatos pararecuperar los datos descritos con anterioridad
2983210 etapa descomposicioacuten de la envolvente ensus voluacutemenes isotermos (nudos de lamodelizacioacuten nodal)
3983210 etapa inicio de los nuacutecleos de iteracioacuten concaacutelculo
de la potencia disipada (en la primeraiteracioacuten los coeficientes de desplazamiento setoman igual a 1)
de los coeficientes de la matriz de admitanciaa partir de las ecuaciones de balance
de las temperaturas internas (resolucioacuten delproblema teacutermico)
Como acostumbra a suceder en teacutermica lasnumerosas relaciones entre paraacutemetrosprecisan de una definicioacuten iterativa con laelaboracioacuten de un programa del que vamos apresentar el principio
de los nuevos coeficientes dedesplazamiento comparaacutendolos con losanteriores Si el salto se juzga poco importante(prueba de paro de la iteracioacuten) se procede a unnuevo bucle calculando las nuevasintensidades que atraviesan cada aparato denuevo la potencia disipada
4983210 etapa salida de los resultados
Descripcioacuten de la configuracioacutenestudiada
Intensidad
Potencia disipadadentro de la envolvente
Coeficientes dedesplazamiento
Temperaturasiinteriores
10485731114109917501 Principio de funcionamiento de los programas
62 Descripcioacuten de los datos a suministrar y de los resultados obtenidos
Datos
tipo de envolvente ymaterial
iacutendice de proteccioacuten
temperatura ambiente alrededor de laenvolvente
nuacutemero de filas de dispositivos
denominacioacuten de los aparatos que permitensu localizacioacuten en el fichero
configuracioacuten del tablero y posicioacuten de los
dispositivos
Resultados
eleccioacuten de un juego de barras horizontal yvertical (seccioacuten) e intensidad en estas barras
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potencia teacutermica total disipada en el tablero
coeficiente de desplazamiento para cadadispositivo debido a las intensidades circulantes
eventualmente la temperatura alcanzada por
las barras y su nivel en las diferentes zonas deltablero
63 Configuraciones modelizadas
Es bien sabido que en un programa como elque se indica no pueden considerarse todas lasconfiguraciones de instalacioacuten imaginablesSolamente se consideran las maacutes comunes esdecir las que permiten responder al 90 de loscasos deseados Un ejemplo en la figura 18
Configuracioacuten 1 Configuracioacuten 2 Configuracioacuten 3sin aparato de entrada aparato de entrada
en posicioacuten altaaparato de entradaen posicioacuten baja
10485731114109917501 Configuraciones modelizadas
64 Resultados
Este progreso en el caacutelculo informaacutetico demodelos es especialmente interesante porquepermite efectuar los diversos estudios
Estudio detallado de una configuracioacutendeterminada para optimizar la posicioacuten de undispositivo o la eleccioacuten de un juego de barrasconocer la potencia disipada por el conjuntopara dimensionar una climatizacioacuten adaptada
El ejemplo siguiente se ha efectuado con unacolumna de un cuadro industrial de potenciacompartimentado forma 2 conteniendo
un juego de barras horizontal alimentando un
aparato de entrada y la columna adyacente un aparato de entrada de 2500 A diferentes interruptores automaacuteticos de caja
moldeada
El programa nos facilita entre otros los coeficientes de desplazamiento Kdesp las intensidades que circulan por cadaaparato Ir
Advertencia sobre el coeficiente Kdiv
Este coeficiente nos permite tener en cuenta elcoeficiente de diversidad o de esponjamientoderivacioacuten por derivacioacuten
Es decir los niveles de funcionamiento en uninstante dado de los diferentes aparatos
Por ejemplo en un instante dado 2derivaciones son solicitadas al maacuteximo y lasotras hasta el 05 de sus posibilidadesafectando al sistema teacutermico del conjunto
Los resultados se presentan en la hoja decaacutelculo de la figura 19
Tabla de desplazamiento para unaconfiguracioacuten dada
Esta posibilidad de utilizacioacuten del programasemejante a la utilizacioacuten anterior permite reunirpara una configuracioacuten frecuente losdesplazamientos de los diferentes dispositivosteniendo en cuenta su posicioacuten real en el
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tablero las secciones de los conductoresutilizados los iacutendices de proteccioacuten y de latemperatura ambiente exterior
En la figura 20 se puede ver un ejemplo de uncuadro industrial de potencia con los datosdetallados de los dispositivos instalados en columna
Tabla de desplazamiento para un tipo dedispositivo
Para la mayor parte de interruptoresautomaacuteticos de caja moldeada eldesplazamiento es relativamente independientede la configuracioacuten
Masterbloc MB200 IP = 31
Tabla con aparato de llegada en posicioacuten alta alimentada con JdB horizontal
Referencia Posicioacuten Kdespl Kdiv Ia(A) Or(A)
M25H 1 12 88 1 2200 2200
NS630ST 17 21 93 1 586 518
NS630ST 22 26 96 1 605 534
NS400ST 27 31 1 1 400 353
NS400ST 32 36 1 1 400 353
NS250D250 37 40 1 1 250 221
NS250D250 41 44 1 1 250 221
Juego de barras horizontal
intensidad 2200 A
M 25
NS 630
NS 630
NS 400
NS 400
NS 250
NS 250
seccioacuten 1 4 barras de 100 5
Juego de barras vertical
intensidad 2200 A Temperatura JdB horizontal 95oC
seccioacuten 1 4 barras de 80 5Temperatura JdB vericalTemperatura ambiente
104oC35oC
Temperatura del techo 70oCPotencia total disipada 1953 W Temperatura JdB horizontal 75oCdetalle en dispositivos 593 W Temperatura aparellaje alto 68oC bajo 35oC
en auxiliares 0 W Temperatura auxiliar alto 52oC bajo 35oC juegos de barras + derivaciones 1271 W Temperatura JdB + derivaciones alto 77oC bajo 35oC juego de barras horizontal 89 W Temperatura conexiones alto 58oC bajo 35oC
10485731114109917501 Resultados del caacutelculo para una configuracioacuten determinada
IP31
Tdeg amb 35 40 45 50 55
M25 09 087 084 081 079M16 097 094 091 088 086M08 1 1 1 1 1
IP 4254
Tdeg amb 35 40 45 50 55
M25 079 077 075 073 071M16 087 085 083 081 079M08 1 1 1 1 1
3b 1005
3b 1005
2b 805
2b 805
1b 635
1b 635
3b 1005
4 b
8 0 5
1 b 8
0 5
M 252500 A
M 161600 A
M 08800 A
hueco
x
x
x
10485731114109917501 Desplazamiento de los interruptores automaacuteticos descritos en funcioacuten de la temperatura ambiente
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Los coeficientes de desplazamiento seestablecen por exceso situando los dispositivos enlo alto del tablero o del compartimento
Ver a tiacutetulo de ejemplo la figura 21
Curvas caracteriacutesticas del comportamientoteacutermico de un tipo de envolvente
Se establecen dos tipos graacuteficos
un conjunto de curvas que permitendeterminar la temperatura media en el interiorde una envolvente determinada en funcioacuten de lapotencia disipada y de la temperatura ambienteexterior
En la figura 22 se indican estas curvas para untablero de distribucioacuten no compartimentado
unas curvas que permiten determinar lapotencia que estas envolventes pueden disiparpara un calentamiento definido en funcioacuten desus caracteriacutesticas dimensionales
Ejemplo temperatura ambiente exterior 35 oCcalentamiento maacuteximo admisible ∆Ta = 30 oC
1048573 tablero altura 2 m anchura 09 mprofundidad 04 m
potencia disipable 850 W
1048573 tablero altura 2 m anchura 09 mprofundidad 06 m
potencia disipable 1000 W seguacuten curvas de lafigura 23
IP 31 IP 4254
Tdeg amb 35 40 45 50 55 35 40 45 50 55
NS100 100 100 100 100 95 100 95 90 85 80
NS160 160 155 150 145 140 150 140 135 125 120
NS250 235 225 220 210 200 205 195 180 170 165
NS400 380 370 360 350 340 350 340 330 320 310
NS630 540 520 510 500 485 485 475 465 450 440
10485731114109917501 Ejemplo de intensidades de corriente (en A) de disparo de interruptores automaacuteticos Compact NS
instalados dentro de una envolvente de BT determinada
Temperaturamedia en oC
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Tamb 60oC
Tamb 55oC
Tamb 50o
CTamb 45oCTamb 40oCTamb 35oC
Tamb 25oC
Dimensiones de
la envolventealto 2 mancho 09 mprofundo 04 m
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Potencia disipada en vatios
10485731114109917501 Temperatura media del aire en el interior de un armario de distribucioacuten metaacutelico IP2 y de forma 1
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Envolvente de 400 mmde profundidad
Potencia disipadaen vatios
1600
1400 T = 40oC
1200
1000 T = 30oC
800
T = 20oC600
400T = 10oC
200
800 900 1000 1100
Anchura en mm
Envolvente de 600 mmde profundidad
Potencia disipadaen vatios
1600 T = 40o
C
1400T = 30oC
1200
1000
T = 20oC1000
600
400 T = 10oC
200
800 900 1000 1100
Anchura en mm
10485731114109917501 Potencia disipable por calentamiento en una envolvente dada en funcioacuten de su anchura Curvas que se
refieren a un gabinete metaacutelico de formas 1 de 2 metros de altura
65 Resultados experimentales
Se han efectuado ensayos de calentamiento enel laboratorio Ampegravere de ASEFA con diversostipos de envolventes cofrets de plancha oplaacutestico armarios Prisma tableros de
distribucioacuten MasterblocDurante estos ensayos se han medido
temperaturas
1048573del aire en diferentes zonas de la envolvente
1048573de los conductores juego de barras yderivaciones
1048573de los puntos calientes de los dispositivos(bimetal ambiente electroacutenico)
intensidades
paraacutemetros que intervienen en lamodelizacioacuten en particular los coeficientes deintercambio aireparedes
Estas mediciones han permitido por una parte
verificar la conformidad a la norma IIEC 604311 deciertos valores (liacutemites de calentamientomencionados en el capiacutetulo 12 sobre lasnormas) y por otra parte para validar el modelo
En lo referente a las temperaturas del aire ladiferencia entre los valores medidos ycalculados depende del tipo de envolventemodelizada ya que al nivel de la modelizacioacuten
los supuestos difieren seguacuten que se considerelas envolventes compartimentadas o no
Sobre el conjunto de ensayos efectuados encuadros de diferentes formas(compartimentados o no) las diferenciasmaacuteximas constatadas han sido siempreinferiores a 6983226C
Las temperaturas calculadas para los juegos debarras muestran tambieacuten una concordancia conlas mediciones y han permitido validar elprograma informaacutetico
En referencia a las intensidades lasdesviaciones en valor medio son inferiores al5 En una homologacioacuten reciente de unaconfiguracioacuten de cuadro Masterbloc encalentamiento el programa ha permitido preverel nivel de funcionamiento del cuadro
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7 Meacutetodo propuesto por el documento IEC 60890
No hace mucho tiempo atras los gabinetes eleacutectricos
se escogiacutean equipaban y llenaban en funcioacutende la experiencia tambieacuten en lo que se refierea la tasa de llenado y a la variacioacuten de latemperatura en el tablero durante elfuncionamiento
Por ejemplo Temperatura exterior maacutexima
30983226C y 60983226C en el interior (los fabricantes de
aparamenta dan de margen hasta los 60983226C)
Esta praacutectica conduciacutea o a una pobre utilizacioacuten
del material o a actuaciones intempestivas de
las protecciones tenieacutendose la necesidad de
trabajar con las puertas abiertas
El meacutetodo propuesto por la recomendacioacuten
IEC aunque no se trate de una norma sino de
una guiacutea es de un intereacutes evidente Se
presenta detalladamente en el anexo de la
norma NFC 63410 o en la recomendacioacuten de la
IEC Ndeg 60890
Debemos de recordar los fundamentosmostrando los liacutemites y comparando con elmeacutetodo presentado en este Cuaderno Teacutecnico
En principio este meacutetodo se aplica aenvolventes a las que se puedan aplicar lassiguientes hipoacutetesis
reparto uniforme de la potencia disipada
el equipamiento se dispone de manera que no sedificulte la circulacioacuten de aire
no maacutes de 3 separaciones horizontales
Datos necesarios
dimensiones de la envolvente
potencia disipada en el interior (equipamiento
conductores)
tipo de instalacioacuten (envolvente aislada osituado en un extremo) (figura 24)
Caacutelculo
la temperatura se calcula uacutenicamente en 2
puntos de la envolvente
a media altura
T05 = Ta + ∆T050804siendo ∆T05 = dk Pw
d es un coeficiente que tiene en cuenta laexistencia de separaciones horizontales
1048573Si Ae lt 125 m2 d =1 (definicioacuten de Ae queveremos inmediatamente)
Si Ae gt 125 m2
Factor de repartode temperatura c165
116 2
3155 4
515
145
14
135
13
125
12
115
11
105
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Factor fCurvaTipo de instalacioacuten
1 Tapas separadas quitadas por todos los lados 3 Tapas separadas en montaje mural 2 Primera o uacuteltima tapa quitada
3 Tapa central quitada
5 Tapa central en montaje mural 4 Tapa central en montaje mural y con la parte
superior abierta
10485731114109917501 Factor de distribucioacuten de temperatura c para
envolventes sin orificios de ventilacioacuten y con una
superficie efectiva de enfriamiento A gt 125 m2 e
Valor de la superficie efectiva Constantede refrigeracioacuten Ae en m 2 de envolvente k
0 4
038
1 036
03415 032
2 03
028
3
25
026
4 024
5 022
6 0278 018
10 016
12 01414
01201
008
100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650
Seccion de los orificios de entrada de aire en cm2
10485731114109917501 Constante de la envolvente k para una
envolvente con orificio de ventilacioacuten y una superficie
efectiva de enfriamiento A gt 125 m2 e
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d = 1 con o sin orificios de ventilacioacuten sin
ninguna separacioacuten
d = 105 con o sin orificios de ventilacioacuten para
1 de separacioacuten
d = 115 oacute 110 con orificios de ventilacioacuten para 2 separaciones
d = 130 oacute 115 con orificios de ventilacioacuten para
3 separaciones
k es una constante que caracteriza laenvolvente su valor se determina con aacutebacos(figura 25) y es funcioacuten de la superficie deintercambio de la envolvente Ae (m2)
Ae = Σ Aob oacute Ao es la superficie geomeacutetrica delas diferentes paredes de la envolvente
b es una constante que tiene en cuenta el tipode instalacioacuten
Valores de b
1048573parte superior abierta b = 14
1048573
parte superior cubierta b = 071048573paredes laterales abiertas b = 09
1048573paredes laterales tapadas b = 05
1048573paredes laterales deenvolventes centrales b = 05
1048573parte inferior b = 0
Pw potencia disipada en Watt en la partealta de la envolvente
T1 = Ta + ∆T1
siendo ∆T1 = c ∆T05 o ∆T05 representa elcalentamiento precedente
c es una constante de calentamientodeterminada a partir de aacutebacos
Por ejemplo en el aacutebaco de la figura 24 c es
funcioacuten de Ae y de uno de los factores f o g
f = h135
(L P) si Ae gt 125 m2
g = h135L si Ae lt 125 m2
Liacutemites
Los liacutemites esenciales de este meacutetodo son
que se aplica bien a las envolventes nocompartimentadas de tipo gabinete y no a los
tableros de potencia muy compartimentados
que no tiene en cuenta la posicioacuten de lasfuentes de calor que la mayor parte de vecesno estaacuten repartidas de forma uniforme
Comparacioacuten con nuestra aproximacioacuten
Se constata que las aproximaciones danresultados similares para los tableros no
compartimentados y con fuentes de calorrepartidas (figura 26)
En lo que se refiere a las envolventes muycerradas la localizacioacuten de las fuentes de calory los intercambios entre las diferentes zonasinfluyen mucho en el calentamiento
Temperatura en oC
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Temperatura calculada seguacuten la norma
Temperatura calculada con el programa de MG
Temperatura del aire ambiente 35 oC
Dimensiones de la envolvente
alto 2 m
ancho 09 m
profundo 04 m
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
Potenciadisipada en Watt
Fig 26 Temperatura del aire a media altura en un tablero metaacutelico de distribucioacuten IP2 y de la forma 1
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8 Conclusioacuten
La importancia de los tableros eleacutectricos en la
distribucioacuten no hay que demostrarla
En cuanto a la disponibilidad de la energiacutea
eleacutectrica y de la seguridad de funcionamiento resulta indiscutible que el control teacutermico de los
tableros eleacutectricos es un objetivo fundamental
Las normas que se refieren a las envolventes ya los productos determinan los liacutemites teacutermicosque no hay que sobrepasar
Les queda a los profesionales convertirse enlaquoarquitectos teacutermicosraquo del disentildeo de lasenvolventes y tableros eleacutectricos hoy es ya
cosa hecha incluso para los tableros de serie
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3 Comportamiento teacutermico de un tablero eleacutectrico en BT
Un tablero eleacutectrico es un sistema compuestode un fluido (el aire) y de cuerpos soacutelidos en losque el paso de corriente eleacutectrica vaacompantildeada de peacuterdidas de energiacutea queprovocan una elevacioacuten de temperatura
31 Repaso sobre los principales fenoacutemenos teacutermicos
Los intercambios teacutermicos permiten describir elcomportamiento de un sistema cualquiera en elque el sistema es un tablero eleacutectrico
Contemplan tres tipos de fenoacutemenos diferentes
Fenoacutemeno de conduccioacuten que corresponde auna transferencia de calor al interior de cuerpossoacutelidos (figura 3) Se distinguen
por una parte los fenoacutemenos de conduccioacutensimple para los que el cuerpo considerado noes la base de ninguacuten fenoacutemeno teacutermico porejemplo conduccioacuten al interior de un muro
por otra parte los fenoacutemenos de conduccioacutenviva donde el cuerpo estudiado es la base deuna creacioacuten de calor por ejemplo barra decobre recorrida por una corriente eleacutectrica
Los caacutelculos relativos a la transmisioacuten de calorpor conduccioacuten se basan en la ley de Fourierque para las geometriacuteas simples se reduce a larelacioacuten
917501ij 1114109 1048573S Ti
T j 1048573d
La evolucioacuten hacia el equilibrio teacutermico serealiza por transferencia del calor desde laspartes activas dispositivos conductores)donde se genera dicho calor hacia las partesen contacto con el exterior que lo transmiten asu alrededor al medio que los rodea
siendoΦij = flujo caloacuterico transmitido entre dos puntos i y j enW λ = conductividad teacutermica en Wm oC S = superficie de transmisioacuten en m2 Ti T j = temperaturas de los dos puntos en oC d = distancia entre los dos puntos en m λ es una caracteriacutestica del medio laquoconductorraquo Su valor es funcioacuten de la temperatura pero a
menudo se considera como una constante
Por ejemplo algunos valores de λ en Wm oC
Plata λ = 420
Cobre λ = 385
Aluminio λ = 203
Acero λ = 45
Materiales plaacutesticos λ = 02
Asfalto λ = 0935
Piedra λ = 0657
Lana de vidrio λ = 0055
Aire (30 oC) λ = 0026
10485731114109917501 Impedancia de las conexiones
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Fenoacutemeno de radiacioacuten corresponde a latransferencia de calor entre cuerpos soacutelidosseparados por un medio maacutes o menostransparente (figura 4)
Estos intercambios que se establecen entre lassuperficies de cuerpos cualesquiera dispuestosuno frente a otro se representan por relacionesbastante complejas en las que intervienen
la emisioacuten del soacutelido que si es consideradocomo un cuerpo negro no es funcioacuten de sutemperatura
los estados de superficie representado pormedio del coeficiente de emisividad e quecaracteriza el grado de las superficies de estoscuerpos con referencia al cuerpo negro
los fenoacutemenos de reflexioacuten y de absorcioacuten
la disposicioacuten de las superficies unasrespecto a las otras por la intermediacioacuten de losfactores de forma
Sin embargo en el caso particular de unasuperficie (por ejemplo j) que envuelvecompletamente a la otra (i) y tal que la razoacutenSiS j sea de valor bajo estas expresiones sesimplifican y se llega a
Φi = εi σ Si (Ti4 - T j
4)
siendo
Φi = flujo de calor transmitido a traveacutes de la
superficie Si en W εi = coeficiente de emisividad en la superficie S i
σ = constante de Stefan-Boltzmann
(567032 x 10-8 W m-2 K-4) Si = superficie en m2 Ti T j = temperatura de las superficies en
transmisioacuten en K
Fenoacutemenos de conveccioacuten bajo el teacutermino
general de conveccioacuten se funden de hecho dos
fenoacutemenos diferentes que a menudo se auacutenan
el fenoacutemeno de conveccioacuten propiamentedicho que corresponde a una transferencia decalor entre un cuerpo soacutelido y un fluido enmovimiento Seguacuten el origen del movimiento delfluido se distingue la conveccioacuten natural y laconveccioacuten forzada (figura 5)
Estas transferencias se caracterizan por loscoeficientes de intercambio hi
Φi = hi Si (Tf - Ti)
siendo
Φi = flujo de calor transferido a la superficie Si
en W hi = coeficiente de intercambio en Wm2 oC Tf Ti = temperaturas del fluido y de la superficie
de transferencia en oC
Desde un punto de vista fiacutesico el problema de
intercambio de calor por conveccioacuten estaacute
fuertemente relacionado a un problema de
mecaacutenica de fluidos
10485731114109917501 Fenoacutemenos de radiacioacuten
10485731114109917501 Fenoacutemenos de conveccioacuten
Desde un punto de vista praacutectico el problemapuede abordarse simplemente por utilizacioacuten decoeficientes de intercambio donde la expresioacutenhace intervenir
1048573 los paraacutemetros que describen la
transferencia de flujo del fluido (velocidad)1048573 las propiedades fiacutesicas del fluido(conductividad teacutermica viscosidad dinaacutemicacapacidad caloriacutefica masa volumeacutetrica)asociadas a menudo bajo forma de nombressin dimensioacuten o caracteriacutesticas (como NusseltPrandtl Reynolds Grasshof)
Por ejemplo expresioacuten del coeficiente deintercambio en conveccioacuten natural para unageometriacutea simple placa plana vertical de alturaL a una temperatura uniforme
Nu h =
Dh
siendo
Nu = nuacutemero de Nusselt 053(GrPr)025 dondeGr y Pr son respectivamente los nuacutemeros deGrasshof y de Prandtl funcioacuten de laspropiedades fiacutesicas del fluido y del salto detemperatura entre el fluido y la superficie detransmisioacuten
λ = conductividad teacutermica del fluido (Wm oC)Dh = dimensioacuten caracteriacutestica (m)
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Habitualmente esta magnitud corresponde a lamayor dimensioacuten del cuerpo soacutelido en contactocon el fluido en movimiento aquiacute L
Importante Es interesante notar que elcoeficiente de intercambio depende del salto detemperatura solamente a la potencia 025 Portanto h = K(∆t)025
el fenoacutemeno de movimientos convectivosque corresponde a la transferencia de calor enel seno de un fluido por medio de los bucles deconveccioacuten que explican por ejemplo elgradiente de temperatura observado entre laspartes baja y alta de un volumen de fluidocerrado sede de fenoacutemenos teacutermicos
Los movimientos de aire entre dos voluacutemenes iy j se caracterizan por las diferencias de masafuncioacuten de las secciones de paso y de lavelocidad de circulacioacuten (figura 6)
La transferencia de calor se representa por
Φij = M cp (Ti - T j)
siendo
Φij flujo de calor transferido entre i y j en W
M circulacioacuten maacutesica en kgs
cp capacidad caloriacutefica del fluido en Jkg oCTi T j temperatura del fluido en los voluacutemenes iy j en oC
Nota la transferencia de calor viene impuestapor el sentido de circulacioacuten
Expresioacuten de la velocidad del fluido en el casode la conveccioacuten natural el fluido se pone enmovimiento entre los puntos i y j por susvariaciones de masa volumeacutetrica con la
temperatura La velocidad se supone seraacute proporcional a las
citadas variaciones funcioacuten de la diferencia de
temperatura entre i y j
V 1114109Cste g Dij ij
siendo
∆ρ ρ variacioacuten relativa de masa volumeacutetricag aceleracioacuten de la gravedad en ms2Dij distancia entre los dos puntos i y j en m
Ademaacutes si se supone que el fluido consideradotiene un comportamiento de gas perfectoentonces
∆ρρ = β (Ti T j) de donde
Vij 1114109
Cste Ti
T j 1048573
g Dij
1siendo 1114109
(en caso de un gasTi T j 1048573 2
perfecto)
Ti T j temperatura del fluido en ordmK
Estas foacutermulas corresponden a movimientos de
voluacutemenes de fluidos ascendentes o
descendentes En el caso de movimiento de
fluido junto a una pared se trata de un
problema doble teacutermico-hidraacuteulico que puede
resolverse en algunos casos de forma analiacutetica
(desplazamiento laminar a lo largo de una
pared)
En este caso la velocidad del fluido a lo largo de
la pared presenta una expresioacuten similar es
decir es proporcional a una diferencia de
temperaturas (fluido-pared)
Ver en la terminologiacutea como repaso la
definicioacuten grado Celsius Kelvin y Fahrenheit
10485731114109917501 Fenoacutemenos del movimiento de conveccioacuten
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32 intercambios al nivel de un Tablero
En el esquema de la figura 7 se presentan loselementos que constituyen el sistema
estudiado aire ambiente envolvente aireinterno y las diferentes fuentes de calor Estadescripcioacuten del estado teacutermico del tablero nos
muestra que todos los fenoacutemenos deintercambios descritos hasta aquiacute debentenerse en cuenta y estaacuten fuertementeinterrelacionados
Por ejemplo
la temperatura del aire interno resulta
1048573de los intercambios por conveccioacuten entre elaire interno y las superficies de los diferentesdispositivos de los conductores y de las paredes
1048573del calor transportado por los movimientosconvectivos del aire
Al nivel de la dispositivos el calor generadopor efecto Joule es intercambiado
1048573por conveccioacuten entre su superficie deintercambio y el aire interno
1048573por conduccioacuten entre las barras y los cables
1048573por radiacioacuten con las paredes de laenvolvente y las superficies de los otrosdispositivos
Los fenoacutemenos maacutes importantes que
intervienen en el comportamiento del conjuntoson los fenoacutemenos de conveccioacuten
Temp ambiental
Paredes del local
s
Envolvente
Conduccioacuten
Radiacioacuten
Conveccioacuten
Movimientos de conveccioacuten
s
Temp interior
Conductores
JdB horizvert Dispositivos
t( (
t
10485731114109917501 Comportamiento teacutermico de una emvolvente
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4 Presentacioacuten de la modelizacioacuten
41 Principio
Todos los meacutetodos de resolucioacuten se basan en eldesarrollo de un sistema de modelizar enbloques elementales que es un meacutetodo deMonte-Carlo de diferencias finitas o deelementos finitos
El meacutetodo empleado el anaacutelisis nodal estaacutededucido de una aproximacioacuten a las diferenciasfinitas Esta teacutecnica si bien claacutesica presenta elintereacutes de poder representar el comportamientoteacutermico de un sistema complejo teniendo encuenta las interacciones entre las diferentespartes o componentes que lo constituyen
Por ejemplo puede utilizarse en dominios muydiversos para describir el comportamiento de unsateacutelite artificial de un motor eleacutectrico lascondiciones climaacuteticas en el interior de uncentro de transformacioacuten o de un edificio devarias viviendas
En principio este meacutetodo consiste endescomponer el sistema estudiado endiferentes voluacutemenes isoteacutermicosdenominados nudos A cada nudo se asociandiferentes paraacutemetros entre otros unatemperatura y eventualmente un aporte decalor independiente de los intercambiosteacutermicos Seguidamente se efectuacutean unosacoplamientos entre nudos es decir losdiferentes intercambios entre los voluacutemenesque nos permiten escribir unas ecuaciones debalance (conservacioacuten de la energiacutea y demateria en el elemento de volumen unido a unnudo determinado) Este meacutetodo quecorresponde de hecho a una discretizacioacutenespacial del sistema nos conduce a definir unared teacutermica con sus nudos sus capacidades
Magnitudes teacutermicas Magnitudes eleacutectricas
Temperatura Potencial
Resisteacutencia teacutermica Resistencia eleacutectrica
sus fuentes de calor sus conductancias quetraducen los diferentes acoplamientos entrenudos (analogiacutea entre los fenoacutemenos eleacutectricosy teacutermicos) (figura 8)
Se llega asiacute a un sistema de ecuacionesemparejadas eventualmente no lineales quenos permitiraacuten definir una matriz la matriz deadmitancia teacutermica Soacutelo falta entoncesprecisar los valores numeacutericos de los elementosde esta matriz que corresponden a lasconductancias teacutermicas
Expresioacuten de las conductancias por tipo deintercambio
Conduccioacuten Gij = λ i Sij Dij
Radiacioacuten Gij = α σ ε S Fij (Ti + T j)(Ti2 + T j
2)
Conveccioacuten Gij = hi Sij
Movimiento convectivo Gij = M cp
Expresioacuten del flujo teacutermico equivalente de laintensidad eleacutectrica
1I1114109 1048573U
R
1 2 3 4
Nudo 1 aire interiorNudos 2 y 3 paredes interiores y exterioresNudo 4 aire ambiente exterior
representa los intercambiospor conduccioacuten
representa los intercambios
por conveccioacuten
representa los intercambiosFlujo de calor Corrientepor desplazamiento del aire
U representa el aporte de calorΦ = G (T2 - T1) I1114109
1 1048573R en el nudo 1
repesenta la capacidad caloriacuteficaCapacidad teacutermica Capacidad eleacutectricaasociada a cada nudo
10485731114109917501 Correspondencia entre magnitudes teacutermicas y 10485731114109917501 Representacioacuten nodal simplificada -modelizacioacuten
eleacutectricas de una pieza
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Φij = Gij (Ti + T j)
siendo
Φij = flujo energeacutetico intercambiado entre los
nudos i y j
Gij = conductancia entre i y j funcioacuten del tipo de
intercambio considerado
Ti T j = temperaturas asociadas a los nudos i y j respectivamente
Tomamos como ejemplo la modelizacioacuten de
una pieza en la que hay una fuente de calor
Se ha descompuesto este sistema en 4 nudos
1 para el aire interno 2 para las paredes (interna y externa) 1 para el aire ambiente exterior
Representacioacuten nodal (simplificada) en lafigura 9
Ecuaciones que traducen los flujos teacutermicospara este sistema simple
nudo 1
Q1 - h12 S12 (T1 - T2) + M41cp (T4 - T1)
- M14cp (T1 - T4) = 1 V1 cp1 T1
nudo 2
2 S23- (T2 - T3) =
d23
h12 S12 (T1 - T2)
= 2 V2 cp2 T2
42 Modelizacioacuten de la conveccioacuten
Como se ha indicado anteriormente en elcapiacutetulo 2 en el teacutermino de conveccioacuten seemparejan a menudo dos fenoacutemenos(intercambios cuerpo-fluido e intercambios en elmismo fluido)
nudo 3
2 S23- (T2 - T3) - h34 S34 (T3 - T4) =
d23
= 2 V2 cp2 T2
nudo 4
h34 S34 (T3 - T4) + M14cp (T1 - T4)
- M41cp (T4 - T1) = 4 V4 cp4 T4
Importante los teacuterminos T i que corresponden adTidtla expresioacuten Estos teacuterminos no se toman
en consideracioacuten ya que soacutelo interesa elreacutegimen permanente es decir con lastemperaturas estabilizadas
A partir de estas ecuaciones se deduce elsistema de ecuaciones [G] [T] = [R]correspondiente seguro a
Φij = Gij (Ti - T j)
donde
G la matriz de admitancia teacutermicaT el vector de temperaturas desconocidasR el vector de las solicitaciones impuestas(fuentes de calor Q1 temperatura )
Este tipo de proceso ha permitido elaborar loscoacutedigos de caacutelculo y las reglas propias a losproblemas teacutermicos de los edificios
La modelizacioacuten de los intercambios porconveccioacuten debe dividirse en dos partes unadescribiendo las peacuterdidas maacutesicas (movimientosde aire) y otra describiendo los intercambiosteacutermicos (coeficientes de intercambio) con unadependencia mutua entre ellos por transferenciamaacutesicateacutermica ((figura 10)
Movimientos del aire Esquema nodal correspondiente que muestralos dos aspectos de la conveccioacuten
10485731114109917501 Modelizacioacuten maacutesica y teacutermica de la conveccioacuten
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43 Aplicacioacuten a las envolventes en BT
Distinguimos para la modelizacioacuten dos grandesgrupos de envolventes
Envolventes no compartimentadasEn este caso el esquema nodalcomo se muestra en la figura 11 es semejanteal del esquema de la figura 10 integrando lasfuentes de calor
Envolventes fuertemente compartimentadoscon o sin ventilacioacuten natural
A nivel de modelizacioacuten son posibles dosplanteamientos
n bien modelizando cada zona del tablerocomo se ha visto anteriormente asociando enconjunto los diferentes voluacutemenes Este sistemaconduce a matices demasiado complicadoscuando como es normal aparecen una decena
de zonas a asociar
aireambiente
10485731114109917501 Envolvente no-cerrada
o bien tratando el sistema globalmente sinmodelizar los bucles de conveccioacuten en el
interior de los diferentes voluacutemenes y noteniendo en cuenta la circulacioacuten de aire entrezonas (figura 12)
Estas modelizaciones nos han conducido aelaborar programas informaacuteticos adaptados acada tipo de envolvente Todos estosprogramas estaacuten estructurados de la mismaforma
Antes de entrar maacutes en detalle en la utilizacioacutende un programa (capiacutetulo 6) conviene conocermejor las fuentes de calor (juegos de barrasaparatos ) para determinar el nivel defuncionamiento real de un cuadro
abertura
aireambiente
zona A zona B
zona A zona B
10485731114109917501 Caso de una envolvente cerrada
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5 Comportamiento de las fuentes de calor Caracteriacutesticas
Las fuentes de calor consideradas en lamodelizacioacuten son los juegos de barras losconductores de interconexioacuten y los aparatoseleacutectricos
Referente a estos uacuteltimos los consideramoscomo laquolas cajas negrasraquo disipando caloriacuteas y
51 Los juegos de barras
Los juegos de barras se calculan de forma queverifiquen dos condiciones poder soportar el paso de la corrientenominal necesaria sin provocar uncalentamiento de las barras que pueda provocarun deterioro de los aislantes que soportan lasbarras Por ejemplo las barras pueden estardimensionadas de forma que no superen enreacutegimen permanente una temperatura de110983226C valor este que es enteramentedependiente de la naturaleza de los materialesaislantes en contacto con las barras porejemplo los soportes La tabla de la figura 13da para una temperatura ambiente de 50983226C y65983226C unos valores de temperatura para los
juegos de barras poder soportar una corriente de cortocircuitosin provocar deformaciones notables en lasbarras rotura de los soportes aislantes ocalentamiento excesivo
no como nudos de la modelizacioacuten Es decirque no se calcula su temperatura defuncionamiento sino la intensidad maacutexima quepueden soportar para una configuracioacuten deinstalacioacuten determinada con el fin de no exceder
su temperatura liacutemite de utilizacioacuten
La segunda condicioacuten corresponde a unproblema de esfuerzos electrodinaacutemicos ypuede estudiarse separadamente aunque laprimera necesita conocer el nivel defuncionamiento del conjunto
En particular hay que tener en cuenta latemperatura del aire que envuelve las barraspara dimensionarlas de forma precisa y evitarque sobrepasen una temperatura criacutetica que esfuncioacuten principalmente de la naturaleza delmaterial utilizado para los soportes
Asiacute conociendo la temperatura del aire en lasdiferentes zonas del tablero podemosdeterminar la temperatura delas barras en funcioacuten de sus caracteriacutesticas(dimensiones forma disposicioacuten) y validar eldimensionamiento
Importante En referencia a los caacutelculos de flujoteacutermico se considera que las barras disipan elcalor principalmente por conveccioacuten y radiacioacutenal aire interno
Temperatura Seccioacuten Intensidad Potencia Temperaturaaprox de las barras disipada (A) de las barras (W) (oC)
50 1 barra 100 x 5 1000 45 79
50 1 barra 100 x 5 1500 107 109
50 3 barras 100 x 5 1500 10 65
50 3 barras 100 x 5 3400 61 110
65 1 barra 100 x 5 1000 45 92
65 3 barras 100 x 5 1500 11 80
10485731114109917501 Valores teacutermicos relativos a un juego de barras de una longitud de 1 m situados en un ambiente dado
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52 Los Dispositivos
En los tableros de distribucioacuten eleacutectrica los
interruptores automaacuteticos constituyen el nuacutecleoprincipal de los dispositivos de potencia Ellos ylos demaacutes componentes como por ejemplo loscontactores disipan
Examinemos con maacutes detalle los interruptores
automaacuteticos frente a los problemas teacutermicos La potencia disipada es proporcional alcuadrado de la intensidad que los recorre
2sus caloriacuteas cuando son recorridos por la IPW PNcorriente eleacutectrica In
La tabla de la figura 14 nos facilita a tiacutetuloindicativo algunos valores de potencia disipadapor fase (por polo)
Interruptores automaacuteticosPotencia medida con watiacutemetro y no calculada a partirde la medida de la resistencia
In (A) 250 400 630 800
Pw - versioacuten fija 141 19 40 416
con In en 197 30 52 58versioacuten desenchufable
Contactores
I
n (A) 265 400 630 780Pw con In 22 45 48 60
10485731114109917501 Potencia disipada por polo a In en la
aparamenta claacutesica
Electroacutenico
Desplazamientovoluntario
compensado
Bimetal simple
donde PN representa la potencia disipada a laintensidad nominal de empleo In
La intensidad nominal de empleo (In) de uninterruptor automaacutetico corresponde a unatemperatura ambiente determinada por ejemplo40oC fijada por la norma de construccioacuten Dehecho para ciertos interruptores automaacuteticos latemperatura ambiente correspondiente a Inpuede alcanzar e incluso sobrepasar los 50ordmC dato
que debe dar una seguridad por ejemplo enlos paiacuteses caacutelidos
la intensidad de funcionamiento (Ith o Ithe)puede variar en funcioacuten de la temperaturaambiente y seguacuten el tipo de releacute teacutermico simpleteacutermico compensado electroacutenico (figura 15) loque puede permitir definir una corriente maacuteximade empleo diferente de In
Los paraacutemetros que intervienen en ladeterminacioacuten de desplazamiento portemperatura tienen en cuenta ademaacutes de latemperatura del aire alrededor del dispositivo (T i)
la temperatura liacutemite (TL) de los
componentes internos del interruptorautomaacutetico
1048573 temperatura maacutexima de funcionamiento delbimetal para un interruptor automaacutetico con releacutetermomagneacutetico
1048573 temperatura de los componenteselectroacutenicos para interruptores automaacuteticos conreleacute electroacutenico incorporado
1048573 la temperatura no debe transmitirse a losmateriales plaacutesticos los maacutes sensibles en uninterruptor automaacutetico con electroacutenicaintercambiable (releacute exteriorinterruptor abierto)Estas temperaturas liacutemite estaacuten comprendiasentre 100 y 150oC
la razoacuten entre la Ir del releacute y la corriente realde disparo cuando eacuteste estaacute a la temperatura
Bimetal
T TN
TN temperatura nominal de funcionamiento
T L temperatura liacutemite de funcionamiento
de definicioacuten de In K1Ir (figura 16)In
T ambiente
L
las secciones de los cables o las barras deconexioacuten que juegan un papel de radiador Suinfluencia se toma en cuenta para un coeficiente10485731114109917501 Curvas de desplazamiento tipo de los releacutes enK2funcioacuten de la temperatura
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Importante Debe tenerse en cuenta que laseccioacuten de los conductores utilizados esraramente igual a la que se emplea para losensayos de certificacioacuten de los interruptoresautomaacuteticos
El desplazamiento que tiene en cuenta estosdiversos criterios puede expresarsematemaacuteticamente
Foacutermula de desplazamiento
El interruptor automaacutetico y sus conductores deconexioacuten disipan esencialmente por conveccioacuten
Aparece por ello la relacioacuten
W1 = h S (TL - Ti)
siendo
W1 potencia disipada en W para un aparatoconectado dentro de una envolvente con unvolumen de aire a la temperatura T i
h = coeficiente de intercambio en Wm2 983226C
S superficie de intercambio en m2TL temperatura del punto caliente en 983226C (porejemplo el bimetal)
Ti temperatura del aire interno alrededor delaparato en 983226C
h = Cste S (TL - Ti)α
de donde W1 = Cste S (TL - Ti)1+α
Cuando el aparato se halla al aire libre a 40983226Cse tiene una relacioacuten similar
W2 = Cste S (TL - 40)1+α
de donde
1
1 L i W T
T
W T
402
L
Ademaacutes se sabe que1 = RIthe
2 y que W2 = RIr 2
W TL -T
y por tanto Ithe 1114109Ir
i
TL - 40
siendo Ithe la intensidad que recorre el aparato
Id = K1 x In y β = (1 + α)2
β coeficiente que caracteriza el tipo de dispositivoSe determina experimentalmente o por unanaacutelisis maacutes fino del comportamiento teacutermicodel elemento Su valor estaacute comprendido entre02 y 07
Relacioacuten final integrando ademaacutes el efecto
de las secciones (coeficiente K2)
TL
T iI 1114109
I K K
the n 1 2 TL
40
Los datos que corresponden alcomportamiento del interruptor automaacutetico y queintervienen en esta foacutermula estaacuten en losficheros que utiliza el programa informaacutetico alcalcular las temperaturas en el interior deltablero
tteacutermico
magneacutetico
curvaliacutemitedel cable
CR
LR
t
curvaliacutemitedel cable
retardocorto
retardolargo
Ir Irm Icu I Ir Irm Iins Icu I
ILR ICRIr = ajuste del releacute teacutermicoIrm = ajuste del releacute magneacutetico
zona
zona de
zona desobre-Icu = poder de corte uacuteltimo normal cortocircuitoscarga
10485731114109917501 Curvas de disparo de un interruptor automaacutetico
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6 Meacutetodo de caacutelculo de la temperatura en las envolventes
La modelizacioacuten presentada hasta ahora debeservir de base al desarrollo de nuestro meacutetodode caacutelculo que debe permitirnos determinar elfuncionamiento real del tablero (intensidadmaacutexima en cada derivacioacuten) y con ello utilizarel conjunto al maacuteximo con una seguridadgarantizada
61 Principio
El programa se desarrolla con dos bucles deiteraciones imbricadas con el fin de determinarel nivel permanente El primero concierne a laresolucioacuten del problema teacutermico el otro a loscoeficientes de desplazamiento
El esquema de caacutelculo se presenta en la figura17
1983210 etapa descripcioacuten de la configuracioacuten esdecir tipo de envolvente utilizado nuacutemero dedispositivos y su posicioacuten relativa A este nivel elprograma utiliza el fichero de aparatos pararecuperar los datos descritos con anterioridad
2983210 etapa descomposicioacuten de la envolvente ensus voluacutemenes isotermos (nudos de lamodelizacioacuten nodal)
3983210 etapa inicio de los nuacutecleos de iteracioacuten concaacutelculo
de la potencia disipada (en la primeraiteracioacuten los coeficientes de desplazamiento setoman igual a 1)
de los coeficientes de la matriz de admitanciaa partir de las ecuaciones de balance
de las temperaturas internas (resolucioacuten delproblema teacutermico)
Como acostumbra a suceder en teacutermica lasnumerosas relaciones entre paraacutemetrosprecisan de una definicioacuten iterativa con laelaboracioacuten de un programa del que vamos apresentar el principio
de los nuevos coeficientes dedesplazamiento comparaacutendolos con losanteriores Si el salto se juzga poco importante(prueba de paro de la iteracioacuten) se procede a unnuevo bucle calculando las nuevasintensidades que atraviesan cada aparato denuevo la potencia disipada
4983210 etapa salida de los resultados
Descripcioacuten de la configuracioacutenestudiada
Intensidad
Potencia disipadadentro de la envolvente
Coeficientes dedesplazamiento
Temperaturasiinteriores
10485731114109917501 Principio de funcionamiento de los programas
62 Descripcioacuten de los datos a suministrar y de los resultados obtenidos
Datos
tipo de envolvente ymaterial
iacutendice de proteccioacuten
temperatura ambiente alrededor de laenvolvente
nuacutemero de filas de dispositivos
denominacioacuten de los aparatos que permitensu localizacioacuten en el fichero
configuracioacuten del tablero y posicioacuten de los
dispositivos
Resultados
eleccioacuten de un juego de barras horizontal yvertical (seccioacuten) e intensidad en estas barras
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potencia teacutermica total disipada en el tablero
coeficiente de desplazamiento para cadadispositivo debido a las intensidades circulantes
eventualmente la temperatura alcanzada por
las barras y su nivel en las diferentes zonas deltablero
63 Configuraciones modelizadas
Es bien sabido que en un programa como elque se indica no pueden considerarse todas lasconfiguraciones de instalacioacuten imaginablesSolamente se consideran las maacutes comunes esdecir las que permiten responder al 90 de loscasos deseados Un ejemplo en la figura 18
Configuracioacuten 1 Configuracioacuten 2 Configuracioacuten 3sin aparato de entrada aparato de entrada
en posicioacuten altaaparato de entradaen posicioacuten baja
10485731114109917501 Configuraciones modelizadas
64 Resultados
Este progreso en el caacutelculo informaacutetico demodelos es especialmente interesante porquepermite efectuar los diversos estudios
Estudio detallado de una configuracioacutendeterminada para optimizar la posicioacuten de undispositivo o la eleccioacuten de un juego de barrasconocer la potencia disipada por el conjuntopara dimensionar una climatizacioacuten adaptada
El ejemplo siguiente se ha efectuado con unacolumna de un cuadro industrial de potenciacompartimentado forma 2 conteniendo
un juego de barras horizontal alimentando un
aparato de entrada y la columna adyacente un aparato de entrada de 2500 A diferentes interruptores automaacuteticos de caja
moldeada
El programa nos facilita entre otros los coeficientes de desplazamiento Kdesp las intensidades que circulan por cadaaparato Ir
Advertencia sobre el coeficiente Kdiv
Este coeficiente nos permite tener en cuenta elcoeficiente de diversidad o de esponjamientoderivacioacuten por derivacioacuten
Es decir los niveles de funcionamiento en uninstante dado de los diferentes aparatos
Por ejemplo en un instante dado 2derivaciones son solicitadas al maacuteximo y lasotras hasta el 05 de sus posibilidadesafectando al sistema teacutermico del conjunto
Los resultados se presentan en la hoja decaacutelculo de la figura 19
Tabla de desplazamiento para unaconfiguracioacuten dada
Esta posibilidad de utilizacioacuten del programasemejante a la utilizacioacuten anterior permite reunirpara una configuracioacuten frecuente losdesplazamientos de los diferentes dispositivosteniendo en cuenta su posicioacuten real en el
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tablero las secciones de los conductoresutilizados los iacutendices de proteccioacuten y de latemperatura ambiente exterior
En la figura 20 se puede ver un ejemplo de uncuadro industrial de potencia con los datosdetallados de los dispositivos instalados en columna
Tabla de desplazamiento para un tipo dedispositivo
Para la mayor parte de interruptoresautomaacuteticos de caja moldeada eldesplazamiento es relativamente independientede la configuracioacuten
Masterbloc MB200 IP = 31
Tabla con aparato de llegada en posicioacuten alta alimentada con JdB horizontal
Referencia Posicioacuten Kdespl Kdiv Ia(A) Or(A)
M25H 1 12 88 1 2200 2200
NS630ST 17 21 93 1 586 518
NS630ST 22 26 96 1 605 534
NS400ST 27 31 1 1 400 353
NS400ST 32 36 1 1 400 353
NS250D250 37 40 1 1 250 221
NS250D250 41 44 1 1 250 221
Juego de barras horizontal
intensidad 2200 A
M 25
NS 630
NS 630
NS 400
NS 400
NS 250
NS 250
seccioacuten 1 4 barras de 100 5
Juego de barras vertical
intensidad 2200 A Temperatura JdB horizontal 95oC
seccioacuten 1 4 barras de 80 5Temperatura JdB vericalTemperatura ambiente
104oC35oC
Temperatura del techo 70oCPotencia total disipada 1953 W Temperatura JdB horizontal 75oCdetalle en dispositivos 593 W Temperatura aparellaje alto 68oC bajo 35oC
en auxiliares 0 W Temperatura auxiliar alto 52oC bajo 35oC juegos de barras + derivaciones 1271 W Temperatura JdB + derivaciones alto 77oC bajo 35oC juego de barras horizontal 89 W Temperatura conexiones alto 58oC bajo 35oC
10485731114109917501 Resultados del caacutelculo para una configuracioacuten determinada
IP31
Tdeg amb 35 40 45 50 55
M25 09 087 084 081 079M16 097 094 091 088 086M08 1 1 1 1 1
IP 4254
Tdeg amb 35 40 45 50 55
M25 079 077 075 073 071M16 087 085 083 081 079M08 1 1 1 1 1
3b 1005
3b 1005
2b 805
2b 805
1b 635
1b 635
3b 1005
4 b
8 0 5
1 b 8
0 5
M 252500 A
M 161600 A
M 08800 A
hueco
x
x
x
10485731114109917501 Desplazamiento de los interruptores automaacuteticos descritos en funcioacuten de la temperatura ambiente
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Los coeficientes de desplazamiento seestablecen por exceso situando los dispositivos enlo alto del tablero o del compartimento
Ver a tiacutetulo de ejemplo la figura 21
Curvas caracteriacutesticas del comportamientoteacutermico de un tipo de envolvente
Se establecen dos tipos graacuteficos
un conjunto de curvas que permitendeterminar la temperatura media en el interiorde una envolvente determinada en funcioacuten de lapotencia disipada y de la temperatura ambienteexterior
En la figura 22 se indican estas curvas para untablero de distribucioacuten no compartimentado
unas curvas que permiten determinar lapotencia que estas envolventes pueden disiparpara un calentamiento definido en funcioacuten desus caracteriacutesticas dimensionales
Ejemplo temperatura ambiente exterior 35 oCcalentamiento maacuteximo admisible ∆Ta = 30 oC
1048573 tablero altura 2 m anchura 09 mprofundidad 04 m
potencia disipable 850 W
1048573 tablero altura 2 m anchura 09 mprofundidad 06 m
potencia disipable 1000 W seguacuten curvas de lafigura 23
IP 31 IP 4254
Tdeg amb 35 40 45 50 55 35 40 45 50 55
NS100 100 100 100 100 95 100 95 90 85 80
NS160 160 155 150 145 140 150 140 135 125 120
NS250 235 225 220 210 200 205 195 180 170 165
NS400 380 370 360 350 340 350 340 330 320 310
NS630 540 520 510 500 485 485 475 465 450 440
10485731114109917501 Ejemplo de intensidades de corriente (en A) de disparo de interruptores automaacuteticos Compact NS
instalados dentro de una envolvente de BT determinada
Temperaturamedia en oC
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Tamb 60oC
Tamb 55oC
Tamb 50o
CTamb 45oCTamb 40oCTamb 35oC
Tamb 25oC
Dimensiones de
la envolventealto 2 mancho 09 mprofundo 04 m
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Potencia disipada en vatios
10485731114109917501 Temperatura media del aire en el interior de un armario de distribucioacuten metaacutelico IP2 y de forma 1
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Envolvente de 400 mmde profundidad
Potencia disipadaen vatios
1600
1400 T = 40oC
1200
1000 T = 30oC
800
T = 20oC600
400T = 10oC
200
800 900 1000 1100
Anchura en mm
Envolvente de 600 mmde profundidad
Potencia disipadaen vatios
1600 T = 40o
C
1400T = 30oC
1200
1000
T = 20oC1000
600
400 T = 10oC
200
800 900 1000 1100
Anchura en mm
10485731114109917501 Potencia disipable por calentamiento en una envolvente dada en funcioacuten de su anchura Curvas que se
refieren a un gabinete metaacutelico de formas 1 de 2 metros de altura
65 Resultados experimentales
Se han efectuado ensayos de calentamiento enel laboratorio Ampegravere de ASEFA con diversostipos de envolventes cofrets de plancha oplaacutestico armarios Prisma tableros de
distribucioacuten MasterblocDurante estos ensayos se han medido
temperaturas
1048573del aire en diferentes zonas de la envolvente
1048573de los conductores juego de barras yderivaciones
1048573de los puntos calientes de los dispositivos(bimetal ambiente electroacutenico)
intensidades
paraacutemetros que intervienen en lamodelizacioacuten en particular los coeficientes deintercambio aireparedes
Estas mediciones han permitido por una parte
verificar la conformidad a la norma IIEC 604311 deciertos valores (liacutemites de calentamientomencionados en el capiacutetulo 12 sobre lasnormas) y por otra parte para validar el modelo
En lo referente a las temperaturas del aire ladiferencia entre los valores medidos ycalculados depende del tipo de envolventemodelizada ya que al nivel de la modelizacioacuten
los supuestos difieren seguacuten que se considerelas envolventes compartimentadas o no
Sobre el conjunto de ensayos efectuados encuadros de diferentes formas(compartimentados o no) las diferenciasmaacuteximas constatadas han sido siempreinferiores a 6983226C
Las temperaturas calculadas para los juegos debarras muestran tambieacuten una concordancia conlas mediciones y han permitido validar elprograma informaacutetico
En referencia a las intensidades lasdesviaciones en valor medio son inferiores al5 En una homologacioacuten reciente de unaconfiguracioacuten de cuadro Masterbloc encalentamiento el programa ha permitido preverel nivel de funcionamiento del cuadro
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7 Meacutetodo propuesto por el documento IEC 60890
No hace mucho tiempo atras los gabinetes eleacutectricos
se escogiacutean equipaban y llenaban en funcioacutende la experiencia tambieacuten en lo que se refierea la tasa de llenado y a la variacioacuten de latemperatura en el tablero durante elfuncionamiento
Por ejemplo Temperatura exterior maacutexima
30983226C y 60983226C en el interior (los fabricantes de
aparamenta dan de margen hasta los 60983226C)
Esta praacutectica conduciacutea o a una pobre utilizacioacuten
del material o a actuaciones intempestivas de
las protecciones tenieacutendose la necesidad de
trabajar con las puertas abiertas
El meacutetodo propuesto por la recomendacioacuten
IEC aunque no se trate de una norma sino de
una guiacutea es de un intereacutes evidente Se
presenta detalladamente en el anexo de la
norma NFC 63410 o en la recomendacioacuten de la
IEC Ndeg 60890
Debemos de recordar los fundamentosmostrando los liacutemites y comparando con elmeacutetodo presentado en este Cuaderno Teacutecnico
En principio este meacutetodo se aplica aenvolventes a las que se puedan aplicar lassiguientes hipoacutetesis
reparto uniforme de la potencia disipada
el equipamiento se dispone de manera que no sedificulte la circulacioacuten de aire
no maacutes de 3 separaciones horizontales
Datos necesarios
dimensiones de la envolvente
potencia disipada en el interior (equipamiento
conductores)
tipo de instalacioacuten (envolvente aislada osituado en un extremo) (figura 24)
Caacutelculo
la temperatura se calcula uacutenicamente en 2
puntos de la envolvente
a media altura
T05 = Ta + ∆T050804siendo ∆T05 = dk Pw
d es un coeficiente que tiene en cuenta laexistencia de separaciones horizontales
1048573Si Ae lt 125 m2 d =1 (definicioacuten de Ae queveremos inmediatamente)
Si Ae gt 125 m2
Factor de repartode temperatura c165
116 2
3155 4
515
145
14
135
13
125
12
115
11
105
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Factor fCurvaTipo de instalacioacuten
1 Tapas separadas quitadas por todos los lados 3 Tapas separadas en montaje mural 2 Primera o uacuteltima tapa quitada
3 Tapa central quitada
5 Tapa central en montaje mural 4 Tapa central en montaje mural y con la parte
superior abierta
10485731114109917501 Factor de distribucioacuten de temperatura c para
envolventes sin orificios de ventilacioacuten y con una
superficie efectiva de enfriamiento A gt 125 m2 e
Valor de la superficie efectiva Constantede refrigeracioacuten Ae en m 2 de envolvente k
0 4
038
1 036
03415 032
2 03
028
3
25
026
4 024
5 022
6 0278 018
10 016
12 01414
01201
008
100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650
Seccion de los orificios de entrada de aire en cm2
10485731114109917501 Constante de la envolvente k para una
envolvente con orificio de ventilacioacuten y una superficie
efectiva de enfriamiento A gt 125 m2 e
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d = 1 con o sin orificios de ventilacioacuten sin
ninguna separacioacuten
d = 105 con o sin orificios de ventilacioacuten para
1 de separacioacuten
d = 115 oacute 110 con orificios de ventilacioacuten para 2 separaciones
d = 130 oacute 115 con orificios de ventilacioacuten para
3 separaciones
k es una constante que caracteriza laenvolvente su valor se determina con aacutebacos(figura 25) y es funcioacuten de la superficie deintercambio de la envolvente Ae (m2)
Ae = Σ Aob oacute Ao es la superficie geomeacutetrica delas diferentes paredes de la envolvente
b es una constante que tiene en cuenta el tipode instalacioacuten
Valores de b
1048573parte superior abierta b = 14
1048573
parte superior cubierta b = 071048573paredes laterales abiertas b = 09
1048573paredes laterales tapadas b = 05
1048573paredes laterales deenvolventes centrales b = 05
1048573parte inferior b = 0
Pw potencia disipada en Watt en la partealta de la envolvente
T1 = Ta + ∆T1
siendo ∆T1 = c ∆T05 o ∆T05 representa elcalentamiento precedente
c es una constante de calentamientodeterminada a partir de aacutebacos
Por ejemplo en el aacutebaco de la figura 24 c es
funcioacuten de Ae y de uno de los factores f o g
f = h135
(L P) si Ae gt 125 m2
g = h135L si Ae lt 125 m2
Liacutemites
Los liacutemites esenciales de este meacutetodo son
que se aplica bien a las envolventes nocompartimentadas de tipo gabinete y no a los
tableros de potencia muy compartimentados
que no tiene en cuenta la posicioacuten de lasfuentes de calor que la mayor parte de vecesno estaacuten repartidas de forma uniforme
Comparacioacuten con nuestra aproximacioacuten
Se constata que las aproximaciones danresultados similares para los tableros no
compartimentados y con fuentes de calorrepartidas (figura 26)
En lo que se refiere a las envolventes muycerradas la localizacioacuten de las fuentes de calory los intercambios entre las diferentes zonasinfluyen mucho en el calentamiento
Temperatura en oC
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Temperatura calculada seguacuten la norma
Temperatura calculada con el programa de MG
Temperatura del aire ambiente 35 oC
Dimensiones de la envolvente
alto 2 m
ancho 09 m
profundo 04 m
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
Potenciadisipada en Watt
Fig 26 Temperatura del aire a media altura en un tablero metaacutelico de distribucioacuten IP2 y de la forma 1
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8 Conclusioacuten
La importancia de los tableros eleacutectricos en la
distribucioacuten no hay que demostrarla
En cuanto a la disponibilidad de la energiacutea
eleacutectrica y de la seguridad de funcionamiento resulta indiscutible que el control teacutermico de los
tableros eleacutectricos es un objetivo fundamental
Las normas que se refieren a las envolventes ya los productos determinan los liacutemites teacutermicosque no hay que sobrepasar
Les queda a los profesionales convertirse enlaquoarquitectos teacutermicosraquo del disentildeo de lasenvolventes y tableros eleacutectricos hoy es ya
cosa hecha incluso para los tableros de serie
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Fenoacutemeno de radiacioacuten corresponde a latransferencia de calor entre cuerpos soacutelidosseparados por un medio maacutes o menostransparente (figura 4)
Estos intercambios que se establecen entre lassuperficies de cuerpos cualesquiera dispuestosuno frente a otro se representan por relacionesbastante complejas en las que intervienen
la emisioacuten del soacutelido que si es consideradocomo un cuerpo negro no es funcioacuten de sutemperatura
los estados de superficie representado pormedio del coeficiente de emisividad e quecaracteriza el grado de las superficies de estoscuerpos con referencia al cuerpo negro
los fenoacutemenos de reflexioacuten y de absorcioacuten
la disposicioacuten de las superficies unasrespecto a las otras por la intermediacioacuten de losfactores de forma
Sin embargo en el caso particular de unasuperficie (por ejemplo j) que envuelvecompletamente a la otra (i) y tal que la razoacutenSiS j sea de valor bajo estas expresiones sesimplifican y se llega a
Φi = εi σ Si (Ti4 - T j
4)
siendo
Φi = flujo de calor transmitido a traveacutes de la
superficie Si en W εi = coeficiente de emisividad en la superficie S i
σ = constante de Stefan-Boltzmann
(567032 x 10-8 W m-2 K-4) Si = superficie en m2 Ti T j = temperatura de las superficies en
transmisioacuten en K
Fenoacutemenos de conveccioacuten bajo el teacutermino
general de conveccioacuten se funden de hecho dos
fenoacutemenos diferentes que a menudo se auacutenan
el fenoacutemeno de conveccioacuten propiamentedicho que corresponde a una transferencia decalor entre un cuerpo soacutelido y un fluido enmovimiento Seguacuten el origen del movimiento delfluido se distingue la conveccioacuten natural y laconveccioacuten forzada (figura 5)
Estas transferencias se caracterizan por loscoeficientes de intercambio hi
Φi = hi Si (Tf - Ti)
siendo
Φi = flujo de calor transferido a la superficie Si
en W hi = coeficiente de intercambio en Wm2 oC Tf Ti = temperaturas del fluido y de la superficie
de transferencia en oC
Desde un punto de vista fiacutesico el problema de
intercambio de calor por conveccioacuten estaacute
fuertemente relacionado a un problema de
mecaacutenica de fluidos
10485731114109917501 Fenoacutemenos de radiacioacuten
10485731114109917501 Fenoacutemenos de conveccioacuten
Desde un punto de vista praacutectico el problemapuede abordarse simplemente por utilizacioacuten decoeficientes de intercambio donde la expresioacutenhace intervenir
1048573 los paraacutemetros que describen la
transferencia de flujo del fluido (velocidad)1048573 las propiedades fiacutesicas del fluido(conductividad teacutermica viscosidad dinaacutemicacapacidad caloriacutefica masa volumeacutetrica)asociadas a menudo bajo forma de nombressin dimensioacuten o caracteriacutesticas (como NusseltPrandtl Reynolds Grasshof)
Por ejemplo expresioacuten del coeficiente deintercambio en conveccioacuten natural para unageometriacutea simple placa plana vertical de alturaL a una temperatura uniforme
Nu h =
Dh
siendo
Nu = nuacutemero de Nusselt 053(GrPr)025 dondeGr y Pr son respectivamente los nuacutemeros deGrasshof y de Prandtl funcioacuten de laspropiedades fiacutesicas del fluido y del salto detemperatura entre el fluido y la superficie detransmisioacuten
λ = conductividad teacutermica del fluido (Wm oC)Dh = dimensioacuten caracteriacutestica (m)
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Habitualmente esta magnitud corresponde a lamayor dimensioacuten del cuerpo soacutelido en contactocon el fluido en movimiento aquiacute L
Importante Es interesante notar que elcoeficiente de intercambio depende del salto detemperatura solamente a la potencia 025 Portanto h = K(∆t)025
el fenoacutemeno de movimientos convectivosque corresponde a la transferencia de calor enel seno de un fluido por medio de los bucles deconveccioacuten que explican por ejemplo elgradiente de temperatura observado entre laspartes baja y alta de un volumen de fluidocerrado sede de fenoacutemenos teacutermicos
Los movimientos de aire entre dos voluacutemenes iy j se caracterizan por las diferencias de masafuncioacuten de las secciones de paso y de lavelocidad de circulacioacuten (figura 6)
La transferencia de calor se representa por
Φij = M cp (Ti - T j)
siendo
Φij flujo de calor transferido entre i y j en W
M circulacioacuten maacutesica en kgs
cp capacidad caloriacutefica del fluido en Jkg oCTi T j temperatura del fluido en los voluacutemenes iy j en oC
Nota la transferencia de calor viene impuestapor el sentido de circulacioacuten
Expresioacuten de la velocidad del fluido en el casode la conveccioacuten natural el fluido se pone enmovimiento entre los puntos i y j por susvariaciones de masa volumeacutetrica con la
temperatura La velocidad se supone seraacute proporcional a las
citadas variaciones funcioacuten de la diferencia de
temperatura entre i y j
V 1114109Cste g Dij ij
siendo
∆ρ ρ variacioacuten relativa de masa volumeacutetricag aceleracioacuten de la gravedad en ms2Dij distancia entre los dos puntos i y j en m
Ademaacutes si se supone que el fluido consideradotiene un comportamiento de gas perfectoentonces
∆ρρ = β (Ti T j) de donde
Vij 1114109
Cste Ti
T j 1048573
g Dij
1siendo 1114109
(en caso de un gasTi T j 1048573 2
perfecto)
Ti T j temperatura del fluido en ordmK
Estas foacutermulas corresponden a movimientos de
voluacutemenes de fluidos ascendentes o
descendentes En el caso de movimiento de
fluido junto a una pared se trata de un
problema doble teacutermico-hidraacuteulico que puede
resolverse en algunos casos de forma analiacutetica
(desplazamiento laminar a lo largo de una
pared)
En este caso la velocidad del fluido a lo largo de
la pared presenta una expresioacuten similar es
decir es proporcional a una diferencia de
temperaturas (fluido-pared)
Ver en la terminologiacutea como repaso la
definicioacuten grado Celsius Kelvin y Fahrenheit
10485731114109917501 Fenoacutemenos del movimiento de conveccioacuten
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32 intercambios al nivel de un Tablero
En el esquema de la figura 7 se presentan loselementos que constituyen el sistema
estudiado aire ambiente envolvente aireinterno y las diferentes fuentes de calor Estadescripcioacuten del estado teacutermico del tablero nos
muestra que todos los fenoacutemenos deintercambios descritos hasta aquiacute debentenerse en cuenta y estaacuten fuertementeinterrelacionados
Por ejemplo
la temperatura del aire interno resulta
1048573de los intercambios por conveccioacuten entre elaire interno y las superficies de los diferentesdispositivos de los conductores y de las paredes
1048573del calor transportado por los movimientosconvectivos del aire
Al nivel de la dispositivos el calor generadopor efecto Joule es intercambiado
1048573por conveccioacuten entre su superficie deintercambio y el aire interno
1048573por conduccioacuten entre las barras y los cables
1048573por radiacioacuten con las paredes de laenvolvente y las superficies de los otrosdispositivos
Los fenoacutemenos maacutes importantes que
intervienen en el comportamiento del conjuntoson los fenoacutemenos de conveccioacuten
Temp ambiental
Paredes del local
s
Envolvente
Conduccioacuten
Radiacioacuten
Conveccioacuten
Movimientos de conveccioacuten
s
Temp interior
Conductores
JdB horizvert Dispositivos
t( (
t
10485731114109917501 Comportamiento teacutermico de una emvolvente
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4 Presentacioacuten de la modelizacioacuten
41 Principio
Todos los meacutetodos de resolucioacuten se basan en eldesarrollo de un sistema de modelizar enbloques elementales que es un meacutetodo deMonte-Carlo de diferencias finitas o deelementos finitos
El meacutetodo empleado el anaacutelisis nodal estaacutededucido de una aproximacioacuten a las diferenciasfinitas Esta teacutecnica si bien claacutesica presenta elintereacutes de poder representar el comportamientoteacutermico de un sistema complejo teniendo encuenta las interacciones entre las diferentespartes o componentes que lo constituyen
Por ejemplo puede utilizarse en dominios muydiversos para describir el comportamiento de unsateacutelite artificial de un motor eleacutectrico lascondiciones climaacuteticas en el interior de uncentro de transformacioacuten o de un edificio devarias viviendas
En principio este meacutetodo consiste endescomponer el sistema estudiado endiferentes voluacutemenes isoteacutermicosdenominados nudos A cada nudo se asociandiferentes paraacutemetros entre otros unatemperatura y eventualmente un aporte decalor independiente de los intercambiosteacutermicos Seguidamente se efectuacutean unosacoplamientos entre nudos es decir losdiferentes intercambios entre los voluacutemenesque nos permiten escribir unas ecuaciones debalance (conservacioacuten de la energiacutea y demateria en el elemento de volumen unido a unnudo determinado) Este meacutetodo quecorresponde de hecho a una discretizacioacutenespacial del sistema nos conduce a definir unared teacutermica con sus nudos sus capacidades
Magnitudes teacutermicas Magnitudes eleacutectricas
Temperatura Potencial
Resisteacutencia teacutermica Resistencia eleacutectrica
sus fuentes de calor sus conductancias quetraducen los diferentes acoplamientos entrenudos (analogiacutea entre los fenoacutemenos eleacutectricosy teacutermicos) (figura 8)
Se llega asiacute a un sistema de ecuacionesemparejadas eventualmente no lineales quenos permitiraacuten definir una matriz la matriz deadmitancia teacutermica Soacutelo falta entoncesprecisar los valores numeacutericos de los elementosde esta matriz que corresponden a lasconductancias teacutermicas
Expresioacuten de las conductancias por tipo deintercambio
Conduccioacuten Gij = λ i Sij Dij
Radiacioacuten Gij = α σ ε S Fij (Ti + T j)(Ti2 + T j
2)
Conveccioacuten Gij = hi Sij
Movimiento convectivo Gij = M cp
Expresioacuten del flujo teacutermico equivalente de laintensidad eleacutectrica
1I1114109 1048573U
R
1 2 3 4
Nudo 1 aire interiorNudos 2 y 3 paredes interiores y exterioresNudo 4 aire ambiente exterior
representa los intercambiospor conduccioacuten
representa los intercambios
por conveccioacuten
representa los intercambiosFlujo de calor Corrientepor desplazamiento del aire
U representa el aporte de calorΦ = G (T2 - T1) I1114109
1 1048573R en el nudo 1
repesenta la capacidad caloriacuteficaCapacidad teacutermica Capacidad eleacutectricaasociada a cada nudo
10485731114109917501 Correspondencia entre magnitudes teacutermicas y 10485731114109917501 Representacioacuten nodal simplificada -modelizacioacuten
eleacutectricas de una pieza
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Φij = Gij (Ti + T j)
siendo
Φij = flujo energeacutetico intercambiado entre los
nudos i y j
Gij = conductancia entre i y j funcioacuten del tipo de
intercambio considerado
Ti T j = temperaturas asociadas a los nudos i y j respectivamente
Tomamos como ejemplo la modelizacioacuten de
una pieza en la que hay una fuente de calor
Se ha descompuesto este sistema en 4 nudos
1 para el aire interno 2 para las paredes (interna y externa) 1 para el aire ambiente exterior
Representacioacuten nodal (simplificada) en lafigura 9
Ecuaciones que traducen los flujos teacutermicospara este sistema simple
nudo 1
Q1 - h12 S12 (T1 - T2) + M41cp (T4 - T1)
- M14cp (T1 - T4) = 1 V1 cp1 T1
nudo 2
2 S23- (T2 - T3) =
d23
h12 S12 (T1 - T2)
= 2 V2 cp2 T2
42 Modelizacioacuten de la conveccioacuten
Como se ha indicado anteriormente en elcapiacutetulo 2 en el teacutermino de conveccioacuten seemparejan a menudo dos fenoacutemenos(intercambios cuerpo-fluido e intercambios en elmismo fluido)
nudo 3
2 S23- (T2 - T3) - h34 S34 (T3 - T4) =
d23
= 2 V2 cp2 T2
nudo 4
h34 S34 (T3 - T4) + M14cp (T1 - T4)
- M41cp (T4 - T1) = 4 V4 cp4 T4
Importante los teacuterminos T i que corresponden adTidtla expresioacuten Estos teacuterminos no se toman
en consideracioacuten ya que soacutelo interesa elreacutegimen permanente es decir con lastemperaturas estabilizadas
A partir de estas ecuaciones se deduce elsistema de ecuaciones [G] [T] = [R]correspondiente seguro a
Φij = Gij (Ti - T j)
donde
G la matriz de admitancia teacutermicaT el vector de temperaturas desconocidasR el vector de las solicitaciones impuestas(fuentes de calor Q1 temperatura )
Este tipo de proceso ha permitido elaborar loscoacutedigos de caacutelculo y las reglas propias a losproblemas teacutermicos de los edificios
La modelizacioacuten de los intercambios porconveccioacuten debe dividirse en dos partes unadescribiendo las peacuterdidas maacutesicas (movimientosde aire) y otra describiendo los intercambiosteacutermicos (coeficientes de intercambio) con unadependencia mutua entre ellos por transferenciamaacutesicateacutermica ((figura 10)
Movimientos del aire Esquema nodal correspondiente que muestralos dos aspectos de la conveccioacuten
10485731114109917501 Modelizacioacuten maacutesica y teacutermica de la conveccioacuten
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43 Aplicacioacuten a las envolventes en BT
Distinguimos para la modelizacioacuten dos grandesgrupos de envolventes
Envolventes no compartimentadasEn este caso el esquema nodalcomo se muestra en la figura 11 es semejanteal del esquema de la figura 10 integrando lasfuentes de calor
Envolventes fuertemente compartimentadoscon o sin ventilacioacuten natural
A nivel de modelizacioacuten son posibles dosplanteamientos
n bien modelizando cada zona del tablerocomo se ha visto anteriormente asociando enconjunto los diferentes voluacutemenes Este sistemaconduce a matices demasiado complicadoscuando como es normal aparecen una decena
de zonas a asociar
aireambiente
10485731114109917501 Envolvente no-cerrada
o bien tratando el sistema globalmente sinmodelizar los bucles de conveccioacuten en el
interior de los diferentes voluacutemenes y noteniendo en cuenta la circulacioacuten de aire entrezonas (figura 12)
Estas modelizaciones nos han conducido aelaborar programas informaacuteticos adaptados acada tipo de envolvente Todos estosprogramas estaacuten estructurados de la mismaforma
Antes de entrar maacutes en detalle en la utilizacioacutende un programa (capiacutetulo 6) conviene conocermejor las fuentes de calor (juegos de barrasaparatos ) para determinar el nivel defuncionamiento real de un cuadro
abertura
aireambiente
zona A zona B
zona A zona B
10485731114109917501 Caso de una envolvente cerrada
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5 Comportamiento de las fuentes de calor Caracteriacutesticas
Las fuentes de calor consideradas en lamodelizacioacuten son los juegos de barras losconductores de interconexioacuten y los aparatoseleacutectricos
Referente a estos uacuteltimos los consideramoscomo laquolas cajas negrasraquo disipando caloriacuteas y
51 Los juegos de barras
Los juegos de barras se calculan de forma queverifiquen dos condiciones poder soportar el paso de la corrientenominal necesaria sin provocar uncalentamiento de las barras que pueda provocarun deterioro de los aislantes que soportan lasbarras Por ejemplo las barras pueden estardimensionadas de forma que no superen enreacutegimen permanente una temperatura de110983226C valor este que es enteramentedependiente de la naturaleza de los materialesaislantes en contacto con las barras porejemplo los soportes La tabla de la figura 13da para una temperatura ambiente de 50983226C y65983226C unos valores de temperatura para los
juegos de barras poder soportar una corriente de cortocircuitosin provocar deformaciones notables en lasbarras rotura de los soportes aislantes ocalentamiento excesivo
no como nudos de la modelizacioacuten Es decirque no se calcula su temperatura defuncionamiento sino la intensidad maacutexima quepueden soportar para una configuracioacuten deinstalacioacuten determinada con el fin de no exceder
su temperatura liacutemite de utilizacioacuten
La segunda condicioacuten corresponde a unproblema de esfuerzos electrodinaacutemicos ypuede estudiarse separadamente aunque laprimera necesita conocer el nivel defuncionamiento del conjunto
En particular hay que tener en cuenta latemperatura del aire que envuelve las barraspara dimensionarlas de forma precisa y evitarque sobrepasen una temperatura criacutetica que esfuncioacuten principalmente de la naturaleza delmaterial utilizado para los soportes
Asiacute conociendo la temperatura del aire en lasdiferentes zonas del tablero podemosdeterminar la temperatura delas barras en funcioacuten de sus caracteriacutesticas(dimensiones forma disposicioacuten) y validar eldimensionamiento
Importante En referencia a los caacutelculos de flujoteacutermico se considera que las barras disipan elcalor principalmente por conveccioacuten y radiacioacutenal aire interno
Temperatura Seccioacuten Intensidad Potencia Temperaturaaprox de las barras disipada (A) de las barras (W) (oC)
50 1 barra 100 x 5 1000 45 79
50 1 barra 100 x 5 1500 107 109
50 3 barras 100 x 5 1500 10 65
50 3 barras 100 x 5 3400 61 110
65 1 barra 100 x 5 1000 45 92
65 3 barras 100 x 5 1500 11 80
10485731114109917501 Valores teacutermicos relativos a un juego de barras de una longitud de 1 m situados en un ambiente dado
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52 Los Dispositivos
En los tableros de distribucioacuten eleacutectrica los
interruptores automaacuteticos constituyen el nuacutecleoprincipal de los dispositivos de potencia Ellos ylos demaacutes componentes como por ejemplo loscontactores disipan
Examinemos con maacutes detalle los interruptores
automaacuteticos frente a los problemas teacutermicos La potencia disipada es proporcional alcuadrado de la intensidad que los recorre
2sus caloriacuteas cuando son recorridos por la IPW PNcorriente eleacutectrica In
La tabla de la figura 14 nos facilita a tiacutetuloindicativo algunos valores de potencia disipadapor fase (por polo)
Interruptores automaacuteticosPotencia medida con watiacutemetro y no calculada a partirde la medida de la resistencia
In (A) 250 400 630 800
Pw - versioacuten fija 141 19 40 416
con In en 197 30 52 58versioacuten desenchufable
Contactores
I
n (A) 265 400 630 780Pw con In 22 45 48 60
10485731114109917501 Potencia disipada por polo a In en la
aparamenta claacutesica
Electroacutenico
Desplazamientovoluntario
compensado
Bimetal simple
donde PN representa la potencia disipada a laintensidad nominal de empleo In
La intensidad nominal de empleo (In) de uninterruptor automaacutetico corresponde a unatemperatura ambiente determinada por ejemplo40oC fijada por la norma de construccioacuten Dehecho para ciertos interruptores automaacuteticos latemperatura ambiente correspondiente a Inpuede alcanzar e incluso sobrepasar los 50ordmC dato
que debe dar una seguridad por ejemplo enlos paiacuteses caacutelidos
la intensidad de funcionamiento (Ith o Ithe)puede variar en funcioacuten de la temperaturaambiente y seguacuten el tipo de releacute teacutermico simpleteacutermico compensado electroacutenico (figura 15) loque puede permitir definir una corriente maacuteximade empleo diferente de In
Los paraacutemetros que intervienen en ladeterminacioacuten de desplazamiento portemperatura tienen en cuenta ademaacutes de latemperatura del aire alrededor del dispositivo (T i)
la temperatura liacutemite (TL) de los
componentes internos del interruptorautomaacutetico
1048573 temperatura maacutexima de funcionamiento delbimetal para un interruptor automaacutetico con releacutetermomagneacutetico
1048573 temperatura de los componenteselectroacutenicos para interruptores automaacuteticos conreleacute electroacutenico incorporado
1048573 la temperatura no debe transmitirse a losmateriales plaacutesticos los maacutes sensibles en uninterruptor automaacutetico con electroacutenicaintercambiable (releacute exteriorinterruptor abierto)Estas temperaturas liacutemite estaacuten comprendiasentre 100 y 150oC
la razoacuten entre la Ir del releacute y la corriente realde disparo cuando eacuteste estaacute a la temperatura
Bimetal
T TN
TN temperatura nominal de funcionamiento
T L temperatura liacutemite de funcionamiento
de definicioacuten de In K1Ir (figura 16)In
T ambiente
L
las secciones de los cables o las barras deconexioacuten que juegan un papel de radiador Suinfluencia se toma en cuenta para un coeficiente10485731114109917501 Curvas de desplazamiento tipo de los releacutes enK2funcioacuten de la temperatura
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Importante Debe tenerse en cuenta que laseccioacuten de los conductores utilizados esraramente igual a la que se emplea para losensayos de certificacioacuten de los interruptoresautomaacuteticos
El desplazamiento que tiene en cuenta estosdiversos criterios puede expresarsematemaacuteticamente
Foacutermula de desplazamiento
El interruptor automaacutetico y sus conductores deconexioacuten disipan esencialmente por conveccioacuten
Aparece por ello la relacioacuten
W1 = h S (TL - Ti)
siendo
W1 potencia disipada en W para un aparatoconectado dentro de una envolvente con unvolumen de aire a la temperatura T i
h = coeficiente de intercambio en Wm2 983226C
S superficie de intercambio en m2TL temperatura del punto caliente en 983226C (porejemplo el bimetal)
Ti temperatura del aire interno alrededor delaparato en 983226C
h = Cste S (TL - Ti)α
de donde W1 = Cste S (TL - Ti)1+α
Cuando el aparato se halla al aire libre a 40983226Cse tiene una relacioacuten similar
W2 = Cste S (TL - 40)1+α
de donde
1
1 L i W T
T
W T
402
L
Ademaacutes se sabe que1 = RIthe
2 y que W2 = RIr 2
W TL -T
y por tanto Ithe 1114109Ir
i
TL - 40
siendo Ithe la intensidad que recorre el aparato
Id = K1 x In y β = (1 + α)2
β coeficiente que caracteriza el tipo de dispositivoSe determina experimentalmente o por unanaacutelisis maacutes fino del comportamiento teacutermicodel elemento Su valor estaacute comprendido entre02 y 07
Relacioacuten final integrando ademaacutes el efecto
de las secciones (coeficiente K2)
TL
T iI 1114109
I K K
the n 1 2 TL
40
Los datos que corresponden alcomportamiento del interruptor automaacutetico y queintervienen en esta foacutermula estaacuten en losficheros que utiliza el programa informaacutetico alcalcular las temperaturas en el interior deltablero
tteacutermico
magneacutetico
curvaliacutemitedel cable
CR
LR
t
curvaliacutemitedel cable
retardocorto
retardolargo
Ir Irm Icu I Ir Irm Iins Icu I
ILR ICRIr = ajuste del releacute teacutermicoIrm = ajuste del releacute magneacutetico
zona
zona de
zona desobre-Icu = poder de corte uacuteltimo normal cortocircuitoscarga
10485731114109917501 Curvas de disparo de un interruptor automaacutetico
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6 Meacutetodo de caacutelculo de la temperatura en las envolventes
La modelizacioacuten presentada hasta ahora debeservir de base al desarrollo de nuestro meacutetodode caacutelculo que debe permitirnos determinar elfuncionamiento real del tablero (intensidadmaacutexima en cada derivacioacuten) y con ello utilizarel conjunto al maacuteximo con una seguridadgarantizada
61 Principio
El programa se desarrolla con dos bucles deiteraciones imbricadas con el fin de determinarel nivel permanente El primero concierne a laresolucioacuten del problema teacutermico el otro a loscoeficientes de desplazamiento
El esquema de caacutelculo se presenta en la figura17
1983210 etapa descripcioacuten de la configuracioacuten esdecir tipo de envolvente utilizado nuacutemero dedispositivos y su posicioacuten relativa A este nivel elprograma utiliza el fichero de aparatos pararecuperar los datos descritos con anterioridad
2983210 etapa descomposicioacuten de la envolvente ensus voluacutemenes isotermos (nudos de lamodelizacioacuten nodal)
3983210 etapa inicio de los nuacutecleos de iteracioacuten concaacutelculo
de la potencia disipada (en la primeraiteracioacuten los coeficientes de desplazamiento setoman igual a 1)
de los coeficientes de la matriz de admitanciaa partir de las ecuaciones de balance
de las temperaturas internas (resolucioacuten delproblema teacutermico)
Como acostumbra a suceder en teacutermica lasnumerosas relaciones entre paraacutemetrosprecisan de una definicioacuten iterativa con laelaboracioacuten de un programa del que vamos apresentar el principio
de los nuevos coeficientes dedesplazamiento comparaacutendolos con losanteriores Si el salto se juzga poco importante(prueba de paro de la iteracioacuten) se procede a unnuevo bucle calculando las nuevasintensidades que atraviesan cada aparato denuevo la potencia disipada
4983210 etapa salida de los resultados
Descripcioacuten de la configuracioacutenestudiada
Intensidad
Potencia disipadadentro de la envolvente
Coeficientes dedesplazamiento
Temperaturasiinteriores
10485731114109917501 Principio de funcionamiento de los programas
62 Descripcioacuten de los datos a suministrar y de los resultados obtenidos
Datos
tipo de envolvente ymaterial
iacutendice de proteccioacuten
temperatura ambiente alrededor de laenvolvente
nuacutemero de filas de dispositivos
denominacioacuten de los aparatos que permitensu localizacioacuten en el fichero
configuracioacuten del tablero y posicioacuten de los
dispositivos
Resultados
eleccioacuten de un juego de barras horizontal yvertical (seccioacuten) e intensidad en estas barras
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potencia teacutermica total disipada en el tablero
coeficiente de desplazamiento para cadadispositivo debido a las intensidades circulantes
eventualmente la temperatura alcanzada por
las barras y su nivel en las diferentes zonas deltablero
63 Configuraciones modelizadas
Es bien sabido que en un programa como elque se indica no pueden considerarse todas lasconfiguraciones de instalacioacuten imaginablesSolamente se consideran las maacutes comunes esdecir las que permiten responder al 90 de loscasos deseados Un ejemplo en la figura 18
Configuracioacuten 1 Configuracioacuten 2 Configuracioacuten 3sin aparato de entrada aparato de entrada
en posicioacuten altaaparato de entradaen posicioacuten baja
10485731114109917501 Configuraciones modelizadas
64 Resultados
Este progreso en el caacutelculo informaacutetico demodelos es especialmente interesante porquepermite efectuar los diversos estudios
Estudio detallado de una configuracioacutendeterminada para optimizar la posicioacuten de undispositivo o la eleccioacuten de un juego de barrasconocer la potencia disipada por el conjuntopara dimensionar una climatizacioacuten adaptada
El ejemplo siguiente se ha efectuado con unacolumna de un cuadro industrial de potenciacompartimentado forma 2 conteniendo
un juego de barras horizontal alimentando un
aparato de entrada y la columna adyacente un aparato de entrada de 2500 A diferentes interruptores automaacuteticos de caja
moldeada
El programa nos facilita entre otros los coeficientes de desplazamiento Kdesp las intensidades que circulan por cadaaparato Ir
Advertencia sobre el coeficiente Kdiv
Este coeficiente nos permite tener en cuenta elcoeficiente de diversidad o de esponjamientoderivacioacuten por derivacioacuten
Es decir los niveles de funcionamiento en uninstante dado de los diferentes aparatos
Por ejemplo en un instante dado 2derivaciones son solicitadas al maacuteximo y lasotras hasta el 05 de sus posibilidadesafectando al sistema teacutermico del conjunto
Los resultados se presentan en la hoja decaacutelculo de la figura 19
Tabla de desplazamiento para unaconfiguracioacuten dada
Esta posibilidad de utilizacioacuten del programasemejante a la utilizacioacuten anterior permite reunirpara una configuracioacuten frecuente losdesplazamientos de los diferentes dispositivosteniendo en cuenta su posicioacuten real en el
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tablero las secciones de los conductoresutilizados los iacutendices de proteccioacuten y de latemperatura ambiente exterior
En la figura 20 se puede ver un ejemplo de uncuadro industrial de potencia con los datosdetallados de los dispositivos instalados en columna
Tabla de desplazamiento para un tipo dedispositivo
Para la mayor parte de interruptoresautomaacuteticos de caja moldeada eldesplazamiento es relativamente independientede la configuracioacuten
Masterbloc MB200 IP = 31
Tabla con aparato de llegada en posicioacuten alta alimentada con JdB horizontal
Referencia Posicioacuten Kdespl Kdiv Ia(A) Or(A)
M25H 1 12 88 1 2200 2200
NS630ST 17 21 93 1 586 518
NS630ST 22 26 96 1 605 534
NS400ST 27 31 1 1 400 353
NS400ST 32 36 1 1 400 353
NS250D250 37 40 1 1 250 221
NS250D250 41 44 1 1 250 221
Juego de barras horizontal
intensidad 2200 A
M 25
NS 630
NS 630
NS 400
NS 400
NS 250
NS 250
seccioacuten 1 4 barras de 100 5
Juego de barras vertical
intensidad 2200 A Temperatura JdB horizontal 95oC
seccioacuten 1 4 barras de 80 5Temperatura JdB vericalTemperatura ambiente
104oC35oC
Temperatura del techo 70oCPotencia total disipada 1953 W Temperatura JdB horizontal 75oCdetalle en dispositivos 593 W Temperatura aparellaje alto 68oC bajo 35oC
en auxiliares 0 W Temperatura auxiliar alto 52oC bajo 35oC juegos de barras + derivaciones 1271 W Temperatura JdB + derivaciones alto 77oC bajo 35oC juego de barras horizontal 89 W Temperatura conexiones alto 58oC bajo 35oC
10485731114109917501 Resultados del caacutelculo para una configuracioacuten determinada
IP31
Tdeg amb 35 40 45 50 55
M25 09 087 084 081 079M16 097 094 091 088 086M08 1 1 1 1 1
IP 4254
Tdeg amb 35 40 45 50 55
M25 079 077 075 073 071M16 087 085 083 081 079M08 1 1 1 1 1
3b 1005
3b 1005
2b 805
2b 805
1b 635
1b 635
3b 1005
4 b
8 0 5
1 b 8
0 5
M 252500 A
M 161600 A
M 08800 A
hueco
x
x
x
10485731114109917501 Desplazamiento de los interruptores automaacuteticos descritos en funcioacuten de la temperatura ambiente
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Los coeficientes de desplazamiento seestablecen por exceso situando los dispositivos enlo alto del tablero o del compartimento
Ver a tiacutetulo de ejemplo la figura 21
Curvas caracteriacutesticas del comportamientoteacutermico de un tipo de envolvente
Se establecen dos tipos graacuteficos
un conjunto de curvas que permitendeterminar la temperatura media en el interiorde una envolvente determinada en funcioacuten de lapotencia disipada y de la temperatura ambienteexterior
En la figura 22 se indican estas curvas para untablero de distribucioacuten no compartimentado
unas curvas que permiten determinar lapotencia que estas envolventes pueden disiparpara un calentamiento definido en funcioacuten desus caracteriacutesticas dimensionales
Ejemplo temperatura ambiente exterior 35 oCcalentamiento maacuteximo admisible ∆Ta = 30 oC
1048573 tablero altura 2 m anchura 09 mprofundidad 04 m
potencia disipable 850 W
1048573 tablero altura 2 m anchura 09 mprofundidad 06 m
potencia disipable 1000 W seguacuten curvas de lafigura 23
IP 31 IP 4254
Tdeg amb 35 40 45 50 55 35 40 45 50 55
NS100 100 100 100 100 95 100 95 90 85 80
NS160 160 155 150 145 140 150 140 135 125 120
NS250 235 225 220 210 200 205 195 180 170 165
NS400 380 370 360 350 340 350 340 330 320 310
NS630 540 520 510 500 485 485 475 465 450 440
10485731114109917501 Ejemplo de intensidades de corriente (en A) de disparo de interruptores automaacuteticos Compact NS
instalados dentro de una envolvente de BT determinada
Temperaturamedia en oC
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Tamb 60oC
Tamb 55oC
Tamb 50o
CTamb 45oCTamb 40oCTamb 35oC
Tamb 25oC
Dimensiones de
la envolventealto 2 mancho 09 mprofundo 04 m
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Potencia disipada en vatios
10485731114109917501 Temperatura media del aire en el interior de un armario de distribucioacuten metaacutelico IP2 y de forma 1
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Envolvente de 400 mmde profundidad
Potencia disipadaen vatios
1600
1400 T = 40oC
1200
1000 T = 30oC
800
T = 20oC600
400T = 10oC
200
800 900 1000 1100
Anchura en mm
Envolvente de 600 mmde profundidad
Potencia disipadaen vatios
1600 T = 40o
C
1400T = 30oC
1200
1000
T = 20oC1000
600
400 T = 10oC
200
800 900 1000 1100
Anchura en mm
10485731114109917501 Potencia disipable por calentamiento en una envolvente dada en funcioacuten de su anchura Curvas que se
refieren a un gabinete metaacutelico de formas 1 de 2 metros de altura
65 Resultados experimentales
Se han efectuado ensayos de calentamiento enel laboratorio Ampegravere de ASEFA con diversostipos de envolventes cofrets de plancha oplaacutestico armarios Prisma tableros de
distribucioacuten MasterblocDurante estos ensayos se han medido
temperaturas
1048573del aire en diferentes zonas de la envolvente
1048573de los conductores juego de barras yderivaciones
1048573de los puntos calientes de los dispositivos(bimetal ambiente electroacutenico)
intensidades
paraacutemetros que intervienen en lamodelizacioacuten en particular los coeficientes deintercambio aireparedes
Estas mediciones han permitido por una parte
verificar la conformidad a la norma IIEC 604311 deciertos valores (liacutemites de calentamientomencionados en el capiacutetulo 12 sobre lasnormas) y por otra parte para validar el modelo
En lo referente a las temperaturas del aire ladiferencia entre los valores medidos ycalculados depende del tipo de envolventemodelizada ya que al nivel de la modelizacioacuten
los supuestos difieren seguacuten que se considerelas envolventes compartimentadas o no
Sobre el conjunto de ensayos efectuados encuadros de diferentes formas(compartimentados o no) las diferenciasmaacuteximas constatadas han sido siempreinferiores a 6983226C
Las temperaturas calculadas para los juegos debarras muestran tambieacuten una concordancia conlas mediciones y han permitido validar elprograma informaacutetico
En referencia a las intensidades lasdesviaciones en valor medio son inferiores al5 En una homologacioacuten reciente de unaconfiguracioacuten de cuadro Masterbloc encalentamiento el programa ha permitido preverel nivel de funcionamiento del cuadro
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7 Meacutetodo propuesto por el documento IEC 60890
No hace mucho tiempo atras los gabinetes eleacutectricos
se escogiacutean equipaban y llenaban en funcioacutende la experiencia tambieacuten en lo que se refierea la tasa de llenado y a la variacioacuten de latemperatura en el tablero durante elfuncionamiento
Por ejemplo Temperatura exterior maacutexima
30983226C y 60983226C en el interior (los fabricantes de
aparamenta dan de margen hasta los 60983226C)
Esta praacutectica conduciacutea o a una pobre utilizacioacuten
del material o a actuaciones intempestivas de
las protecciones tenieacutendose la necesidad de
trabajar con las puertas abiertas
El meacutetodo propuesto por la recomendacioacuten
IEC aunque no se trate de una norma sino de
una guiacutea es de un intereacutes evidente Se
presenta detalladamente en el anexo de la
norma NFC 63410 o en la recomendacioacuten de la
IEC Ndeg 60890
Debemos de recordar los fundamentosmostrando los liacutemites y comparando con elmeacutetodo presentado en este Cuaderno Teacutecnico
En principio este meacutetodo se aplica aenvolventes a las que se puedan aplicar lassiguientes hipoacutetesis
reparto uniforme de la potencia disipada
el equipamiento se dispone de manera que no sedificulte la circulacioacuten de aire
no maacutes de 3 separaciones horizontales
Datos necesarios
dimensiones de la envolvente
potencia disipada en el interior (equipamiento
conductores)
tipo de instalacioacuten (envolvente aislada osituado en un extremo) (figura 24)
Caacutelculo
la temperatura se calcula uacutenicamente en 2
puntos de la envolvente
a media altura
T05 = Ta + ∆T050804siendo ∆T05 = dk Pw
d es un coeficiente que tiene en cuenta laexistencia de separaciones horizontales
1048573Si Ae lt 125 m2 d =1 (definicioacuten de Ae queveremos inmediatamente)
Si Ae gt 125 m2
Factor de repartode temperatura c165
116 2
3155 4
515
145
14
135
13
125
12
115
11
105
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Factor fCurvaTipo de instalacioacuten
1 Tapas separadas quitadas por todos los lados 3 Tapas separadas en montaje mural 2 Primera o uacuteltima tapa quitada
3 Tapa central quitada
5 Tapa central en montaje mural 4 Tapa central en montaje mural y con la parte
superior abierta
10485731114109917501 Factor de distribucioacuten de temperatura c para
envolventes sin orificios de ventilacioacuten y con una
superficie efectiva de enfriamiento A gt 125 m2 e
Valor de la superficie efectiva Constantede refrigeracioacuten Ae en m 2 de envolvente k
0 4
038
1 036
03415 032
2 03
028
3
25
026
4 024
5 022
6 0278 018
10 016
12 01414
01201
008
100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650
Seccion de los orificios de entrada de aire en cm2
10485731114109917501 Constante de la envolvente k para una
envolvente con orificio de ventilacioacuten y una superficie
efectiva de enfriamiento A gt 125 m2 e
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d = 1 con o sin orificios de ventilacioacuten sin
ninguna separacioacuten
d = 105 con o sin orificios de ventilacioacuten para
1 de separacioacuten
d = 115 oacute 110 con orificios de ventilacioacuten para 2 separaciones
d = 130 oacute 115 con orificios de ventilacioacuten para
3 separaciones
k es una constante que caracteriza laenvolvente su valor se determina con aacutebacos(figura 25) y es funcioacuten de la superficie deintercambio de la envolvente Ae (m2)
Ae = Σ Aob oacute Ao es la superficie geomeacutetrica delas diferentes paredes de la envolvente
b es una constante que tiene en cuenta el tipode instalacioacuten
Valores de b
1048573parte superior abierta b = 14
1048573
parte superior cubierta b = 071048573paredes laterales abiertas b = 09
1048573paredes laterales tapadas b = 05
1048573paredes laterales deenvolventes centrales b = 05
1048573parte inferior b = 0
Pw potencia disipada en Watt en la partealta de la envolvente
T1 = Ta + ∆T1
siendo ∆T1 = c ∆T05 o ∆T05 representa elcalentamiento precedente
c es una constante de calentamientodeterminada a partir de aacutebacos
Por ejemplo en el aacutebaco de la figura 24 c es
funcioacuten de Ae y de uno de los factores f o g
f = h135
(L P) si Ae gt 125 m2
g = h135L si Ae lt 125 m2
Liacutemites
Los liacutemites esenciales de este meacutetodo son
que se aplica bien a las envolventes nocompartimentadas de tipo gabinete y no a los
tableros de potencia muy compartimentados
que no tiene en cuenta la posicioacuten de lasfuentes de calor que la mayor parte de vecesno estaacuten repartidas de forma uniforme
Comparacioacuten con nuestra aproximacioacuten
Se constata que las aproximaciones danresultados similares para los tableros no
compartimentados y con fuentes de calorrepartidas (figura 26)
En lo que se refiere a las envolventes muycerradas la localizacioacuten de las fuentes de calory los intercambios entre las diferentes zonasinfluyen mucho en el calentamiento
Temperatura en oC
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Temperatura calculada seguacuten la norma
Temperatura calculada con el programa de MG
Temperatura del aire ambiente 35 oC
Dimensiones de la envolvente
alto 2 m
ancho 09 m
profundo 04 m
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
Potenciadisipada en Watt
Fig 26 Temperatura del aire a media altura en un tablero metaacutelico de distribucioacuten IP2 y de la forma 1
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8 Conclusioacuten
La importancia de los tableros eleacutectricos en la
distribucioacuten no hay que demostrarla
En cuanto a la disponibilidad de la energiacutea
eleacutectrica y de la seguridad de funcionamiento resulta indiscutible que el control teacutermico de los
tableros eleacutectricos es un objetivo fundamental
Las normas que se refieren a las envolventes ya los productos determinan los liacutemites teacutermicosque no hay que sobrepasar
Les queda a los profesionales convertirse enlaquoarquitectos teacutermicosraquo del disentildeo de lasenvolventes y tableros eleacutectricos hoy es ya
cosa hecha incluso para los tableros de serie
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Habitualmente esta magnitud corresponde a lamayor dimensioacuten del cuerpo soacutelido en contactocon el fluido en movimiento aquiacute L
Importante Es interesante notar que elcoeficiente de intercambio depende del salto detemperatura solamente a la potencia 025 Portanto h = K(∆t)025
el fenoacutemeno de movimientos convectivosque corresponde a la transferencia de calor enel seno de un fluido por medio de los bucles deconveccioacuten que explican por ejemplo elgradiente de temperatura observado entre laspartes baja y alta de un volumen de fluidocerrado sede de fenoacutemenos teacutermicos
Los movimientos de aire entre dos voluacutemenes iy j se caracterizan por las diferencias de masafuncioacuten de las secciones de paso y de lavelocidad de circulacioacuten (figura 6)
La transferencia de calor se representa por
Φij = M cp (Ti - T j)
siendo
Φij flujo de calor transferido entre i y j en W
M circulacioacuten maacutesica en kgs
cp capacidad caloriacutefica del fluido en Jkg oCTi T j temperatura del fluido en los voluacutemenes iy j en oC
Nota la transferencia de calor viene impuestapor el sentido de circulacioacuten
Expresioacuten de la velocidad del fluido en el casode la conveccioacuten natural el fluido se pone enmovimiento entre los puntos i y j por susvariaciones de masa volumeacutetrica con la
temperatura La velocidad se supone seraacute proporcional a las
citadas variaciones funcioacuten de la diferencia de
temperatura entre i y j
V 1114109Cste g Dij ij
siendo
∆ρ ρ variacioacuten relativa de masa volumeacutetricag aceleracioacuten de la gravedad en ms2Dij distancia entre los dos puntos i y j en m
Ademaacutes si se supone que el fluido consideradotiene un comportamiento de gas perfectoentonces
∆ρρ = β (Ti T j) de donde
Vij 1114109
Cste Ti
T j 1048573
g Dij
1siendo 1114109
(en caso de un gasTi T j 1048573 2
perfecto)
Ti T j temperatura del fluido en ordmK
Estas foacutermulas corresponden a movimientos de
voluacutemenes de fluidos ascendentes o
descendentes En el caso de movimiento de
fluido junto a una pared se trata de un
problema doble teacutermico-hidraacuteulico que puede
resolverse en algunos casos de forma analiacutetica
(desplazamiento laminar a lo largo de una
pared)
En este caso la velocidad del fluido a lo largo de
la pared presenta una expresioacuten similar es
decir es proporcional a una diferencia de
temperaturas (fluido-pared)
Ver en la terminologiacutea como repaso la
definicioacuten grado Celsius Kelvin y Fahrenheit
10485731114109917501 Fenoacutemenos del movimiento de conveccioacuten
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32 intercambios al nivel de un Tablero
En el esquema de la figura 7 se presentan loselementos que constituyen el sistema
estudiado aire ambiente envolvente aireinterno y las diferentes fuentes de calor Estadescripcioacuten del estado teacutermico del tablero nos
muestra que todos los fenoacutemenos deintercambios descritos hasta aquiacute debentenerse en cuenta y estaacuten fuertementeinterrelacionados
Por ejemplo
la temperatura del aire interno resulta
1048573de los intercambios por conveccioacuten entre elaire interno y las superficies de los diferentesdispositivos de los conductores y de las paredes
1048573del calor transportado por los movimientosconvectivos del aire
Al nivel de la dispositivos el calor generadopor efecto Joule es intercambiado
1048573por conveccioacuten entre su superficie deintercambio y el aire interno
1048573por conduccioacuten entre las barras y los cables
1048573por radiacioacuten con las paredes de laenvolvente y las superficies de los otrosdispositivos
Los fenoacutemenos maacutes importantes que
intervienen en el comportamiento del conjuntoson los fenoacutemenos de conveccioacuten
Temp ambiental
Paredes del local
s
Envolvente
Conduccioacuten
Radiacioacuten
Conveccioacuten
Movimientos de conveccioacuten
s
Temp interior
Conductores
JdB horizvert Dispositivos
t( (
t
10485731114109917501 Comportamiento teacutermico de una emvolvente
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4 Presentacioacuten de la modelizacioacuten
41 Principio
Todos los meacutetodos de resolucioacuten se basan en eldesarrollo de un sistema de modelizar enbloques elementales que es un meacutetodo deMonte-Carlo de diferencias finitas o deelementos finitos
El meacutetodo empleado el anaacutelisis nodal estaacutededucido de una aproximacioacuten a las diferenciasfinitas Esta teacutecnica si bien claacutesica presenta elintereacutes de poder representar el comportamientoteacutermico de un sistema complejo teniendo encuenta las interacciones entre las diferentespartes o componentes que lo constituyen
Por ejemplo puede utilizarse en dominios muydiversos para describir el comportamiento de unsateacutelite artificial de un motor eleacutectrico lascondiciones climaacuteticas en el interior de uncentro de transformacioacuten o de un edificio devarias viviendas
En principio este meacutetodo consiste endescomponer el sistema estudiado endiferentes voluacutemenes isoteacutermicosdenominados nudos A cada nudo se asociandiferentes paraacutemetros entre otros unatemperatura y eventualmente un aporte decalor independiente de los intercambiosteacutermicos Seguidamente se efectuacutean unosacoplamientos entre nudos es decir losdiferentes intercambios entre los voluacutemenesque nos permiten escribir unas ecuaciones debalance (conservacioacuten de la energiacutea y demateria en el elemento de volumen unido a unnudo determinado) Este meacutetodo quecorresponde de hecho a una discretizacioacutenespacial del sistema nos conduce a definir unared teacutermica con sus nudos sus capacidades
Magnitudes teacutermicas Magnitudes eleacutectricas
Temperatura Potencial
Resisteacutencia teacutermica Resistencia eleacutectrica
sus fuentes de calor sus conductancias quetraducen los diferentes acoplamientos entrenudos (analogiacutea entre los fenoacutemenos eleacutectricosy teacutermicos) (figura 8)
Se llega asiacute a un sistema de ecuacionesemparejadas eventualmente no lineales quenos permitiraacuten definir una matriz la matriz deadmitancia teacutermica Soacutelo falta entoncesprecisar los valores numeacutericos de los elementosde esta matriz que corresponden a lasconductancias teacutermicas
Expresioacuten de las conductancias por tipo deintercambio
Conduccioacuten Gij = λ i Sij Dij
Radiacioacuten Gij = α σ ε S Fij (Ti + T j)(Ti2 + T j
2)
Conveccioacuten Gij = hi Sij
Movimiento convectivo Gij = M cp
Expresioacuten del flujo teacutermico equivalente de laintensidad eleacutectrica
1I1114109 1048573U
R
1 2 3 4
Nudo 1 aire interiorNudos 2 y 3 paredes interiores y exterioresNudo 4 aire ambiente exterior
representa los intercambiospor conduccioacuten
representa los intercambios
por conveccioacuten
representa los intercambiosFlujo de calor Corrientepor desplazamiento del aire
U representa el aporte de calorΦ = G (T2 - T1) I1114109
1 1048573R en el nudo 1
repesenta la capacidad caloriacuteficaCapacidad teacutermica Capacidad eleacutectricaasociada a cada nudo
10485731114109917501 Correspondencia entre magnitudes teacutermicas y 10485731114109917501 Representacioacuten nodal simplificada -modelizacioacuten
eleacutectricas de una pieza
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Φij = Gij (Ti + T j)
siendo
Φij = flujo energeacutetico intercambiado entre los
nudos i y j
Gij = conductancia entre i y j funcioacuten del tipo de
intercambio considerado
Ti T j = temperaturas asociadas a los nudos i y j respectivamente
Tomamos como ejemplo la modelizacioacuten de
una pieza en la que hay una fuente de calor
Se ha descompuesto este sistema en 4 nudos
1 para el aire interno 2 para las paredes (interna y externa) 1 para el aire ambiente exterior
Representacioacuten nodal (simplificada) en lafigura 9
Ecuaciones que traducen los flujos teacutermicospara este sistema simple
nudo 1
Q1 - h12 S12 (T1 - T2) + M41cp (T4 - T1)
- M14cp (T1 - T4) = 1 V1 cp1 T1
nudo 2
2 S23- (T2 - T3) =
d23
h12 S12 (T1 - T2)
= 2 V2 cp2 T2
42 Modelizacioacuten de la conveccioacuten
Como se ha indicado anteriormente en elcapiacutetulo 2 en el teacutermino de conveccioacuten seemparejan a menudo dos fenoacutemenos(intercambios cuerpo-fluido e intercambios en elmismo fluido)
nudo 3
2 S23- (T2 - T3) - h34 S34 (T3 - T4) =
d23
= 2 V2 cp2 T2
nudo 4
h34 S34 (T3 - T4) + M14cp (T1 - T4)
- M41cp (T4 - T1) = 4 V4 cp4 T4
Importante los teacuterminos T i que corresponden adTidtla expresioacuten Estos teacuterminos no se toman
en consideracioacuten ya que soacutelo interesa elreacutegimen permanente es decir con lastemperaturas estabilizadas
A partir de estas ecuaciones se deduce elsistema de ecuaciones [G] [T] = [R]correspondiente seguro a
Φij = Gij (Ti - T j)
donde
G la matriz de admitancia teacutermicaT el vector de temperaturas desconocidasR el vector de las solicitaciones impuestas(fuentes de calor Q1 temperatura )
Este tipo de proceso ha permitido elaborar loscoacutedigos de caacutelculo y las reglas propias a losproblemas teacutermicos de los edificios
La modelizacioacuten de los intercambios porconveccioacuten debe dividirse en dos partes unadescribiendo las peacuterdidas maacutesicas (movimientosde aire) y otra describiendo los intercambiosteacutermicos (coeficientes de intercambio) con unadependencia mutua entre ellos por transferenciamaacutesicateacutermica ((figura 10)
Movimientos del aire Esquema nodal correspondiente que muestralos dos aspectos de la conveccioacuten
10485731114109917501 Modelizacioacuten maacutesica y teacutermica de la conveccioacuten
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43 Aplicacioacuten a las envolventes en BT
Distinguimos para la modelizacioacuten dos grandesgrupos de envolventes
Envolventes no compartimentadasEn este caso el esquema nodalcomo se muestra en la figura 11 es semejanteal del esquema de la figura 10 integrando lasfuentes de calor
Envolventes fuertemente compartimentadoscon o sin ventilacioacuten natural
A nivel de modelizacioacuten son posibles dosplanteamientos
n bien modelizando cada zona del tablerocomo se ha visto anteriormente asociando enconjunto los diferentes voluacutemenes Este sistemaconduce a matices demasiado complicadoscuando como es normal aparecen una decena
de zonas a asociar
aireambiente
10485731114109917501 Envolvente no-cerrada
o bien tratando el sistema globalmente sinmodelizar los bucles de conveccioacuten en el
interior de los diferentes voluacutemenes y noteniendo en cuenta la circulacioacuten de aire entrezonas (figura 12)
Estas modelizaciones nos han conducido aelaborar programas informaacuteticos adaptados acada tipo de envolvente Todos estosprogramas estaacuten estructurados de la mismaforma
Antes de entrar maacutes en detalle en la utilizacioacutende un programa (capiacutetulo 6) conviene conocermejor las fuentes de calor (juegos de barrasaparatos ) para determinar el nivel defuncionamiento real de un cuadro
abertura
aireambiente
zona A zona B
zona A zona B
10485731114109917501 Caso de una envolvente cerrada
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5 Comportamiento de las fuentes de calor Caracteriacutesticas
Las fuentes de calor consideradas en lamodelizacioacuten son los juegos de barras losconductores de interconexioacuten y los aparatoseleacutectricos
Referente a estos uacuteltimos los consideramoscomo laquolas cajas negrasraquo disipando caloriacuteas y
51 Los juegos de barras
Los juegos de barras se calculan de forma queverifiquen dos condiciones poder soportar el paso de la corrientenominal necesaria sin provocar uncalentamiento de las barras que pueda provocarun deterioro de los aislantes que soportan lasbarras Por ejemplo las barras pueden estardimensionadas de forma que no superen enreacutegimen permanente una temperatura de110983226C valor este que es enteramentedependiente de la naturaleza de los materialesaislantes en contacto con las barras porejemplo los soportes La tabla de la figura 13da para una temperatura ambiente de 50983226C y65983226C unos valores de temperatura para los
juegos de barras poder soportar una corriente de cortocircuitosin provocar deformaciones notables en lasbarras rotura de los soportes aislantes ocalentamiento excesivo
no como nudos de la modelizacioacuten Es decirque no se calcula su temperatura defuncionamiento sino la intensidad maacutexima quepueden soportar para una configuracioacuten deinstalacioacuten determinada con el fin de no exceder
su temperatura liacutemite de utilizacioacuten
La segunda condicioacuten corresponde a unproblema de esfuerzos electrodinaacutemicos ypuede estudiarse separadamente aunque laprimera necesita conocer el nivel defuncionamiento del conjunto
En particular hay que tener en cuenta latemperatura del aire que envuelve las barraspara dimensionarlas de forma precisa y evitarque sobrepasen una temperatura criacutetica que esfuncioacuten principalmente de la naturaleza delmaterial utilizado para los soportes
Asiacute conociendo la temperatura del aire en lasdiferentes zonas del tablero podemosdeterminar la temperatura delas barras en funcioacuten de sus caracteriacutesticas(dimensiones forma disposicioacuten) y validar eldimensionamiento
Importante En referencia a los caacutelculos de flujoteacutermico se considera que las barras disipan elcalor principalmente por conveccioacuten y radiacioacutenal aire interno
Temperatura Seccioacuten Intensidad Potencia Temperaturaaprox de las barras disipada (A) de las barras (W) (oC)
50 1 barra 100 x 5 1000 45 79
50 1 barra 100 x 5 1500 107 109
50 3 barras 100 x 5 1500 10 65
50 3 barras 100 x 5 3400 61 110
65 1 barra 100 x 5 1000 45 92
65 3 barras 100 x 5 1500 11 80
10485731114109917501 Valores teacutermicos relativos a un juego de barras de una longitud de 1 m situados en un ambiente dado
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52 Los Dispositivos
En los tableros de distribucioacuten eleacutectrica los
interruptores automaacuteticos constituyen el nuacutecleoprincipal de los dispositivos de potencia Ellos ylos demaacutes componentes como por ejemplo loscontactores disipan
Examinemos con maacutes detalle los interruptores
automaacuteticos frente a los problemas teacutermicos La potencia disipada es proporcional alcuadrado de la intensidad que los recorre
2sus caloriacuteas cuando son recorridos por la IPW PNcorriente eleacutectrica In
La tabla de la figura 14 nos facilita a tiacutetuloindicativo algunos valores de potencia disipadapor fase (por polo)
Interruptores automaacuteticosPotencia medida con watiacutemetro y no calculada a partirde la medida de la resistencia
In (A) 250 400 630 800
Pw - versioacuten fija 141 19 40 416
con In en 197 30 52 58versioacuten desenchufable
Contactores
I
n (A) 265 400 630 780Pw con In 22 45 48 60
10485731114109917501 Potencia disipada por polo a In en la
aparamenta claacutesica
Electroacutenico
Desplazamientovoluntario
compensado
Bimetal simple
donde PN representa la potencia disipada a laintensidad nominal de empleo In
La intensidad nominal de empleo (In) de uninterruptor automaacutetico corresponde a unatemperatura ambiente determinada por ejemplo40oC fijada por la norma de construccioacuten Dehecho para ciertos interruptores automaacuteticos latemperatura ambiente correspondiente a Inpuede alcanzar e incluso sobrepasar los 50ordmC dato
que debe dar una seguridad por ejemplo enlos paiacuteses caacutelidos
la intensidad de funcionamiento (Ith o Ithe)puede variar en funcioacuten de la temperaturaambiente y seguacuten el tipo de releacute teacutermico simpleteacutermico compensado electroacutenico (figura 15) loque puede permitir definir una corriente maacuteximade empleo diferente de In
Los paraacutemetros que intervienen en ladeterminacioacuten de desplazamiento portemperatura tienen en cuenta ademaacutes de latemperatura del aire alrededor del dispositivo (T i)
la temperatura liacutemite (TL) de los
componentes internos del interruptorautomaacutetico
1048573 temperatura maacutexima de funcionamiento delbimetal para un interruptor automaacutetico con releacutetermomagneacutetico
1048573 temperatura de los componenteselectroacutenicos para interruptores automaacuteticos conreleacute electroacutenico incorporado
1048573 la temperatura no debe transmitirse a losmateriales plaacutesticos los maacutes sensibles en uninterruptor automaacutetico con electroacutenicaintercambiable (releacute exteriorinterruptor abierto)Estas temperaturas liacutemite estaacuten comprendiasentre 100 y 150oC
la razoacuten entre la Ir del releacute y la corriente realde disparo cuando eacuteste estaacute a la temperatura
Bimetal
T TN
TN temperatura nominal de funcionamiento
T L temperatura liacutemite de funcionamiento
de definicioacuten de In K1Ir (figura 16)In
T ambiente
L
las secciones de los cables o las barras deconexioacuten que juegan un papel de radiador Suinfluencia se toma en cuenta para un coeficiente10485731114109917501 Curvas de desplazamiento tipo de los releacutes enK2funcioacuten de la temperatura
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Importante Debe tenerse en cuenta que laseccioacuten de los conductores utilizados esraramente igual a la que se emplea para losensayos de certificacioacuten de los interruptoresautomaacuteticos
El desplazamiento que tiene en cuenta estosdiversos criterios puede expresarsematemaacuteticamente
Foacutermula de desplazamiento
El interruptor automaacutetico y sus conductores deconexioacuten disipan esencialmente por conveccioacuten
Aparece por ello la relacioacuten
W1 = h S (TL - Ti)
siendo
W1 potencia disipada en W para un aparatoconectado dentro de una envolvente con unvolumen de aire a la temperatura T i
h = coeficiente de intercambio en Wm2 983226C
S superficie de intercambio en m2TL temperatura del punto caliente en 983226C (porejemplo el bimetal)
Ti temperatura del aire interno alrededor delaparato en 983226C
h = Cste S (TL - Ti)α
de donde W1 = Cste S (TL - Ti)1+α
Cuando el aparato se halla al aire libre a 40983226Cse tiene una relacioacuten similar
W2 = Cste S (TL - 40)1+α
de donde
1
1 L i W T
T
W T
402
L
Ademaacutes se sabe que1 = RIthe
2 y que W2 = RIr 2
W TL -T
y por tanto Ithe 1114109Ir
i
TL - 40
siendo Ithe la intensidad que recorre el aparato
Id = K1 x In y β = (1 + α)2
β coeficiente que caracteriza el tipo de dispositivoSe determina experimentalmente o por unanaacutelisis maacutes fino del comportamiento teacutermicodel elemento Su valor estaacute comprendido entre02 y 07
Relacioacuten final integrando ademaacutes el efecto
de las secciones (coeficiente K2)
TL
T iI 1114109
I K K
the n 1 2 TL
40
Los datos que corresponden alcomportamiento del interruptor automaacutetico y queintervienen en esta foacutermula estaacuten en losficheros que utiliza el programa informaacutetico alcalcular las temperaturas en el interior deltablero
tteacutermico
magneacutetico
curvaliacutemitedel cable
CR
LR
t
curvaliacutemitedel cable
retardocorto
retardolargo
Ir Irm Icu I Ir Irm Iins Icu I
ILR ICRIr = ajuste del releacute teacutermicoIrm = ajuste del releacute magneacutetico
zona
zona de
zona desobre-Icu = poder de corte uacuteltimo normal cortocircuitoscarga
10485731114109917501 Curvas de disparo de un interruptor automaacutetico
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6 Meacutetodo de caacutelculo de la temperatura en las envolventes
La modelizacioacuten presentada hasta ahora debeservir de base al desarrollo de nuestro meacutetodode caacutelculo que debe permitirnos determinar elfuncionamiento real del tablero (intensidadmaacutexima en cada derivacioacuten) y con ello utilizarel conjunto al maacuteximo con una seguridadgarantizada
61 Principio
El programa se desarrolla con dos bucles deiteraciones imbricadas con el fin de determinarel nivel permanente El primero concierne a laresolucioacuten del problema teacutermico el otro a loscoeficientes de desplazamiento
El esquema de caacutelculo se presenta en la figura17
1983210 etapa descripcioacuten de la configuracioacuten esdecir tipo de envolvente utilizado nuacutemero dedispositivos y su posicioacuten relativa A este nivel elprograma utiliza el fichero de aparatos pararecuperar los datos descritos con anterioridad
2983210 etapa descomposicioacuten de la envolvente ensus voluacutemenes isotermos (nudos de lamodelizacioacuten nodal)
3983210 etapa inicio de los nuacutecleos de iteracioacuten concaacutelculo
de la potencia disipada (en la primeraiteracioacuten los coeficientes de desplazamiento setoman igual a 1)
de los coeficientes de la matriz de admitanciaa partir de las ecuaciones de balance
de las temperaturas internas (resolucioacuten delproblema teacutermico)
Como acostumbra a suceder en teacutermica lasnumerosas relaciones entre paraacutemetrosprecisan de una definicioacuten iterativa con laelaboracioacuten de un programa del que vamos apresentar el principio
de los nuevos coeficientes dedesplazamiento comparaacutendolos con losanteriores Si el salto se juzga poco importante(prueba de paro de la iteracioacuten) se procede a unnuevo bucle calculando las nuevasintensidades que atraviesan cada aparato denuevo la potencia disipada
4983210 etapa salida de los resultados
Descripcioacuten de la configuracioacutenestudiada
Intensidad
Potencia disipadadentro de la envolvente
Coeficientes dedesplazamiento
Temperaturasiinteriores
10485731114109917501 Principio de funcionamiento de los programas
62 Descripcioacuten de los datos a suministrar y de los resultados obtenidos
Datos
tipo de envolvente ymaterial
iacutendice de proteccioacuten
temperatura ambiente alrededor de laenvolvente
nuacutemero de filas de dispositivos
denominacioacuten de los aparatos que permitensu localizacioacuten en el fichero
configuracioacuten del tablero y posicioacuten de los
dispositivos
Resultados
eleccioacuten de un juego de barras horizontal yvertical (seccioacuten) e intensidad en estas barras
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potencia teacutermica total disipada en el tablero
coeficiente de desplazamiento para cadadispositivo debido a las intensidades circulantes
eventualmente la temperatura alcanzada por
las barras y su nivel en las diferentes zonas deltablero
63 Configuraciones modelizadas
Es bien sabido que en un programa como elque se indica no pueden considerarse todas lasconfiguraciones de instalacioacuten imaginablesSolamente se consideran las maacutes comunes esdecir las que permiten responder al 90 de loscasos deseados Un ejemplo en la figura 18
Configuracioacuten 1 Configuracioacuten 2 Configuracioacuten 3sin aparato de entrada aparato de entrada
en posicioacuten altaaparato de entradaen posicioacuten baja
10485731114109917501 Configuraciones modelizadas
64 Resultados
Este progreso en el caacutelculo informaacutetico demodelos es especialmente interesante porquepermite efectuar los diversos estudios
Estudio detallado de una configuracioacutendeterminada para optimizar la posicioacuten de undispositivo o la eleccioacuten de un juego de barrasconocer la potencia disipada por el conjuntopara dimensionar una climatizacioacuten adaptada
El ejemplo siguiente se ha efectuado con unacolumna de un cuadro industrial de potenciacompartimentado forma 2 conteniendo
un juego de barras horizontal alimentando un
aparato de entrada y la columna adyacente un aparato de entrada de 2500 A diferentes interruptores automaacuteticos de caja
moldeada
El programa nos facilita entre otros los coeficientes de desplazamiento Kdesp las intensidades que circulan por cadaaparato Ir
Advertencia sobre el coeficiente Kdiv
Este coeficiente nos permite tener en cuenta elcoeficiente de diversidad o de esponjamientoderivacioacuten por derivacioacuten
Es decir los niveles de funcionamiento en uninstante dado de los diferentes aparatos
Por ejemplo en un instante dado 2derivaciones son solicitadas al maacuteximo y lasotras hasta el 05 de sus posibilidadesafectando al sistema teacutermico del conjunto
Los resultados se presentan en la hoja decaacutelculo de la figura 19
Tabla de desplazamiento para unaconfiguracioacuten dada
Esta posibilidad de utilizacioacuten del programasemejante a la utilizacioacuten anterior permite reunirpara una configuracioacuten frecuente losdesplazamientos de los diferentes dispositivosteniendo en cuenta su posicioacuten real en el
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tablero las secciones de los conductoresutilizados los iacutendices de proteccioacuten y de latemperatura ambiente exterior
En la figura 20 se puede ver un ejemplo de uncuadro industrial de potencia con los datosdetallados de los dispositivos instalados en columna
Tabla de desplazamiento para un tipo dedispositivo
Para la mayor parte de interruptoresautomaacuteticos de caja moldeada eldesplazamiento es relativamente independientede la configuracioacuten
Masterbloc MB200 IP = 31
Tabla con aparato de llegada en posicioacuten alta alimentada con JdB horizontal
Referencia Posicioacuten Kdespl Kdiv Ia(A) Or(A)
M25H 1 12 88 1 2200 2200
NS630ST 17 21 93 1 586 518
NS630ST 22 26 96 1 605 534
NS400ST 27 31 1 1 400 353
NS400ST 32 36 1 1 400 353
NS250D250 37 40 1 1 250 221
NS250D250 41 44 1 1 250 221
Juego de barras horizontal
intensidad 2200 A
M 25
NS 630
NS 630
NS 400
NS 400
NS 250
NS 250
seccioacuten 1 4 barras de 100 5
Juego de barras vertical
intensidad 2200 A Temperatura JdB horizontal 95oC
seccioacuten 1 4 barras de 80 5Temperatura JdB vericalTemperatura ambiente
104oC35oC
Temperatura del techo 70oCPotencia total disipada 1953 W Temperatura JdB horizontal 75oCdetalle en dispositivos 593 W Temperatura aparellaje alto 68oC bajo 35oC
en auxiliares 0 W Temperatura auxiliar alto 52oC bajo 35oC juegos de barras + derivaciones 1271 W Temperatura JdB + derivaciones alto 77oC bajo 35oC juego de barras horizontal 89 W Temperatura conexiones alto 58oC bajo 35oC
10485731114109917501 Resultados del caacutelculo para una configuracioacuten determinada
IP31
Tdeg amb 35 40 45 50 55
M25 09 087 084 081 079M16 097 094 091 088 086M08 1 1 1 1 1
IP 4254
Tdeg amb 35 40 45 50 55
M25 079 077 075 073 071M16 087 085 083 081 079M08 1 1 1 1 1
3b 1005
3b 1005
2b 805
2b 805
1b 635
1b 635
3b 1005
4 b
8 0 5
1 b 8
0 5
M 252500 A
M 161600 A
M 08800 A
hueco
x
x
x
10485731114109917501 Desplazamiento de los interruptores automaacuteticos descritos en funcioacuten de la temperatura ambiente
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Los coeficientes de desplazamiento seestablecen por exceso situando los dispositivos enlo alto del tablero o del compartimento
Ver a tiacutetulo de ejemplo la figura 21
Curvas caracteriacutesticas del comportamientoteacutermico de un tipo de envolvente
Se establecen dos tipos graacuteficos
un conjunto de curvas que permitendeterminar la temperatura media en el interiorde una envolvente determinada en funcioacuten de lapotencia disipada y de la temperatura ambienteexterior
En la figura 22 se indican estas curvas para untablero de distribucioacuten no compartimentado
unas curvas que permiten determinar lapotencia que estas envolventes pueden disiparpara un calentamiento definido en funcioacuten desus caracteriacutesticas dimensionales
Ejemplo temperatura ambiente exterior 35 oCcalentamiento maacuteximo admisible ∆Ta = 30 oC
1048573 tablero altura 2 m anchura 09 mprofundidad 04 m
potencia disipable 850 W
1048573 tablero altura 2 m anchura 09 mprofundidad 06 m
potencia disipable 1000 W seguacuten curvas de lafigura 23
IP 31 IP 4254
Tdeg amb 35 40 45 50 55 35 40 45 50 55
NS100 100 100 100 100 95 100 95 90 85 80
NS160 160 155 150 145 140 150 140 135 125 120
NS250 235 225 220 210 200 205 195 180 170 165
NS400 380 370 360 350 340 350 340 330 320 310
NS630 540 520 510 500 485 485 475 465 450 440
10485731114109917501 Ejemplo de intensidades de corriente (en A) de disparo de interruptores automaacuteticos Compact NS
instalados dentro de una envolvente de BT determinada
Temperaturamedia en oC
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Tamb 60oC
Tamb 55oC
Tamb 50o
CTamb 45oCTamb 40oCTamb 35oC
Tamb 25oC
Dimensiones de
la envolventealto 2 mancho 09 mprofundo 04 m
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Potencia disipada en vatios
10485731114109917501 Temperatura media del aire en el interior de un armario de distribucioacuten metaacutelico IP2 y de forma 1
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Envolvente de 400 mmde profundidad
Potencia disipadaen vatios
1600
1400 T = 40oC
1200
1000 T = 30oC
800
T = 20oC600
400T = 10oC
200
800 900 1000 1100
Anchura en mm
Envolvente de 600 mmde profundidad
Potencia disipadaen vatios
1600 T = 40o
C
1400T = 30oC
1200
1000
T = 20oC1000
600
400 T = 10oC
200
800 900 1000 1100
Anchura en mm
10485731114109917501 Potencia disipable por calentamiento en una envolvente dada en funcioacuten de su anchura Curvas que se
refieren a un gabinete metaacutelico de formas 1 de 2 metros de altura
65 Resultados experimentales
Se han efectuado ensayos de calentamiento enel laboratorio Ampegravere de ASEFA con diversostipos de envolventes cofrets de plancha oplaacutestico armarios Prisma tableros de
distribucioacuten MasterblocDurante estos ensayos se han medido
temperaturas
1048573del aire en diferentes zonas de la envolvente
1048573de los conductores juego de barras yderivaciones
1048573de los puntos calientes de los dispositivos(bimetal ambiente electroacutenico)
intensidades
paraacutemetros que intervienen en lamodelizacioacuten en particular los coeficientes deintercambio aireparedes
Estas mediciones han permitido por una parte
verificar la conformidad a la norma IIEC 604311 deciertos valores (liacutemites de calentamientomencionados en el capiacutetulo 12 sobre lasnormas) y por otra parte para validar el modelo
En lo referente a las temperaturas del aire ladiferencia entre los valores medidos ycalculados depende del tipo de envolventemodelizada ya que al nivel de la modelizacioacuten
los supuestos difieren seguacuten que se considerelas envolventes compartimentadas o no
Sobre el conjunto de ensayos efectuados encuadros de diferentes formas(compartimentados o no) las diferenciasmaacuteximas constatadas han sido siempreinferiores a 6983226C
Las temperaturas calculadas para los juegos debarras muestran tambieacuten una concordancia conlas mediciones y han permitido validar elprograma informaacutetico
En referencia a las intensidades lasdesviaciones en valor medio son inferiores al5 En una homologacioacuten reciente de unaconfiguracioacuten de cuadro Masterbloc encalentamiento el programa ha permitido preverel nivel de funcionamiento del cuadro
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7 Meacutetodo propuesto por el documento IEC 60890
No hace mucho tiempo atras los gabinetes eleacutectricos
se escogiacutean equipaban y llenaban en funcioacutende la experiencia tambieacuten en lo que se refierea la tasa de llenado y a la variacioacuten de latemperatura en el tablero durante elfuncionamiento
Por ejemplo Temperatura exterior maacutexima
30983226C y 60983226C en el interior (los fabricantes de
aparamenta dan de margen hasta los 60983226C)
Esta praacutectica conduciacutea o a una pobre utilizacioacuten
del material o a actuaciones intempestivas de
las protecciones tenieacutendose la necesidad de
trabajar con las puertas abiertas
El meacutetodo propuesto por la recomendacioacuten
IEC aunque no se trate de una norma sino de
una guiacutea es de un intereacutes evidente Se
presenta detalladamente en el anexo de la
norma NFC 63410 o en la recomendacioacuten de la
IEC Ndeg 60890
Debemos de recordar los fundamentosmostrando los liacutemites y comparando con elmeacutetodo presentado en este Cuaderno Teacutecnico
En principio este meacutetodo se aplica aenvolventes a las que se puedan aplicar lassiguientes hipoacutetesis
reparto uniforme de la potencia disipada
el equipamiento se dispone de manera que no sedificulte la circulacioacuten de aire
no maacutes de 3 separaciones horizontales
Datos necesarios
dimensiones de la envolvente
potencia disipada en el interior (equipamiento
conductores)
tipo de instalacioacuten (envolvente aislada osituado en un extremo) (figura 24)
Caacutelculo
la temperatura se calcula uacutenicamente en 2
puntos de la envolvente
a media altura
T05 = Ta + ∆T050804siendo ∆T05 = dk Pw
d es un coeficiente que tiene en cuenta laexistencia de separaciones horizontales
1048573Si Ae lt 125 m2 d =1 (definicioacuten de Ae queveremos inmediatamente)
Si Ae gt 125 m2
Factor de repartode temperatura c165
116 2
3155 4
515
145
14
135
13
125
12
115
11
105
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Factor fCurvaTipo de instalacioacuten
1 Tapas separadas quitadas por todos los lados 3 Tapas separadas en montaje mural 2 Primera o uacuteltima tapa quitada
3 Tapa central quitada
5 Tapa central en montaje mural 4 Tapa central en montaje mural y con la parte
superior abierta
10485731114109917501 Factor de distribucioacuten de temperatura c para
envolventes sin orificios de ventilacioacuten y con una
superficie efectiva de enfriamiento A gt 125 m2 e
Valor de la superficie efectiva Constantede refrigeracioacuten Ae en m 2 de envolvente k
0 4
038
1 036
03415 032
2 03
028
3
25
026
4 024
5 022
6 0278 018
10 016
12 01414
01201
008
100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650
Seccion de los orificios de entrada de aire en cm2
10485731114109917501 Constante de la envolvente k para una
envolvente con orificio de ventilacioacuten y una superficie
efectiva de enfriamiento A gt 125 m2 e
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d = 1 con o sin orificios de ventilacioacuten sin
ninguna separacioacuten
d = 105 con o sin orificios de ventilacioacuten para
1 de separacioacuten
d = 115 oacute 110 con orificios de ventilacioacuten para 2 separaciones
d = 130 oacute 115 con orificios de ventilacioacuten para
3 separaciones
k es una constante que caracteriza laenvolvente su valor se determina con aacutebacos(figura 25) y es funcioacuten de la superficie deintercambio de la envolvente Ae (m2)
Ae = Σ Aob oacute Ao es la superficie geomeacutetrica delas diferentes paredes de la envolvente
b es una constante que tiene en cuenta el tipode instalacioacuten
Valores de b
1048573parte superior abierta b = 14
1048573
parte superior cubierta b = 071048573paredes laterales abiertas b = 09
1048573paredes laterales tapadas b = 05
1048573paredes laterales deenvolventes centrales b = 05
1048573parte inferior b = 0
Pw potencia disipada en Watt en la partealta de la envolvente
T1 = Ta + ∆T1
siendo ∆T1 = c ∆T05 o ∆T05 representa elcalentamiento precedente
c es una constante de calentamientodeterminada a partir de aacutebacos
Por ejemplo en el aacutebaco de la figura 24 c es
funcioacuten de Ae y de uno de los factores f o g
f = h135
(L P) si Ae gt 125 m2
g = h135L si Ae lt 125 m2
Liacutemites
Los liacutemites esenciales de este meacutetodo son
que se aplica bien a las envolventes nocompartimentadas de tipo gabinete y no a los
tableros de potencia muy compartimentados
que no tiene en cuenta la posicioacuten de lasfuentes de calor que la mayor parte de vecesno estaacuten repartidas de forma uniforme
Comparacioacuten con nuestra aproximacioacuten
Se constata que las aproximaciones danresultados similares para los tableros no
compartimentados y con fuentes de calorrepartidas (figura 26)
En lo que se refiere a las envolventes muycerradas la localizacioacuten de las fuentes de calory los intercambios entre las diferentes zonasinfluyen mucho en el calentamiento
Temperatura en oC
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Temperatura calculada seguacuten la norma
Temperatura calculada con el programa de MG
Temperatura del aire ambiente 35 oC
Dimensiones de la envolvente
alto 2 m
ancho 09 m
profundo 04 m
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
Potenciadisipada en Watt
Fig 26 Temperatura del aire a media altura en un tablero metaacutelico de distribucioacuten IP2 y de la forma 1
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8 Conclusioacuten
La importancia de los tableros eleacutectricos en la
distribucioacuten no hay que demostrarla
En cuanto a la disponibilidad de la energiacutea
eleacutectrica y de la seguridad de funcionamiento resulta indiscutible que el control teacutermico de los
tableros eleacutectricos es un objetivo fundamental
Las normas que se refieren a las envolventes ya los productos determinan los liacutemites teacutermicosque no hay que sobrepasar
Les queda a los profesionales convertirse enlaquoarquitectos teacutermicosraquo del disentildeo de lasenvolventes y tableros eleacutectricos hoy es ya
cosa hecha incluso para los tableros de serie
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32 intercambios al nivel de un Tablero
En el esquema de la figura 7 se presentan loselementos que constituyen el sistema
estudiado aire ambiente envolvente aireinterno y las diferentes fuentes de calor Estadescripcioacuten del estado teacutermico del tablero nos
muestra que todos los fenoacutemenos deintercambios descritos hasta aquiacute debentenerse en cuenta y estaacuten fuertementeinterrelacionados
Por ejemplo
la temperatura del aire interno resulta
1048573de los intercambios por conveccioacuten entre elaire interno y las superficies de los diferentesdispositivos de los conductores y de las paredes
1048573del calor transportado por los movimientosconvectivos del aire
Al nivel de la dispositivos el calor generadopor efecto Joule es intercambiado
1048573por conveccioacuten entre su superficie deintercambio y el aire interno
1048573por conduccioacuten entre las barras y los cables
1048573por radiacioacuten con las paredes de laenvolvente y las superficies de los otrosdispositivos
Los fenoacutemenos maacutes importantes que
intervienen en el comportamiento del conjuntoson los fenoacutemenos de conveccioacuten
Temp ambiental
Paredes del local
s
Envolvente
Conduccioacuten
Radiacioacuten
Conveccioacuten
Movimientos de conveccioacuten
s
Temp interior
Conductores
JdB horizvert Dispositivos
t( (
t
10485731114109917501 Comportamiento teacutermico de una emvolvente
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4 Presentacioacuten de la modelizacioacuten
41 Principio
Todos los meacutetodos de resolucioacuten se basan en eldesarrollo de un sistema de modelizar enbloques elementales que es un meacutetodo deMonte-Carlo de diferencias finitas o deelementos finitos
El meacutetodo empleado el anaacutelisis nodal estaacutededucido de una aproximacioacuten a las diferenciasfinitas Esta teacutecnica si bien claacutesica presenta elintereacutes de poder representar el comportamientoteacutermico de un sistema complejo teniendo encuenta las interacciones entre las diferentespartes o componentes que lo constituyen
Por ejemplo puede utilizarse en dominios muydiversos para describir el comportamiento de unsateacutelite artificial de un motor eleacutectrico lascondiciones climaacuteticas en el interior de uncentro de transformacioacuten o de un edificio devarias viviendas
En principio este meacutetodo consiste endescomponer el sistema estudiado endiferentes voluacutemenes isoteacutermicosdenominados nudos A cada nudo se asociandiferentes paraacutemetros entre otros unatemperatura y eventualmente un aporte decalor independiente de los intercambiosteacutermicos Seguidamente se efectuacutean unosacoplamientos entre nudos es decir losdiferentes intercambios entre los voluacutemenesque nos permiten escribir unas ecuaciones debalance (conservacioacuten de la energiacutea y demateria en el elemento de volumen unido a unnudo determinado) Este meacutetodo quecorresponde de hecho a una discretizacioacutenespacial del sistema nos conduce a definir unared teacutermica con sus nudos sus capacidades
Magnitudes teacutermicas Magnitudes eleacutectricas
Temperatura Potencial
Resisteacutencia teacutermica Resistencia eleacutectrica
sus fuentes de calor sus conductancias quetraducen los diferentes acoplamientos entrenudos (analogiacutea entre los fenoacutemenos eleacutectricosy teacutermicos) (figura 8)
Se llega asiacute a un sistema de ecuacionesemparejadas eventualmente no lineales quenos permitiraacuten definir una matriz la matriz deadmitancia teacutermica Soacutelo falta entoncesprecisar los valores numeacutericos de los elementosde esta matriz que corresponden a lasconductancias teacutermicas
Expresioacuten de las conductancias por tipo deintercambio
Conduccioacuten Gij = λ i Sij Dij
Radiacioacuten Gij = α σ ε S Fij (Ti + T j)(Ti2 + T j
2)
Conveccioacuten Gij = hi Sij
Movimiento convectivo Gij = M cp
Expresioacuten del flujo teacutermico equivalente de laintensidad eleacutectrica
1I1114109 1048573U
R
1 2 3 4
Nudo 1 aire interiorNudos 2 y 3 paredes interiores y exterioresNudo 4 aire ambiente exterior
representa los intercambiospor conduccioacuten
representa los intercambios
por conveccioacuten
representa los intercambiosFlujo de calor Corrientepor desplazamiento del aire
U representa el aporte de calorΦ = G (T2 - T1) I1114109
1 1048573R en el nudo 1
repesenta la capacidad caloriacuteficaCapacidad teacutermica Capacidad eleacutectricaasociada a cada nudo
10485731114109917501 Correspondencia entre magnitudes teacutermicas y 10485731114109917501 Representacioacuten nodal simplificada -modelizacioacuten
eleacutectricas de una pieza
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Φij = Gij (Ti + T j)
siendo
Φij = flujo energeacutetico intercambiado entre los
nudos i y j
Gij = conductancia entre i y j funcioacuten del tipo de
intercambio considerado
Ti T j = temperaturas asociadas a los nudos i y j respectivamente
Tomamos como ejemplo la modelizacioacuten de
una pieza en la que hay una fuente de calor
Se ha descompuesto este sistema en 4 nudos
1 para el aire interno 2 para las paredes (interna y externa) 1 para el aire ambiente exterior
Representacioacuten nodal (simplificada) en lafigura 9
Ecuaciones que traducen los flujos teacutermicospara este sistema simple
nudo 1
Q1 - h12 S12 (T1 - T2) + M41cp (T4 - T1)
- M14cp (T1 - T4) = 1 V1 cp1 T1
nudo 2
2 S23- (T2 - T3) =
d23
h12 S12 (T1 - T2)
= 2 V2 cp2 T2
42 Modelizacioacuten de la conveccioacuten
Como se ha indicado anteriormente en elcapiacutetulo 2 en el teacutermino de conveccioacuten seemparejan a menudo dos fenoacutemenos(intercambios cuerpo-fluido e intercambios en elmismo fluido)
nudo 3
2 S23- (T2 - T3) - h34 S34 (T3 - T4) =
d23
= 2 V2 cp2 T2
nudo 4
h34 S34 (T3 - T4) + M14cp (T1 - T4)
- M41cp (T4 - T1) = 4 V4 cp4 T4
Importante los teacuterminos T i que corresponden adTidtla expresioacuten Estos teacuterminos no se toman
en consideracioacuten ya que soacutelo interesa elreacutegimen permanente es decir con lastemperaturas estabilizadas
A partir de estas ecuaciones se deduce elsistema de ecuaciones [G] [T] = [R]correspondiente seguro a
Φij = Gij (Ti - T j)
donde
G la matriz de admitancia teacutermicaT el vector de temperaturas desconocidasR el vector de las solicitaciones impuestas(fuentes de calor Q1 temperatura )
Este tipo de proceso ha permitido elaborar loscoacutedigos de caacutelculo y las reglas propias a losproblemas teacutermicos de los edificios
La modelizacioacuten de los intercambios porconveccioacuten debe dividirse en dos partes unadescribiendo las peacuterdidas maacutesicas (movimientosde aire) y otra describiendo los intercambiosteacutermicos (coeficientes de intercambio) con unadependencia mutua entre ellos por transferenciamaacutesicateacutermica ((figura 10)
Movimientos del aire Esquema nodal correspondiente que muestralos dos aspectos de la conveccioacuten
10485731114109917501 Modelizacioacuten maacutesica y teacutermica de la conveccioacuten
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43 Aplicacioacuten a las envolventes en BT
Distinguimos para la modelizacioacuten dos grandesgrupos de envolventes
Envolventes no compartimentadasEn este caso el esquema nodalcomo se muestra en la figura 11 es semejanteal del esquema de la figura 10 integrando lasfuentes de calor
Envolventes fuertemente compartimentadoscon o sin ventilacioacuten natural
A nivel de modelizacioacuten son posibles dosplanteamientos
n bien modelizando cada zona del tablerocomo se ha visto anteriormente asociando enconjunto los diferentes voluacutemenes Este sistemaconduce a matices demasiado complicadoscuando como es normal aparecen una decena
de zonas a asociar
aireambiente
10485731114109917501 Envolvente no-cerrada
o bien tratando el sistema globalmente sinmodelizar los bucles de conveccioacuten en el
interior de los diferentes voluacutemenes y noteniendo en cuenta la circulacioacuten de aire entrezonas (figura 12)
Estas modelizaciones nos han conducido aelaborar programas informaacuteticos adaptados acada tipo de envolvente Todos estosprogramas estaacuten estructurados de la mismaforma
Antes de entrar maacutes en detalle en la utilizacioacutende un programa (capiacutetulo 6) conviene conocermejor las fuentes de calor (juegos de barrasaparatos ) para determinar el nivel defuncionamiento real de un cuadro
abertura
aireambiente
zona A zona B
zona A zona B
10485731114109917501 Caso de una envolvente cerrada
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5 Comportamiento de las fuentes de calor Caracteriacutesticas
Las fuentes de calor consideradas en lamodelizacioacuten son los juegos de barras losconductores de interconexioacuten y los aparatoseleacutectricos
Referente a estos uacuteltimos los consideramoscomo laquolas cajas negrasraquo disipando caloriacuteas y
51 Los juegos de barras
Los juegos de barras se calculan de forma queverifiquen dos condiciones poder soportar el paso de la corrientenominal necesaria sin provocar uncalentamiento de las barras que pueda provocarun deterioro de los aislantes que soportan lasbarras Por ejemplo las barras pueden estardimensionadas de forma que no superen enreacutegimen permanente una temperatura de110983226C valor este que es enteramentedependiente de la naturaleza de los materialesaislantes en contacto con las barras porejemplo los soportes La tabla de la figura 13da para una temperatura ambiente de 50983226C y65983226C unos valores de temperatura para los
juegos de barras poder soportar una corriente de cortocircuitosin provocar deformaciones notables en lasbarras rotura de los soportes aislantes ocalentamiento excesivo
no como nudos de la modelizacioacuten Es decirque no se calcula su temperatura defuncionamiento sino la intensidad maacutexima quepueden soportar para una configuracioacuten deinstalacioacuten determinada con el fin de no exceder
su temperatura liacutemite de utilizacioacuten
La segunda condicioacuten corresponde a unproblema de esfuerzos electrodinaacutemicos ypuede estudiarse separadamente aunque laprimera necesita conocer el nivel defuncionamiento del conjunto
En particular hay que tener en cuenta latemperatura del aire que envuelve las barraspara dimensionarlas de forma precisa y evitarque sobrepasen una temperatura criacutetica que esfuncioacuten principalmente de la naturaleza delmaterial utilizado para los soportes
Asiacute conociendo la temperatura del aire en lasdiferentes zonas del tablero podemosdeterminar la temperatura delas barras en funcioacuten de sus caracteriacutesticas(dimensiones forma disposicioacuten) y validar eldimensionamiento
Importante En referencia a los caacutelculos de flujoteacutermico se considera que las barras disipan elcalor principalmente por conveccioacuten y radiacioacutenal aire interno
Temperatura Seccioacuten Intensidad Potencia Temperaturaaprox de las barras disipada (A) de las barras (W) (oC)
50 1 barra 100 x 5 1000 45 79
50 1 barra 100 x 5 1500 107 109
50 3 barras 100 x 5 1500 10 65
50 3 barras 100 x 5 3400 61 110
65 1 barra 100 x 5 1000 45 92
65 3 barras 100 x 5 1500 11 80
10485731114109917501 Valores teacutermicos relativos a un juego de barras de una longitud de 1 m situados en un ambiente dado
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52 Los Dispositivos
En los tableros de distribucioacuten eleacutectrica los
interruptores automaacuteticos constituyen el nuacutecleoprincipal de los dispositivos de potencia Ellos ylos demaacutes componentes como por ejemplo loscontactores disipan
Examinemos con maacutes detalle los interruptores
automaacuteticos frente a los problemas teacutermicos La potencia disipada es proporcional alcuadrado de la intensidad que los recorre
2sus caloriacuteas cuando son recorridos por la IPW PNcorriente eleacutectrica In
La tabla de la figura 14 nos facilita a tiacutetuloindicativo algunos valores de potencia disipadapor fase (por polo)
Interruptores automaacuteticosPotencia medida con watiacutemetro y no calculada a partirde la medida de la resistencia
In (A) 250 400 630 800
Pw - versioacuten fija 141 19 40 416
con In en 197 30 52 58versioacuten desenchufable
Contactores
I
n (A) 265 400 630 780Pw con In 22 45 48 60
10485731114109917501 Potencia disipada por polo a In en la
aparamenta claacutesica
Electroacutenico
Desplazamientovoluntario
compensado
Bimetal simple
donde PN representa la potencia disipada a laintensidad nominal de empleo In
La intensidad nominal de empleo (In) de uninterruptor automaacutetico corresponde a unatemperatura ambiente determinada por ejemplo40oC fijada por la norma de construccioacuten Dehecho para ciertos interruptores automaacuteticos latemperatura ambiente correspondiente a Inpuede alcanzar e incluso sobrepasar los 50ordmC dato
que debe dar una seguridad por ejemplo enlos paiacuteses caacutelidos
la intensidad de funcionamiento (Ith o Ithe)puede variar en funcioacuten de la temperaturaambiente y seguacuten el tipo de releacute teacutermico simpleteacutermico compensado electroacutenico (figura 15) loque puede permitir definir una corriente maacuteximade empleo diferente de In
Los paraacutemetros que intervienen en ladeterminacioacuten de desplazamiento portemperatura tienen en cuenta ademaacutes de latemperatura del aire alrededor del dispositivo (T i)
la temperatura liacutemite (TL) de los
componentes internos del interruptorautomaacutetico
1048573 temperatura maacutexima de funcionamiento delbimetal para un interruptor automaacutetico con releacutetermomagneacutetico
1048573 temperatura de los componenteselectroacutenicos para interruptores automaacuteticos conreleacute electroacutenico incorporado
1048573 la temperatura no debe transmitirse a losmateriales plaacutesticos los maacutes sensibles en uninterruptor automaacutetico con electroacutenicaintercambiable (releacute exteriorinterruptor abierto)Estas temperaturas liacutemite estaacuten comprendiasentre 100 y 150oC
la razoacuten entre la Ir del releacute y la corriente realde disparo cuando eacuteste estaacute a la temperatura
Bimetal
T TN
TN temperatura nominal de funcionamiento
T L temperatura liacutemite de funcionamiento
de definicioacuten de In K1Ir (figura 16)In
T ambiente
L
las secciones de los cables o las barras deconexioacuten que juegan un papel de radiador Suinfluencia se toma en cuenta para un coeficiente10485731114109917501 Curvas de desplazamiento tipo de los releacutes enK2funcioacuten de la temperatura
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Importante Debe tenerse en cuenta que laseccioacuten de los conductores utilizados esraramente igual a la que se emplea para losensayos de certificacioacuten de los interruptoresautomaacuteticos
El desplazamiento que tiene en cuenta estosdiversos criterios puede expresarsematemaacuteticamente
Foacutermula de desplazamiento
El interruptor automaacutetico y sus conductores deconexioacuten disipan esencialmente por conveccioacuten
Aparece por ello la relacioacuten
W1 = h S (TL - Ti)
siendo
W1 potencia disipada en W para un aparatoconectado dentro de una envolvente con unvolumen de aire a la temperatura T i
h = coeficiente de intercambio en Wm2 983226C
S superficie de intercambio en m2TL temperatura del punto caliente en 983226C (porejemplo el bimetal)
Ti temperatura del aire interno alrededor delaparato en 983226C
h = Cste S (TL - Ti)α
de donde W1 = Cste S (TL - Ti)1+α
Cuando el aparato se halla al aire libre a 40983226Cse tiene una relacioacuten similar
W2 = Cste S (TL - 40)1+α
de donde
1
1 L i W T
T
W T
402
L
Ademaacutes se sabe que1 = RIthe
2 y que W2 = RIr 2
W TL -T
y por tanto Ithe 1114109Ir
i
TL - 40
siendo Ithe la intensidad que recorre el aparato
Id = K1 x In y β = (1 + α)2
β coeficiente que caracteriza el tipo de dispositivoSe determina experimentalmente o por unanaacutelisis maacutes fino del comportamiento teacutermicodel elemento Su valor estaacute comprendido entre02 y 07
Relacioacuten final integrando ademaacutes el efecto
de las secciones (coeficiente K2)
TL
T iI 1114109
I K K
the n 1 2 TL
40
Los datos que corresponden alcomportamiento del interruptor automaacutetico y queintervienen en esta foacutermula estaacuten en losficheros que utiliza el programa informaacutetico alcalcular las temperaturas en el interior deltablero
tteacutermico
magneacutetico
curvaliacutemitedel cable
CR
LR
t
curvaliacutemitedel cable
retardocorto
retardolargo
Ir Irm Icu I Ir Irm Iins Icu I
ILR ICRIr = ajuste del releacute teacutermicoIrm = ajuste del releacute magneacutetico
zona
zona de
zona desobre-Icu = poder de corte uacuteltimo normal cortocircuitoscarga
10485731114109917501 Curvas de disparo de un interruptor automaacutetico
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6 Meacutetodo de caacutelculo de la temperatura en las envolventes
La modelizacioacuten presentada hasta ahora debeservir de base al desarrollo de nuestro meacutetodode caacutelculo que debe permitirnos determinar elfuncionamiento real del tablero (intensidadmaacutexima en cada derivacioacuten) y con ello utilizarel conjunto al maacuteximo con una seguridadgarantizada
61 Principio
El programa se desarrolla con dos bucles deiteraciones imbricadas con el fin de determinarel nivel permanente El primero concierne a laresolucioacuten del problema teacutermico el otro a loscoeficientes de desplazamiento
El esquema de caacutelculo se presenta en la figura17
1983210 etapa descripcioacuten de la configuracioacuten esdecir tipo de envolvente utilizado nuacutemero dedispositivos y su posicioacuten relativa A este nivel elprograma utiliza el fichero de aparatos pararecuperar los datos descritos con anterioridad
2983210 etapa descomposicioacuten de la envolvente ensus voluacutemenes isotermos (nudos de lamodelizacioacuten nodal)
3983210 etapa inicio de los nuacutecleos de iteracioacuten concaacutelculo
de la potencia disipada (en la primeraiteracioacuten los coeficientes de desplazamiento setoman igual a 1)
de los coeficientes de la matriz de admitanciaa partir de las ecuaciones de balance
de las temperaturas internas (resolucioacuten delproblema teacutermico)
Como acostumbra a suceder en teacutermica lasnumerosas relaciones entre paraacutemetrosprecisan de una definicioacuten iterativa con laelaboracioacuten de un programa del que vamos apresentar el principio
de los nuevos coeficientes dedesplazamiento comparaacutendolos con losanteriores Si el salto se juzga poco importante(prueba de paro de la iteracioacuten) se procede a unnuevo bucle calculando las nuevasintensidades que atraviesan cada aparato denuevo la potencia disipada
4983210 etapa salida de los resultados
Descripcioacuten de la configuracioacutenestudiada
Intensidad
Potencia disipadadentro de la envolvente
Coeficientes dedesplazamiento
Temperaturasiinteriores
10485731114109917501 Principio de funcionamiento de los programas
62 Descripcioacuten de los datos a suministrar y de los resultados obtenidos
Datos
tipo de envolvente ymaterial
iacutendice de proteccioacuten
temperatura ambiente alrededor de laenvolvente
nuacutemero de filas de dispositivos
denominacioacuten de los aparatos que permitensu localizacioacuten en el fichero
configuracioacuten del tablero y posicioacuten de los
dispositivos
Resultados
eleccioacuten de un juego de barras horizontal yvertical (seccioacuten) e intensidad en estas barras
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potencia teacutermica total disipada en el tablero
coeficiente de desplazamiento para cadadispositivo debido a las intensidades circulantes
eventualmente la temperatura alcanzada por
las barras y su nivel en las diferentes zonas deltablero
63 Configuraciones modelizadas
Es bien sabido que en un programa como elque se indica no pueden considerarse todas lasconfiguraciones de instalacioacuten imaginablesSolamente se consideran las maacutes comunes esdecir las que permiten responder al 90 de loscasos deseados Un ejemplo en la figura 18
Configuracioacuten 1 Configuracioacuten 2 Configuracioacuten 3sin aparato de entrada aparato de entrada
en posicioacuten altaaparato de entradaen posicioacuten baja
10485731114109917501 Configuraciones modelizadas
64 Resultados
Este progreso en el caacutelculo informaacutetico demodelos es especialmente interesante porquepermite efectuar los diversos estudios
Estudio detallado de una configuracioacutendeterminada para optimizar la posicioacuten de undispositivo o la eleccioacuten de un juego de barrasconocer la potencia disipada por el conjuntopara dimensionar una climatizacioacuten adaptada
El ejemplo siguiente se ha efectuado con unacolumna de un cuadro industrial de potenciacompartimentado forma 2 conteniendo
un juego de barras horizontal alimentando un
aparato de entrada y la columna adyacente un aparato de entrada de 2500 A diferentes interruptores automaacuteticos de caja
moldeada
El programa nos facilita entre otros los coeficientes de desplazamiento Kdesp las intensidades que circulan por cadaaparato Ir
Advertencia sobre el coeficiente Kdiv
Este coeficiente nos permite tener en cuenta elcoeficiente de diversidad o de esponjamientoderivacioacuten por derivacioacuten
Es decir los niveles de funcionamiento en uninstante dado de los diferentes aparatos
Por ejemplo en un instante dado 2derivaciones son solicitadas al maacuteximo y lasotras hasta el 05 de sus posibilidadesafectando al sistema teacutermico del conjunto
Los resultados se presentan en la hoja decaacutelculo de la figura 19
Tabla de desplazamiento para unaconfiguracioacuten dada
Esta posibilidad de utilizacioacuten del programasemejante a la utilizacioacuten anterior permite reunirpara una configuracioacuten frecuente losdesplazamientos de los diferentes dispositivosteniendo en cuenta su posicioacuten real en el
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tablero las secciones de los conductoresutilizados los iacutendices de proteccioacuten y de latemperatura ambiente exterior
En la figura 20 se puede ver un ejemplo de uncuadro industrial de potencia con los datosdetallados de los dispositivos instalados en columna
Tabla de desplazamiento para un tipo dedispositivo
Para la mayor parte de interruptoresautomaacuteticos de caja moldeada eldesplazamiento es relativamente independientede la configuracioacuten
Masterbloc MB200 IP = 31
Tabla con aparato de llegada en posicioacuten alta alimentada con JdB horizontal
Referencia Posicioacuten Kdespl Kdiv Ia(A) Or(A)
M25H 1 12 88 1 2200 2200
NS630ST 17 21 93 1 586 518
NS630ST 22 26 96 1 605 534
NS400ST 27 31 1 1 400 353
NS400ST 32 36 1 1 400 353
NS250D250 37 40 1 1 250 221
NS250D250 41 44 1 1 250 221
Juego de barras horizontal
intensidad 2200 A
M 25
NS 630
NS 630
NS 400
NS 400
NS 250
NS 250
seccioacuten 1 4 barras de 100 5
Juego de barras vertical
intensidad 2200 A Temperatura JdB horizontal 95oC
seccioacuten 1 4 barras de 80 5Temperatura JdB vericalTemperatura ambiente
104oC35oC
Temperatura del techo 70oCPotencia total disipada 1953 W Temperatura JdB horizontal 75oCdetalle en dispositivos 593 W Temperatura aparellaje alto 68oC bajo 35oC
en auxiliares 0 W Temperatura auxiliar alto 52oC bajo 35oC juegos de barras + derivaciones 1271 W Temperatura JdB + derivaciones alto 77oC bajo 35oC juego de barras horizontal 89 W Temperatura conexiones alto 58oC bajo 35oC
10485731114109917501 Resultados del caacutelculo para una configuracioacuten determinada
IP31
Tdeg amb 35 40 45 50 55
M25 09 087 084 081 079M16 097 094 091 088 086M08 1 1 1 1 1
IP 4254
Tdeg amb 35 40 45 50 55
M25 079 077 075 073 071M16 087 085 083 081 079M08 1 1 1 1 1
3b 1005
3b 1005
2b 805
2b 805
1b 635
1b 635
3b 1005
4 b
8 0 5
1 b 8
0 5
M 252500 A
M 161600 A
M 08800 A
hueco
x
x
x
10485731114109917501 Desplazamiento de los interruptores automaacuteticos descritos en funcioacuten de la temperatura ambiente
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Los coeficientes de desplazamiento seestablecen por exceso situando los dispositivos enlo alto del tablero o del compartimento
Ver a tiacutetulo de ejemplo la figura 21
Curvas caracteriacutesticas del comportamientoteacutermico de un tipo de envolvente
Se establecen dos tipos graacuteficos
un conjunto de curvas que permitendeterminar la temperatura media en el interiorde una envolvente determinada en funcioacuten de lapotencia disipada y de la temperatura ambienteexterior
En la figura 22 se indican estas curvas para untablero de distribucioacuten no compartimentado
unas curvas que permiten determinar lapotencia que estas envolventes pueden disiparpara un calentamiento definido en funcioacuten desus caracteriacutesticas dimensionales
Ejemplo temperatura ambiente exterior 35 oCcalentamiento maacuteximo admisible ∆Ta = 30 oC
1048573 tablero altura 2 m anchura 09 mprofundidad 04 m
potencia disipable 850 W
1048573 tablero altura 2 m anchura 09 mprofundidad 06 m
potencia disipable 1000 W seguacuten curvas de lafigura 23
IP 31 IP 4254
Tdeg amb 35 40 45 50 55 35 40 45 50 55
NS100 100 100 100 100 95 100 95 90 85 80
NS160 160 155 150 145 140 150 140 135 125 120
NS250 235 225 220 210 200 205 195 180 170 165
NS400 380 370 360 350 340 350 340 330 320 310
NS630 540 520 510 500 485 485 475 465 450 440
10485731114109917501 Ejemplo de intensidades de corriente (en A) de disparo de interruptores automaacuteticos Compact NS
instalados dentro de una envolvente de BT determinada
Temperaturamedia en oC
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Tamb 60oC
Tamb 55oC
Tamb 50o
CTamb 45oCTamb 40oCTamb 35oC
Tamb 25oC
Dimensiones de
la envolventealto 2 mancho 09 mprofundo 04 m
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Potencia disipada en vatios
10485731114109917501 Temperatura media del aire en el interior de un armario de distribucioacuten metaacutelico IP2 y de forma 1
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Envolvente de 400 mmde profundidad
Potencia disipadaen vatios
1600
1400 T = 40oC
1200
1000 T = 30oC
800
T = 20oC600
400T = 10oC
200
800 900 1000 1100
Anchura en mm
Envolvente de 600 mmde profundidad
Potencia disipadaen vatios
1600 T = 40o
C
1400T = 30oC
1200
1000
T = 20oC1000
600
400 T = 10oC
200
800 900 1000 1100
Anchura en mm
10485731114109917501 Potencia disipable por calentamiento en una envolvente dada en funcioacuten de su anchura Curvas que se
refieren a un gabinete metaacutelico de formas 1 de 2 metros de altura
65 Resultados experimentales
Se han efectuado ensayos de calentamiento enel laboratorio Ampegravere de ASEFA con diversostipos de envolventes cofrets de plancha oplaacutestico armarios Prisma tableros de
distribucioacuten MasterblocDurante estos ensayos se han medido
temperaturas
1048573del aire en diferentes zonas de la envolvente
1048573de los conductores juego de barras yderivaciones
1048573de los puntos calientes de los dispositivos(bimetal ambiente electroacutenico)
intensidades
paraacutemetros que intervienen en lamodelizacioacuten en particular los coeficientes deintercambio aireparedes
Estas mediciones han permitido por una parte
verificar la conformidad a la norma IIEC 604311 deciertos valores (liacutemites de calentamientomencionados en el capiacutetulo 12 sobre lasnormas) y por otra parte para validar el modelo
En lo referente a las temperaturas del aire ladiferencia entre los valores medidos ycalculados depende del tipo de envolventemodelizada ya que al nivel de la modelizacioacuten
los supuestos difieren seguacuten que se considerelas envolventes compartimentadas o no
Sobre el conjunto de ensayos efectuados encuadros de diferentes formas(compartimentados o no) las diferenciasmaacuteximas constatadas han sido siempreinferiores a 6983226C
Las temperaturas calculadas para los juegos debarras muestran tambieacuten una concordancia conlas mediciones y han permitido validar elprograma informaacutetico
En referencia a las intensidades lasdesviaciones en valor medio son inferiores al5 En una homologacioacuten reciente de unaconfiguracioacuten de cuadro Masterbloc encalentamiento el programa ha permitido preverel nivel de funcionamiento del cuadro
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7 Meacutetodo propuesto por el documento IEC 60890
No hace mucho tiempo atras los gabinetes eleacutectricos
se escogiacutean equipaban y llenaban en funcioacutende la experiencia tambieacuten en lo que se refierea la tasa de llenado y a la variacioacuten de latemperatura en el tablero durante elfuncionamiento
Por ejemplo Temperatura exterior maacutexima
30983226C y 60983226C en el interior (los fabricantes de
aparamenta dan de margen hasta los 60983226C)
Esta praacutectica conduciacutea o a una pobre utilizacioacuten
del material o a actuaciones intempestivas de
las protecciones tenieacutendose la necesidad de
trabajar con las puertas abiertas
El meacutetodo propuesto por la recomendacioacuten
IEC aunque no se trate de una norma sino de
una guiacutea es de un intereacutes evidente Se
presenta detalladamente en el anexo de la
norma NFC 63410 o en la recomendacioacuten de la
IEC Ndeg 60890
Debemos de recordar los fundamentosmostrando los liacutemites y comparando con elmeacutetodo presentado en este Cuaderno Teacutecnico
En principio este meacutetodo se aplica aenvolventes a las que se puedan aplicar lassiguientes hipoacutetesis
reparto uniforme de la potencia disipada
el equipamiento se dispone de manera que no sedificulte la circulacioacuten de aire
no maacutes de 3 separaciones horizontales
Datos necesarios
dimensiones de la envolvente
potencia disipada en el interior (equipamiento
conductores)
tipo de instalacioacuten (envolvente aislada osituado en un extremo) (figura 24)
Caacutelculo
la temperatura se calcula uacutenicamente en 2
puntos de la envolvente
a media altura
T05 = Ta + ∆T050804siendo ∆T05 = dk Pw
d es un coeficiente que tiene en cuenta laexistencia de separaciones horizontales
1048573Si Ae lt 125 m2 d =1 (definicioacuten de Ae queveremos inmediatamente)
Si Ae gt 125 m2
Factor de repartode temperatura c165
116 2
3155 4
515
145
14
135
13
125
12
115
11
105
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Factor fCurvaTipo de instalacioacuten
1 Tapas separadas quitadas por todos los lados 3 Tapas separadas en montaje mural 2 Primera o uacuteltima tapa quitada
3 Tapa central quitada
5 Tapa central en montaje mural 4 Tapa central en montaje mural y con la parte
superior abierta
10485731114109917501 Factor de distribucioacuten de temperatura c para
envolventes sin orificios de ventilacioacuten y con una
superficie efectiva de enfriamiento A gt 125 m2 e
Valor de la superficie efectiva Constantede refrigeracioacuten Ae en m 2 de envolvente k
0 4
038
1 036
03415 032
2 03
028
3
25
026
4 024
5 022
6 0278 018
10 016
12 01414
01201
008
100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650
Seccion de los orificios de entrada de aire en cm2
10485731114109917501 Constante de la envolvente k para una
envolvente con orificio de ventilacioacuten y una superficie
efectiva de enfriamiento A gt 125 m2 e
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d = 1 con o sin orificios de ventilacioacuten sin
ninguna separacioacuten
d = 105 con o sin orificios de ventilacioacuten para
1 de separacioacuten
d = 115 oacute 110 con orificios de ventilacioacuten para 2 separaciones
d = 130 oacute 115 con orificios de ventilacioacuten para
3 separaciones
k es una constante que caracteriza laenvolvente su valor se determina con aacutebacos(figura 25) y es funcioacuten de la superficie deintercambio de la envolvente Ae (m2)
Ae = Σ Aob oacute Ao es la superficie geomeacutetrica delas diferentes paredes de la envolvente
b es una constante que tiene en cuenta el tipode instalacioacuten
Valores de b
1048573parte superior abierta b = 14
1048573
parte superior cubierta b = 071048573paredes laterales abiertas b = 09
1048573paredes laterales tapadas b = 05
1048573paredes laterales deenvolventes centrales b = 05
1048573parte inferior b = 0
Pw potencia disipada en Watt en la partealta de la envolvente
T1 = Ta + ∆T1
siendo ∆T1 = c ∆T05 o ∆T05 representa elcalentamiento precedente
c es una constante de calentamientodeterminada a partir de aacutebacos
Por ejemplo en el aacutebaco de la figura 24 c es
funcioacuten de Ae y de uno de los factores f o g
f = h135
(L P) si Ae gt 125 m2
g = h135L si Ae lt 125 m2
Liacutemites
Los liacutemites esenciales de este meacutetodo son
que se aplica bien a las envolventes nocompartimentadas de tipo gabinete y no a los
tableros de potencia muy compartimentados
que no tiene en cuenta la posicioacuten de lasfuentes de calor que la mayor parte de vecesno estaacuten repartidas de forma uniforme
Comparacioacuten con nuestra aproximacioacuten
Se constata que las aproximaciones danresultados similares para los tableros no
compartimentados y con fuentes de calorrepartidas (figura 26)
En lo que se refiere a las envolventes muycerradas la localizacioacuten de las fuentes de calory los intercambios entre las diferentes zonasinfluyen mucho en el calentamiento
Temperatura en oC
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Temperatura calculada seguacuten la norma
Temperatura calculada con el programa de MG
Temperatura del aire ambiente 35 oC
Dimensiones de la envolvente
alto 2 m
ancho 09 m
profundo 04 m
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
Potenciadisipada en Watt
Fig 26 Temperatura del aire a media altura en un tablero metaacutelico de distribucioacuten IP2 y de la forma 1
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8 Conclusioacuten
La importancia de los tableros eleacutectricos en la
distribucioacuten no hay que demostrarla
En cuanto a la disponibilidad de la energiacutea
eleacutectrica y de la seguridad de funcionamiento resulta indiscutible que el control teacutermico de los
tableros eleacutectricos es un objetivo fundamental
Las normas que se refieren a las envolventes ya los productos determinan los liacutemites teacutermicosque no hay que sobrepasar
Les queda a los profesionales convertirse enlaquoarquitectos teacutermicosraquo del disentildeo de lasenvolventes y tableros eleacutectricos hoy es ya
cosa hecha incluso para los tableros de serie
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4 Presentacioacuten de la modelizacioacuten
41 Principio
Todos los meacutetodos de resolucioacuten se basan en eldesarrollo de un sistema de modelizar enbloques elementales que es un meacutetodo deMonte-Carlo de diferencias finitas o deelementos finitos
El meacutetodo empleado el anaacutelisis nodal estaacutededucido de una aproximacioacuten a las diferenciasfinitas Esta teacutecnica si bien claacutesica presenta elintereacutes de poder representar el comportamientoteacutermico de un sistema complejo teniendo encuenta las interacciones entre las diferentespartes o componentes que lo constituyen
Por ejemplo puede utilizarse en dominios muydiversos para describir el comportamiento de unsateacutelite artificial de un motor eleacutectrico lascondiciones climaacuteticas en el interior de uncentro de transformacioacuten o de un edificio devarias viviendas
En principio este meacutetodo consiste endescomponer el sistema estudiado endiferentes voluacutemenes isoteacutermicosdenominados nudos A cada nudo se asociandiferentes paraacutemetros entre otros unatemperatura y eventualmente un aporte decalor independiente de los intercambiosteacutermicos Seguidamente se efectuacutean unosacoplamientos entre nudos es decir losdiferentes intercambios entre los voluacutemenesque nos permiten escribir unas ecuaciones debalance (conservacioacuten de la energiacutea y demateria en el elemento de volumen unido a unnudo determinado) Este meacutetodo quecorresponde de hecho a una discretizacioacutenespacial del sistema nos conduce a definir unared teacutermica con sus nudos sus capacidades
Magnitudes teacutermicas Magnitudes eleacutectricas
Temperatura Potencial
Resisteacutencia teacutermica Resistencia eleacutectrica
sus fuentes de calor sus conductancias quetraducen los diferentes acoplamientos entrenudos (analogiacutea entre los fenoacutemenos eleacutectricosy teacutermicos) (figura 8)
Se llega asiacute a un sistema de ecuacionesemparejadas eventualmente no lineales quenos permitiraacuten definir una matriz la matriz deadmitancia teacutermica Soacutelo falta entoncesprecisar los valores numeacutericos de los elementosde esta matriz que corresponden a lasconductancias teacutermicas
Expresioacuten de las conductancias por tipo deintercambio
Conduccioacuten Gij = λ i Sij Dij
Radiacioacuten Gij = α σ ε S Fij (Ti + T j)(Ti2 + T j
2)
Conveccioacuten Gij = hi Sij
Movimiento convectivo Gij = M cp
Expresioacuten del flujo teacutermico equivalente de laintensidad eleacutectrica
1I1114109 1048573U
R
1 2 3 4
Nudo 1 aire interiorNudos 2 y 3 paredes interiores y exterioresNudo 4 aire ambiente exterior
representa los intercambiospor conduccioacuten
representa los intercambios
por conveccioacuten
representa los intercambiosFlujo de calor Corrientepor desplazamiento del aire
U representa el aporte de calorΦ = G (T2 - T1) I1114109
1 1048573R en el nudo 1
repesenta la capacidad caloriacuteficaCapacidad teacutermica Capacidad eleacutectricaasociada a cada nudo
10485731114109917501 Correspondencia entre magnitudes teacutermicas y 10485731114109917501 Representacioacuten nodal simplificada -modelizacioacuten
eleacutectricas de una pieza
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Φij = Gij (Ti + T j)
siendo
Φij = flujo energeacutetico intercambiado entre los
nudos i y j
Gij = conductancia entre i y j funcioacuten del tipo de
intercambio considerado
Ti T j = temperaturas asociadas a los nudos i y j respectivamente
Tomamos como ejemplo la modelizacioacuten de
una pieza en la que hay una fuente de calor
Se ha descompuesto este sistema en 4 nudos
1 para el aire interno 2 para las paredes (interna y externa) 1 para el aire ambiente exterior
Representacioacuten nodal (simplificada) en lafigura 9
Ecuaciones que traducen los flujos teacutermicospara este sistema simple
nudo 1
Q1 - h12 S12 (T1 - T2) + M41cp (T4 - T1)
- M14cp (T1 - T4) = 1 V1 cp1 T1
nudo 2
2 S23- (T2 - T3) =
d23
h12 S12 (T1 - T2)
= 2 V2 cp2 T2
42 Modelizacioacuten de la conveccioacuten
Como se ha indicado anteriormente en elcapiacutetulo 2 en el teacutermino de conveccioacuten seemparejan a menudo dos fenoacutemenos(intercambios cuerpo-fluido e intercambios en elmismo fluido)
nudo 3
2 S23- (T2 - T3) - h34 S34 (T3 - T4) =
d23
= 2 V2 cp2 T2
nudo 4
h34 S34 (T3 - T4) + M14cp (T1 - T4)
- M41cp (T4 - T1) = 4 V4 cp4 T4
Importante los teacuterminos T i que corresponden adTidtla expresioacuten Estos teacuterminos no se toman
en consideracioacuten ya que soacutelo interesa elreacutegimen permanente es decir con lastemperaturas estabilizadas
A partir de estas ecuaciones se deduce elsistema de ecuaciones [G] [T] = [R]correspondiente seguro a
Φij = Gij (Ti - T j)
donde
G la matriz de admitancia teacutermicaT el vector de temperaturas desconocidasR el vector de las solicitaciones impuestas(fuentes de calor Q1 temperatura )
Este tipo de proceso ha permitido elaborar loscoacutedigos de caacutelculo y las reglas propias a losproblemas teacutermicos de los edificios
La modelizacioacuten de los intercambios porconveccioacuten debe dividirse en dos partes unadescribiendo las peacuterdidas maacutesicas (movimientosde aire) y otra describiendo los intercambiosteacutermicos (coeficientes de intercambio) con unadependencia mutua entre ellos por transferenciamaacutesicateacutermica ((figura 10)
Movimientos del aire Esquema nodal correspondiente que muestralos dos aspectos de la conveccioacuten
10485731114109917501 Modelizacioacuten maacutesica y teacutermica de la conveccioacuten
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43 Aplicacioacuten a las envolventes en BT
Distinguimos para la modelizacioacuten dos grandesgrupos de envolventes
Envolventes no compartimentadasEn este caso el esquema nodalcomo se muestra en la figura 11 es semejanteal del esquema de la figura 10 integrando lasfuentes de calor
Envolventes fuertemente compartimentadoscon o sin ventilacioacuten natural
A nivel de modelizacioacuten son posibles dosplanteamientos
n bien modelizando cada zona del tablerocomo se ha visto anteriormente asociando enconjunto los diferentes voluacutemenes Este sistemaconduce a matices demasiado complicadoscuando como es normal aparecen una decena
de zonas a asociar
aireambiente
10485731114109917501 Envolvente no-cerrada
o bien tratando el sistema globalmente sinmodelizar los bucles de conveccioacuten en el
interior de los diferentes voluacutemenes y noteniendo en cuenta la circulacioacuten de aire entrezonas (figura 12)
Estas modelizaciones nos han conducido aelaborar programas informaacuteticos adaptados acada tipo de envolvente Todos estosprogramas estaacuten estructurados de la mismaforma
Antes de entrar maacutes en detalle en la utilizacioacutende un programa (capiacutetulo 6) conviene conocermejor las fuentes de calor (juegos de barrasaparatos ) para determinar el nivel defuncionamiento real de un cuadro
abertura
aireambiente
zona A zona B
zona A zona B
10485731114109917501 Caso de una envolvente cerrada
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5 Comportamiento de las fuentes de calor Caracteriacutesticas
Las fuentes de calor consideradas en lamodelizacioacuten son los juegos de barras losconductores de interconexioacuten y los aparatoseleacutectricos
Referente a estos uacuteltimos los consideramoscomo laquolas cajas negrasraquo disipando caloriacuteas y
51 Los juegos de barras
Los juegos de barras se calculan de forma queverifiquen dos condiciones poder soportar el paso de la corrientenominal necesaria sin provocar uncalentamiento de las barras que pueda provocarun deterioro de los aislantes que soportan lasbarras Por ejemplo las barras pueden estardimensionadas de forma que no superen enreacutegimen permanente una temperatura de110983226C valor este que es enteramentedependiente de la naturaleza de los materialesaislantes en contacto con las barras porejemplo los soportes La tabla de la figura 13da para una temperatura ambiente de 50983226C y65983226C unos valores de temperatura para los
juegos de barras poder soportar una corriente de cortocircuitosin provocar deformaciones notables en lasbarras rotura de los soportes aislantes ocalentamiento excesivo
no como nudos de la modelizacioacuten Es decirque no se calcula su temperatura defuncionamiento sino la intensidad maacutexima quepueden soportar para una configuracioacuten deinstalacioacuten determinada con el fin de no exceder
su temperatura liacutemite de utilizacioacuten
La segunda condicioacuten corresponde a unproblema de esfuerzos electrodinaacutemicos ypuede estudiarse separadamente aunque laprimera necesita conocer el nivel defuncionamiento del conjunto
En particular hay que tener en cuenta latemperatura del aire que envuelve las barraspara dimensionarlas de forma precisa y evitarque sobrepasen una temperatura criacutetica que esfuncioacuten principalmente de la naturaleza delmaterial utilizado para los soportes
Asiacute conociendo la temperatura del aire en lasdiferentes zonas del tablero podemosdeterminar la temperatura delas barras en funcioacuten de sus caracteriacutesticas(dimensiones forma disposicioacuten) y validar eldimensionamiento
Importante En referencia a los caacutelculos de flujoteacutermico se considera que las barras disipan elcalor principalmente por conveccioacuten y radiacioacutenal aire interno
Temperatura Seccioacuten Intensidad Potencia Temperaturaaprox de las barras disipada (A) de las barras (W) (oC)
50 1 barra 100 x 5 1000 45 79
50 1 barra 100 x 5 1500 107 109
50 3 barras 100 x 5 1500 10 65
50 3 barras 100 x 5 3400 61 110
65 1 barra 100 x 5 1000 45 92
65 3 barras 100 x 5 1500 11 80
10485731114109917501 Valores teacutermicos relativos a un juego de barras de una longitud de 1 m situados en un ambiente dado
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52 Los Dispositivos
En los tableros de distribucioacuten eleacutectrica los
interruptores automaacuteticos constituyen el nuacutecleoprincipal de los dispositivos de potencia Ellos ylos demaacutes componentes como por ejemplo loscontactores disipan
Examinemos con maacutes detalle los interruptores
automaacuteticos frente a los problemas teacutermicos La potencia disipada es proporcional alcuadrado de la intensidad que los recorre
2sus caloriacuteas cuando son recorridos por la IPW PNcorriente eleacutectrica In
La tabla de la figura 14 nos facilita a tiacutetuloindicativo algunos valores de potencia disipadapor fase (por polo)
Interruptores automaacuteticosPotencia medida con watiacutemetro y no calculada a partirde la medida de la resistencia
In (A) 250 400 630 800
Pw - versioacuten fija 141 19 40 416
con In en 197 30 52 58versioacuten desenchufable
Contactores
I
n (A) 265 400 630 780Pw con In 22 45 48 60
10485731114109917501 Potencia disipada por polo a In en la
aparamenta claacutesica
Electroacutenico
Desplazamientovoluntario
compensado
Bimetal simple
donde PN representa la potencia disipada a laintensidad nominal de empleo In
La intensidad nominal de empleo (In) de uninterruptor automaacutetico corresponde a unatemperatura ambiente determinada por ejemplo40oC fijada por la norma de construccioacuten Dehecho para ciertos interruptores automaacuteticos latemperatura ambiente correspondiente a Inpuede alcanzar e incluso sobrepasar los 50ordmC dato
que debe dar una seguridad por ejemplo enlos paiacuteses caacutelidos
la intensidad de funcionamiento (Ith o Ithe)puede variar en funcioacuten de la temperaturaambiente y seguacuten el tipo de releacute teacutermico simpleteacutermico compensado electroacutenico (figura 15) loque puede permitir definir una corriente maacuteximade empleo diferente de In
Los paraacutemetros que intervienen en ladeterminacioacuten de desplazamiento portemperatura tienen en cuenta ademaacutes de latemperatura del aire alrededor del dispositivo (T i)
la temperatura liacutemite (TL) de los
componentes internos del interruptorautomaacutetico
1048573 temperatura maacutexima de funcionamiento delbimetal para un interruptor automaacutetico con releacutetermomagneacutetico
1048573 temperatura de los componenteselectroacutenicos para interruptores automaacuteticos conreleacute electroacutenico incorporado
1048573 la temperatura no debe transmitirse a losmateriales plaacutesticos los maacutes sensibles en uninterruptor automaacutetico con electroacutenicaintercambiable (releacute exteriorinterruptor abierto)Estas temperaturas liacutemite estaacuten comprendiasentre 100 y 150oC
la razoacuten entre la Ir del releacute y la corriente realde disparo cuando eacuteste estaacute a la temperatura
Bimetal
T TN
TN temperatura nominal de funcionamiento
T L temperatura liacutemite de funcionamiento
de definicioacuten de In K1Ir (figura 16)In
T ambiente
L
las secciones de los cables o las barras deconexioacuten que juegan un papel de radiador Suinfluencia se toma en cuenta para un coeficiente10485731114109917501 Curvas de desplazamiento tipo de los releacutes enK2funcioacuten de la temperatura
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Importante Debe tenerse en cuenta que laseccioacuten de los conductores utilizados esraramente igual a la que se emplea para losensayos de certificacioacuten de los interruptoresautomaacuteticos
El desplazamiento que tiene en cuenta estosdiversos criterios puede expresarsematemaacuteticamente
Foacutermula de desplazamiento
El interruptor automaacutetico y sus conductores deconexioacuten disipan esencialmente por conveccioacuten
Aparece por ello la relacioacuten
W1 = h S (TL - Ti)
siendo
W1 potencia disipada en W para un aparatoconectado dentro de una envolvente con unvolumen de aire a la temperatura T i
h = coeficiente de intercambio en Wm2 983226C
S superficie de intercambio en m2TL temperatura del punto caliente en 983226C (porejemplo el bimetal)
Ti temperatura del aire interno alrededor delaparato en 983226C
h = Cste S (TL - Ti)α
de donde W1 = Cste S (TL - Ti)1+α
Cuando el aparato se halla al aire libre a 40983226Cse tiene una relacioacuten similar
W2 = Cste S (TL - 40)1+α
de donde
1
1 L i W T
T
W T
402
L
Ademaacutes se sabe que1 = RIthe
2 y que W2 = RIr 2
W TL -T
y por tanto Ithe 1114109Ir
i
TL - 40
siendo Ithe la intensidad que recorre el aparato
Id = K1 x In y β = (1 + α)2
β coeficiente que caracteriza el tipo de dispositivoSe determina experimentalmente o por unanaacutelisis maacutes fino del comportamiento teacutermicodel elemento Su valor estaacute comprendido entre02 y 07
Relacioacuten final integrando ademaacutes el efecto
de las secciones (coeficiente K2)
TL
T iI 1114109
I K K
the n 1 2 TL
40
Los datos que corresponden alcomportamiento del interruptor automaacutetico y queintervienen en esta foacutermula estaacuten en losficheros que utiliza el programa informaacutetico alcalcular las temperaturas en el interior deltablero
tteacutermico
magneacutetico
curvaliacutemitedel cable
CR
LR
t
curvaliacutemitedel cable
retardocorto
retardolargo
Ir Irm Icu I Ir Irm Iins Icu I
ILR ICRIr = ajuste del releacute teacutermicoIrm = ajuste del releacute magneacutetico
zona
zona de
zona desobre-Icu = poder de corte uacuteltimo normal cortocircuitoscarga
10485731114109917501 Curvas de disparo de un interruptor automaacutetico
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6 Meacutetodo de caacutelculo de la temperatura en las envolventes
La modelizacioacuten presentada hasta ahora debeservir de base al desarrollo de nuestro meacutetodode caacutelculo que debe permitirnos determinar elfuncionamiento real del tablero (intensidadmaacutexima en cada derivacioacuten) y con ello utilizarel conjunto al maacuteximo con una seguridadgarantizada
61 Principio
El programa se desarrolla con dos bucles deiteraciones imbricadas con el fin de determinarel nivel permanente El primero concierne a laresolucioacuten del problema teacutermico el otro a loscoeficientes de desplazamiento
El esquema de caacutelculo se presenta en la figura17
1983210 etapa descripcioacuten de la configuracioacuten esdecir tipo de envolvente utilizado nuacutemero dedispositivos y su posicioacuten relativa A este nivel elprograma utiliza el fichero de aparatos pararecuperar los datos descritos con anterioridad
2983210 etapa descomposicioacuten de la envolvente ensus voluacutemenes isotermos (nudos de lamodelizacioacuten nodal)
3983210 etapa inicio de los nuacutecleos de iteracioacuten concaacutelculo
de la potencia disipada (en la primeraiteracioacuten los coeficientes de desplazamiento setoman igual a 1)
de los coeficientes de la matriz de admitanciaa partir de las ecuaciones de balance
de las temperaturas internas (resolucioacuten delproblema teacutermico)
Como acostumbra a suceder en teacutermica lasnumerosas relaciones entre paraacutemetrosprecisan de una definicioacuten iterativa con laelaboracioacuten de un programa del que vamos apresentar el principio
de los nuevos coeficientes dedesplazamiento comparaacutendolos con losanteriores Si el salto se juzga poco importante(prueba de paro de la iteracioacuten) se procede a unnuevo bucle calculando las nuevasintensidades que atraviesan cada aparato denuevo la potencia disipada
4983210 etapa salida de los resultados
Descripcioacuten de la configuracioacutenestudiada
Intensidad
Potencia disipadadentro de la envolvente
Coeficientes dedesplazamiento
Temperaturasiinteriores
10485731114109917501 Principio de funcionamiento de los programas
62 Descripcioacuten de los datos a suministrar y de los resultados obtenidos
Datos
tipo de envolvente ymaterial
iacutendice de proteccioacuten
temperatura ambiente alrededor de laenvolvente
nuacutemero de filas de dispositivos
denominacioacuten de los aparatos que permitensu localizacioacuten en el fichero
configuracioacuten del tablero y posicioacuten de los
dispositivos
Resultados
eleccioacuten de un juego de barras horizontal yvertical (seccioacuten) e intensidad en estas barras
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potencia teacutermica total disipada en el tablero
coeficiente de desplazamiento para cadadispositivo debido a las intensidades circulantes
eventualmente la temperatura alcanzada por
las barras y su nivel en las diferentes zonas deltablero
63 Configuraciones modelizadas
Es bien sabido que en un programa como elque se indica no pueden considerarse todas lasconfiguraciones de instalacioacuten imaginablesSolamente se consideran las maacutes comunes esdecir las que permiten responder al 90 de loscasos deseados Un ejemplo en la figura 18
Configuracioacuten 1 Configuracioacuten 2 Configuracioacuten 3sin aparato de entrada aparato de entrada
en posicioacuten altaaparato de entradaen posicioacuten baja
10485731114109917501 Configuraciones modelizadas
64 Resultados
Este progreso en el caacutelculo informaacutetico demodelos es especialmente interesante porquepermite efectuar los diversos estudios
Estudio detallado de una configuracioacutendeterminada para optimizar la posicioacuten de undispositivo o la eleccioacuten de un juego de barrasconocer la potencia disipada por el conjuntopara dimensionar una climatizacioacuten adaptada
El ejemplo siguiente se ha efectuado con unacolumna de un cuadro industrial de potenciacompartimentado forma 2 conteniendo
un juego de barras horizontal alimentando un
aparato de entrada y la columna adyacente un aparato de entrada de 2500 A diferentes interruptores automaacuteticos de caja
moldeada
El programa nos facilita entre otros los coeficientes de desplazamiento Kdesp las intensidades que circulan por cadaaparato Ir
Advertencia sobre el coeficiente Kdiv
Este coeficiente nos permite tener en cuenta elcoeficiente de diversidad o de esponjamientoderivacioacuten por derivacioacuten
Es decir los niveles de funcionamiento en uninstante dado de los diferentes aparatos
Por ejemplo en un instante dado 2derivaciones son solicitadas al maacuteximo y lasotras hasta el 05 de sus posibilidadesafectando al sistema teacutermico del conjunto
Los resultados se presentan en la hoja decaacutelculo de la figura 19
Tabla de desplazamiento para unaconfiguracioacuten dada
Esta posibilidad de utilizacioacuten del programasemejante a la utilizacioacuten anterior permite reunirpara una configuracioacuten frecuente losdesplazamientos de los diferentes dispositivosteniendo en cuenta su posicioacuten real en el
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tablero las secciones de los conductoresutilizados los iacutendices de proteccioacuten y de latemperatura ambiente exterior
En la figura 20 se puede ver un ejemplo de uncuadro industrial de potencia con los datosdetallados de los dispositivos instalados en columna
Tabla de desplazamiento para un tipo dedispositivo
Para la mayor parte de interruptoresautomaacuteticos de caja moldeada eldesplazamiento es relativamente independientede la configuracioacuten
Masterbloc MB200 IP = 31
Tabla con aparato de llegada en posicioacuten alta alimentada con JdB horizontal
Referencia Posicioacuten Kdespl Kdiv Ia(A) Or(A)
M25H 1 12 88 1 2200 2200
NS630ST 17 21 93 1 586 518
NS630ST 22 26 96 1 605 534
NS400ST 27 31 1 1 400 353
NS400ST 32 36 1 1 400 353
NS250D250 37 40 1 1 250 221
NS250D250 41 44 1 1 250 221
Juego de barras horizontal
intensidad 2200 A
M 25
NS 630
NS 630
NS 400
NS 400
NS 250
NS 250
seccioacuten 1 4 barras de 100 5
Juego de barras vertical
intensidad 2200 A Temperatura JdB horizontal 95oC
seccioacuten 1 4 barras de 80 5Temperatura JdB vericalTemperatura ambiente
104oC35oC
Temperatura del techo 70oCPotencia total disipada 1953 W Temperatura JdB horizontal 75oCdetalle en dispositivos 593 W Temperatura aparellaje alto 68oC bajo 35oC
en auxiliares 0 W Temperatura auxiliar alto 52oC bajo 35oC juegos de barras + derivaciones 1271 W Temperatura JdB + derivaciones alto 77oC bajo 35oC juego de barras horizontal 89 W Temperatura conexiones alto 58oC bajo 35oC
10485731114109917501 Resultados del caacutelculo para una configuracioacuten determinada
IP31
Tdeg amb 35 40 45 50 55
M25 09 087 084 081 079M16 097 094 091 088 086M08 1 1 1 1 1
IP 4254
Tdeg amb 35 40 45 50 55
M25 079 077 075 073 071M16 087 085 083 081 079M08 1 1 1 1 1
3b 1005
3b 1005
2b 805
2b 805
1b 635
1b 635
3b 1005
4 b
8 0 5
1 b 8
0 5
M 252500 A
M 161600 A
M 08800 A
hueco
x
x
x
10485731114109917501 Desplazamiento de los interruptores automaacuteticos descritos en funcioacuten de la temperatura ambiente
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Los coeficientes de desplazamiento seestablecen por exceso situando los dispositivos enlo alto del tablero o del compartimento
Ver a tiacutetulo de ejemplo la figura 21
Curvas caracteriacutesticas del comportamientoteacutermico de un tipo de envolvente
Se establecen dos tipos graacuteficos
un conjunto de curvas que permitendeterminar la temperatura media en el interiorde una envolvente determinada en funcioacuten de lapotencia disipada y de la temperatura ambienteexterior
En la figura 22 se indican estas curvas para untablero de distribucioacuten no compartimentado
unas curvas que permiten determinar lapotencia que estas envolventes pueden disiparpara un calentamiento definido en funcioacuten desus caracteriacutesticas dimensionales
Ejemplo temperatura ambiente exterior 35 oCcalentamiento maacuteximo admisible ∆Ta = 30 oC
1048573 tablero altura 2 m anchura 09 mprofundidad 04 m
potencia disipable 850 W
1048573 tablero altura 2 m anchura 09 mprofundidad 06 m
potencia disipable 1000 W seguacuten curvas de lafigura 23
IP 31 IP 4254
Tdeg amb 35 40 45 50 55 35 40 45 50 55
NS100 100 100 100 100 95 100 95 90 85 80
NS160 160 155 150 145 140 150 140 135 125 120
NS250 235 225 220 210 200 205 195 180 170 165
NS400 380 370 360 350 340 350 340 330 320 310
NS630 540 520 510 500 485 485 475 465 450 440
10485731114109917501 Ejemplo de intensidades de corriente (en A) de disparo de interruptores automaacuteticos Compact NS
instalados dentro de una envolvente de BT determinada
Temperaturamedia en oC
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Tamb 60oC
Tamb 55oC
Tamb 50o
CTamb 45oCTamb 40oCTamb 35oC
Tamb 25oC
Dimensiones de
la envolventealto 2 mancho 09 mprofundo 04 m
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Potencia disipada en vatios
10485731114109917501 Temperatura media del aire en el interior de un armario de distribucioacuten metaacutelico IP2 y de forma 1
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Envolvente de 400 mmde profundidad
Potencia disipadaen vatios
1600
1400 T = 40oC
1200
1000 T = 30oC
800
T = 20oC600
400T = 10oC
200
800 900 1000 1100
Anchura en mm
Envolvente de 600 mmde profundidad
Potencia disipadaen vatios
1600 T = 40o
C
1400T = 30oC
1200
1000
T = 20oC1000
600
400 T = 10oC
200
800 900 1000 1100
Anchura en mm
10485731114109917501 Potencia disipable por calentamiento en una envolvente dada en funcioacuten de su anchura Curvas que se
refieren a un gabinete metaacutelico de formas 1 de 2 metros de altura
65 Resultados experimentales
Se han efectuado ensayos de calentamiento enel laboratorio Ampegravere de ASEFA con diversostipos de envolventes cofrets de plancha oplaacutestico armarios Prisma tableros de
distribucioacuten MasterblocDurante estos ensayos se han medido
temperaturas
1048573del aire en diferentes zonas de la envolvente
1048573de los conductores juego de barras yderivaciones
1048573de los puntos calientes de los dispositivos(bimetal ambiente electroacutenico)
intensidades
paraacutemetros que intervienen en lamodelizacioacuten en particular los coeficientes deintercambio aireparedes
Estas mediciones han permitido por una parte
verificar la conformidad a la norma IIEC 604311 deciertos valores (liacutemites de calentamientomencionados en el capiacutetulo 12 sobre lasnormas) y por otra parte para validar el modelo
En lo referente a las temperaturas del aire ladiferencia entre los valores medidos ycalculados depende del tipo de envolventemodelizada ya que al nivel de la modelizacioacuten
los supuestos difieren seguacuten que se considerelas envolventes compartimentadas o no
Sobre el conjunto de ensayos efectuados encuadros de diferentes formas(compartimentados o no) las diferenciasmaacuteximas constatadas han sido siempreinferiores a 6983226C
Las temperaturas calculadas para los juegos debarras muestran tambieacuten una concordancia conlas mediciones y han permitido validar elprograma informaacutetico
En referencia a las intensidades lasdesviaciones en valor medio son inferiores al5 En una homologacioacuten reciente de unaconfiguracioacuten de cuadro Masterbloc encalentamiento el programa ha permitido preverel nivel de funcionamiento del cuadro
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7 Meacutetodo propuesto por el documento IEC 60890
No hace mucho tiempo atras los gabinetes eleacutectricos
se escogiacutean equipaban y llenaban en funcioacutende la experiencia tambieacuten en lo que se refierea la tasa de llenado y a la variacioacuten de latemperatura en el tablero durante elfuncionamiento
Por ejemplo Temperatura exterior maacutexima
30983226C y 60983226C en el interior (los fabricantes de
aparamenta dan de margen hasta los 60983226C)
Esta praacutectica conduciacutea o a una pobre utilizacioacuten
del material o a actuaciones intempestivas de
las protecciones tenieacutendose la necesidad de
trabajar con las puertas abiertas
El meacutetodo propuesto por la recomendacioacuten
IEC aunque no se trate de una norma sino de
una guiacutea es de un intereacutes evidente Se
presenta detalladamente en el anexo de la
norma NFC 63410 o en la recomendacioacuten de la
IEC Ndeg 60890
Debemos de recordar los fundamentosmostrando los liacutemites y comparando con elmeacutetodo presentado en este Cuaderno Teacutecnico
En principio este meacutetodo se aplica aenvolventes a las que se puedan aplicar lassiguientes hipoacutetesis
reparto uniforme de la potencia disipada
el equipamiento se dispone de manera que no sedificulte la circulacioacuten de aire
no maacutes de 3 separaciones horizontales
Datos necesarios
dimensiones de la envolvente
potencia disipada en el interior (equipamiento
conductores)
tipo de instalacioacuten (envolvente aislada osituado en un extremo) (figura 24)
Caacutelculo
la temperatura se calcula uacutenicamente en 2
puntos de la envolvente
a media altura
T05 = Ta + ∆T050804siendo ∆T05 = dk Pw
d es un coeficiente que tiene en cuenta laexistencia de separaciones horizontales
1048573Si Ae lt 125 m2 d =1 (definicioacuten de Ae queveremos inmediatamente)
Si Ae gt 125 m2
Factor de repartode temperatura c165
116 2
3155 4
515
145
14
135
13
125
12
115
11
105
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Factor fCurvaTipo de instalacioacuten
1 Tapas separadas quitadas por todos los lados 3 Tapas separadas en montaje mural 2 Primera o uacuteltima tapa quitada
3 Tapa central quitada
5 Tapa central en montaje mural 4 Tapa central en montaje mural y con la parte
superior abierta
10485731114109917501 Factor de distribucioacuten de temperatura c para
envolventes sin orificios de ventilacioacuten y con una
superficie efectiva de enfriamiento A gt 125 m2 e
Valor de la superficie efectiva Constantede refrigeracioacuten Ae en m 2 de envolvente k
0 4
038
1 036
03415 032
2 03
028
3
25
026
4 024
5 022
6 0278 018
10 016
12 01414
01201
008
100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650
Seccion de los orificios de entrada de aire en cm2
10485731114109917501 Constante de la envolvente k para una
envolvente con orificio de ventilacioacuten y una superficie
efectiva de enfriamiento A gt 125 m2 e
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d = 1 con o sin orificios de ventilacioacuten sin
ninguna separacioacuten
d = 105 con o sin orificios de ventilacioacuten para
1 de separacioacuten
d = 115 oacute 110 con orificios de ventilacioacuten para 2 separaciones
d = 130 oacute 115 con orificios de ventilacioacuten para
3 separaciones
k es una constante que caracteriza laenvolvente su valor se determina con aacutebacos(figura 25) y es funcioacuten de la superficie deintercambio de la envolvente Ae (m2)
Ae = Σ Aob oacute Ao es la superficie geomeacutetrica delas diferentes paredes de la envolvente
b es una constante que tiene en cuenta el tipode instalacioacuten
Valores de b
1048573parte superior abierta b = 14
1048573
parte superior cubierta b = 071048573paredes laterales abiertas b = 09
1048573paredes laterales tapadas b = 05
1048573paredes laterales deenvolventes centrales b = 05
1048573parte inferior b = 0
Pw potencia disipada en Watt en la partealta de la envolvente
T1 = Ta + ∆T1
siendo ∆T1 = c ∆T05 o ∆T05 representa elcalentamiento precedente
c es una constante de calentamientodeterminada a partir de aacutebacos
Por ejemplo en el aacutebaco de la figura 24 c es
funcioacuten de Ae y de uno de los factores f o g
f = h135
(L P) si Ae gt 125 m2
g = h135L si Ae lt 125 m2
Liacutemites
Los liacutemites esenciales de este meacutetodo son
que se aplica bien a las envolventes nocompartimentadas de tipo gabinete y no a los
tableros de potencia muy compartimentados
que no tiene en cuenta la posicioacuten de lasfuentes de calor que la mayor parte de vecesno estaacuten repartidas de forma uniforme
Comparacioacuten con nuestra aproximacioacuten
Se constata que las aproximaciones danresultados similares para los tableros no
compartimentados y con fuentes de calorrepartidas (figura 26)
En lo que se refiere a las envolventes muycerradas la localizacioacuten de las fuentes de calory los intercambios entre las diferentes zonasinfluyen mucho en el calentamiento
Temperatura en oC
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Temperatura calculada seguacuten la norma
Temperatura calculada con el programa de MG
Temperatura del aire ambiente 35 oC
Dimensiones de la envolvente
alto 2 m
ancho 09 m
profundo 04 m
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
Potenciadisipada en Watt
Fig 26 Temperatura del aire a media altura en un tablero metaacutelico de distribucioacuten IP2 y de la forma 1
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8 Conclusioacuten
La importancia de los tableros eleacutectricos en la
distribucioacuten no hay que demostrarla
En cuanto a la disponibilidad de la energiacutea
eleacutectrica y de la seguridad de funcionamiento resulta indiscutible que el control teacutermico de los
tableros eleacutectricos es un objetivo fundamental
Las normas que se refieren a las envolventes ya los productos determinan los liacutemites teacutermicosque no hay que sobrepasar
Les queda a los profesionales convertirse enlaquoarquitectos teacutermicosraquo del disentildeo de lasenvolventes y tableros eleacutectricos hoy es ya
cosa hecha incluso para los tableros de serie
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Φij = Gij (Ti + T j)
siendo
Φij = flujo energeacutetico intercambiado entre los
nudos i y j
Gij = conductancia entre i y j funcioacuten del tipo de
intercambio considerado
Ti T j = temperaturas asociadas a los nudos i y j respectivamente
Tomamos como ejemplo la modelizacioacuten de
una pieza en la que hay una fuente de calor
Se ha descompuesto este sistema en 4 nudos
1 para el aire interno 2 para las paredes (interna y externa) 1 para el aire ambiente exterior
Representacioacuten nodal (simplificada) en lafigura 9
Ecuaciones que traducen los flujos teacutermicospara este sistema simple
nudo 1
Q1 - h12 S12 (T1 - T2) + M41cp (T4 - T1)
- M14cp (T1 - T4) = 1 V1 cp1 T1
nudo 2
2 S23- (T2 - T3) =
d23
h12 S12 (T1 - T2)
= 2 V2 cp2 T2
42 Modelizacioacuten de la conveccioacuten
Como se ha indicado anteriormente en elcapiacutetulo 2 en el teacutermino de conveccioacuten seemparejan a menudo dos fenoacutemenos(intercambios cuerpo-fluido e intercambios en elmismo fluido)
nudo 3
2 S23- (T2 - T3) - h34 S34 (T3 - T4) =
d23
= 2 V2 cp2 T2
nudo 4
h34 S34 (T3 - T4) + M14cp (T1 - T4)
- M41cp (T4 - T1) = 4 V4 cp4 T4
Importante los teacuterminos T i que corresponden adTidtla expresioacuten Estos teacuterminos no se toman
en consideracioacuten ya que soacutelo interesa elreacutegimen permanente es decir con lastemperaturas estabilizadas
A partir de estas ecuaciones se deduce elsistema de ecuaciones [G] [T] = [R]correspondiente seguro a
Φij = Gij (Ti - T j)
donde
G la matriz de admitancia teacutermicaT el vector de temperaturas desconocidasR el vector de las solicitaciones impuestas(fuentes de calor Q1 temperatura )
Este tipo de proceso ha permitido elaborar loscoacutedigos de caacutelculo y las reglas propias a losproblemas teacutermicos de los edificios
La modelizacioacuten de los intercambios porconveccioacuten debe dividirse en dos partes unadescribiendo las peacuterdidas maacutesicas (movimientosde aire) y otra describiendo los intercambiosteacutermicos (coeficientes de intercambio) con unadependencia mutua entre ellos por transferenciamaacutesicateacutermica ((figura 10)
Movimientos del aire Esquema nodal correspondiente que muestralos dos aspectos de la conveccioacuten
10485731114109917501 Modelizacioacuten maacutesica y teacutermica de la conveccioacuten
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43 Aplicacioacuten a las envolventes en BT
Distinguimos para la modelizacioacuten dos grandesgrupos de envolventes
Envolventes no compartimentadasEn este caso el esquema nodalcomo se muestra en la figura 11 es semejanteal del esquema de la figura 10 integrando lasfuentes de calor
Envolventes fuertemente compartimentadoscon o sin ventilacioacuten natural
A nivel de modelizacioacuten son posibles dosplanteamientos
n bien modelizando cada zona del tablerocomo se ha visto anteriormente asociando enconjunto los diferentes voluacutemenes Este sistemaconduce a matices demasiado complicadoscuando como es normal aparecen una decena
de zonas a asociar
aireambiente
10485731114109917501 Envolvente no-cerrada
o bien tratando el sistema globalmente sinmodelizar los bucles de conveccioacuten en el
interior de los diferentes voluacutemenes y noteniendo en cuenta la circulacioacuten de aire entrezonas (figura 12)
Estas modelizaciones nos han conducido aelaborar programas informaacuteticos adaptados acada tipo de envolvente Todos estosprogramas estaacuten estructurados de la mismaforma
Antes de entrar maacutes en detalle en la utilizacioacutende un programa (capiacutetulo 6) conviene conocermejor las fuentes de calor (juegos de barrasaparatos ) para determinar el nivel defuncionamiento real de un cuadro
abertura
aireambiente
zona A zona B
zona A zona B
10485731114109917501 Caso de una envolvente cerrada
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5 Comportamiento de las fuentes de calor Caracteriacutesticas
Las fuentes de calor consideradas en lamodelizacioacuten son los juegos de barras losconductores de interconexioacuten y los aparatoseleacutectricos
Referente a estos uacuteltimos los consideramoscomo laquolas cajas negrasraquo disipando caloriacuteas y
51 Los juegos de barras
Los juegos de barras se calculan de forma queverifiquen dos condiciones poder soportar el paso de la corrientenominal necesaria sin provocar uncalentamiento de las barras que pueda provocarun deterioro de los aislantes que soportan lasbarras Por ejemplo las barras pueden estardimensionadas de forma que no superen enreacutegimen permanente una temperatura de110983226C valor este que es enteramentedependiente de la naturaleza de los materialesaislantes en contacto con las barras porejemplo los soportes La tabla de la figura 13da para una temperatura ambiente de 50983226C y65983226C unos valores de temperatura para los
juegos de barras poder soportar una corriente de cortocircuitosin provocar deformaciones notables en lasbarras rotura de los soportes aislantes ocalentamiento excesivo
no como nudos de la modelizacioacuten Es decirque no se calcula su temperatura defuncionamiento sino la intensidad maacutexima quepueden soportar para una configuracioacuten deinstalacioacuten determinada con el fin de no exceder
su temperatura liacutemite de utilizacioacuten
La segunda condicioacuten corresponde a unproblema de esfuerzos electrodinaacutemicos ypuede estudiarse separadamente aunque laprimera necesita conocer el nivel defuncionamiento del conjunto
En particular hay que tener en cuenta latemperatura del aire que envuelve las barraspara dimensionarlas de forma precisa y evitarque sobrepasen una temperatura criacutetica que esfuncioacuten principalmente de la naturaleza delmaterial utilizado para los soportes
Asiacute conociendo la temperatura del aire en lasdiferentes zonas del tablero podemosdeterminar la temperatura delas barras en funcioacuten de sus caracteriacutesticas(dimensiones forma disposicioacuten) y validar eldimensionamiento
Importante En referencia a los caacutelculos de flujoteacutermico se considera que las barras disipan elcalor principalmente por conveccioacuten y radiacioacutenal aire interno
Temperatura Seccioacuten Intensidad Potencia Temperaturaaprox de las barras disipada (A) de las barras (W) (oC)
50 1 barra 100 x 5 1000 45 79
50 1 barra 100 x 5 1500 107 109
50 3 barras 100 x 5 1500 10 65
50 3 barras 100 x 5 3400 61 110
65 1 barra 100 x 5 1000 45 92
65 3 barras 100 x 5 1500 11 80
10485731114109917501 Valores teacutermicos relativos a un juego de barras de una longitud de 1 m situados en un ambiente dado
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52 Los Dispositivos
En los tableros de distribucioacuten eleacutectrica los
interruptores automaacuteticos constituyen el nuacutecleoprincipal de los dispositivos de potencia Ellos ylos demaacutes componentes como por ejemplo loscontactores disipan
Examinemos con maacutes detalle los interruptores
automaacuteticos frente a los problemas teacutermicos La potencia disipada es proporcional alcuadrado de la intensidad que los recorre
2sus caloriacuteas cuando son recorridos por la IPW PNcorriente eleacutectrica In
La tabla de la figura 14 nos facilita a tiacutetuloindicativo algunos valores de potencia disipadapor fase (por polo)
Interruptores automaacuteticosPotencia medida con watiacutemetro y no calculada a partirde la medida de la resistencia
In (A) 250 400 630 800
Pw - versioacuten fija 141 19 40 416
con In en 197 30 52 58versioacuten desenchufable
Contactores
I
n (A) 265 400 630 780Pw con In 22 45 48 60
10485731114109917501 Potencia disipada por polo a In en la
aparamenta claacutesica
Electroacutenico
Desplazamientovoluntario
compensado
Bimetal simple
donde PN representa la potencia disipada a laintensidad nominal de empleo In
La intensidad nominal de empleo (In) de uninterruptor automaacutetico corresponde a unatemperatura ambiente determinada por ejemplo40oC fijada por la norma de construccioacuten Dehecho para ciertos interruptores automaacuteticos latemperatura ambiente correspondiente a Inpuede alcanzar e incluso sobrepasar los 50ordmC dato
que debe dar una seguridad por ejemplo enlos paiacuteses caacutelidos
la intensidad de funcionamiento (Ith o Ithe)puede variar en funcioacuten de la temperaturaambiente y seguacuten el tipo de releacute teacutermico simpleteacutermico compensado electroacutenico (figura 15) loque puede permitir definir una corriente maacuteximade empleo diferente de In
Los paraacutemetros que intervienen en ladeterminacioacuten de desplazamiento portemperatura tienen en cuenta ademaacutes de latemperatura del aire alrededor del dispositivo (T i)
la temperatura liacutemite (TL) de los
componentes internos del interruptorautomaacutetico
1048573 temperatura maacutexima de funcionamiento delbimetal para un interruptor automaacutetico con releacutetermomagneacutetico
1048573 temperatura de los componenteselectroacutenicos para interruptores automaacuteticos conreleacute electroacutenico incorporado
1048573 la temperatura no debe transmitirse a losmateriales plaacutesticos los maacutes sensibles en uninterruptor automaacutetico con electroacutenicaintercambiable (releacute exteriorinterruptor abierto)Estas temperaturas liacutemite estaacuten comprendiasentre 100 y 150oC
la razoacuten entre la Ir del releacute y la corriente realde disparo cuando eacuteste estaacute a la temperatura
Bimetal
T TN
TN temperatura nominal de funcionamiento
T L temperatura liacutemite de funcionamiento
de definicioacuten de In K1Ir (figura 16)In
T ambiente
L
las secciones de los cables o las barras deconexioacuten que juegan un papel de radiador Suinfluencia se toma en cuenta para un coeficiente10485731114109917501 Curvas de desplazamiento tipo de los releacutes enK2funcioacuten de la temperatura
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Importante Debe tenerse en cuenta que laseccioacuten de los conductores utilizados esraramente igual a la que se emplea para losensayos de certificacioacuten de los interruptoresautomaacuteticos
El desplazamiento que tiene en cuenta estosdiversos criterios puede expresarsematemaacuteticamente
Foacutermula de desplazamiento
El interruptor automaacutetico y sus conductores deconexioacuten disipan esencialmente por conveccioacuten
Aparece por ello la relacioacuten
W1 = h S (TL - Ti)
siendo
W1 potencia disipada en W para un aparatoconectado dentro de una envolvente con unvolumen de aire a la temperatura T i
h = coeficiente de intercambio en Wm2 983226C
S superficie de intercambio en m2TL temperatura del punto caliente en 983226C (porejemplo el bimetal)
Ti temperatura del aire interno alrededor delaparato en 983226C
h = Cste S (TL - Ti)α
de donde W1 = Cste S (TL - Ti)1+α
Cuando el aparato se halla al aire libre a 40983226Cse tiene una relacioacuten similar
W2 = Cste S (TL - 40)1+α
de donde
1
1 L i W T
T
W T
402
L
Ademaacutes se sabe que1 = RIthe
2 y que W2 = RIr 2
W TL -T
y por tanto Ithe 1114109Ir
i
TL - 40
siendo Ithe la intensidad que recorre el aparato
Id = K1 x In y β = (1 + α)2
β coeficiente que caracteriza el tipo de dispositivoSe determina experimentalmente o por unanaacutelisis maacutes fino del comportamiento teacutermicodel elemento Su valor estaacute comprendido entre02 y 07
Relacioacuten final integrando ademaacutes el efecto
de las secciones (coeficiente K2)
TL
T iI 1114109
I K K
the n 1 2 TL
40
Los datos que corresponden alcomportamiento del interruptor automaacutetico y queintervienen en esta foacutermula estaacuten en losficheros que utiliza el programa informaacutetico alcalcular las temperaturas en el interior deltablero
tteacutermico
magneacutetico
curvaliacutemitedel cable
CR
LR
t
curvaliacutemitedel cable
retardocorto
retardolargo
Ir Irm Icu I Ir Irm Iins Icu I
ILR ICRIr = ajuste del releacute teacutermicoIrm = ajuste del releacute magneacutetico
zona
zona de
zona desobre-Icu = poder de corte uacuteltimo normal cortocircuitoscarga
10485731114109917501 Curvas de disparo de un interruptor automaacutetico
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6 Meacutetodo de caacutelculo de la temperatura en las envolventes
La modelizacioacuten presentada hasta ahora debeservir de base al desarrollo de nuestro meacutetodode caacutelculo que debe permitirnos determinar elfuncionamiento real del tablero (intensidadmaacutexima en cada derivacioacuten) y con ello utilizarel conjunto al maacuteximo con una seguridadgarantizada
61 Principio
El programa se desarrolla con dos bucles deiteraciones imbricadas con el fin de determinarel nivel permanente El primero concierne a laresolucioacuten del problema teacutermico el otro a loscoeficientes de desplazamiento
El esquema de caacutelculo se presenta en la figura17
1983210 etapa descripcioacuten de la configuracioacuten esdecir tipo de envolvente utilizado nuacutemero dedispositivos y su posicioacuten relativa A este nivel elprograma utiliza el fichero de aparatos pararecuperar los datos descritos con anterioridad
2983210 etapa descomposicioacuten de la envolvente ensus voluacutemenes isotermos (nudos de lamodelizacioacuten nodal)
3983210 etapa inicio de los nuacutecleos de iteracioacuten concaacutelculo
de la potencia disipada (en la primeraiteracioacuten los coeficientes de desplazamiento setoman igual a 1)
de los coeficientes de la matriz de admitanciaa partir de las ecuaciones de balance
de las temperaturas internas (resolucioacuten delproblema teacutermico)
Como acostumbra a suceder en teacutermica lasnumerosas relaciones entre paraacutemetrosprecisan de una definicioacuten iterativa con laelaboracioacuten de un programa del que vamos apresentar el principio
de los nuevos coeficientes dedesplazamiento comparaacutendolos con losanteriores Si el salto se juzga poco importante(prueba de paro de la iteracioacuten) se procede a unnuevo bucle calculando las nuevasintensidades que atraviesan cada aparato denuevo la potencia disipada
4983210 etapa salida de los resultados
Descripcioacuten de la configuracioacutenestudiada
Intensidad
Potencia disipadadentro de la envolvente
Coeficientes dedesplazamiento
Temperaturasiinteriores
10485731114109917501 Principio de funcionamiento de los programas
62 Descripcioacuten de los datos a suministrar y de los resultados obtenidos
Datos
tipo de envolvente ymaterial
iacutendice de proteccioacuten
temperatura ambiente alrededor de laenvolvente
nuacutemero de filas de dispositivos
denominacioacuten de los aparatos que permitensu localizacioacuten en el fichero
configuracioacuten del tablero y posicioacuten de los
dispositivos
Resultados
eleccioacuten de un juego de barras horizontal yvertical (seccioacuten) e intensidad en estas barras
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potencia teacutermica total disipada en el tablero
coeficiente de desplazamiento para cadadispositivo debido a las intensidades circulantes
eventualmente la temperatura alcanzada por
las barras y su nivel en las diferentes zonas deltablero
63 Configuraciones modelizadas
Es bien sabido que en un programa como elque se indica no pueden considerarse todas lasconfiguraciones de instalacioacuten imaginablesSolamente se consideran las maacutes comunes esdecir las que permiten responder al 90 de loscasos deseados Un ejemplo en la figura 18
Configuracioacuten 1 Configuracioacuten 2 Configuracioacuten 3sin aparato de entrada aparato de entrada
en posicioacuten altaaparato de entradaen posicioacuten baja
10485731114109917501 Configuraciones modelizadas
64 Resultados
Este progreso en el caacutelculo informaacutetico demodelos es especialmente interesante porquepermite efectuar los diversos estudios
Estudio detallado de una configuracioacutendeterminada para optimizar la posicioacuten de undispositivo o la eleccioacuten de un juego de barrasconocer la potencia disipada por el conjuntopara dimensionar una climatizacioacuten adaptada
El ejemplo siguiente se ha efectuado con unacolumna de un cuadro industrial de potenciacompartimentado forma 2 conteniendo
un juego de barras horizontal alimentando un
aparato de entrada y la columna adyacente un aparato de entrada de 2500 A diferentes interruptores automaacuteticos de caja
moldeada
El programa nos facilita entre otros los coeficientes de desplazamiento Kdesp las intensidades que circulan por cadaaparato Ir
Advertencia sobre el coeficiente Kdiv
Este coeficiente nos permite tener en cuenta elcoeficiente de diversidad o de esponjamientoderivacioacuten por derivacioacuten
Es decir los niveles de funcionamiento en uninstante dado de los diferentes aparatos
Por ejemplo en un instante dado 2derivaciones son solicitadas al maacuteximo y lasotras hasta el 05 de sus posibilidadesafectando al sistema teacutermico del conjunto
Los resultados se presentan en la hoja decaacutelculo de la figura 19
Tabla de desplazamiento para unaconfiguracioacuten dada
Esta posibilidad de utilizacioacuten del programasemejante a la utilizacioacuten anterior permite reunirpara una configuracioacuten frecuente losdesplazamientos de los diferentes dispositivosteniendo en cuenta su posicioacuten real en el
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tablero las secciones de los conductoresutilizados los iacutendices de proteccioacuten y de latemperatura ambiente exterior
En la figura 20 se puede ver un ejemplo de uncuadro industrial de potencia con los datosdetallados de los dispositivos instalados en columna
Tabla de desplazamiento para un tipo dedispositivo
Para la mayor parte de interruptoresautomaacuteticos de caja moldeada eldesplazamiento es relativamente independientede la configuracioacuten
Masterbloc MB200 IP = 31
Tabla con aparato de llegada en posicioacuten alta alimentada con JdB horizontal
Referencia Posicioacuten Kdespl Kdiv Ia(A) Or(A)
M25H 1 12 88 1 2200 2200
NS630ST 17 21 93 1 586 518
NS630ST 22 26 96 1 605 534
NS400ST 27 31 1 1 400 353
NS400ST 32 36 1 1 400 353
NS250D250 37 40 1 1 250 221
NS250D250 41 44 1 1 250 221
Juego de barras horizontal
intensidad 2200 A
M 25
NS 630
NS 630
NS 400
NS 400
NS 250
NS 250
seccioacuten 1 4 barras de 100 5
Juego de barras vertical
intensidad 2200 A Temperatura JdB horizontal 95oC
seccioacuten 1 4 barras de 80 5Temperatura JdB vericalTemperatura ambiente
104oC35oC
Temperatura del techo 70oCPotencia total disipada 1953 W Temperatura JdB horizontal 75oCdetalle en dispositivos 593 W Temperatura aparellaje alto 68oC bajo 35oC
en auxiliares 0 W Temperatura auxiliar alto 52oC bajo 35oC juegos de barras + derivaciones 1271 W Temperatura JdB + derivaciones alto 77oC bajo 35oC juego de barras horizontal 89 W Temperatura conexiones alto 58oC bajo 35oC
10485731114109917501 Resultados del caacutelculo para una configuracioacuten determinada
IP31
Tdeg amb 35 40 45 50 55
M25 09 087 084 081 079M16 097 094 091 088 086M08 1 1 1 1 1
IP 4254
Tdeg amb 35 40 45 50 55
M25 079 077 075 073 071M16 087 085 083 081 079M08 1 1 1 1 1
3b 1005
3b 1005
2b 805
2b 805
1b 635
1b 635
3b 1005
4 b
8 0 5
1 b 8
0 5
M 252500 A
M 161600 A
M 08800 A
hueco
x
x
x
10485731114109917501 Desplazamiento de los interruptores automaacuteticos descritos en funcioacuten de la temperatura ambiente
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Los coeficientes de desplazamiento seestablecen por exceso situando los dispositivos enlo alto del tablero o del compartimento
Ver a tiacutetulo de ejemplo la figura 21
Curvas caracteriacutesticas del comportamientoteacutermico de un tipo de envolvente
Se establecen dos tipos graacuteficos
un conjunto de curvas que permitendeterminar la temperatura media en el interiorde una envolvente determinada en funcioacuten de lapotencia disipada y de la temperatura ambienteexterior
En la figura 22 se indican estas curvas para untablero de distribucioacuten no compartimentado
unas curvas que permiten determinar lapotencia que estas envolventes pueden disiparpara un calentamiento definido en funcioacuten desus caracteriacutesticas dimensionales
Ejemplo temperatura ambiente exterior 35 oCcalentamiento maacuteximo admisible ∆Ta = 30 oC
1048573 tablero altura 2 m anchura 09 mprofundidad 04 m
potencia disipable 850 W
1048573 tablero altura 2 m anchura 09 mprofundidad 06 m
potencia disipable 1000 W seguacuten curvas de lafigura 23
IP 31 IP 4254
Tdeg amb 35 40 45 50 55 35 40 45 50 55
NS100 100 100 100 100 95 100 95 90 85 80
NS160 160 155 150 145 140 150 140 135 125 120
NS250 235 225 220 210 200 205 195 180 170 165
NS400 380 370 360 350 340 350 340 330 320 310
NS630 540 520 510 500 485 485 475 465 450 440
10485731114109917501 Ejemplo de intensidades de corriente (en A) de disparo de interruptores automaacuteticos Compact NS
instalados dentro de una envolvente de BT determinada
Temperaturamedia en oC
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Tamb 60oC
Tamb 55oC
Tamb 50o
CTamb 45oCTamb 40oCTamb 35oC
Tamb 25oC
Dimensiones de
la envolventealto 2 mancho 09 mprofundo 04 m
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Potencia disipada en vatios
10485731114109917501 Temperatura media del aire en el interior de un armario de distribucioacuten metaacutelico IP2 y de forma 1
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Envolvente de 400 mmde profundidad
Potencia disipadaen vatios
1600
1400 T = 40oC
1200
1000 T = 30oC
800
T = 20oC600
400T = 10oC
200
800 900 1000 1100
Anchura en mm
Envolvente de 600 mmde profundidad
Potencia disipadaen vatios
1600 T = 40o
C
1400T = 30oC
1200
1000
T = 20oC1000
600
400 T = 10oC
200
800 900 1000 1100
Anchura en mm
10485731114109917501 Potencia disipable por calentamiento en una envolvente dada en funcioacuten de su anchura Curvas que se
refieren a un gabinete metaacutelico de formas 1 de 2 metros de altura
65 Resultados experimentales
Se han efectuado ensayos de calentamiento enel laboratorio Ampegravere de ASEFA con diversostipos de envolventes cofrets de plancha oplaacutestico armarios Prisma tableros de
distribucioacuten MasterblocDurante estos ensayos se han medido
temperaturas
1048573del aire en diferentes zonas de la envolvente
1048573de los conductores juego de barras yderivaciones
1048573de los puntos calientes de los dispositivos(bimetal ambiente electroacutenico)
intensidades
paraacutemetros que intervienen en lamodelizacioacuten en particular los coeficientes deintercambio aireparedes
Estas mediciones han permitido por una parte
verificar la conformidad a la norma IIEC 604311 deciertos valores (liacutemites de calentamientomencionados en el capiacutetulo 12 sobre lasnormas) y por otra parte para validar el modelo
En lo referente a las temperaturas del aire ladiferencia entre los valores medidos ycalculados depende del tipo de envolventemodelizada ya que al nivel de la modelizacioacuten
los supuestos difieren seguacuten que se considerelas envolventes compartimentadas o no
Sobre el conjunto de ensayos efectuados encuadros de diferentes formas(compartimentados o no) las diferenciasmaacuteximas constatadas han sido siempreinferiores a 6983226C
Las temperaturas calculadas para los juegos debarras muestran tambieacuten una concordancia conlas mediciones y han permitido validar elprograma informaacutetico
En referencia a las intensidades lasdesviaciones en valor medio son inferiores al5 En una homologacioacuten reciente de unaconfiguracioacuten de cuadro Masterbloc encalentamiento el programa ha permitido preverel nivel de funcionamiento del cuadro
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7 Meacutetodo propuesto por el documento IEC 60890
No hace mucho tiempo atras los gabinetes eleacutectricos
se escogiacutean equipaban y llenaban en funcioacutende la experiencia tambieacuten en lo que se refierea la tasa de llenado y a la variacioacuten de latemperatura en el tablero durante elfuncionamiento
Por ejemplo Temperatura exterior maacutexima
30983226C y 60983226C en el interior (los fabricantes de
aparamenta dan de margen hasta los 60983226C)
Esta praacutectica conduciacutea o a una pobre utilizacioacuten
del material o a actuaciones intempestivas de
las protecciones tenieacutendose la necesidad de
trabajar con las puertas abiertas
El meacutetodo propuesto por la recomendacioacuten
IEC aunque no se trate de una norma sino de
una guiacutea es de un intereacutes evidente Se
presenta detalladamente en el anexo de la
norma NFC 63410 o en la recomendacioacuten de la
IEC Ndeg 60890
Debemos de recordar los fundamentosmostrando los liacutemites y comparando con elmeacutetodo presentado en este Cuaderno Teacutecnico
En principio este meacutetodo se aplica aenvolventes a las que se puedan aplicar lassiguientes hipoacutetesis
reparto uniforme de la potencia disipada
el equipamiento se dispone de manera que no sedificulte la circulacioacuten de aire
no maacutes de 3 separaciones horizontales
Datos necesarios
dimensiones de la envolvente
potencia disipada en el interior (equipamiento
conductores)
tipo de instalacioacuten (envolvente aislada osituado en un extremo) (figura 24)
Caacutelculo
la temperatura se calcula uacutenicamente en 2
puntos de la envolvente
a media altura
T05 = Ta + ∆T050804siendo ∆T05 = dk Pw
d es un coeficiente que tiene en cuenta laexistencia de separaciones horizontales
1048573Si Ae lt 125 m2 d =1 (definicioacuten de Ae queveremos inmediatamente)
Si Ae gt 125 m2
Factor de repartode temperatura c165
116 2
3155 4
515
145
14
135
13
125
12
115
11
105
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Factor fCurvaTipo de instalacioacuten
1 Tapas separadas quitadas por todos los lados 3 Tapas separadas en montaje mural 2 Primera o uacuteltima tapa quitada
3 Tapa central quitada
5 Tapa central en montaje mural 4 Tapa central en montaje mural y con la parte
superior abierta
10485731114109917501 Factor de distribucioacuten de temperatura c para
envolventes sin orificios de ventilacioacuten y con una
superficie efectiva de enfriamiento A gt 125 m2 e
Valor de la superficie efectiva Constantede refrigeracioacuten Ae en m 2 de envolvente k
0 4
038
1 036
03415 032
2 03
028
3
25
026
4 024
5 022
6 0278 018
10 016
12 01414
01201
008
100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650
Seccion de los orificios de entrada de aire en cm2
10485731114109917501 Constante de la envolvente k para una
envolvente con orificio de ventilacioacuten y una superficie
efectiva de enfriamiento A gt 125 m2 e
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d = 1 con o sin orificios de ventilacioacuten sin
ninguna separacioacuten
d = 105 con o sin orificios de ventilacioacuten para
1 de separacioacuten
d = 115 oacute 110 con orificios de ventilacioacuten para 2 separaciones
d = 130 oacute 115 con orificios de ventilacioacuten para
3 separaciones
k es una constante que caracteriza laenvolvente su valor se determina con aacutebacos(figura 25) y es funcioacuten de la superficie deintercambio de la envolvente Ae (m2)
Ae = Σ Aob oacute Ao es la superficie geomeacutetrica delas diferentes paredes de la envolvente
b es una constante que tiene en cuenta el tipode instalacioacuten
Valores de b
1048573parte superior abierta b = 14
1048573
parte superior cubierta b = 071048573paredes laterales abiertas b = 09
1048573paredes laterales tapadas b = 05
1048573paredes laterales deenvolventes centrales b = 05
1048573parte inferior b = 0
Pw potencia disipada en Watt en la partealta de la envolvente
T1 = Ta + ∆T1
siendo ∆T1 = c ∆T05 o ∆T05 representa elcalentamiento precedente
c es una constante de calentamientodeterminada a partir de aacutebacos
Por ejemplo en el aacutebaco de la figura 24 c es
funcioacuten de Ae y de uno de los factores f o g
f = h135
(L P) si Ae gt 125 m2
g = h135L si Ae lt 125 m2
Liacutemites
Los liacutemites esenciales de este meacutetodo son
que se aplica bien a las envolventes nocompartimentadas de tipo gabinete y no a los
tableros de potencia muy compartimentados
que no tiene en cuenta la posicioacuten de lasfuentes de calor que la mayor parte de vecesno estaacuten repartidas de forma uniforme
Comparacioacuten con nuestra aproximacioacuten
Se constata que las aproximaciones danresultados similares para los tableros no
compartimentados y con fuentes de calorrepartidas (figura 26)
En lo que se refiere a las envolventes muycerradas la localizacioacuten de las fuentes de calory los intercambios entre las diferentes zonasinfluyen mucho en el calentamiento
Temperatura en oC
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Temperatura calculada seguacuten la norma
Temperatura calculada con el programa de MG
Temperatura del aire ambiente 35 oC
Dimensiones de la envolvente
alto 2 m
ancho 09 m
profundo 04 m
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
Potenciadisipada en Watt
Fig 26 Temperatura del aire a media altura en un tablero metaacutelico de distribucioacuten IP2 y de la forma 1
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8 Conclusioacuten
La importancia de los tableros eleacutectricos en la
distribucioacuten no hay que demostrarla
En cuanto a la disponibilidad de la energiacutea
eleacutectrica y de la seguridad de funcionamiento resulta indiscutible que el control teacutermico de los
tableros eleacutectricos es un objetivo fundamental
Las normas que se refieren a las envolventes ya los productos determinan los liacutemites teacutermicosque no hay que sobrepasar
Les queda a los profesionales convertirse enlaquoarquitectos teacutermicosraquo del disentildeo de lasenvolventes y tableros eleacutectricos hoy es ya
cosa hecha incluso para los tableros de serie
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43 Aplicacioacuten a las envolventes en BT
Distinguimos para la modelizacioacuten dos grandesgrupos de envolventes
Envolventes no compartimentadasEn este caso el esquema nodalcomo se muestra en la figura 11 es semejanteal del esquema de la figura 10 integrando lasfuentes de calor
Envolventes fuertemente compartimentadoscon o sin ventilacioacuten natural
A nivel de modelizacioacuten son posibles dosplanteamientos
n bien modelizando cada zona del tablerocomo se ha visto anteriormente asociando enconjunto los diferentes voluacutemenes Este sistemaconduce a matices demasiado complicadoscuando como es normal aparecen una decena
de zonas a asociar
aireambiente
10485731114109917501 Envolvente no-cerrada
o bien tratando el sistema globalmente sinmodelizar los bucles de conveccioacuten en el
interior de los diferentes voluacutemenes y noteniendo en cuenta la circulacioacuten de aire entrezonas (figura 12)
Estas modelizaciones nos han conducido aelaborar programas informaacuteticos adaptados acada tipo de envolvente Todos estosprogramas estaacuten estructurados de la mismaforma
Antes de entrar maacutes en detalle en la utilizacioacutende un programa (capiacutetulo 6) conviene conocermejor las fuentes de calor (juegos de barrasaparatos ) para determinar el nivel defuncionamiento real de un cuadro
abertura
aireambiente
zona A zona B
zona A zona B
10485731114109917501 Caso de una envolvente cerrada
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5 Comportamiento de las fuentes de calor Caracteriacutesticas
Las fuentes de calor consideradas en lamodelizacioacuten son los juegos de barras losconductores de interconexioacuten y los aparatoseleacutectricos
Referente a estos uacuteltimos los consideramoscomo laquolas cajas negrasraquo disipando caloriacuteas y
51 Los juegos de barras
Los juegos de barras se calculan de forma queverifiquen dos condiciones poder soportar el paso de la corrientenominal necesaria sin provocar uncalentamiento de las barras que pueda provocarun deterioro de los aislantes que soportan lasbarras Por ejemplo las barras pueden estardimensionadas de forma que no superen enreacutegimen permanente una temperatura de110983226C valor este que es enteramentedependiente de la naturaleza de los materialesaislantes en contacto con las barras porejemplo los soportes La tabla de la figura 13da para una temperatura ambiente de 50983226C y65983226C unos valores de temperatura para los
juegos de barras poder soportar una corriente de cortocircuitosin provocar deformaciones notables en lasbarras rotura de los soportes aislantes ocalentamiento excesivo
no como nudos de la modelizacioacuten Es decirque no se calcula su temperatura defuncionamiento sino la intensidad maacutexima quepueden soportar para una configuracioacuten deinstalacioacuten determinada con el fin de no exceder
su temperatura liacutemite de utilizacioacuten
La segunda condicioacuten corresponde a unproblema de esfuerzos electrodinaacutemicos ypuede estudiarse separadamente aunque laprimera necesita conocer el nivel defuncionamiento del conjunto
En particular hay que tener en cuenta latemperatura del aire que envuelve las barraspara dimensionarlas de forma precisa y evitarque sobrepasen una temperatura criacutetica que esfuncioacuten principalmente de la naturaleza delmaterial utilizado para los soportes
Asiacute conociendo la temperatura del aire en lasdiferentes zonas del tablero podemosdeterminar la temperatura delas barras en funcioacuten de sus caracteriacutesticas(dimensiones forma disposicioacuten) y validar eldimensionamiento
Importante En referencia a los caacutelculos de flujoteacutermico se considera que las barras disipan elcalor principalmente por conveccioacuten y radiacioacutenal aire interno
Temperatura Seccioacuten Intensidad Potencia Temperaturaaprox de las barras disipada (A) de las barras (W) (oC)
50 1 barra 100 x 5 1000 45 79
50 1 barra 100 x 5 1500 107 109
50 3 barras 100 x 5 1500 10 65
50 3 barras 100 x 5 3400 61 110
65 1 barra 100 x 5 1000 45 92
65 3 barras 100 x 5 1500 11 80
10485731114109917501 Valores teacutermicos relativos a un juego de barras de una longitud de 1 m situados en un ambiente dado
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52 Los Dispositivos
En los tableros de distribucioacuten eleacutectrica los
interruptores automaacuteticos constituyen el nuacutecleoprincipal de los dispositivos de potencia Ellos ylos demaacutes componentes como por ejemplo loscontactores disipan
Examinemos con maacutes detalle los interruptores
automaacuteticos frente a los problemas teacutermicos La potencia disipada es proporcional alcuadrado de la intensidad que los recorre
2sus caloriacuteas cuando son recorridos por la IPW PNcorriente eleacutectrica In
La tabla de la figura 14 nos facilita a tiacutetuloindicativo algunos valores de potencia disipadapor fase (por polo)
Interruptores automaacuteticosPotencia medida con watiacutemetro y no calculada a partirde la medida de la resistencia
In (A) 250 400 630 800
Pw - versioacuten fija 141 19 40 416
con In en 197 30 52 58versioacuten desenchufable
Contactores
I
n (A) 265 400 630 780Pw con In 22 45 48 60
10485731114109917501 Potencia disipada por polo a In en la
aparamenta claacutesica
Electroacutenico
Desplazamientovoluntario
compensado
Bimetal simple
donde PN representa la potencia disipada a laintensidad nominal de empleo In
La intensidad nominal de empleo (In) de uninterruptor automaacutetico corresponde a unatemperatura ambiente determinada por ejemplo40oC fijada por la norma de construccioacuten Dehecho para ciertos interruptores automaacuteticos latemperatura ambiente correspondiente a Inpuede alcanzar e incluso sobrepasar los 50ordmC dato
que debe dar una seguridad por ejemplo enlos paiacuteses caacutelidos
la intensidad de funcionamiento (Ith o Ithe)puede variar en funcioacuten de la temperaturaambiente y seguacuten el tipo de releacute teacutermico simpleteacutermico compensado electroacutenico (figura 15) loque puede permitir definir una corriente maacuteximade empleo diferente de In
Los paraacutemetros que intervienen en ladeterminacioacuten de desplazamiento portemperatura tienen en cuenta ademaacutes de latemperatura del aire alrededor del dispositivo (T i)
la temperatura liacutemite (TL) de los
componentes internos del interruptorautomaacutetico
1048573 temperatura maacutexima de funcionamiento delbimetal para un interruptor automaacutetico con releacutetermomagneacutetico
1048573 temperatura de los componenteselectroacutenicos para interruptores automaacuteticos conreleacute electroacutenico incorporado
1048573 la temperatura no debe transmitirse a losmateriales plaacutesticos los maacutes sensibles en uninterruptor automaacutetico con electroacutenicaintercambiable (releacute exteriorinterruptor abierto)Estas temperaturas liacutemite estaacuten comprendiasentre 100 y 150oC
la razoacuten entre la Ir del releacute y la corriente realde disparo cuando eacuteste estaacute a la temperatura
Bimetal
T TN
TN temperatura nominal de funcionamiento
T L temperatura liacutemite de funcionamiento
de definicioacuten de In K1Ir (figura 16)In
T ambiente
L
las secciones de los cables o las barras deconexioacuten que juegan un papel de radiador Suinfluencia se toma en cuenta para un coeficiente10485731114109917501 Curvas de desplazamiento tipo de los releacutes enK2funcioacuten de la temperatura
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Importante Debe tenerse en cuenta que laseccioacuten de los conductores utilizados esraramente igual a la que se emplea para losensayos de certificacioacuten de los interruptoresautomaacuteticos
El desplazamiento que tiene en cuenta estosdiversos criterios puede expresarsematemaacuteticamente
Foacutermula de desplazamiento
El interruptor automaacutetico y sus conductores deconexioacuten disipan esencialmente por conveccioacuten
Aparece por ello la relacioacuten
W1 = h S (TL - Ti)
siendo
W1 potencia disipada en W para un aparatoconectado dentro de una envolvente con unvolumen de aire a la temperatura T i
h = coeficiente de intercambio en Wm2 983226C
S superficie de intercambio en m2TL temperatura del punto caliente en 983226C (porejemplo el bimetal)
Ti temperatura del aire interno alrededor delaparato en 983226C
h = Cste S (TL - Ti)α
de donde W1 = Cste S (TL - Ti)1+α
Cuando el aparato se halla al aire libre a 40983226Cse tiene una relacioacuten similar
W2 = Cste S (TL - 40)1+α
de donde
1
1 L i W T
T
W T
402
L
Ademaacutes se sabe que1 = RIthe
2 y que W2 = RIr 2
W TL -T
y por tanto Ithe 1114109Ir
i
TL - 40
siendo Ithe la intensidad que recorre el aparato
Id = K1 x In y β = (1 + α)2
β coeficiente que caracteriza el tipo de dispositivoSe determina experimentalmente o por unanaacutelisis maacutes fino del comportamiento teacutermicodel elemento Su valor estaacute comprendido entre02 y 07
Relacioacuten final integrando ademaacutes el efecto
de las secciones (coeficiente K2)
TL
T iI 1114109
I K K
the n 1 2 TL
40
Los datos que corresponden alcomportamiento del interruptor automaacutetico y queintervienen en esta foacutermula estaacuten en losficheros que utiliza el programa informaacutetico alcalcular las temperaturas en el interior deltablero
tteacutermico
magneacutetico
curvaliacutemitedel cable
CR
LR
t
curvaliacutemitedel cable
retardocorto
retardolargo
Ir Irm Icu I Ir Irm Iins Icu I
ILR ICRIr = ajuste del releacute teacutermicoIrm = ajuste del releacute magneacutetico
zona
zona de
zona desobre-Icu = poder de corte uacuteltimo normal cortocircuitoscarga
10485731114109917501 Curvas de disparo de un interruptor automaacutetico
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6 Meacutetodo de caacutelculo de la temperatura en las envolventes
La modelizacioacuten presentada hasta ahora debeservir de base al desarrollo de nuestro meacutetodode caacutelculo que debe permitirnos determinar elfuncionamiento real del tablero (intensidadmaacutexima en cada derivacioacuten) y con ello utilizarel conjunto al maacuteximo con una seguridadgarantizada
61 Principio
El programa se desarrolla con dos bucles deiteraciones imbricadas con el fin de determinarel nivel permanente El primero concierne a laresolucioacuten del problema teacutermico el otro a loscoeficientes de desplazamiento
El esquema de caacutelculo se presenta en la figura17
1983210 etapa descripcioacuten de la configuracioacuten esdecir tipo de envolvente utilizado nuacutemero dedispositivos y su posicioacuten relativa A este nivel elprograma utiliza el fichero de aparatos pararecuperar los datos descritos con anterioridad
2983210 etapa descomposicioacuten de la envolvente ensus voluacutemenes isotermos (nudos de lamodelizacioacuten nodal)
3983210 etapa inicio de los nuacutecleos de iteracioacuten concaacutelculo
de la potencia disipada (en la primeraiteracioacuten los coeficientes de desplazamiento setoman igual a 1)
de los coeficientes de la matriz de admitanciaa partir de las ecuaciones de balance
de las temperaturas internas (resolucioacuten delproblema teacutermico)
Como acostumbra a suceder en teacutermica lasnumerosas relaciones entre paraacutemetrosprecisan de una definicioacuten iterativa con laelaboracioacuten de un programa del que vamos apresentar el principio
de los nuevos coeficientes dedesplazamiento comparaacutendolos con losanteriores Si el salto se juzga poco importante(prueba de paro de la iteracioacuten) se procede a unnuevo bucle calculando las nuevasintensidades que atraviesan cada aparato denuevo la potencia disipada
4983210 etapa salida de los resultados
Descripcioacuten de la configuracioacutenestudiada
Intensidad
Potencia disipadadentro de la envolvente
Coeficientes dedesplazamiento
Temperaturasiinteriores
10485731114109917501 Principio de funcionamiento de los programas
62 Descripcioacuten de los datos a suministrar y de los resultados obtenidos
Datos
tipo de envolvente ymaterial
iacutendice de proteccioacuten
temperatura ambiente alrededor de laenvolvente
nuacutemero de filas de dispositivos
denominacioacuten de los aparatos que permitensu localizacioacuten en el fichero
configuracioacuten del tablero y posicioacuten de los
dispositivos
Resultados
eleccioacuten de un juego de barras horizontal yvertical (seccioacuten) e intensidad en estas barras
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potencia teacutermica total disipada en el tablero
coeficiente de desplazamiento para cadadispositivo debido a las intensidades circulantes
eventualmente la temperatura alcanzada por
las barras y su nivel en las diferentes zonas deltablero
63 Configuraciones modelizadas
Es bien sabido que en un programa como elque se indica no pueden considerarse todas lasconfiguraciones de instalacioacuten imaginablesSolamente se consideran las maacutes comunes esdecir las que permiten responder al 90 de loscasos deseados Un ejemplo en la figura 18
Configuracioacuten 1 Configuracioacuten 2 Configuracioacuten 3sin aparato de entrada aparato de entrada
en posicioacuten altaaparato de entradaen posicioacuten baja
10485731114109917501 Configuraciones modelizadas
64 Resultados
Este progreso en el caacutelculo informaacutetico demodelos es especialmente interesante porquepermite efectuar los diversos estudios
Estudio detallado de una configuracioacutendeterminada para optimizar la posicioacuten de undispositivo o la eleccioacuten de un juego de barrasconocer la potencia disipada por el conjuntopara dimensionar una climatizacioacuten adaptada
El ejemplo siguiente se ha efectuado con unacolumna de un cuadro industrial de potenciacompartimentado forma 2 conteniendo
un juego de barras horizontal alimentando un
aparato de entrada y la columna adyacente un aparato de entrada de 2500 A diferentes interruptores automaacuteticos de caja
moldeada
El programa nos facilita entre otros los coeficientes de desplazamiento Kdesp las intensidades que circulan por cadaaparato Ir
Advertencia sobre el coeficiente Kdiv
Este coeficiente nos permite tener en cuenta elcoeficiente de diversidad o de esponjamientoderivacioacuten por derivacioacuten
Es decir los niveles de funcionamiento en uninstante dado de los diferentes aparatos
Por ejemplo en un instante dado 2derivaciones son solicitadas al maacuteximo y lasotras hasta el 05 de sus posibilidadesafectando al sistema teacutermico del conjunto
Los resultados se presentan en la hoja decaacutelculo de la figura 19
Tabla de desplazamiento para unaconfiguracioacuten dada
Esta posibilidad de utilizacioacuten del programasemejante a la utilizacioacuten anterior permite reunirpara una configuracioacuten frecuente losdesplazamientos de los diferentes dispositivosteniendo en cuenta su posicioacuten real en el
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tablero las secciones de los conductoresutilizados los iacutendices de proteccioacuten y de latemperatura ambiente exterior
En la figura 20 se puede ver un ejemplo de uncuadro industrial de potencia con los datosdetallados de los dispositivos instalados en columna
Tabla de desplazamiento para un tipo dedispositivo
Para la mayor parte de interruptoresautomaacuteticos de caja moldeada eldesplazamiento es relativamente independientede la configuracioacuten
Masterbloc MB200 IP = 31
Tabla con aparato de llegada en posicioacuten alta alimentada con JdB horizontal
Referencia Posicioacuten Kdespl Kdiv Ia(A) Or(A)
M25H 1 12 88 1 2200 2200
NS630ST 17 21 93 1 586 518
NS630ST 22 26 96 1 605 534
NS400ST 27 31 1 1 400 353
NS400ST 32 36 1 1 400 353
NS250D250 37 40 1 1 250 221
NS250D250 41 44 1 1 250 221
Juego de barras horizontal
intensidad 2200 A
M 25
NS 630
NS 630
NS 400
NS 400
NS 250
NS 250
seccioacuten 1 4 barras de 100 5
Juego de barras vertical
intensidad 2200 A Temperatura JdB horizontal 95oC
seccioacuten 1 4 barras de 80 5Temperatura JdB vericalTemperatura ambiente
104oC35oC
Temperatura del techo 70oCPotencia total disipada 1953 W Temperatura JdB horizontal 75oCdetalle en dispositivos 593 W Temperatura aparellaje alto 68oC bajo 35oC
en auxiliares 0 W Temperatura auxiliar alto 52oC bajo 35oC juegos de barras + derivaciones 1271 W Temperatura JdB + derivaciones alto 77oC bajo 35oC juego de barras horizontal 89 W Temperatura conexiones alto 58oC bajo 35oC
10485731114109917501 Resultados del caacutelculo para una configuracioacuten determinada
IP31
Tdeg amb 35 40 45 50 55
M25 09 087 084 081 079M16 097 094 091 088 086M08 1 1 1 1 1
IP 4254
Tdeg amb 35 40 45 50 55
M25 079 077 075 073 071M16 087 085 083 081 079M08 1 1 1 1 1
3b 1005
3b 1005
2b 805
2b 805
1b 635
1b 635
3b 1005
4 b
8 0 5
1 b 8
0 5
M 252500 A
M 161600 A
M 08800 A
hueco
x
x
x
10485731114109917501 Desplazamiento de los interruptores automaacuteticos descritos en funcioacuten de la temperatura ambiente
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Los coeficientes de desplazamiento seestablecen por exceso situando los dispositivos enlo alto del tablero o del compartimento
Ver a tiacutetulo de ejemplo la figura 21
Curvas caracteriacutesticas del comportamientoteacutermico de un tipo de envolvente
Se establecen dos tipos graacuteficos
un conjunto de curvas que permitendeterminar la temperatura media en el interiorde una envolvente determinada en funcioacuten de lapotencia disipada y de la temperatura ambienteexterior
En la figura 22 se indican estas curvas para untablero de distribucioacuten no compartimentado
unas curvas que permiten determinar lapotencia que estas envolventes pueden disiparpara un calentamiento definido en funcioacuten desus caracteriacutesticas dimensionales
Ejemplo temperatura ambiente exterior 35 oCcalentamiento maacuteximo admisible ∆Ta = 30 oC
1048573 tablero altura 2 m anchura 09 mprofundidad 04 m
potencia disipable 850 W
1048573 tablero altura 2 m anchura 09 mprofundidad 06 m
potencia disipable 1000 W seguacuten curvas de lafigura 23
IP 31 IP 4254
Tdeg amb 35 40 45 50 55 35 40 45 50 55
NS100 100 100 100 100 95 100 95 90 85 80
NS160 160 155 150 145 140 150 140 135 125 120
NS250 235 225 220 210 200 205 195 180 170 165
NS400 380 370 360 350 340 350 340 330 320 310
NS630 540 520 510 500 485 485 475 465 450 440
10485731114109917501 Ejemplo de intensidades de corriente (en A) de disparo de interruptores automaacuteticos Compact NS
instalados dentro de una envolvente de BT determinada
Temperaturamedia en oC
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Tamb 60oC
Tamb 55oC
Tamb 50o
CTamb 45oCTamb 40oCTamb 35oC
Tamb 25oC
Dimensiones de
la envolventealto 2 mancho 09 mprofundo 04 m
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Potencia disipada en vatios
10485731114109917501 Temperatura media del aire en el interior de un armario de distribucioacuten metaacutelico IP2 y de forma 1
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Envolvente de 400 mmde profundidad
Potencia disipadaen vatios
1600
1400 T = 40oC
1200
1000 T = 30oC
800
T = 20oC600
400T = 10oC
200
800 900 1000 1100
Anchura en mm
Envolvente de 600 mmde profundidad
Potencia disipadaen vatios
1600 T = 40o
C
1400T = 30oC
1200
1000
T = 20oC1000
600
400 T = 10oC
200
800 900 1000 1100
Anchura en mm
10485731114109917501 Potencia disipable por calentamiento en una envolvente dada en funcioacuten de su anchura Curvas que se
refieren a un gabinete metaacutelico de formas 1 de 2 metros de altura
65 Resultados experimentales
Se han efectuado ensayos de calentamiento enel laboratorio Ampegravere de ASEFA con diversostipos de envolventes cofrets de plancha oplaacutestico armarios Prisma tableros de
distribucioacuten MasterblocDurante estos ensayos se han medido
temperaturas
1048573del aire en diferentes zonas de la envolvente
1048573de los conductores juego de barras yderivaciones
1048573de los puntos calientes de los dispositivos(bimetal ambiente electroacutenico)
intensidades
paraacutemetros que intervienen en lamodelizacioacuten en particular los coeficientes deintercambio aireparedes
Estas mediciones han permitido por una parte
verificar la conformidad a la norma IIEC 604311 deciertos valores (liacutemites de calentamientomencionados en el capiacutetulo 12 sobre lasnormas) y por otra parte para validar el modelo
En lo referente a las temperaturas del aire ladiferencia entre los valores medidos ycalculados depende del tipo de envolventemodelizada ya que al nivel de la modelizacioacuten
los supuestos difieren seguacuten que se considerelas envolventes compartimentadas o no
Sobre el conjunto de ensayos efectuados encuadros de diferentes formas(compartimentados o no) las diferenciasmaacuteximas constatadas han sido siempreinferiores a 6983226C
Las temperaturas calculadas para los juegos debarras muestran tambieacuten una concordancia conlas mediciones y han permitido validar elprograma informaacutetico
En referencia a las intensidades lasdesviaciones en valor medio son inferiores al5 En una homologacioacuten reciente de unaconfiguracioacuten de cuadro Masterbloc encalentamiento el programa ha permitido preverel nivel de funcionamiento del cuadro
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7 Meacutetodo propuesto por el documento IEC 60890
No hace mucho tiempo atras los gabinetes eleacutectricos
se escogiacutean equipaban y llenaban en funcioacutende la experiencia tambieacuten en lo que se refierea la tasa de llenado y a la variacioacuten de latemperatura en el tablero durante elfuncionamiento
Por ejemplo Temperatura exterior maacutexima
30983226C y 60983226C en el interior (los fabricantes de
aparamenta dan de margen hasta los 60983226C)
Esta praacutectica conduciacutea o a una pobre utilizacioacuten
del material o a actuaciones intempestivas de
las protecciones tenieacutendose la necesidad de
trabajar con las puertas abiertas
El meacutetodo propuesto por la recomendacioacuten
IEC aunque no se trate de una norma sino de
una guiacutea es de un intereacutes evidente Se
presenta detalladamente en el anexo de la
norma NFC 63410 o en la recomendacioacuten de la
IEC Ndeg 60890
Debemos de recordar los fundamentosmostrando los liacutemites y comparando con elmeacutetodo presentado en este Cuaderno Teacutecnico
En principio este meacutetodo se aplica aenvolventes a las que se puedan aplicar lassiguientes hipoacutetesis
reparto uniforme de la potencia disipada
el equipamiento se dispone de manera que no sedificulte la circulacioacuten de aire
no maacutes de 3 separaciones horizontales
Datos necesarios
dimensiones de la envolvente
potencia disipada en el interior (equipamiento
conductores)
tipo de instalacioacuten (envolvente aislada osituado en un extremo) (figura 24)
Caacutelculo
la temperatura se calcula uacutenicamente en 2
puntos de la envolvente
a media altura
T05 = Ta + ∆T050804siendo ∆T05 = dk Pw
d es un coeficiente que tiene en cuenta laexistencia de separaciones horizontales
1048573Si Ae lt 125 m2 d =1 (definicioacuten de Ae queveremos inmediatamente)
Si Ae gt 125 m2
Factor de repartode temperatura c165
116 2
3155 4
515
145
14
135
13
125
12
115
11
105
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Factor fCurvaTipo de instalacioacuten
1 Tapas separadas quitadas por todos los lados 3 Tapas separadas en montaje mural 2 Primera o uacuteltima tapa quitada
3 Tapa central quitada
5 Tapa central en montaje mural 4 Tapa central en montaje mural y con la parte
superior abierta
10485731114109917501 Factor de distribucioacuten de temperatura c para
envolventes sin orificios de ventilacioacuten y con una
superficie efectiva de enfriamiento A gt 125 m2 e
Valor de la superficie efectiva Constantede refrigeracioacuten Ae en m 2 de envolvente k
0 4
038
1 036
03415 032
2 03
028
3
25
026
4 024
5 022
6 0278 018
10 016
12 01414
01201
008
100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650
Seccion de los orificios de entrada de aire en cm2
10485731114109917501 Constante de la envolvente k para una
envolvente con orificio de ventilacioacuten y una superficie
efectiva de enfriamiento A gt 125 m2 e
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d = 1 con o sin orificios de ventilacioacuten sin
ninguna separacioacuten
d = 105 con o sin orificios de ventilacioacuten para
1 de separacioacuten
d = 115 oacute 110 con orificios de ventilacioacuten para 2 separaciones
d = 130 oacute 115 con orificios de ventilacioacuten para
3 separaciones
k es una constante que caracteriza laenvolvente su valor se determina con aacutebacos(figura 25) y es funcioacuten de la superficie deintercambio de la envolvente Ae (m2)
Ae = Σ Aob oacute Ao es la superficie geomeacutetrica delas diferentes paredes de la envolvente
b es una constante que tiene en cuenta el tipode instalacioacuten
Valores de b
1048573parte superior abierta b = 14
1048573
parte superior cubierta b = 071048573paredes laterales abiertas b = 09
1048573paredes laterales tapadas b = 05
1048573paredes laterales deenvolventes centrales b = 05
1048573parte inferior b = 0
Pw potencia disipada en Watt en la partealta de la envolvente
T1 = Ta + ∆T1
siendo ∆T1 = c ∆T05 o ∆T05 representa elcalentamiento precedente
c es una constante de calentamientodeterminada a partir de aacutebacos
Por ejemplo en el aacutebaco de la figura 24 c es
funcioacuten de Ae y de uno de los factores f o g
f = h135
(L P) si Ae gt 125 m2
g = h135L si Ae lt 125 m2
Liacutemites
Los liacutemites esenciales de este meacutetodo son
que se aplica bien a las envolventes nocompartimentadas de tipo gabinete y no a los
tableros de potencia muy compartimentados
que no tiene en cuenta la posicioacuten de lasfuentes de calor que la mayor parte de vecesno estaacuten repartidas de forma uniforme
Comparacioacuten con nuestra aproximacioacuten
Se constata que las aproximaciones danresultados similares para los tableros no
compartimentados y con fuentes de calorrepartidas (figura 26)
En lo que se refiere a las envolventes muycerradas la localizacioacuten de las fuentes de calory los intercambios entre las diferentes zonasinfluyen mucho en el calentamiento
Temperatura en oC
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Temperatura calculada seguacuten la norma
Temperatura calculada con el programa de MG
Temperatura del aire ambiente 35 oC
Dimensiones de la envolvente
alto 2 m
ancho 09 m
profundo 04 m
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
Potenciadisipada en Watt
Fig 26 Temperatura del aire a media altura en un tablero metaacutelico de distribucioacuten IP2 y de la forma 1
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8 Conclusioacuten
La importancia de los tableros eleacutectricos en la
distribucioacuten no hay que demostrarla
En cuanto a la disponibilidad de la energiacutea
eleacutectrica y de la seguridad de funcionamiento resulta indiscutible que el control teacutermico de los
tableros eleacutectricos es un objetivo fundamental
Las normas que se refieren a las envolventes ya los productos determinan los liacutemites teacutermicosque no hay que sobrepasar
Les queda a los profesionales convertirse enlaquoarquitectos teacutermicosraquo del disentildeo de lasenvolventes y tableros eleacutectricos hoy es ya
cosa hecha incluso para los tableros de serie
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5 Comportamiento de las fuentes de calor Caracteriacutesticas
Las fuentes de calor consideradas en lamodelizacioacuten son los juegos de barras losconductores de interconexioacuten y los aparatoseleacutectricos
Referente a estos uacuteltimos los consideramoscomo laquolas cajas negrasraquo disipando caloriacuteas y
51 Los juegos de barras
Los juegos de barras se calculan de forma queverifiquen dos condiciones poder soportar el paso de la corrientenominal necesaria sin provocar uncalentamiento de las barras que pueda provocarun deterioro de los aislantes que soportan lasbarras Por ejemplo las barras pueden estardimensionadas de forma que no superen enreacutegimen permanente una temperatura de110983226C valor este que es enteramentedependiente de la naturaleza de los materialesaislantes en contacto con las barras porejemplo los soportes La tabla de la figura 13da para una temperatura ambiente de 50983226C y65983226C unos valores de temperatura para los
juegos de barras poder soportar una corriente de cortocircuitosin provocar deformaciones notables en lasbarras rotura de los soportes aislantes ocalentamiento excesivo
no como nudos de la modelizacioacuten Es decirque no se calcula su temperatura defuncionamiento sino la intensidad maacutexima quepueden soportar para una configuracioacuten deinstalacioacuten determinada con el fin de no exceder
su temperatura liacutemite de utilizacioacuten
La segunda condicioacuten corresponde a unproblema de esfuerzos electrodinaacutemicos ypuede estudiarse separadamente aunque laprimera necesita conocer el nivel defuncionamiento del conjunto
En particular hay que tener en cuenta latemperatura del aire que envuelve las barraspara dimensionarlas de forma precisa y evitarque sobrepasen una temperatura criacutetica que esfuncioacuten principalmente de la naturaleza delmaterial utilizado para los soportes
Asiacute conociendo la temperatura del aire en lasdiferentes zonas del tablero podemosdeterminar la temperatura delas barras en funcioacuten de sus caracteriacutesticas(dimensiones forma disposicioacuten) y validar eldimensionamiento
Importante En referencia a los caacutelculos de flujoteacutermico se considera que las barras disipan elcalor principalmente por conveccioacuten y radiacioacutenal aire interno
Temperatura Seccioacuten Intensidad Potencia Temperaturaaprox de las barras disipada (A) de las barras (W) (oC)
50 1 barra 100 x 5 1000 45 79
50 1 barra 100 x 5 1500 107 109
50 3 barras 100 x 5 1500 10 65
50 3 barras 100 x 5 3400 61 110
65 1 barra 100 x 5 1000 45 92
65 3 barras 100 x 5 1500 11 80
10485731114109917501 Valores teacutermicos relativos a un juego de barras de una longitud de 1 m situados en un ambiente dado
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1114109
1114109
52 Los Dispositivos
En los tableros de distribucioacuten eleacutectrica los
interruptores automaacuteticos constituyen el nuacutecleoprincipal de los dispositivos de potencia Ellos ylos demaacutes componentes como por ejemplo loscontactores disipan
Examinemos con maacutes detalle los interruptores
automaacuteticos frente a los problemas teacutermicos La potencia disipada es proporcional alcuadrado de la intensidad que los recorre
2sus caloriacuteas cuando son recorridos por la IPW PNcorriente eleacutectrica In
La tabla de la figura 14 nos facilita a tiacutetuloindicativo algunos valores de potencia disipadapor fase (por polo)
Interruptores automaacuteticosPotencia medida con watiacutemetro y no calculada a partirde la medida de la resistencia
In (A) 250 400 630 800
Pw - versioacuten fija 141 19 40 416
con In en 197 30 52 58versioacuten desenchufable
Contactores
I
n (A) 265 400 630 780Pw con In 22 45 48 60
10485731114109917501 Potencia disipada por polo a In en la
aparamenta claacutesica
Electroacutenico
Desplazamientovoluntario
compensado
Bimetal simple
donde PN representa la potencia disipada a laintensidad nominal de empleo In
La intensidad nominal de empleo (In) de uninterruptor automaacutetico corresponde a unatemperatura ambiente determinada por ejemplo40oC fijada por la norma de construccioacuten Dehecho para ciertos interruptores automaacuteticos latemperatura ambiente correspondiente a Inpuede alcanzar e incluso sobrepasar los 50ordmC dato
que debe dar una seguridad por ejemplo enlos paiacuteses caacutelidos
la intensidad de funcionamiento (Ith o Ithe)puede variar en funcioacuten de la temperaturaambiente y seguacuten el tipo de releacute teacutermico simpleteacutermico compensado electroacutenico (figura 15) loque puede permitir definir una corriente maacuteximade empleo diferente de In
Los paraacutemetros que intervienen en ladeterminacioacuten de desplazamiento portemperatura tienen en cuenta ademaacutes de latemperatura del aire alrededor del dispositivo (T i)
la temperatura liacutemite (TL) de los
componentes internos del interruptorautomaacutetico
1048573 temperatura maacutexima de funcionamiento delbimetal para un interruptor automaacutetico con releacutetermomagneacutetico
1048573 temperatura de los componenteselectroacutenicos para interruptores automaacuteticos conreleacute electroacutenico incorporado
1048573 la temperatura no debe transmitirse a losmateriales plaacutesticos los maacutes sensibles en uninterruptor automaacutetico con electroacutenicaintercambiable (releacute exteriorinterruptor abierto)Estas temperaturas liacutemite estaacuten comprendiasentre 100 y 150oC
la razoacuten entre la Ir del releacute y la corriente realde disparo cuando eacuteste estaacute a la temperatura
Bimetal
T TN
TN temperatura nominal de funcionamiento
T L temperatura liacutemite de funcionamiento
de definicioacuten de In K1Ir (figura 16)In
T ambiente
L
las secciones de los cables o las barras deconexioacuten que juegan un papel de radiador Suinfluencia se toma en cuenta para un coeficiente10485731114109917501 Curvas de desplazamiento tipo de los releacutes enK2funcioacuten de la temperatura
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1114109
Importante Debe tenerse en cuenta que laseccioacuten de los conductores utilizados esraramente igual a la que se emplea para losensayos de certificacioacuten de los interruptoresautomaacuteticos
El desplazamiento que tiene en cuenta estosdiversos criterios puede expresarsematemaacuteticamente
Foacutermula de desplazamiento
El interruptor automaacutetico y sus conductores deconexioacuten disipan esencialmente por conveccioacuten
Aparece por ello la relacioacuten
W1 = h S (TL - Ti)
siendo
W1 potencia disipada en W para un aparatoconectado dentro de una envolvente con unvolumen de aire a la temperatura T i
h = coeficiente de intercambio en Wm2 983226C
S superficie de intercambio en m2TL temperatura del punto caliente en 983226C (porejemplo el bimetal)
Ti temperatura del aire interno alrededor delaparato en 983226C
h = Cste S (TL - Ti)α
de donde W1 = Cste S (TL - Ti)1+α
Cuando el aparato se halla al aire libre a 40983226Cse tiene una relacioacuten similar
W2 = Cste S (TL - 40)1+α
de donde
1
1 L i W T
T
W T
402
L
Ademaacutes se sabe que1 = RIthe
2 y que W2 = RIr 2
W TL -T
y por tanto Ithe 1114109Ir
i
TL - 40
siendo Ithe la intensidad que recorre el aparato
Id = K1 x In y β = (1 + α)2
β coeficiente que caracteriza el tipo de dispositivoSe determina experimentalmente o por unanaacutelisis maacutes fino del comportamiento teacutermicodel elemento Su valor estaacute comprendido entre02 y 07
Relacioacuten final integrando ademaacutes el efecto
de las secciones (coeficiente K2)
TL
T iI 1114109
I K K
the n 1 2 TL
40
Los datos que corresponden alcomportamiento del interruptor automaacutetico y queintervienen en esta foacutermula estaacuten en losficheros que utiliza el programa informaacutetico alcalcular las temperaturas en el interior deltablero
tteacutermico
magneacutetico
curvaliacutemitedel cable
CR
LR
t
curvaliacutemitedel cable
retardocorto
retardolargo
Ir Irm Icu I Ir Irm Iins Icu I
ILR ICRIr = ajuste del releacute teacutermicoIrm = ajuste del releacute magneacutetico
zona
zona de
zona desobre-Icu = poder de corte uacuteltimo normal cortocircuitoscarga
10485731114109917501 Curvas de disparo de un interruptor automaacutetico
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6 Meacutetodo de caacutelculo de la temperatura en las envolventes
La modelizacioacuten presentada hasta ahora debeservir de base al desarrollo de nuestro meacutetodode caacutelculo que debe permitirnos determinar elfuncionamiento real del tablero (intensidadmaacutexima en cada derivacioacuten) y con ello utilizarel conjunto al maacuteximo con una seguridadgarantizada
61 Principio
El programa se desarrolla con dos bucles deiteraciones imbricadas con el fin de determinarel nivel permanente El primero concierne a laresolucioacuten del problema teacutermico el otro a loscoeficientes de desplazamiento
El esquema de caacutelculo se presenta en la figura17
1983210 etapa descripcioacuten de la configuracioacuten esdecir tipo de envolvente utilizado nuacutemero dedispositivos y su posicioacuten relativa A este nivel elprograma utiliza el fichero de aparatos pararecuperar los datos descritos con anterioridad
2983210 etapa descomposicioacuten de la envolvente ensus voluacutemenes isotermos (nudos de lamodelizacioacuten nodal)
3983210 etapa inicio de los nuacutecleos de iteracioacuten concaacutelculo
de la potencia disipada (en la primeraiteracioacuten los coeficientes de desplazamiento setoman igual a 1)
de los coeficientes de la matriz de admitanciaa partir de las ecuaciones de balance
de las temperaturas internas (resolucioacuten delproblema teacutermico)
Como acostumbra a suceder en teacutermica lasnumerosas relaciones entre paraacutemetrosprecisan de una definicioacuten iterativa con laelaboracioacuten de un programa del que vamos apresentar el principio
de los nuevos coeficientes dedesplazamiento comparaacutendolos con losanteriores Si el salto se juzga poco importante(prueba de paro de la iteracioacuten) se procede a unnuevo bucle calculando las nuevasintensidades que atraviesan cada aparato denuevo la potencia disipada
4983210 etapa salida de los resultados
Descripcioacuten de la configuracioacutenestudiada
Intensidad
Potencia disipadadentro de la envolvente
Coeficientes dedesplazamiento
Temperaturasiinteriores
10485731114109917501 Principio de funcionamiento de los programas
62 Descripcioacuten de los datos a suministrar y de los resultados obtenidos
Datos
tipo de envolvente ymaterial
iacutendice de proteccioacuten
temperatura ambiente alrededor de laenvolvente
nuacutemero de filas de dispositivos
denominacioacuten de los aparatos que permitensu localizacioacuten en el fichero
configuracioacuten del tablero y posicioacuten de los
dispositivos
Resultados
eleccioacuten de un juego de barras horizontal yvertical (seccioacuten) e intensidad en estas barras
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potencia teacutermica total disipada en el tablero
coeficiente de desplazamiento para cadadispositivo debido a las intensidades circulantes
eventualmente la temperatura alcanzada por
las barras y su nivel en las diferentes zonas deltablero
63 Configuraciones modelizadas
Es bien sabido que en un programa como elque se indica no pueden considerarse todas lasconfiguraciones de instalacioacuten imaginablesSolamente se consideran las maacutes comunes esdecir las que permiten responder al 90 de loscasos deseados Un ejemplo en la figura 18
Configuracioacuten 1 Configuracioacuten 2 Configuracioacuten 3sin aparato de entrada aparato de entrada
en posicioacuten altaaparato de entradaen posicioacuten baja
10485731114109917501 Configuraciones modelizadas
64 Resultados
Este progreso en el caacutelculo informaacutetico demodelos es especialmente interesante porquepermite efectuar los diversos estudios
Estudio detallado de una configuracioacutendeterminada para optimizar la posicioacuten de undispositivo o la eleccioacuten de un juego de barrasconocer la potencia disipada por el conjuntopara dimensionar una climatizacioacuten adaptada
El ejemplo siguiente se ha efectuado con unacolumna de un cuadro industrial de potenciacompartimentado forma 2 conteniendo
un juego de barras horizontal alimentando un
aparato de entrada y la columna adyacente un aparato de entrada de 2500 A diferentes interruptores automaacuteticos de caja
moldeada
El programa nos facilita entre otros los coeficientes de desplazamiento Kdesp las intensidades que circulan por cadaaparato Ir
Advertencia sobre el coeficiente Kdiv
Este coeficiente nos permite tener en cuenta elcoeficiente de diversidad o de esponjamientoderivacioacuten por derivacioacuten
Es decir los niveles de funcionamiento en uninstante dado de los diferentes aparatos
Por ejemplo en un instante dado 2derivaciones son solicitadas al maacuteximo y lasotras hasta el 05 de sus posibilidadesafectando al sistema teacutermico del conjunto
Los resultados se presentan en la hoja decaacutelculo de la figura 19
Tabla de desplazamiento para unaconfiguracioacuten dada
Esta posibilidad de utilizacioacuten del programasemejante a la utilizacioacuten anterior permite reunirpara una configuracioacuten frecuente losdesplazamientos de los diferentes dispositivosteniendo en cuenta su posicioacuten real en el
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tablero las secciones de los conductoresutilizados los iacutendices de proteccioacuten y de latemperatura ambiente exterior
En la figura 20 se puede ver un ejemplo de uncuadro industrial de potencia con los datosdetallados de los dispositivos instalados en columna
Tabla de desplazamiento para un tipo dedispositivo
Para la mayor parte de interruptoresautomaacuteticos de caja moldeada eldesplazamiento es relativamente independientede la configuracioacuten
Masterbloc MB200 IP = 31
Tabla con aparato de llegada en posicioacuten alta alimentada con JdB horizontal
Referencia Posicioacuten Kdespl Kdiv Ia(A) Or(A)
M25H 1 12 88 1 2200 2200
NS630ST 17 21 93 1 586 518
NS630ST 22 26 96 1 605 534
NS400ST 27 31 1 1 400 353
NS400ST 32 36 1 1 400 353
NS250D250 37 40 1 1 250 221
NS250D250 41 44 1 1 250 221
Juego de barras horizontal
intensidad 2200 A
M 25
NS 630
NS 630
NS 400
NS 400
NS 250
NS 250
seccioacuten 1 4 barras de 100 5
Juego de barras vertical
intensidad 2200 A Temperatura JdB horizontal 95oC
seccioacuten 1 4 barras de 80 5Temperatura JdB vericalTemperatura ambiente
104oC35oC
Temperatura del techo 70oCPotencia total disipada 1953 W Temperatura JdB horizontal 75oCdetalle en dispositivos 593 W Temperatura aparellaje alto 68oC bajo 35oC
en auxiliares 0 W Temperatura auxiliar alto 52oC bajo 35oC juegos de barras + derivaciones 1271 W Temperatura JdB + derivaciones alto 77oC bajo 35oC juego de barras horizontal 89 W Temperatura conexiones alto 58oC bajo 35oC
10485731114109917501 Resultados del caacutelculo para una configuracioacuten determinada
IP31
Tdeg amb 35 40 45 50 55
M25 09 087 084 081 079M16 097 094 091 088 086M08 1 1 1 1 1
IP 4254
Tdeg amb 35 40 45 50 55
M25 079 077 075 073 071M16 087 085 083 081 079M08 1 1 1 1 1
3b 1005
3b 1005
2b 805
2b 805
1b 635
1b 635
3b 1005
4 b
8 0 5
1 b 8
0 5
M 252500 A
M 161600 A
M 08800 A
hueco
x
x
x
10485731114109917501 Desplazamiento de los interruptores automaacuteticos descritos en funcioacuten de la temperatura ambiente
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Los coeficientes de desplazamiento seestablecen por exceso situando los dispositivos enlo alto del tablero o del compartimento
Ver a tiacutetulo de ejemplo la figura 21
Curvas caracteriacutesticas del comportamientoteacutermico de un tipo de envolvente
Se establecen dos tipos graacuteficos
un conjunto de curvas que permitendeterminar la temperatura media en el interiorde una envolvente determinada en funcioacuten de lapotencia disipada y de la temperatura ambienteexterior
En la figura 22 se indican estas curvas para untablero de distribucioacuten no compartimentado
unas curvas que permiten determinar lapotencia que estas envolventes pueden disiparpara un calentamiento definido en funcioacuten desus caracteriacutesticas dimensionales
Ejemplo temperatura ambiente exterior 35 oCcalentamiento maacuteximo admisible ∆Ta = 30 oC
1048573 tablero altura 2 m anchura 09 mprofundidad 04 m
potencia disipable 850 W
1048573 tablero altura 2 m anchura 09 mprofundidad 06 m
potencia disipable 1000 W seguacuten curvas de lafigura 23
IP 31 IP 4254
Tdeg amb 35 40 45 50 55 35 40 45 50 55
NS100 100 100 100 100 95 100 95 90 85 80
NS160 160 155 150 145 140 150 140 135 125 120
NS250 235 225 220 210 200 205 195 180 170 165
NS400 380 370 360 350 340 350 340 330 320 310
NS630 540 520 510 500 485 485 475 465 450 440
10485731114109917501 Ejemplo de intensidades de corriente (en A) de disparo de interruptores automaacuteticos Compact NS
instalados dentro de una envolvente de BT determinada
Temperaturamedia en oC
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Tamb 60oC
Tamb 55oC
Tamb 50o
CTamb 45oCTamb 40oCTamb 35oC
Tamb 25oC
Dimensiones de
la envolventealto 2 mancho 09 mprofundo 04 m
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Potencia disipada en vatios
10485731114109917501 Temperatura media del aire en el interior de un armario de distribucioacuten metaacutelico IP2 y de forma 1
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Envolvente de 400 mmde profundidad
Potencia disipadaen vatios
1600
1400 T = 40oC
1200
1000 T = 30oC
800
T = 20oC600
400T = 10oC
200
800 900 1000 1100
Anchura en mm
Envolvente de 600 mmde profundidad
Potencia disipadaen vatios
1600 T = 40o
C
1400T = 30oC
1200
1000
T = 20oC1000
600
400 T = 10oC
200
800 900 1000 1100
Anchura en mm
10485731114109917501 Potencia disipable por calentamiento en una envolvente dada en funcioacuten de su anchura Curvas que se
refieren a un gabinete metaacutelico de formas 1 de 2 metros de altura
65 Resultados experimentales
Se han efectuado ensayos de calentamiento enel laboratorio Ampegravere de ASEFA con diversostipos de envolventes cofrets de plancha oplaacutestico armarios Prisma tableros de
distribucioacuten MasterblocDurante estos ensayos se han medido
temperaturas
1048573del aire en diferentes zonas de la envolvente
1048573de los conductores juego de barras yderivaciones
1048573de los puntos calientes de los dispositivos(bimetal ambiente electroacutenico)
intensidades
paraacutemetros que intervienen en lamodelizacioacuten en particular los coeficientes deintercambio aireparedes
Estas mediciones han permitido por una parte
verificar la conformidad a la norma IIEC 604311 deciertos valores (liacutemites de calentamientomencionados en el capiacutetulo 12 sobre lasnormas) y por otra parte para validar el modelo
En lo referente a las temperaturas del aire ladiferencia entre los valores medidos ycalculados depende del tipo de envolventemodelizada ya que al nivel de la modelizacioacuten
los supuestos difieren seguacuten que se considerelas envolventes compartimentadas o no
Sobre el conjunto de ensayos efectuados encuadros de diferentes formas(compartimentados o no) las diferenciasmaacuteximas constatadas han sido siempreinferiores a 6983226C
Las temperaturas calculadas para los juegos debarras muestran tambieacuten una concordancia conlas mediciones y han permitido validar elprograma informaacutetico
En referencia a las intensidades lasdesviaciones en valor medio son inferiores al5 En una homologacioacuten reciente de unaconfiguracioacuten de cuadro Masterbloc encalentamiento el programa ha permitido preverel nivel de funcionamiento del cuadro
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7 Meacutetodo propuesto por el documento IEC 60890
No hace mucho tiempo atras los gabinetes eleacutectricos
se escogiacutean equipaban y llenaban en funcioacutende la experiencia tambieacuten en lo que se refierea la tasa de llenado y a la variacioacuten de latemperatura en el tablero durante elfuncionamiento
Por ejemplo Temperatura exterior maacutexima
30983226C y 60983226C en el interior (los fabricantes de
aparamenta dan de margen hasta los 60983226C)
Esta praacutectica conduciacutea o a una pobre utilizacioacuten
del material o a actuaciones intempestivas de
las protecciones tenieacutendose la necesidad de
trabajar con las puertas abiertas
El meacutetodo propuesto por la recomendacioacuten
IEC aunque no se trate de una norma sino de
una guiacutea es de un intereacutes evidente Se
presenta detalladamente en el anexo de la
norma NFC 63410 o en la recomendacioacuten de la
IEC Ndeg 60890
Debemos de recordar los fundamentosmostrando los liacutemites y comparando con elmeacutetodo presentado en este Cuaderno Teacutecnico
En principio este meacutetodo se aplica aenvolventes a las que se puedan aplicar lassiguientes hipoacutetesis
reparto uniforme de la potencia disipada
el equipamiento se dispone de manera que no sedificulte la circulacioacuten de aire
no maacutes de 3 separaciones horizontales
Datos necesarios
dimensiones de la envolvente
potencia disipada en el interior (equipamiento
conductores)
tipo de instalacioacuten (envolvente aislada osituado en un extremo) (figura 24)
Caacutelculo
la temperatura se calcula uacutenicamente en 2
puntos de la envolvente
a media altura
T05 = Ta + ∆T050804siendo ∆T05 = dk Pw
d es un coeficiente que tiene en cuenta laexistencia de separaciones horizontales
1048573Si Ae lt 125 m2 d =1 (definicioacuten de Ae queveremos inmediatamente)
Si Ae gt 125 m2
Factor de repartode temperatura c165
116 2
3155 4
515
145
14
135
13
125
12
115
11
105
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Factor fCurvaTipo de instalacioacuten
1 Tapas separadas quitadas por todos los lados 3 Tapas separadas en montaje mural 2 Primera o uacuteltima tapa quitada
3 Tapa central quitada
5 Tapa central en montaje mural 4 Tapa central en montaje mural y con la parte
superior abierta
10485731114109917501 Factor de distribucioacuten de temperatura c para
envolventes sin orificios de ventilacioacuten y con una
superficie efectiva de enfriamiento A gt 125 m2 e
Valor de la superficie efectiva Constantede refrigeracioacuten Ae en m 2 de envolvente k
0 4
038
1 036
03415 032
2 03
028
3
25
026
4 024
5 022
6 0278 018
10 016
12 01414
01201
008
100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650
Seccion de los orificios de entrada de aire en cm2
10485731114109917501 Constante de la envolvente k para una
envolvente con orificio de ventilacioacuten y una superficie
efectiva de enfriamiento A gt 125 m2 e
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d = 1 con o sin orificios de ventilacioacuten sin
ninguna separacioacuten
d = 105 con o sin orificios de ventilacioacuten para
1 de separacioacuten
d = 115 oacute 110 con orificios de ventilacioacuten para 2 separaciones
d = 130 oacute 115 con orificios de ventilacioacuten para
3 separaciones
k es una constante que caracteriza laenvolvente su valor se determina con aacutebacos(figura 25) y es funcioacuten de la superficie deintercambio de la envolvente Ae (m2)
Ae = Σ Aob oacute Ao es la superficie geomeacutetrica delas diferentes paredes de la envolvente
b es una constante que tiene en cuenta el tipode instalacioacuten
Valores de b
1048573parte superior abierta b = 14
1048573
parte superior cubierta b = 071048573paredes laterales abiertas b = 09
1048573paredes laterales tapadas b = 05
1048573paredes laterales deenvolventes centrales b = 05
1048573parte inferior b = 0
Pw potencia disipada en Watt en la partealta de la envolvente
T1 = Ta + ∆T1
siendo ∆T1 = c ∆T05 o ∆T05 representa elcalentamiento precedente
c es una constante de calentamientodeterminada a partir de aacutebacos
Por ejemplo en el aacutebaco de la figura 24 c es
funcioacuten de Ae y de uno de los factores f o g
f = h135
(L P) si Ae gt 125 m2
g = h135L si Ae lt 125 m2
Liacutemites
Los liacutemites esenciales de este meacutetodo son
que se aplica bien a las envolventes nocompartimentadas de tipo gabinete y no a los
tableros de potencia muy compartimentados
que no tiene en cuenta la posicioacuten de lasfuentes de calor que la mayor parte de vecesno estaacuten repartidas de forma uniforme
Comparacioacuten con nuestra aproximacioacuten
Se constata que las aproximaciones danresultados similares para los tableros no
compartimentados y con fuentes de calorrepartidas (figura 26)
En lo que se refiere a las envolventes muycerradas la localizacioacuten de las fuentes de calory los intercambios entre las diferentes zonasinfluyen mucho en el calentamiento
Temperatura en oC
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Temperatura calculada seguacuten la norma
Temperatura calculada con el programa de MG
Temperatura del aire ambiente 35 oC
Dimensiones de la envolvente
alto 2 m
ancho 09 m
profundo 04 m
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
Potenciadisipada en Watt
Fig 26 Temperatura del aire a media altura en un tablero metaacutelico de distribucioacuten IP2 y de la forma 1
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8 Conclusioacuten
La importancia de los tableros eleacutectricos en la
distribucioacuten no hay que demostrarla
En cuanto a la disponibilidad de la energiacutea
eleacutectrica y de la seguridad de funcionamiento resulta indiscutible que el control teacutermico de los
tableros eleacutectricos es un objetivo fundamental
Las normas que se refieren a las envolventes ya los productos determinan los liacutemites teacutermicosque no hay que sobrepasar
Les queda a los profesionales convertirse enlaquoarquitectos teacutermicosraquo del disentildeo de lasenvolventes y tableros eleacutectricos hoy es ya
cosa hecha incluso para los tableros de serie
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52 Los Dispositivos
En los tableros de distribucioacuten eleacutectrica los
interruptores automaacuteticos constituyen el nuacutecleoprincipal de los dispositivos de potencia Ellos ylos demaacutes componentes como por ejemplo loscontactores disipan
Examinemos con maacutes detalle los interruptores
automaacuteticos frente a los problemas teacutermicos La potencia disipada es proporcional alcuadrado de la intensidad que los recorre
2sus caloriacuteas cuando son recorridos por la IPW PNcorriente eleacutectrica In
La tabla de la figura 14 nos facilita a tiacutetuloindicativo algunos valores de potencia disipadapor fase (por polo)
Interruptores automaacuteticosPotencia medida con watiacutemetro y no calculada a partirde la medida de la resistencia
In (A) 250 400 630 800
Pw - versioacuten fija 141 19 40 416
con In en 197 30 52 58versioacuten desenchufable
Contactores
I
n (A) 265 400 630 780Pw con In 22 45 48 60
10485731114109917501 Potencia disipada por polo a In en la
aparamenta claacutesica
Electroacutenico
Desplazamientovoluntario
compensado
Bimetal simple
donde PN representa la potencia disipada a laintensidad nominal de empleo In
La intensidad nominal de empleo (In) de uninterruptor automaacutetico corresponde a unatemperatura ambiente determinada por ejemplo40oC fijada por la norma de construccioacuten Dehecho para ciertos interruptores automaacuteticos latemperatura ambiente correspondiente a Inpuede alcanzar e incluso sobrepasar los 50ordmC dato
que debe dar una seguridad por ejemplo enlos paiacuteses caacutelidos
la intensidad de funcionamiento (Ith o Ithe)puede variar en funcioacuten de la temperaturaambiente y seguacuten el tipo de releacute teacutermico simpleteacutermico compensado electroacutenico (figura 15) loque puede permitir definir una corriente maacuteximade empleo diferente de In
Los paraacutemetros que intervienen en ladeterminacioacuten de desplazamiento portemperatura tienen en cuenta ademaacutes de latemperatura del aire alrededor del dispositivo (T i)
la temperatura liacutemite (TL) de los
componentes internos del interruptorautomaacutetico
1048573 temperatura maacutexima de funcionamiento delbimetal para un interruptor automaacutetico con releacutetermomagneacutetico
1048573 temperatura de los componenteselectroacutenicos para interruptores automaacuteticos conreleacute electroacutenico incorporado
1048573 la temperatura no debe transmitirse a losmateriales plaacutesticos los maacutes sensibles en uninterruptor automaacutetico con electroacutenicaintercambiable (releacute exteriorinterruptor abierto)Estas temperaturas liacutemite estaacuten comprendiasentre 100 y 150oC
la razoacuten entre la Ir del releacute y la corriente realde disparo cuando eacuteste estaacute a la temperatura
Bimetal
T TN
TN temperatura nominal de funcionamiento
T L temperatura liacutemite de funcionamiento
de definicioacuten de In K1Ir (figura 16)In
T ambiente
L
las secciones de los cables o las barras deconexioacuten que juegan un papel de radiador Suinfluencia se toma en cuenta para un coeficiente10485731114109917501 Curvas de desplazamiento tipo de los releacutes enK2funcioacuten de la temperatura
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1114109
Importante Debe tenerse en cuenta que laseccioacuten de los conductores utilizados esraramente igual a la que se emplea para losensayos de certificacioacuten de los interruptoresautomaacuteticos
El desplazamiento que tiene en cuenta estosdiversos criterios puede expresarsematemaacuteticamente
Foacutermula de desplazamiento
El interruptor automaacutetico y sus conductores deconexioacuten disipan esencialmente por conveccioacuten
Aparece por ello la relacioacuten
W1 = h S (TL - Ti)
siendo
W1 potencia disipada en W para un aparatoconectado dentro de una envolvente con unvolumen de aire a la temperatura T i
h = coeficiente de intercambio en Wm2 983226C
S superficie de intercambio en m2TL temperatura del punto caliente en 983226C (porejemplo el bimetal)
Ti temperatura del aire interno alrededor delaparato en 983226C
h = Cste S (TL - Ti)α
de donde W1 = Cste S (TL - Ti)1+α
Cuando el aparato se halla al aire libre a 40983226Cse tiene una relacioacuten similar
W2 = Cste S (TL - 40)1+α
de donde
1
1 L i W T
T
W T
402
L
Ademaacutes se sabe que1 = RIthe
2 y que W2 = RIr 2
W TL -T
y por tanto Ithe 1114109Ir
i
TL - 40
siendo Ithe la intensidad que recorre el aparato
Id = K1 x In y β = (1 + α)2
β coeficiente que caracteriza el tipo de dispositivoSe determina experimentalmente o por unanaacutelisis maacutes fino del comportamiento teacutermicodel elemento Su valor estaacute comprendido entre02 y 07
Relacioacuten final integrando ademaacutes el efecto
de las secciones (coeficiente K2)
TL
T iI 1114109
I K K
the n 1 2 TL
40
Los datos que corresponden alcomportamiento del interruptor automaacutetico y queintervienen en esta foacutermula estaacuten en losficheros que utiliza el programa informaacutetico alcalcular las temperaturas en el interior deltablero
tteacutermico
magneacutetico
curvaliacutemitedel cable
CR
LR
t
curvaliacutemitedel cable
retardocorto
retardolargo
Ir Irm Icu I Ir Irm Iins Icu I
ILR ICRIr = ajuste del releacute teacutermicoIrm = ajuste del releacute magneacutetico
zona
zona de
zona desobre-Icu = poder de corte uacuteltimo normal cortocircuitoscarga
10485731114109917501 Curvas de disparo de un interruptor automaacutetico
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6 Meacutetodo de caacutelculo de la temperatura en las envolventes
La modelizacioacuten presentada hasta ahora debeservir de base al desarrollo de nuestro meacutetodode caacutelculo que debe permitirnos determinar elfuncionamiento real del tablero (intensidadmaacutexima en cada derivacioacuten) y con ello utilizarel conjunto al maacuteximo con una seguridadgarantizada
61 Principio
El programa se desarrolla con dos bucles deiteraciones imbricadas con el fin de determinarel nivel permanente El primero concierne a laresolucioacuten del problema teacutermico el otro a loscoeficientes de desplazamiento
El esquema de caacutelculo se presenta en la figura17
1983210 etapa descripcioacuten de la configuracioacuten esdecir tipo de envolvente utilizado nuacutemero dedispositivos y su posicioacuten relativa A este nivel elprograma utiliza el fichero de aparatos pararecuperar los datos descritos con anterioridad
2983210 etapa descomposicioacuten de la envolvente ensus voluacutemenes isotermos (nudos de lamodelizacioacuten nodal)
3983210 etapa inicio de los nuacutecleos de iteracioacuten concaacutelculo
de la potencia disipada (en la primeraiteracioacuten los coeficientes de desplazamiento setoman igual a 1)
de los coeficientes de la matriz de admitanciaa partir de las ecuaciones de balance
de las temperaturas internas (resolucioacuten delproblema teacutermico)
Como acostumbra a suceder en teacutermica lasnumerosas relaciones entre paraacutemetrosprecisan de una definicioacuten iterativa con laelaboracioacuten de un programa del que vamos apresentar el principio
de los nuevos coeficientes dedesplazamiento comparaacutendolos con losanteriores Si el salto se juzga poco importante(prueba de paro de la iteracioacuten) se procede a unnuevo bucle calculando las nuevasintensidades que atraviesan cada aparato denuevo la potencia disipada
4983210 etapa salida de los resultados
Descripcioacuten de la configuracioacutenestudiada
Intensidad
Potencia disipadadentro de la envolvente
Coeficientes dedesplazamiento
Temperaturasiinteriores
10485731114109917501 Principio de funcionamiento de los programas
62 Descripcioacuten de los datos a suministrar y de los resultados obtenidos
Datos
tipo de envolvente ymaterial
iacutendice de proteccioacuten
temperatura ambiente alrededor de laenvolvente
nuacutemero de filas de dispositivos
denominacioacuten de los aparatos que permitensu localizacioacuten en el fichero
configuracioacuten del tablero y posicioacuten de los
dispositivos
Resultados
eleccioacuten de un juego de barras horizontal yvertical (seccioacuten) e intensidad en estas barras
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potencia teacutermica total disipada en el tablero
coeficiente de desplazamiento para cadadispositivo debido a las intensidades circulantes
eventualmente la temperatura alcanzada por
las barras y su nivel en las diferentes zonas deltablero
63 Configuraciones modelizadas
Es bien sabido que en un programa como elque se indica no pueden considerarse todas lasconfiguraciones de instalacioacuten imaginablesSolamente se consideran las maacutes comunes esdecir las que permiten responder al 90 de loscasos deseados Un ejemplo en la figura 18
Configuracioacuten 1 Configuracioacuten 2 Configuracioacuten 3sin aparato de entrada aparato de entrada
en posicioacuten altaaparato de entradaen posicioacuten baja
10485731114109917501 Configuraciones modelizadas
64 Resultados
Este progreso en el caacutelculo informaacutetico demodelos es especialmente interesante porquepermite efectuar los diversos estudios
Estudio detallado de una configuracioacutendeterminada para optimizar la posicioacuten de undispositivo o la eleccioacuten de un juego de barrasconocer la potencia disipada por el conjuntopara dimensionar una climatizacioacuten adaptada
El ejemplo siguiente se ha efectuado con unacolumna de un cuadro industrial de potenciacompartimentado forma 2 conteniendo
un juego de barras horizontal alimentando un
aparato de entrada y la columna adyacente un aparato de entrada de 2500 A diferentes interruptores automaacuteticos de caja
moldeada
El programa nos facilita entre otros los coeficientes de desplazamiento Kdesp las intensidades que circulan por cadaaparato Ir
Advertencia sobre el coeficiente Kdiv
Este coeficiente nos permite tener en cuenta elcoeficiente de diversidad o de esponjamientoderivacioacuten por derivacioacuten
Es decir los niveles de funcionamiento en uninstante dado de los diferentes aparatos
Por ejemplo en un instante dado 2derivaciones son solicitadas al maacuteximo y lasotras hasta el 05 de sus posibilidadesafectando al sistema teacutermico del conjunto
Los resultados se presentan en la hoja decaacutelculo de la figura 19
Tabla de desplazamiento para unaconfiguracioacuten dada
Esta posibilidad de utilizacioacuten del programasemejante a la utilizacioacuten anterior permite reunirpara una configuracioacuten frecuente losdesplazamientos de los diferentes dispositivosteniendo en cuenta su posicioacuten real en el
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tablero las secciones de los conductoresutilizados los iacutendices de proteccioacuten y de latemperatura ambiente exterior
En la figura 20 se puede ver un ejemplo de uncuadro industrial de potencia con los datosdetallados de los dispositivos instalados en columna
Tabla de desplazamiento para un tipo dedispositivo
Para la mayor parte de interruptoresautomaacuteticos de caja moldeada eldesplazamiento es relativamente independientede la configuracioacuten
Masterbloc MB200 IP = 31
Tabla con aparato de llegada en posicioacuten alta alimentada con JdB horizontal
Referencia Posicioacuten Kdespl Kdiv Ia(A) Or(A)
M25H 1 12 88 1 2200 2200
NS630ST 17 21 93 1 586 518
NS630ST 22 26 96 1 605 534
NS400ST 27 31 1 1 400 353
NS400ST 32 36 1 1 400 353
NS250D250 37 40 1 1 250 221
NS250D250 41 44 1 1 250 221
Juego de barras horizontal
intensidad 2200 A
M 25
NS 630
NS 630
NS 400
NS 400
NS 250
NS 250
seccioacuten 1 4 barras de 100 5
Juego de barras vertical
intensidad 2200 A Temperatura JdB horizontal 95oC
seccioacuten 1 4 barras de 80 5Temperatura JdB vericalTemperatura ambiente
104oC35oC
Temperatura del techo 70oCPotencia total disipada 1953 W Temperatura JdB horizontal 75oCdetalle en dispositivos 593 W Temperatura aparellaje alto 68oC bajo 35oC
en auxiliares 0 W Temperatura auxiliar alto 52oC bajo 35oC juegos de barras + derivaciones 1271 W Temperatura JdB + derivaciones alto 77oC bajo 35oC juego de barras horizontal 89 W Temperatura conexiones alto 58oC bajo 35oC
10485731114109917501 Resultados del caacutelculo para una configuracioacuten determinada
IP31
Tdeg amb 35 40 45 50 55
M25 09 087 084 081 079M16 097 094 091 088 086M08 1 1 1 1 1
IP 4254
Tdeg amb 35 40 45 50 55
M25 079 077 075 073 071M16 087 085 083 081 079M08 1 1 1 1 1
3b 1005
3b 1005
2b 805
2b 805
1b 635
1b 635
3b 1005
4 b
8 0 5
1 b 8
0 5
M 252500 A
M 161600 A
M 08800 A
hueco
x
x
x
10485731114109917501 Desplazamiento de los interruptores automaacuteticos descritos en funcioacuten de la temperatura ambiente
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Los coeficientes de desplazamiento seestablecen por exceso situando los dispositivos enlo alto del tablero o del compartimento
Ver a tiacutetulo de ejemplo la figura 21
Curvas caracteriacutesticas del comportamientoteacutermico de un tipo de envolvente
Se establecen dos tipos graacuteficos
un conjunto de curvas que permitendeterminar la temperatura media en el interiorde una envolvente determinada en funcioacuten de lapotencia disipada y de la temperatura ambienteexterior
En la figura 22 se indican estas curvas para untablero de distribucioacuten no compartimentado
unas curvas que permiten determinar lapotencia que estas envolventes pueden disiparpara un calentamiento definido en funcioacuten desus caracteriacutesticas dimensionales
Ejemplo temperatura ambiente exterior 35 oCcalentamiento maacuteximo admisible ∆Ta = 30 oC
1048573 tablero altura 2 m anchura 09 mprofundidad 04 m
potencia disipable 850 W
1048573 tablero altura 2 m anchura 09 mprofundidad 06 m
potencia disipable 1000 W seguacuten curvas de lafigura 23
IP 31 IP 4254
Tdeg amb 35 40 45 50 55 35 40 45 50 55
NS100 100 100 100 100 95 100 95 90 85 80
NS160 160 155 150 145 140 150 140 135 125 120
NS250 235 225 220 210 200 205 195 180 170 165
NS400 380 370 360 350 340 350 340 330 320 310
NS630 540 520 510 500 485 485 475 465 450 440
10485731114109917501 Ejemplo de intensidades de corriente (en A) de disparo de interruptores automaacuteticos Compact NS
instalados dentro de una envolvente de BT determinada
Temperaturamedia en oC
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Tamb 60oC
Tamb 55oC
Tamb 50o
CTamb 45oCTamb 40oCTamb 35oC
Tamb 25oC
Dimensiones de
la envolventealto 2 mancho 09 mprofundo 04 m
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Potencia disipada en vatios
10485731114109917501 Temperatura media del aire en el interior de un armario de distribucioacuten metaacutelico IP2 y de forma 1
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Envolvente de 400 mmde profundidad
Potencia disipadaen vatios
1600
1400 T = 40oC
1200
1000 T = 30oC
800
T = 20oC600
400T = 10oC
200
800 900 1000 1100
Anchura en mm
Envolvente de 600 mmde profundidad
Potencia disipadaen vatios
1600 T = 40o
C
1400T = 30oC
1200
1000
T = 20oC1000
600
400 T = 10oC
200
800 900 1000 1100
Anchura en mm
10485731114109917501 Potencia disipable por calentamiento en una envolvente dada en funcioacuten de su anchura Curvas que se
refieren a un gabinete metaacutelico de formas 1 de 2 metros de altura
65 Resultados experimentales
Se han efectuado ensayos de calentamiento enel laboratorio Ampegravere de ASEFA con diversostipos de envolventes cofrets de plancha oplaacutestico armarios Prisma tableros de
distribucioacuten MasterblocDurante estos ensayos se han medido
temperaturas
1048573del aire en diferentes zonas de la envolvente
1048573de los conductores juego de barras yderivaciones
1048573de los puntos calientes de los dispositivos(bimetal ambiente electroacutenico)
intensidades
paraacutemetros que intervienen en lamodelizacioacuten en particular los coeficientes deintercambio aireparedes
Estas mediciones han permitido por una parte
verificar la conformidad a la norma IIEC 604311 deciertos valores (liacutemites de calentamientomencionados en el capiacutetulo 12 sobre lasnormas) y por otra parte para validar el modelo
En lo referente a las temperaturas del aire ladiferencia entre los valores medidos ycalculados depende del tipo de envolventemodelizada ya que al nivel de la modelizacioacuten
los supuestos difieren seguacuten que se considerelas envolventes compartimentadas o no
Sobre el conjunto de ensayos efectuados encuadros de diferentes formas(compartimentados o no) las diferenciasmaacuteximas constatadas han sido siempreinferiores a 6983226C
Las temperaturas calculadas para los juegos debarras muestran tambieacuten una concordancia conlas mediciones y han permitido validar elprograma informaacutetico
En referencia a las intensidades lasdesviaciones en valor medio son inferiores al5 En una homologacioacuten reciente de unaconfiguracioacuten de cuadro Masterbloc encalentamiento el programa ha permitido preverel nivel de funcionamiento del cuadro
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7 Meacutetodo propuesto por el documento IEC 60890
No hace mucho tiempo atras los gabinetes eleacutectricos
se escogiacutean equipaban y llenaban en funcioacutende la experiencia tambieacuten en lo que se refierea la tasa de llenado y a la variacioacuten de latemperatura en el tablero durante elfuncionamiento
Por ejemplo Temperatura exterior maacutexima
30983226C y 60983226C en el interior (los fabricantes de
aparamenta dan de margen hasta los 60983226C)
Esta praacutectica conduciacutea o a una pobre utilizacioacuten
del material o a actuaciones intempestivas de
las protecciones tenieacutendose la necesidad de
trabajar con las puertas abiertas
El meacutetodo propuesto por la recomendacioacuten
IEC aunque no se trate de una norma sino de
una guiacutea es de un intereacutes evidente Se
presenta detalladamente en el anexo de la
norma NFC 63410 o en la recomendacioacuten de la
IEC Ndeg 60890
Debemos de recordar los fundamentosmostrando los liacutemites y comparando con elmeacutetodo presentado en este Cuaderno Teacutecnico
En principio este meacutetodo se aplica aenvolventes a las que se puedan aplicar lassiguientes hipoacutetesis
reparto uniforme de la potencia disipada
el equipamiento se dispone de manera que no sedificulte la circulacioacuten de aire
no maacutes de 3 separaciones horizontales
Datos necesarios
dimensiones de la envolvente
potencia disipada en el interior (equipamiento
conductores)
tipo de instalacioacuten (envolvente aislada osituado en un extremo) (figura 24)
Caacutelculo
la temperatura se calcula uacutenicamente en 2
puntos de la envolvente
a media altura
T05 = Ta + ∆T050804siendo ∆T05 = dk Pw
d es un coeficiente que tiene en cuenta laexistencia de separaciones horizontales
1048573Si Ae lt 125 m2 d =1 (definicioacuten de Ae queveremos inmediatamente)
Si Ae gt 125 m2
Factor de repartode temperatura c165
116 2
3155 4
515
145
14
135
13
125
12
115
11
105
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Factor fCurvaTipo de instalacioacuten
1 Tapas separadas quitadas por todos los lados 3 Tapas separadas en montaje mural 2 Primera o uacuteltima tapa quitada
3 Tapa central quitada
5 Tapa central en montaje mural 4 Tapa central en montaje mural y con la parte
superior abierta
10485731114109917501 Factor de distribucioacuten de temperatura c para
envolventes sin orificios de ventilacioacuten y con una
superficie efectiva de enfriamiento A gt 125 m2 e
Valor de la superficie efectiva Constantede refrigeracioacuten Ae en m 2 de envolvente k
0 4
038
1 036
03415 032
2 03
028
3
25
026
4 024
5 022
6 0278 018
10 016
12 01414
01201
008
100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650
Seccion de los orificios de entrada de aire en cm2
10485731114109917501 Constante de la envolvente k para una
envolvente con orificio de ventilacioacuten y una superficie
efectiva de enfriamiento A gt 125 m2 e
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d = 1 con o sin orificios de ventilacioacuten sin
ninguna separacioacuten
d = 105 con o sin orificios de ventilacioacuten para
1 de separacioacuten
d = 115 oacute 110 con orificios de ventilacioacuten para 2 separaciones
d = 130 oacute 115 con orificios de ventilacioacuten para
3 separaciones
k es una constante que caracteriza laenvolvente su valor se determina con aacutebacos(figura 25) y es funcioacuten de la superficie deintercambio de la envolvente Ae (m2)
Ae = Σ Aob oacute Ao es la superficie geomeacutetrica delas diferentes paredes de la envolvente
b es una constante que tiene en cuenta el tipode instalacioacuten
Valores de b
1048573parte superior abierta b = 14
1048573
parte superior cubierta b = 071048573paredes laterales abiertas b = 09
1048573paredes laterales tapadas b = 05
1048573paredes laterales deenvolventes centrales b = 05
1048573parte inferior b = 0
Pw potencia disipada en Watt en la partealta de la envolvente
T1 = Ta + ∆T1
siendo ∆T1 = c ∆T05 o ∆T05 representa elcalentamiento precedente
c es una constante de calentamientodeterminada a partir de aacutebacos
Por ejemplo en el aacutebaco de la figura 24 c es
funcioacuten de Ae y de uno de los factores f o g
f = h135
(L P) si Ae gt 125 m2
g = h135L si Ae lt 125 m2
Liacutemites
Los liacutemites esenciales de este meacutetodo son
que se aplica bien a las envolventes nocompartimentadas de tipo gabinete y no a los
tableros de potencia muy compartimentados
que no tiene en cuenta la posicioacuten de lasfuentes de calor que la mayor parte de vecesno estaacuten repartidas de forma uniforme
Comparacioacuten con nuestra aproximacioacuten
Se constata que las aproximaciones danresultados similares para los tableros no
compartimentados y con fuentes de calorrepartidas (figura 26)
En lo que se refiere a las envolventes muycerradas la localizacioacuten de las fuentes de calory los intercambios entre las diferentes zonasinfluyen mucho en el calentamiento
Temperatura en oC
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Temperatura calculada seguacuten la norma
Temperatura calculada con el programa de MG
Temperatura del aire ambiente 35 oC
Dimensiones de la envolvente
alto 2 m
ancho 09 m
profundo 04 m
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
Potenciadisipada en Watt
Fig 26 Temperatura del aire a media altura en un tablero metaacutelico de distribucioacuten IP2 y de la forma 1
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8 Conclusioacuten
La importancia de los tableros eleacutectricos en la
distribucioacuten no hay que demostrarla
En cuanto a la disponibilidad de la energiacutea
eleacutectrica y de la seguridad de funcionamiento resulta indiscutible que el control teacutermico de los
tableros eleacutectricos es un objetivo fundamental
Las normas que se refieren a las envolventes ya los productos determinan los liacutemites teacutermicosque no hay que sobrepasar
Les queda a los profesionales convertirse enlaquoarquitectos teacutermicosraquo del disentildeo de lasenvolventes y tableros eleacutectricos hoy es ya
cosa hecha incluso para los tableros de serie
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Importante Debe tenerse en cuenta que laseccioacuten de los conductores utilizados esraramente igual a la que se emplea para losensayos de certificacioacuten de los interruptoresautomaacuteticos
El desplazamiento que tiene en cuenta estosdiversos criterios puede expresarsematemaacuteticamente
Foacutermula de desplazamiento
El interruptor automaacutetico y sus conductores deconexioacuten disipan esencialmente por conveccioacuten
Aparece por ello la relacioacuten
W1 = h S (TL - Ti)
siendo
W1 potencia disipada en W para un aparatoconectado dentro de una envolvente con unvolumen de aire a la temperatura T i
h = coeficiente de intercambio en Wm2 983226C
S superficie de intercambio en m2TL temperatura del punto caliente en 983226C (porejemplo el bimetal)
Ti temperatura del aire interno alrededor delaparato en 983226C
h = Cste S (TL - Ti)α
de donde W1 = Cste S (TL - Ti)1+α
Cuando el aparato se halla al aire libre a 40983226Cse tiene una relacioacuten similar
W2 = Cste S (TL - 40)1+α
de donde
1
1 L i W T
T
W T
402
L
Ademaacutes se sabe que1 = RIthe
2 y que W2 = RIr 2
W TL -T
y por tanto Ithe 1114109Ir
i
TL - 40
siendo Ithe la intensidad que recorre el aparato
Id = K1 x In y β = (1 + α)2
β coeficiente que caracteriza el tipo de dispositivoSe determina experimentalmente o por unanaacutelisis maacutes fino del comportamiento teacutermicodel elemento Su valor estaacute comprendido entre02 y 07
Relacioacuten final integrando ademaacutes el efecto
de las secciones (coeficiente K2)
TL
T iI 1114109
I K K
the n 1 2 TL
40
Los datos que corresponden alcomportamiento del interruptor automaacutetico y queintervienen en esta foacutermula estaacuten en losficheros que utiliza el programa informaacutetico alcalcular las temperaturas en el interior deltablero
tteacutermico
magneacutetico
curvaliacutemitedel cable
CR
LR
t
curvaliacutemitedel cable
retardocorto
retardolargo
Ir Irm Icu I Ir Irm Iins Icu I
ILR ICRIr = ajuste del releacute teacutermicoIrm = ajuste del releacute magneacutetico
zona
zona de
zona desobre-Icu = poder de corte uacuteltimo normal cortocircuitoscarga
10485731114109917501 Curvas de disparo de un interruptor automaacutetico
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6 Meacutetodo de caacutelculo de la temperatura en las envolventes
La modelizacioacuten presentada hasta ahora debeservir de base al desarrollo de nuestro meacutetodode caacutelculo que debe permitirnos determinar elfuncionamiento real del tablero (intensidadmaacutexima en cada derivacioacuten) y con ello utilizarel conjunto al maacuteximo con una seguridadgarantizada
61 Principio
El programa se desarrolla con dos bucles deiteraciones imbricadas con el fin de determinarel nivel permanente El primero concierne a laresolucioacuten del problema teacutermico el otro a loscoeficientes de desplazamiento
El esquema de caacutelculo se presenta en la figura17
1983210 etapa descripcioacuten de la configuracioacuten esdecir tipo de envolvente utilizado nuacutemero dedispositivos y su posicioacuten relativa A este nivel elprograma utiliza el fichero de aparatos pararecuperar los datos descritos con anterioridad
2983210 etapa descomposicioacuten de la envolvente ensus voluacutemenes isotermos (nudos de lamodelizacioacuten nodal)
3983210 etapa inicio de los nuacutecleos de iteracioacuten concaacutelculo
de la potencia disipada (en la primeraiteracioacuten los coeficientes de desplazamiento setoman igual a 1)
de los coeficientes de la matriz de admitanciaa partir de las ecuaciones de balance
de las temperaturas internas (resolucioacuten delproblema teacutermico)
Como acostumbra a suceder en teacutermica lasnumerosas relaciones entre paraacutemetrosprecisan de una definicioacuten iterativa con laelaboracioacuten de un programa del que vamos apresentar el principio
de los nuevos coeficientes dedesplazamiento comparaacutendolos con losanteriores Si el salto se juzga poco importante(prueba de paro de la iteracioacuten) se procede a unnuevo bucle calculando las nuevasintensidades que atraviesan cada aparato denuevo la potencia disipada
4983210 etapa salida de los resultados
Descripcioacuten de la configuracioacutenestudiada
Intensidad
Potencia disipadadentro de la envolvente
Coeficientes dedesplazamiento
Temperaturasiinteriores
10485731114109917501 Principio de funcionamiento de los programas
62 Descripcioacuten de los datos a suministrar y de los resultados obtenidos
Datos
tipo de envolvente ymaterial
iacutendice de proteccioacuten
temperatura ambiente alrededor de laenvolvente
nuacutemero de filas de dispositivos
denominacioacuten de los aparatos que permitensu localizacioacuten en el fichero
configuracioacuten del tablero y posicioacuten de los
dispositivos
Resultados
eleccioacuten de un juego de barras horizontal yvertical (seccioacuten) e intensidad en estas barras
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potencia teacutermica total disipada en el tablero
coeficiente de desplazamiento para cadadispositivo debido a las intensidades circulantes
eventualmente la temperatura alcanzada por
las barras y su nivel en las diferentes zonas deltablero
63 Configuraciones modelizadas
Es bien sabido que en un programa como elque se indica no pueden considerarse todas lasconfiguraciones de instalacioacuten imaginablesSolamente se consideran las maacutes comunes esdecir las que permiten responder al 90 de loscasos deseados Un ejemplo en la figura 18
Configuracioacuten 1 Configuracioacuten 2 Configuracioacuten 3sin aparato de entrada aparato de entrada
en posicioacuten altaaparato de entradaen posicioacuten baja
10485731114109917501 Configuraciones modelizadas
64 Resultados
Este progreso en el caacutelculo informaacutetico demodelos es especialmente interesante porquepermite efectuar los diversos estudios
Estudio detallado de una configuracioacutendeterminada para optimizar la posicioacuten de undispositivo o la eleccioacuten de un juego de barrasconocer la potencia disipada por el conjuntopara dimensionar una climatizacioacuten adaptada
El ejemplo siguiente se ha efectuado con unacolumna de un cuadro industrial de potenciacompartimentado forma 2 conteniendo
un juego de barras horizontal alimentando un
aparato de entrada y la columna adyacente un aparato de entrada de 2500 A diferentes interruptores automaacuteticos de caja
moldeada
El programa nos facilita entre otros los coeficientes de desplazamiento Kdesp las intensidades que circulan por cadaaparato Ir
Advertencia sobre el coeficiente Kdiv
Este coeficiente nos permite tener en cuenta elcoeficiente de diversidad o de esponjamientoderivacioacuten por derivacioacuten
Es decir los niveles de funcionamiento en uninstante dado de los diferentes aparatos
Por ejemplo en un instante dado 2derivaciones son solicitadas al maacuteximo y lasotras hasta el 05 de sus posibilidadesafectando al sistema teacutermico del conjunto
Los resultados se presentan en la hoja decaacutelculo de la figura 19
Tabla de desplazamiento para unaconfiguracioacuten dada
Esta posibilidad de utilizacioacuten del programasemejante a la utilizacioacuten anterior permite reunirpara una configuracioacuten frecuente losdesplazamientos de los diferentes dispositivosteniendo en cuenta su posicioacuten real en el
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tablero las secciones de los conductoresutilizados los iacutendices de proteccioacuten y de latemperatura ambiente exterior
En la figura 20 se puede ver un ejemplo de uncuadro industrial de potencia con los datosdetallados de los dispositivos instalados en columna
Tabla de desplazamiento para un tipo dedispositivo
Para la mayor parte de interruptoresautomaacuteticos de caja moldeada eldesplazamiento es relativamente independientede la configuracioacuten
Masterbloc MB200 IP = 31
Tabla con aparato de llegada en posicioacuten alta alimentada con JdB horizontal
Referencia Posicioacuten Kdespl Kdiv Ia(A) Or(A)
M25H 1 12 88 1 2200 2200
NS630ST 17 21 93 1 586 518
NS630ST 22 26 96 1 605 534
NS400ST 27 31 1 1 400 353
NS400ST 32 36 1 1 400 353
NS250D250 37 40 1 1 250 221
NS250D250 41 44 1 1 250 221
Juego de barras horizontal
intensidad 2200 A
M 25
NS 630
NS 630
NS 400
NS 400
NS 250
NS 250
seccioacuten 1 4 barras de 100 5
Juego de barras vertical
intensidad 2200 A Temperatura JdB horizontal 95oC
seccioacuten 1 4 barras de 80 5Temperatura JdB vericalTemperatura ambiente
104oC35oC
Temperatura del techo 70oCPotencia total disipada 1953 W Temperatura JdB horizontal 75oCdetalle en dispositivos 593 W Temperatura aparellaje alto 68oC bajo 35oC
en auxiliares 0 W Temperatura auxiliar alto 52oC bajo 35oC juegos de barras + derivaciones 1271 W Temperatura JdB + derivaciones alto 77oC bajo 35oC juego de barras horizontal 89 W Temperatura conexiones alto 58oC bajo 35oC
10485731114109917501 Resultados del caacutelculo para una configuracioacuten determinada
IP31
Tdeg amb 35 40 45 50 55
M25 09 087 084 081 079M16 097 094 091 088 086M08 1 1 1 1 1
IP 4254
Tdeg amb 35 40 45 50 55
M25 079 077 075 073 071M16 087 085 083 081 079M08 1 1 1 1 1
3b 1005
3b 1005
2b 805
2b 805
1b 635
1b 635
3b 1005
4 b
8 0 5
1 b 8
0 5
M 252500 A
M 161600 A
M 08800 A
hueco
x
x
x
10485731114109917501 Desplazamiento de los interruptores automaacuteticos descritos en funcioacuten de la temperatura ambiente
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Los coeficientes de desplazamiento seestablecen por exceso situando los dispositivos enlo alto del tablero o del compartimento
Ver a tiacutetulo de ejemplo la figura 21
Curvas caracteriacutesticas del comportamientoteacutermico de un tipo de envolvente
Se establecen dos tipos graacuteficos
un conjunto de curvas que permitendeterminar la temperatura media en el interiorde una envolvente determinada en funcioacuten de lapotencia disipada y de la temperatura ambienteexterior
En la figura 22 se indican estas curvas para untablero de distribucioacuten no compartimentado
unas curvas que permiten determinar lapotencia que estas envolventes pueden disiparpara un calentamiento definido en funcioacuten desus caracteriacutesticas dimensionales
Ejemplo temperatura ambiente exterior 35 oCcalentamiento maacuteximo admisible ∆Ta = 30 oC
1048573 tablero altura 2 m anchura 09 mprofundidad 04 m
potencia disipable 850 W
1048573 tablero altura 2 m anchura 09 mprofundidad 06 m
potencia disipable 1000 W seguacuten curvas de lafigura 23
IP 31 IP 4254
Tdeg amb 35 40 45 50 55 35 40 45 50 55
NS100 100 100 100 100 95 100 95 90 85 80
NS160 160 155 150 145 140 150 140 135 125 120
NS250 235 225 220 210 200 205 195 180 170 165
NS400 380 370 360 350 340 350 340 330 320 310
NS630 540 520 510 500 485 485 475 465 450 440
10485731114109917501 Ejemplo de intensidades de corriente (en A) de disparo de interruptores automaacuteticos Compact NS
instalados dentro de una envolvente de BT determinada
Temperaturamedia en oC
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Tamb 60oC
Tamb 55oC
Tamb 50o
CTamb 45oCTamb 40oCTamb 35oC
Tamb 25oC
Dimensiones de
la envolventealto 2 mancho 09 mprofundo 04 m
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Potencia disipada en vatios
10485731114109917501 Temperatura media del aire en el interior de un armario de distribucioacuten metaacutelico IP2 y de forma 1
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Envolvente de 400 mmde profundidad
Potencia disipadaen vatios
1600
1400 T = 40oC
1200
1000 T = 30oC
800
T = 20oC600
400T = 10oC
200
800 900 1000 1100
Anchura en mm
Envolvente de 600 mmde profundidad
Potencia disipadaen vatios
1600 T = 40o
C
1400T = 30oC
1200
1000
T = 20oC1000
600
400 T = 10oC
200
800 900 1000 1100
Anchura en mm
10485731114109917501 Potencia disipable por calentamiento en una envolvente dada en funcioacuten de su anchura Curvas que se
refieren a un gabinete metaacutelico de formas 1 de 2 metros de altura
65 Resultados experimentales
Se han efectuado ensayos de calentamiento enel laboratorio Ampegravere de ASEFA con diversostipos de envolventes cofrets de plancha oplaacutestico armarios Prisma tableros de
distribucioacuten MasterblocDurante estos ensayos se han medido
temperaturas
1048573del aire en diferentes zonas de la envolvente
1048573de los conductores juego de barras yderivaciones
1048573de los puntos calientes de los dispositivos(bimetal ambiente electroacutenico)
intensidades
paraacutemetros que intervienen en lamodelizacioacuten en particular los coeficientes deintercambio aireparedes
Estas mediciones han permitido por una parte
verificar la conformidad a la norma IIEC 604311 deciertos valores (liacutemites de calentamientomencionados en el capiacutetulo 12 sobre lasnormas) y por otra parte para validar el modelo
En lo referente a las temperaturas del aire ladiferencia entre los valores medidos ycalculados depende del tipo de envolventemodelizada ya que al nivel de la modelizacioacuten
los supuestos difieren seguacuten que se considerelas envolventes compartimentadas o no
Sobre el conjunto de ensayos efectuados encuadros de diferentes formas(compartimentados o no) las diferenciasmaacuteximas constatadas han sido siempreinferiores a 6983226C
Las temperaturas calculadas para los juegos debarras muestran tambieacuten una concordancia conlas mediciones y han permitido validar elprograma informaacutetico
En referencia a las intensidades lasdesviaciones en valor medio son inferiores al5 En una homologacioacuten reciente de unaconfiguracioacuten de cuadro Masterbloc encalentamiento el programa ha permitido preverel nivel de funcionamiento del cuadro
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7 Meacutetodo propuesto por el documento IEC 60890
No hace mucho tiempo atras los gabinetes eleacutectricos
se escogiacutean equipaban y llenaban en funcioacutende la experiencia tambieacuten en lo que se refierea la tasa de llenado y a la variacioacuten de latemperatura en el tablero durante elfuncionamiento
Por ejemplo Temperatura exterior maacutexima
30983226C y 60983226C en el interior (los fabricantes de
aparamenta dan de margen hasta los 60983226C)
Esta praacutectica conduciacutea o a una pobre utilizacioacuten
del material o a actuaciones intempestivas de
las protecciones tenieacutendose la necesidad de
trabajar con las puertas abiertas
El meacutetodo propuesto por la recomendacioacuten
IEC aunque no se trate de una norma sino de
una guiacutea es de un intereacutes evidente Se
presenta detalladamente en el anexo de la
norma NFC 63410 o en la recomendacioacuten de la
IEC Ndeg 60890
Debemos de recordar los fundamentosmostrando los liacutemites y comparando con elmeacutetodo presentado en este Cuaderno Teacutecnico
En principio este meacutetodo se aplica aenvolventes a las que se puedan aplicar lassiguientes hipoacutetesis
reparto uniforme de la potencia disipada
el equipamiento se dispone de manera que no sedificulte la circulacioacuten de aire
no maacutes de 3 separaciones horizontales
Datos necesarios
dimensiones de la envolvente
potencia disipada en el interior (equipamiento
conductores)
tipo de instalacioacuten (envolvente aislada osituado en un extremo) (figura 24)
Caacutelculo
la temperatura se calcula uacutenicamente en 2
puntos de la envolvente
a media altura
T05 = Ta + ∆T050804siendo ∆T05 = dk Pw
d es un coeficiente que tiene en cuenta laexistencia de separaciones horizontales
1048573Si Ae lt 125 m2 d =1 (definicioacuten de Ae queveremos inmediatamente)
Si Ae gt 125 m2
Factor de repartode temperatura c165
116 2
3155 4
515
145
14
135
13
125
12
115
11
105
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Factor fCurvaTipo de instalacioacuten
1 Tapas separadas quitadas por todos los lados 3 Tapas separadas en montaje mural 2 Primera o uacuteltima tapa quitada
3 Tapa central quitada
5 Tapa central en montaje mural 4 Tapa central en montaje mural y con la parte
superior abierta
10485731114109917501 Factor de distribucioacuten de temperatura c para
envolventes sin orificios de ventilacioacuten y con una
superficie efectiva de enfriamiento A gt 125 m2 e
Valor de la superficie efectiva Constantede refrigeracioacuten Ae en m 2 de envolvente k
0 4
038
1 036
03415 032
2 03
028
3
25
026
4 024
5 022
6 0278 018
10 016
12 01414
01201
008
100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650
Seccion de los orificios de entrada de aire en cm2
10485731114109917501 Constante de la envolvente k para una
envolvente con orificio de ventilacioacuten y una superficie
efectiva de enfriamiento A gt 125 m2 e
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d = 1 con o sin orificios de ventilacioacuten sin
ninguna separacioacuten
d = 105 con o sin orificios de ventilacioacuten para
1 de separacioacuten
d = 115 oacute 110 con orificios de ventilacioacuten para 2 separaciones
d = 130 oacute 115 con orificios de ventilacioacuten para
3 separaciones
k es una constante que caracteriza laenvolvente su valor se determina con aacutebacos(figura 25) y es funcioacuten de la superficie deintercambio de la envolvente Ae (m2)
Ae = Σ Aob oacute Ao es la superficie geomeacutetrica delas diferentes paredes de la envolvente
b es una constante que tiene en cuenta el tipode instalacioacuten
Valores de b
1048573parte superior abierta b = 14
1048573
parte superior cubierta b = 071048573paredes laterales abiertas b = 09
1048573paredes laterales tapadas b = 05
1048573paredes laterales deenvolventes centrales b = 05
1048573parte inferior b = 0
Pw potencia disipada en Watt en la partealta de la envolvente
T1 = Ta + ∆T1
siendo ∆T1 = c ∆T05 o ∆T05 representa elcalentamiento precedente
c es una constante de calentamientodeterminada a partir de aacutebacos
Por ejemplo en el aacutebaco de la figura 24 c es
funcioacuten de Ae y de uno de los factores f o g
f = h135
(L P) si Ae gt 125 m2
g = h135L si Ae lt 125 m2
Liacutemites
Los liacutemites esenciales de este meacutetodo son
que se aplica bien a las envolventes nocompartimentadas de tipo gabinete y no a los
tableros de potencia muy compartimentados
que no tiene en cuenta la posicioacuten de lasfuentes de calor que la mayor parte de vecesno estaacuten repartidas de forma uniforme
Comparacioacuten con nuestra aproximacioacuten
Se constata que las aproximaciones danresultados similares para los tableros no
compartimentados y con fuentes de calorrepartidas (figura 26)
En lo que se refiere a las envolventes muycerradas la localizacioacuten de las fuentes de calory los intercambios entre las diferentes zonasinfluyen mucho en el calentamiento
Temperatura en oC
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Temperatura calculada seguacuten la norma
Temperatura calculada con el programa de MG
Temperatura del aire ambiente 35 oC
Dimensiones de la envolvente
alto 2 m
ancho 09 m
profundo 04 m
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
Potenciadisipada en Watt
Fig 26 Temperatura del aire a media altura en un tablero metaacutelico de distribucioacuten IP2 y de la forma 1
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8 Conclusioacuten
La importancia de los tableros eleacutectricos en la
distribucioacuten no hay que demostrarla
En cuanto a la disponibilidad de la energiacutea
eleacutectrica y de la seguridad de funcionamiento resulta indiscutible que el control teacutermico de los
tableros eleacutectricos es un objetivo fundamental
Las normas que se refieren a las envolventes ya los productos determinan los liacutemites teacutermicosque no hay que sobrepasar
Les queda a los profesionales convertirse enlaquoarquitectos teacutermicosraquo del disentildeo de lasenvolventes y tableros eleacutectricos hoy es ya
cosa hecha incluso para los tableros de serie
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6 Meacutetodo de caacutelculo de la temperatura en las envolventes
La modelizacioacuten presentada hasta ahora debeservir de base al desarrollo de nuestro meacutetodode caacutelculo que debe permitirnos determinar elfuncionamiento real del tablero (intensidadmaacutexima en cada derivacioacuten) y con ello utilizarel conjunto al maacuteximo con una seguridadgarantizada
61 Principio
El programa se desarrolla con dos bucles deiteraciones imbricadas con el fin de determinarel nivel permanente El primero concierne a laresolucioacuten del problema teacutermico el otro a loscoeficientes de desplazamiento
El esquema de caacutelculo se presenta en la figura17
1983210 etapa descripcioacuten de la configuracioacuten esdecir tipo de envolvente utilizado nuacutemero dedispositivos y su posicioacuten relativa A este nivel elprograma utiliza el fichero de aparatos pararecuperar los datos descritos con anterioridad
2983210 etapa descomposicioacuten de la envolvente ensus voluacutemenes isotermos (nudos de lamodelizacioacuten nodal)
3983210 etapa inicio de los nuacutecleos de iteracioacuten concaacutelculo
de la potencia disipada (en la primeraiteracioacuten los coeficientes de desplazamiento setoman igual a 1)
de los coeficientes de la matriz de admitanciaa partir de las ecuaciones de balance
de las temperaturas internas (resolucioacuten delproblema teacutermico)
Como acostumbra a suceder en teacutermica lasnumerosas relaciones entre paraacutemetrosprecisan de una definicioacuten iterativa con laelaboracioacuten de un programa del que vamos apresentar el principio
de los nuevos coeficientes dedesplazamiento comparaacutendolos con losanteriores Si el salto se juzga poco importante(prueba de paro de la iteracioacuten) se procede a unnuevo bucle calculando las nuevasintensidades que atraviesan cada aparato denuevo la potencia disipada
4983210 etapa salida de los resultados
Descripcioacuten de la configuracioacutenestudiada
Intensidad
Potencia disipadadentro de la envolvente
Coeficientes dedesplazamiento
Temperaturasiinteriores
10485731114109917501 Principio de funcionamiento de los programas
62 Descripcioacuten de los datos a suministrar y de los resultados obtenidos
Datos
tipo de envolvente ymaterial
iacutendice de proteccioacuten
temperatura ambiente alrededor de laenvolvente
nuacutemero de filas de dispositivos
denominacioacuten de los aparatos que permitensu localizacioacuten en el fichero
configuracioacuten del tablero y posicioacuten de los
dispositivos
Resultados
eleccioacuten de un juego de barras horizontal yvertical (seccioacuten) e intensidad en estas barras
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potencia teacutermica total disipada en el tablero
coeficiente de desplazamiento para cadadispositivo debido a las intensidades circulantes
eventualmente la temperatura alcanzada por
las barras y su nivel en las diferentes zonas deltablero
63 Configuraciones modelizadas
Es bien sabido que en un programa como elque se indica no pueden considerarse todas lasconfiguraciones de instalacioacuten imaginablesSolamente se consideran las maacutes comunes esdecir las que permiten responder al 90 de loscasos deseados Un ejemplo en la figura 18
Configuracioacuten 1 Configuracioacuten 2 Configuracioacuten 3sin aparato de entrada aparato de entrada
en posicioacuten altaaparato de entradaen posicioacuten baja
10485731114109917501 Configuraciones modelizadas
64 Resultados
Este progreso en el caacutelculo informaacutetico demodelos es especialmente interesante porquepermite efectuar los diversos estudios
Estudio detallado de una configuracioacutendeterminada para optimizar la posicioacuten de undispositivo o la eleccioacuten de un juego de barrasconocer la potencia disipada por el conjuntopara dimensionar una climatizacioacuten adaptada
El ejemplo siguiente se ha efectuado con unacolumna de un cuadro industrial de potenciacompartimentado forma 2 conteniendo
un juego de barras horizontal alimentando un
aparato de entrada y la columna adyacente un aparato de entrada de 2500 A diferentes interruptores automaacuteticos de caja
moldeada
El programa nos facilita entre otros los coeficientes de desplazamiento Kdesp las intensidades que circulan por cadaaparato Ir
Advertencia sobre el coeficiente Kdiv
Este coeficiente nos permite tener en cuenta elcoeficiente de diversidad o de esponjamientoderivacioacuten por derivacioacuten
Es decir los niveles de funcionamiento en uninstante dado de los diferentes aparatos
Por ejemplo en un instante dado 2derivaciones son solicitadas al maacuteximo y lasotras hasta el 05 de sus posibilidadesafectando al sistema teacutermico del conjunto
Los resultados se presentan en la hoja decaacutelculo de la figura 19
Tabla de desplazamiento para unaconfiguracioacuten dada
Esta posibilidad de utilizacioacuten del programasemejante a la utilizacioacuten anterior permite reunirpara una configuracioacuten frecuente losdesplazamientos de los diferentes dispositivosteniendo en cuenta su posicioacuten real en el
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tablero las secciones de los conductoresutilizados los iacutendices de proteccioacuten y de latemperatura ambiente exterior
En la figura 20 se puede ver un ejemplo de uncuadro industrial de potencia con los datosdetallados de los dispositivos instalados en columna
Tabla de desplazamiento para un tipo dedispositivo
Para la mayor parte de interruptoresautomaacuteticos de caja moldeada eldesplazamiento es relativamente independientede la configuracioacuten
Masterbloc MB200 IP = 31
Tabla con aparato de llegada en posicioacuten alta alimentada con JdB horizontal
Referencia Posicioacuten Kdespl Kdiv Ia(A) Or(A)
M25H 1 12 88 1 2200 2200
NS630ST 17 21 93 1 586 518
NS630ST 22 26 96 1 605 534
NS400ST 27 31 1 1 400 353
NS400ST 32 36 1 1 400 353
NS250D250 37 40 1 1 250 221
NS250D250 41 44 1 1 250 221
Juego de barras horizontal
intensidad 2200 A
M 25
NS 630
NS 630
NS 400
NS 400
NS 250
NS 250
seccioacuten 1 4 barras de 100 5
Juego de barras vertical
intensidad 2200 A Temperatura JdB horizontal 95oC
seccioacuten 1 4 barras de 80 5Temperatura JdB vericalTemperatura ambiente
104oC35oC
Temperatura del techo 70oCPotencia total disipada 1953 W Temperatura JdB horizontal 75oCdetalle en dispositivos 593 W Temperatura aparellaje alto 68oC bajo 35oC
en auxiliares 0 W Temperatura auxiliar alto 52oC bajo 35oC juegos de barras + derivaciones 1271 W Temperatura JdB + derivaciones alto 77oC bajo 35oC juego de barras horizontal 89 W Temperatura conexiones alto 58oC bajo 35oC
10485731114109917501 Resultados del caacutelculo para una configuracioacuten determinada
IP31
Tdeg amb 35 40 45 50 55
M25 09 087 084 081 079M16 097 094 091 088 086M08 1 1 1 1 1
IP 4254
Tdeg amb 35 40 45 50 55
M25 079 077 075 073 071M16 087 085 083 081 079M08 1 1 1 1 1
3b 1005
3b 1005
2b 805
2b 805
1b 635
1b 635
3b 1005
4 b
8 0 5
1 b 8
0 5
M 252500 A
M 161600 A
M 08800 A
hueco
x
x
x
10485731114109917501 Desplazamiento de los interruptores automaacuteticos descritos en funcioacuten de la temperatura ambiente
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Los coeficientes de desplazamiento seestablecen por exceso situando los dispositivos enlo alto del tablero o del compartimento
Ver a tiacutetulo de ejemplo la figura 21
Curvas caracteriacutesticas del comportamientoteacutermico de un tipo de envolvente
Se establecen dos tipos graacuteficos
un conjunto de curvas que permitendeterminar la temperatura media en el interiorde una envolvente determinada en funcioacuten de lapotencia disipada y de la temperatura ambienteexterior
En la figura 22 se indican estas curvas para untablero de distribucioacuten no compartimentado
unas curvas que permiten determinar lapotencia que estas envolventes pueden disiparpara un calentamiento definido en funcioacuten desus caracteriacutesticas dimensionales
Ejemplo temperatura ambiente exterior 35 oCcalentamiento maacuteximo admisible ∆Ta = 30 oC
1048573 tablero altura 2 m anchura 09 mprofundidad 04 m
potencia disipable 850 W
1048573 tablero altura 2 m anchura 09 mprofundidad 06 m
potencia disipable 1000 W seguacuten curvas de lafigura 23
IP 31 IP 4254
Tdeg amb 35 40 45 50 55 35 40 45 50 55
NS100 100 100 100 100 95 100 95 90 85 80
NS160 160 155 150 145 140 150 140 135 125 120
NS250 235 225 220 210 200 205 195 180 170 165
NS400 380 370 360 350 340 350 340 330 320 310
NS630 540 520 510 500 485 485 475 465 450 440
10485731114109917501 Ejemplo de intensidades de corriente (en A) de disparo de interruptores automaacuteticos Compact NS
instalados dentro de una envolvente de BT determinada
Temperaturamedia en oC
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Tamb 60oC
Tamb 55oC
Tamb 50o
CTamb 45oCTamb 40oCTamb 35oC
Tamb 25oC
Dimensiones de
la envolventealto 2 mancho 09 mprofundo 04 m
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Potencia disipada en vatios
10485731114109917501 Temperatura media del aire en el interior de un armario de distribucioacuten metaacutelico IP2 y de forma 1
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Envolvente de 400 mmde profundidad
Potencia disipadaen vatios
1600
1400 T = 40oC
1200
1000 T = 30oC
800
T = 20oC600
400T = 10oC
200
800 900 1000 1100
Anchura en mm
Envolvente de 600 mmde profundidad
Potencia disipadaen vatios
1600 T = 40o
C
1400T = 30oC
1200
1000
T = 20oC1000
600
400 T = 10oC
200
800 900 1000 1100
Anchura en mm
10485731114109917501 Potencia disipable por calentamiento en una envolvente dada en funcioacuten de su anchura Curvas que se
refieren a un gabinete metaacutelico de formas 1 de 2 metros de altura
65 Resultados experimentales
Se han efectuado ensayos de calentamiento enel laboratorio Ampegravere de ASEFA con diversostipos de envolventes cofrets de plancha oplaacutestico armarios Prisma tableros de
distribucioacuten MasterblocDurante estos ensayos se han medido
temperaturas
1048573del aire en diferentes zonas de la envolvente
1048573de los conductores juego de barras yderivaciones
1048573de los puntos calientes de los dispositivos(bimetal ambiente electroacutenico)
intensidades
paraacutemetros que intervienen en lamodelizacioacuten en particular los coeficientes deintercambio aireparedes
Estas mediciones han permitido por una parte
verificar la conformidad a la norma IIEC 604311 deciertos valores (liacutemites de calentamientomencionados en el capiacutetulo 12 sobre lasnormas) y por otra parte para validar el modelo
En lo referente a las temperaturas del aire ladiferencia entre los valores medidos ycalculados depende del tipo de envolventemodelizada ya que al nivel de la modelizacioacuten
los supuestos difieren seguacuten que se considerelas envolventes compartimentadas o no
Sobre el conjunto de ensayos efectuados encuadros de diferentes formas(compartimentados o no) las diferenciasmaacuteximas constatadas han sido siempreinferiores a 6983226C
Las temperaturas calculadas para los juegos debarras muestran tambieacuten una concordancia conlas mediciones y han permitido validar elprograma informaacutetico
En referencia a las intensidades lasdesviaciones en valor medio son inferiores al5 En una homologacioacuten reciente de unaconfiguracioacuten de cuadro Masterbloc encalentamiento el programa ha permitido preverel nivel de funcionamiento del cuadro
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7 Meacutetodo propuesto por el documento IEC 60890
No hace mucho tiempo atras los gabinetes eleacutectricos
se escogiacutean equipaban y llenaban en funcioacutende la experiencia tambieacuten en lo que se refierea la tasa de llenado y a la variacioacuten de latemperatura en el tablero durante elfuncionamiento
Por ejemplo Temperatura exterior maacutexima
30983226C y 60983226C en el interior (los fabricantes de
aparamenta dan de margen hasta los 60983226C)
Esta praacutectica conduciacutea o a una pobre utilizacioacuten
del material o a actuaciones intempestivas de
las protecciones tenieacutendose la necesidad de
trabajar con las puertas abiertas
El meacutetodo propuesto por la recomendacioacuten
IEC aunque no se trate de una norma sino de
una guiacutea es de un intereacutes evidente Se
presenta detalladamente en el anexo de la
norma NFC 63410 o en la recomendacioacuten de la
IEC Ndeg 60890
Debemos de recordar los fundamentosmostrando los liacutemites y comparando con elmeacutetodo presentado en este Cuaderno Teacutecnico
En principio este meacutetodo se aplica aenvolventes a las que se puedan aplicar lassiguientes hipoacutetesis
reparto uniforme de la potencia disipada
el equipamiento se dispone de manera que no sedificulte la circulacioacuten de aire
no maacutes de 3 separaciones horizontales
Datos necesarios
dimensiones de la envolvente
potencia disipada en el interior (equipamiento
conductores)
tipo de instalacioacuten (envolvente aislada osituado en un extremo) (figura 24)
Caacutelculo
la temperatura se calcula uacutenicamente en 2
puntos de la envolvente
a media altura
T05 = Ta + ∆T050804siendo ∆T05 = dk Pw
d es un coeficiente que tiene en cuenta laexistencia de separaciones horizontales
1048573Si Ae lt 125 m2 d =1 (definicioacuten de Ae queveremos inmediatamente)
Si Ae gt 125 m2
Factor de repartode temperatura c165
116 2
3155 4
515
145
14
135
13
125
12
115
11
105
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Factor fCurvaTipo de instalacioacuten
1 Tapas separadas quitadas por todos los lados 3 Tapas separadas en montaje mural 2 Primera o uacuteltima tapa quitada
3 Tapa central quitada
5 Tapa central en montaje mural 4 Tapa central en montaje mural y con la parte
superior abierta
10485731114109917501 Factor de distribucioacuten de temperatura c para
envolventes sin orificios de ventilacioacuten y con una
superficie efectiva de enfriamiento A gt 125 m2 e
Valor de la superficie efectiva Constantede refrigeracioacuten Ae en m 2 de envolvente k
0 4
038
1 036
03415 032
2 03
028
3
25
026
4 024
5 022
6 0278 018
10 016
12 01414
01201
008
100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650
Seccion de los orificios de entrada de aire en cm2
10485731114109917501 Constante de la envolvente k para una
envolvente con orificio de ventilacioacuten y una superficie
efectiva de enfriamiento A gt 125 m2 e
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d = 1 con o sin orificios de ventilacioacuten sin
ninguna separacioacuten
d = 105 con o sin orificios de ventilacioacuten para
1 de separacioacuten
d = 115 oacute 110 con orificios de ventilacioacuten para 2 separaciones
d = 130 oacute 115 con orificios de ventilacioacuten para
3 separaciones
k es una constante que caracteriza laenvolvente su valor se determina con aacutebacos(figura 25) y es funcioacuten de la superficie deintercambio de la envolvente Ae (m2)
Ae = Σ Aob oacute Ao es la superficie geomeacutetrica delas diferentes paredes de la envolvente
b es una constante que tiene en cuenta el tipode instalacioacuten
Valores de b
1048573parte superior abierta b = 14
1048573
parte superior cubierta b = 071048573paredes laterales abiertas b = 09
1048573paredes laterales tapadas b = 05
1048573paredes laterales deenvolventes centrales b = 05
1048573parte inferior b = 0
Pw potencia disipada en Watt en la partealta de la envolvente
T1 = Ta + ∆T1
siendo ∆T1 = c ∆T05 o ∆T05 representa elcalentamiento precedente
c es una constante de calentamientodeterminada a partir de aacutebacos
Por ejemplo en el aacutebaco de la figura 24 c es
funcioacuten de Ae y de uno de los factores f o g
f = h135
(L P) si Ae gt 125 m2
g = h135L si Ae lt 125 m2
Liacutemites
Los liacutemites esenciales de este meacutetodo son
que se aplica bien a las envolventes nocompartimentadas de tipo gabinete y no a los
tableros de potencia muy compartimentados
que no tiene en cuenta la posicioacuten de lasfuentes de calor que la mayor parte de vecesno estaacuten repartidas de forma uniforme
Comparacioacuten con nuestra aproximacioacuten
Se constata que las aproximaciones danresultados similares para los tableros no
compartimentados y con fuentes de calorrepartidas (figura 26)
En lo que se refiere a las envolventes muycerradas la localizacioacuten de las fuentes de calory los intercambios entre las diferentes zonasinfluyen mucho en el calentamiento
Temperatura en oC
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Temperatura calculada seguacuten la norma
Temperatura calculada con el programa de MG
Temperatura del aire ambiente 35 oC
Dimensiones de la envolvente
alto 2 m
ancho 09 m
profundo 04 m
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
Potenciadisipada en Watt
Fig 26 Temperatura del aire a media altura en un tablero metaacutelico de distribucioacuten IP2 y de la forma 1
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8 Conclusioacuten
La importancia de los tableros eleacutectricos en la
distribucioacuten no hay que demostrarla
En cuanto a la disponibilidad de la energiacutea
eleacutectrica y de la seguridad de funcionamiento resulta indiscutible que el control teacutermico de los
tableros eleacutectricos es un objetivo fundamental
Las normas que se refieren a las envolventes ya los productos determinan los liacutemites teacutermicosque no hay que sobrepasar
Les queda a los profesionales convertirse enlaquoarquitectos teacutermicosraquo del disentildeo de lasenvolventes y tableros eleacutectricos hoy es ya
cosa hecha incluso para los tableros de serie
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potencia teacutermica total disipada en el tablero
coeficiente de desplazamiento para cadadispositivo debido a las intensidades circulantes
eventualmente la temperatura alcanzada por
las barras y su nivel en las diferentes zonas deltablero
63 Configuraciones modelizadas
Es bien sabido que en un programa como elque se indica no pueden considerarse todas lasconfiguraciones de instalacioacuten imaginablesSolamente se consideran las maacutes comunes esdecir las que permiten responder al 90 de loscasos deseados Un ejemplo en la figura 18
Configuracioacuten 1 Configuracioacuten 2 Configuracioacuten 3sin aparato de entrada aparato de entrada
en posicioacuten altaaparato de entradaen posicioacuten baja
10485731114109917501 Configuraciones modelizadas
64 Resultados
Este progreso en el caacutelculo informaacutetico demodelos es especialmente interesante porquepermite efectuar los diversos estudios
Estudio detallado de una configuracioacutendeterminada para optimizar la posicioacuten de undispositivo o la eleccioacuten de un juego de barrasconocer la potencia disipada por el conjuntopara dimensionar una climatizacioacuten adaptada
El ejemplo siguiente se ha efectuado con unacolumna de un cuadro industrial de potenciacompartimentado forma 2 conteniendo
un juego de barras horizontal alimentando un
aparato de entrada y la columna adyacente un aparato de entrada de 2500 A diferentes interruptores automaacuteticos de caja
moldeada
El programa nos facilita entre otros los coeficientes de desplazamiento Kdesp las intensidades que circulan por cadaaparato Ir
Advertencia sobre el coeficiente Kdiv
Este coeficiente nos permite tener en cuenta elcoeficiente de diversidad o de esponjamientoderivacioacuten por derivacioacuten
Es decir los niveles de funcionamiento en uninstante dado de los diferentes aparatos
Por ejemplo en un instante dado 2derivaciones son solicitadas al maacuteximo y lasotras hasta el 05 de sus posibilidadesafectando al sistema teacutermico del conjunto
Los resultados se presentan en la hoja decaacutelculo de la figura 19
Tabla de desplazamiento para unaconfiguracioacuten dada
Esta posibilidad de utilizacioacuten del programasemejante a la utilizacioacuten anterior permite reunirpara una configuracioacuten frecuente losdesplazamientos de los diferentes dispositivosteniendo en cuenta su posicioacuten real en el
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tablero las secciones de los conductoresutilizados los iacutendices de proteccioacuten y de latemperatura ambiente exterior
En la figura 20 se puede ver un ejemplo de uncuadro industrial de potencia con los datosdetallados de los dispositivos instalados en columna
Tabla de desplazamiento para un tipo dedispositivo
Para la mayor parte de interruptoresautomaacuteticos de caja moldeada eldesplazamiento es relativamente independientede la configuracioacuten
Masterbloc MB200 IP = 31
Tabla con aparato de llegada en posicioacuten alta alimentada con JdB horizontal
Referencia Posicioacuten Kdespl Kdiv Ia(A) Or(A)
M25H 1 12 88 1 2200 2200
NS630ST 17 21 93 1 586 518
NS630ST 22 26 96 1 605 534
NS400ST 27 31 1 1 400 353
NS400ST 32 36 1 1 400 353
NS250D250 37 40 1 1 250 221
NS250D250 41 44 1 1 250 221
Juego de barras horizontal
intensidad 2200 A
M 25
NS 630
NS 630
NS 400
NS 400
NS 250
NS 250
seccioacuten 1 4 barras de 100 5
Juego de barras vertical
intensidad 2200 A Temperatura JdB horizontal 95oC
seccioacuten 1 4 barras de 80 5Temperatura JdB vericalTemperatura ambiente
104oC35oC
Temperatura del techo 70oCPotencia total disipada 1953 W Temperatura JdB horizontal 75oCdetalle en dispositivos 593 W Temperatura aparellaje alto 68oC bajo 35oC
en auxiliares 0 W Temperatura auxiliar alto 52oC bajo 35oC juegos de barras + derivaciones 1271 W Temperatura JdB + derivaciones alto 77oC bajo 35oC juego de barras horizontal 89 W Temperatura conexiones alto 58oC bajo 35oC
10485731114109917501 Resultados del caacutelculo para una configuracioacuten determinada
IP31
Tdeg amb 35 40 45 50 55
M25 09 087 084 081 079M16 097 094 091 088 086M08 1 1 1 1 1
IP 4254
Tdeg amb 35 40 45 50 55
M25 079 077 075 073 071M16 087 085 083 081 079M08 1 1 1 1 1
3b 1005
3b 1005
2b 805
2b 805
1b 635
1b 635
3b 1005
4 b
8 0 5
1 b 8
0 5
M 252500 A
M 161600 A
M 08800 A
hueco
x
x
x
10485731114109917501 Desplazamiento de los interruptores automaacuteticos descritos en funcioacuten de la temperatura ambiente
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Los coeficientes de desplazamiento seestablecen por exceso situando los dispositivos enlo alto del tablero o del compartimento
Ver a tiacutetulo de ejemplo la figura 21
Curvas caracteriacutesticas del comportamientoteacutermico de un tipo de envolvente
Se establecen dos tipos graacuteficos
un conjunto de curvas que permitendeterminar la temperatura media en el interiorde una envolvente determinada en funcioacuten de lapotencia disipada y de la temperatura ambienteexterior
En la figura 22 se indican estas curvas para untablero de distribucioacuten no compartimentado
unas curvas que permiten determinar lapotencia que estas envolventes pueden disiparpara un calentamiento definido en funcioacuten desus caracteriacutesticas dimensionales
Ejemplo temperatura ambiente exterior 35 oCcalentamiento maacuteximo admisible ∆Ta = 30 oC
1048573 tablero altura 2 m anchura 09 mprofundidad 04 m
potencia disipable 850 W
1048573 tablero altura 2 m anchura 09 mprofundidad 06 m
potencia disipable 1000 W seguacuten curvas de lafigura 23
IP 31 IP 4254
Tdeg amb 35 40 45 50 55 35 40 45 50 55
NS100 100 100 100 100 95 100 95 90 85 80
NS160 160 155 150 145 140 150 140 135 125 120
NS250 235 225 220 210 200 205 195 180 170 165
NS400 380 370 360 350 340 350 340 330 320 310
NS630 540 520 510 500 485 485 475 465 450 440
10485731114109917501 Ejemplo de intensidades de corriente (en A) de disparo de interruptores automaacuteticos Compact NS
instalados dentro de una envolvente de BT determinada
Temperaturamedia en oC
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Tamb 60oC
Tamb 55oC
Tamb 50o
CTamb 45oCTamb 40oCTamb 35oC
Tamb 25oC
Dimensiones de
la envolventealto 2 mancho 09 mprofundo 04 m
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Potencia disipada en vatios
10485731114109917501 Temperatura media del aire en el interior de un armario de distribucioacuten metaacutelico IP2 y de forma 1
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Envolvente de 400 mmde profundidad
Potencia disipadaen vatios
1600
1400 T = 40oC
1200
1000 T = 30oC
800
T = 20oC600
400T = 10oC
200
800 900 1000 1100
Anchura en mm
Envolvente de 600 mmde profundidad
Potencia disipadaen vatios
1600 T = 40o
C
1400T = 30oC
1200
1000
T = 20oC1000
600
400 T = 10oC
200
800 900 1000 1100
Anchura en mm
10485731114109917501 Potencia disipable por calentamiento en una envolvente dada en funcioacuten de su anchura Curvas que se
refieren a un gabinete metaacutelico de formas 1 de 2 metros de altura
65 Resultados experimentales
Se han efectuado ensayos de calentamiento enel laboratorio Ampegravere de ASEFA con diversostipos de envolventes cofrets de plancha oplaacutestico armarios Prisma tableros de
distribucioacuten MasterblocDurante estos ensayos se han medido
temperaturas
1048573del aire en diferentes zonas de la envolvente
1048573de los conductores juego de barras yderivaciones
1048573de los puntos calientes de los dispositivos(bimetal ambiente electroacutenico)
intensidades
paraacutemetros que intervienen en lamodelizacioacuten en particular los coeficientes deintercambio aireparedes
Estas mediciones han permitido por una parte
verificar la conformidad a la norma IIEC 604311 deciertos valores (liacutemites de calentamientomencionados en el capiacutetulo 12 sobre lasnormas) y por otra parte para validar el modelo
En lo referente a las temperaturas del aire ladiferencia entre los valores medidos ycalculados depende del tipo de envolventemodelizada ya que al nivel de la modelizacioacuten
los supuestos difieren seguacuten que se considerelas envolventes compartimentadas o no
Sobre el conjunto de ensayos efectuados encuadros de diferentes formas(compartimentados o no) las diferenciasmaacuteximas constatadas han sido siempreinferiores a 6983226C
Las temperaturas calculadas para los juegos debarras muestran tambieacuten una concordancia conlas mediciones y han permitido validar elprograma informaacutetico
En referencia a las intensidades lasdesviaciones en valor medio son inferiores al5 En una homologacioacuten reciente de unaconfiguracioacuten de cuadro Masterbloc encalentamiento el programa ha permitido preverel nivel de funcionamiento del cuadro
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7 Meacutetodo propuesto por el documento IEC 60890
No hace mucho tiempo atras los gabinetes eleacutectricos
se escogiacutean equipaban y llenaban en funcioacutende la experiencia tambieacuten en lo que se refierea la tasa de llenado y a la variacioacuten de latemperatura en el tablero durante elfuncionamiento
Por ejemplo Temperatura exterior maacutexima
30983226C y 60983226C en el interior (los fabricantes de
aparamenta dan de margen hasta los 60983226C)
Esta praacutectica conduciacutea o a una pobre utilizacioacuten
del material o a actuaciones intempestivas de
las protecciones tenieacutendose la necesidad de
trabajar con las puertas abiertas
El meacutetodo propuesto por la recomendacioacuten
IEC aunque no se trate de una norma sino de
una guiacutea es de un intereacutes evidente Se
presenta detalladamente en el anexo de la
norma NFC 63410 o en la recomendacioacuten de la
IEC Ndeg 60890
Debemos de recordar los fundamentosmostrando los liacutemites y comparando con elmeacutetodo presentado en este Cuaderno Teacutecnico
En principio este meacutetodo se aplica aenvolventes a las que se puedan aplicar lassiguientes hipoacutetesis
reparto uniforme de la potencia disipada
el equipamiento se dispone de manera que no sedificulte la circulacioacuten de aire
no maacutes de 3 separaciones horizontales
Datos necesarios
dimensiones de la envolvente
potencia disipada en el interior (equipamiento
conductores)
tipo de instalacioacuten (envolvente aislada osituado en un extremo) (figura 24)
Caacutelculo
la temperatura se calcula uacutenicamente en 2
puntos de la envolvente
a media altura
T05 = Ta + ∆T050804siendo ∆T05 = dk Pw
d es un coeficiente que tiene en cuenta laexistencia de separaciones horizontales
1048573Si Ae lt 125 m2 d =1 (definicioacuten de Ae queveremos inmediatamente)
Si Ae gt 125 m2
Factor de repartode temperatura c165
116 2
3155 4
515
145
14
135
13
125
12
115
11
105
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Factor fCurvaTipo de instalacioacuten
1 Tapas separadas quitadas por todos los lados 3 Tapas separadas en montaje mural 2 Primera o uacuteltima tapa quitada
3 Tapa central quitada
5 Tapa central en montaje mural 4 Tapa central en montaje mural y con la parte
superior abierta
10485731114109917501 Factor de distribucioacuten de temperatura c para
envolventes sin orificios de ventilacioacuten y con una
superficie efectiva de enfriamiento A gt 125 m2 e
Valor de la superficie efectiva Constantede refrigeracioacuten Ae en m 2 de envolvente k
0 4
038
1 036
03415 032
2 03
028
3
25
026
4 024
5 022
6 0278 018
10 016
12 01414
01201
008
100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650
Seccion de los orificios de entrada de aire en cm2
10485731114109917501 Constante de la envolvente k para una
envolvente con orificio de ventilacioacuten y una superficie
efectiva de enfriamiento A gt 125 m2 e
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d = 1 con o sin orificios de ventilacioacuten sin
ninguna separacioacuten
d = 105 con o sin orificios de ventilacioacuten para
1 de separacioacuten
d = 115 oacute 110 con orificios de ventilacioacuten para 2 separaciones
d = 130 oacute 115 con orificios de ventilacioacuten para
3 separaciones
k es una constante que caracteriza laenvolvente su valor se determina con aacutebacos(figura 25) y es funcioacuten de la superficie deintercambio de la envolvente Ae (m2)
Ae = Σ Aob oacute Ao es la superficie geomeacutetrica delas diferentes paredes de la envolvente
b es una constante que tiene en cuenta el tipode instalacioacuten
Valores de b
1048573parte superior abierta b = 14
1048573
parte superior cubierta b = 071048573paredes laterales abiertas b = 09
1048573paredes laterales tapadas b = 05
1048573paredes laterales deenvolventes centrales b = 05
1048573parte inferior b = 0
Pw potencia disipada en Watt en la partealta de la envolvente
T1 = Ta + ∆T1
siendo ∆T1 = c ∆T05 o ∆T05 representa elcalentamiento precedente
c es una constante de calentamientodeterminada a partir de aacutebacos
Por ejemplo en el aacutebaco de la figura 24 c es
funcioacuten de Ae y de uno de los factores f o g
f = h135
(L P) si Ae gt 125 m2
g = h135L si Ae lt 125 m2
Liacutemites
Los liacutemites esenciales de este meacutetodo son
que se aplica bien a las envolventes nocompartimentadas de tipo gabinete y no a los
tableros de potencia muy compartimentados
que no tiene en cuenta la posicioacuten de lasfuentes de calor que la mayor parte de vecesno estaacuten repartidas de forma uniforme
Comparacioacuten con nuestra aproximacioacuten
Se constata que las aproximaciones danresultados similares para los tableros no
compartimentados y con fuentes de calorrepartidas (figura 26)
En lo que se refiere a las envolventes muycerradas la localizacioacuten de las fuentes de calory los intercambios entre las diferentes zonasinfluyen mucho en el calentamiento
Temperatura en oC
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Temperatura calculada seguacuten la norma
Temperatura calculada con el programa de MG
Temperatura del aire ambiente 35 oC
Dimensiones de la envolvente
alto 2 m
ancho 09 m
profundo 04 m
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
Potenciadisipada en Watt
Fig 26 Temperatura del aire a media altura en un tablero metaacutelico de distribucioacuten IP2 y de la forma 1
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8 Conclusioacuten
La importancia de los tableros eleacutectricos en la
distribucioacuten no hay que demostrarla
En cuanto a la disponibilidad de la energiacutea
eleacutectrica y de la seguridad de funcionamiento resulta indiscutible que el control teacutermico de los
tableros eleacutectricos es un objetivo fundamental
Las normas que se refieren a las envolventes ya los productos determinan los liacutemites teacutermicosque no hay que sobrepasar
Les queda a los profesionales convertirse enlaquoarquitectos teacutermicosraquo del disentildeo de lasenvolventes y tableros eleacutectricos hoy es ya
cosa hecha incluso para los tableros de serie
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tablero las secciones de los conductoresutilizados los iacutendices de proteccioacuten y de latemperatura ambiente exterior
En la figura 20 se puede ver un ejemplo de uncuadro industrial de potencia con los datosdetallados de los dispositivos instalados en columna
Tabla de desplazamiento para un tipo dedispositivo
Para la mayor parte de interruptoresautomaacuteticos de caja moldeada eldesplazamiento es relativamente independientede la configuracioacuten
Masterbloc MB200 IP = 31
Tabla con aparato de llegada en posicioacuten alta alimentada con JdB horizontal
Referencia Posicioacuten Kdespl Kdiv Ia(A) Or(A)
M25H 1 12 88 1 2200 2200
NS630ST 17 21 93 1 586 518
NS630ST 22 26 96 1 605 534
NS400ST 27 31 1 1 400 353
NS400ST 32 36 1 1 400 353
NS250D250 37 40 1 1 250 221
NS250D250 41 44 1 1 250 221
Juego de barras horizontal
intensidad 2200 A
M 25
NS 630
NS 630
NS 400
NS 400
NS 250
NS 250
seccioacuten 1 4 barras de 100 5
Juego de barras vertical
intensidad 2200 A Temperatura JdB horizontal 95oC
seccioacuten 1 4 barras de 80 5Temperatura JdB vericalTemperatura ambiente
104oC35oC
Temperatura del techo 70oCPotencia total disipada 1953 W Temperatura JdB horizontal 75oCdetalle en dispositivos 593 W Temperatura aparellaje alto 68oC bajo 35oC
en auxiliares 0 W Temperatura auxiliar alto 52oC bajo 35oC juegos de barras + derivaciones 1271 W Temperatura JdB + derivaciones alto 77oC bajo 35oC juego de barras horizontal 89 W Temperatura conexiones alto 58oC bajo 35oC
10485731114109917501 Resultados del caacutelculo para una configuracioacuten determinada
IP31
Tdeg amb 35 40 45 50 55
M25 09 087 084 081 079M16 097 094 091 088 086M08 1 1 1 1 1
IP 4254
Tdeg amb 35 40 45 50 55
M25 079 077 075 073 071M16 087 085 083 081 079M08 1 1 1 1 1
3b 1005
3b 1005
2b 805
2b 805
1b 635
1b 635
3b 1005
4 b
8 0 5
1 b 8
0 5
M 252500 A
M 161600 A
M 08800 A
hueco
x
x
x
10485731114109917501 Desplazamiento de los interruptores automaacuteticos descritos en funcioacuten de la temperatura ambiente
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Los coeficientes de desplazamiento seestablecen por exceso situando los dispositivos enlo alto del tablero o del compartimento
Ver a tiacutetulo de ejemplo la figura 21
Curvas caracteriacutesticas del comportamientoteacutermico de un tipo de envolvente
Se establecen dos tipos graacuteficos
un conjunto de curvas que permitendeterminar la temperatura media en el interiorde una envolvente determinada en funcioacuten de lapotencia disipada y de la temperatura ambienteexterior
En la figura 22 se indican estas curvas para untablero de distribucioacuten no compartimentado
unas curvas que permiten determinar lapotencia que estas envolventes pueden disiparpara un calentamiento definido en funcioacuten desus caracteriacutesticas dimensionales
Ejemplo temperatura ambiente exterior 35 oCcalentamiento maacuteximo admisible ∆Ta = 30 oC
1048573 tablero altura 2 m anchura 09 mprofundidad 04 m
potencia disipable 850 W
1048573 tablero altura 2 m anchura 09 mprofundidad 06 m
potencia disipable 1000 W seguacuten curvas de lafigura 23
IP 31 IP 4254
Tdeg amb 35 40 45 50 55 35 40 45 50 55
NS100 100 100 100 100 95 100 95 90 85 80
NS160 160 155 150 145 140 150 140 135 125 120
NS250 235 225 220 210 200 205 195 180 170 165
NS400 380 370 360 350 340 350 340 330 320 310
NS630 540 520 510 500 485 485 475 465 450 440
10485731114109917501 Ejemplo de intensidades de corriente (en A) de disparo de interruptores automaacuteticos Compact NS
instalados dentro de una envolvente de BT determinada
Temperaturamedia en oC
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Tamb 60oC
Tamb 55oC
Tamb 50o
CTamb 45oCTamb 40oCTamb 35oC
Tamb 25oC
Dimensiones de
la envolventealto 2 mancho 09 mprofundo 04 m
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Potencia disipada en vatios
10485731114109917501 Temperatura media del aire en el interior de un armario de distribucioacuten metaacutelico IP2 y de forma 1
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Envolvente de 400 mmde profundidad
Potencia disipadaen vatios
1600
1400 T = 40oC
1200
1000 T = 30oC
800
T = 20oC600
400T = 10oC
200
800 900 1000 1100
Anchura en mm
Envolvente de 600 mmde profundidad
Potencia disipadaen vatios
1600 T = 40o
C
1400T = 30oC
1200
1000
T = 20oC1000
600
400 T = 10oC
200
800 900 1000 1100
Anchura en mm
10485731114109917501 Potencia disipable por calentamiento en una envolvente dada en funcioacuten de su anchura Curvas que se
refieren a un gabinete metaacutelico de formas 1 de 2 metros de altura
65 Resultados experimentales
Se han efectuado ensayos de calentamiento enel laboratorio Ampegravere de ASEFA con diversostipos de envolventes cofrets de plancha oplaacutestico armarios Prisma tableros de
distribucioacuten MasterblocDurante estos ensayos se han medido
temperaturas
1048573del aire en diferentes zonas de la envolvente
1048573de los conductores juego de barras yderivaciones
1048573de los puntos calientes de los dispositivos(bimetal ambiente electroacutenico)
intensidades
paraacutemetros que intervienen en lamodelizacioacuten en particular los coeficientes deintercambio aireparedes
Estas mediciones han permitido por una parte
verificar la conformidad a la norma IIEC 604311 deciertos valores (liacutemites de calentamientomencionados en el capiacutetulo 12 sobre lasnormas) y por otra parte para validar el modelo
En lo referente a las temperaturas del aire ladiferencia entre los valores medidos ycalculados depende del tipo de envolventemodelizada ya que al nivel de la modelizacioacuten
los supuestos difieren seguacuten que se considerelas envolventes compartimentadas o no
Sobre el conjunto de ensayos efectuados encuadros de diferentes formas(compartimentados o no) las diferenciasmaacuteximas constatadas han sido siempreinferiores a 6983226C
Las temperaturas calculadas para los juegos debarras muestran tambieacuten una concordancia conlas mediciones y han permitido validar elprograma informaacutetico
En referencia a las intensidades lasdesviaciones en valor medio son inferiores al5 En una homologacioacuten reciente de unaconfiguracioacuten de cuadro Masterbloc encalentamiento el programa ha permitido preverel nivel de funcionamiento del cuadro
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7 Meacutetodo propuesto por el documento IEC 60890
No hace mucho tiempo atras los gabinetes eleacutectricos
se escogiacutean equipaban y llenaban en funcioacutende la experiencia tambieacuten en lo que se refierea la tasa de llenado y a la variacioacuten de latemperatura en el tablero durante elfuncionamiento
Por ejemplo Temperatura exterior maacutexima
30983226C y 60983226C en el interior (los fabricantes de
aparamenta dan de margen hasta los 60983226C)
Esta praacutectica conduciacutea o a una pobre utilizacioacuten
del material o a actuaciones intempestivas de
las protecciones tenieacutendose la necesidad de
trabajar con las puertas abiertas
El meacutetodo propuesto por la recomendacioacuten
IEC aunque no se trate de una norma sino de
una guiacutea es de un intereacutes evidente Se
presenta detalladamente en el anexo de la
norma NFC 63410 o en la recomendacioacuten de la
IEC Ndeg 60890
Debemos de recordar los fundamentosmostrando los liacutemites y comparando con elmeacutetodo presentado en este Cuaderno Teacutecnico
En principio este meacutetodo se aplica aenvolventes a las que se puedan aplicar lassiguientes hipoacutetesis
reparto uniforme de la potencia disipada
el equipamiento se dispone de manera que no sedificulte la circulacioacuten de aire
no maacutes de 3 separaciones horizontales
Datos necesarios
dimensiones de la envolvente
potencia disipada en el interior (equipamiento
conductores)
tipo de instalacioacuten (envolvente aislada osituado en un extremo) (figura 24)
Caacutelculo
la temperatura se calcula uacutenicamente en 2
puntos de la envolvente
a media altura
T05 = Ta + ∆T050804siendo ∆T05 = dk Pw
d es un coeficiente que tiene en cuenta laexistencia de separaciones horizontales
1048573Si Ae lt 125 m2 d =1 (definicioacuten de Ae queveremos inmediatamente)
Si Ae gt 125 m2
Factor de repartode temperatura c165
116 2
3155 4
515
145
14
135
13
125
12
115
11
105
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Factor fCurvaTipo de instalacioacuten
1 Tapas separadas quitadas por todos los lados 3 Tapas separadas en montaje mural 2 Primera o uacuteltima tapa quitada
3 Tapa central quitada
5 Tapa central en montaje mural 4 Tapa central en montaje mural y con la parte
superior abierta
10485731114109917501 Factor de distribucioacuten de temperatura c para
envolventes sin orificios de ventilacioacuten y con una
superficie efectiva de enfriamiento A gt 125 m2 e
Valor de la superficie efectiva Constantede refrigeracioacuten Ae en m 2 de envolvente k
0 4
038
1 036
03415 032
2 03
028
3
25
026
4 024
5 022
6 0278 018
10 016
12 01414
01201
008
100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650
Seccion de los orificios de entrada de aire en cm2
10485731114109917501 Constante de la envolvente k para una
envolvente con orificio de ventilacioacuten y una superficie
efectiva de enfriamiento A gt 125 m2 e
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d = 1 con o sin orificios de ventilacioacuten sin
ninguna separacioacuten
d = 105 con o sin orificios de ventilacioacuten para
1 de separacioacuten
d = 115 oacute 110 con orificios de ventilacioacuten para 2 separaciones
d = 130 oacute 115 con orificios de ventilacioacuten para
3 separaciones
k es una constante que caracteriza laenvolvente su valor se determina con aacutebacos(figura 25) y es funcioacuten de la superficie deintercambio de la envolvente Ae (m2)
Ae = Σ Aob oacute Ao es la superficie geomeacutetrica delas diferentes paredes de la envolvente
b es una constante que tiene en cuenta el tipode instalacioacuten
Valores de b
1048573parte superior abierta b = 14
1048573
parte superior cubierta b = 071048573paredes laterales abiertas b = 09
1048573paredes laterales tapadas b = 05
1048573paredes laterales deenvolventes centrales b = 05
1048573parte inferior b = 0
Pw potencia disipada en Watt en la partealta de la envolvente
T1 = Ta + ∆T1
siendo ∆T1 = c ∆T05 o ∆T05 representa elcalentamiento precedente
c es una constante de calentamientodeterminada a partir de aacutebacos
Por ejemplo en el aacutebaco de la figura 24 c es
funcioacuten de Ae y de uno de los factores f o g
f = h135
(L P) si Ae gt 125 m2
g = h135L si Ae lt 125 m2
Liacutemites
Los liacutemites esenciales de este meacutetodo son
que se aplica bien a las envolventes nocompartimentadas de tipo gabinete y no a los
tableros de potencia muy compartimentados
que no tiene en cuenta la posicioacuten de lasfuentes de calor que la mayor parte de vecesno estaacuten repartidas de forma uniforme
Comparacioacuten con nuestra aproximacioacuten
Se constata que las aproximaciones danresultados similares para los tableros no
compartimentados y con fuentes de calorrepartidas (figura 26)
En lo que se refiere a las envolventes muycerradas la localizacioacuten de las fuentes de calory los intercambios entre las diferentes zonasinfluyen mucho en el calentamiento
Temperatura en oC
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Temperatura calculada seguacuten la norma
Temperatura calculada con el programa de MG
Temperatura del aire ambiente 35 oC
Dimensiones de la envolvente
alto 2 m
ancho 09 m
profundo 04 m
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
Potenciadisipada en Watt
Fig 26 Temperatura del aire a media altura en un tablero metaacutelico de distribucioacuten IP2 y de la forma 1
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8 Conclusioacuten
La importancia de los tableros eleacutectricos en la
distribucioacuten no hay que demostrarla
En cuanto a la disponibilidad de la energiacutea
eleacutectrica y de la seguridad de funcionamiento resulta indiscutible que el control teacutermico de los
tableros eleacutectricos es un objetivo fundamental
Las normas que se refieren a las envolventes ya los productos determinan los liacutemites teacutermicosque no hay que sobrepasar
Les queda a los profesionales convertirse enlaquoarquitectos teacutermicosraquo del disentildeo de lasenvolventes y tableros eleacutectricos hoy es ya
cosa hecha incluso para los tableros de serie
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Los coeficientes de desplazamiento seestablecen por exceso situando los dispositivos enlo alto del tablero o del compartimento
Ver a tiacutetulo de ejemplo la figura 21
Curvas caracteriacutesticas del comportamientoteacutermico de un tipo de envolvente
Se establecen dos tipos graacuteficos
un conjunto de curvas que permitendeterminar la temperatura media en el interiorde una envolvente determinada en funcioacuten de lapotencia disipada y de la temperatura ambienteexterior
En la figura 22 se indican estas curvas para untablero de distribucioacuten no compartimentado
unas curvas que permiten determinar lapotencia que estas envolventes pueden disiparpara un calentamiento definido en funcioacuten desus caracteriacutesticas dimensionales
Ejemplo temperatura ambiente exterior 35 oCcalentamiento maacuteximo admisible ∆Ta = 30 oC
1048573 tablero altura 2 m anchura 09 mprofundidad 04 m
potencia disipable 850 W
1048573 tablero altura 2 m anchura 09 mprofundidad 06 m
potencia disipable 1000 W seguacuten curvas de lafigura 23
IP 31 IP 4254
Tdeg amb 35 40 45 50 55 35 40 45 50 55
NS100 100 100 100 100 95 100 95 90 85 80
NS160 160 155 150 145 140 150 140 135 125 120
NS250 235 225 220 210 200 205 195 180 170 165
NS400 380 370 360 350 340 350 340 330 320 310
NS630 540 520 510 500 485 485 475 465 450 440
10485731114109917501 Ejemplo de intensidades de corriente (en A) de disparo de interruptores automaacuteticos Compact NS
instalados dentro de una envolvente de BT determinada
Temperaturamedia en oC
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Tamb 60oC
Tamb 55oC
Tamb 50o
CTamb 45oCTamb 40oCTamb 35oC
Tamb 25oC
Dimensiones de
la envolventealto 2 mancho 09 mprofundo 04 m
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Potencia disipada en vatios
10485731114109917501 Temperatura media del aire en el interior de un armario de distribucioacuten metaacutelico IP2 y de forma 1
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Envolvente de 400 mmde profundidad
Potencia disipadaen vatios
1600
1400 T = 40oC
1200
1000 T = 30oC
800
T = 20oC600
400T = 10oC
200
800 900 1000 1100
Anchura en mm
Envolvente de 600 mmde profundidad
Potencia disipadaen vatios
1600 T = 40o
C
1400T = 30oC
1200
1000
T = 20oC1000
600
400 T = 10oC
200
800 900 1000 1100
Anchura en mm
10485731114109917501 Potencia disipable por calentamiento en una envolvente dada en funcioacuten de su anchura Curvas que se
refieren a un gabinete metaacutelico de formas 1 de 2 metros de altura
65 Resultados experimentales
Se han efectuado ensayos de calentamiento enel laboratorio Ampegravere de ASEFA con diversostipos de envolventes cofrets de plancha oplaacutestico armarios Prisma tableros de
distribucioacuten MasterblocDurante estos ensayos se han medido
temperaturas
1048573del aire en diferentes zonas de la envolvente
1048573de los conductores juego de barras yderivaciones
1048573de los puntos calientes de los dispositivos(bimetal ambiente electroacutenico)
intensidades
paraacutemetros que intervienen en lamodelizacioacuten en particular los coeficientes deintercambio aireparedes
Estas mediciones han permitido por una parte
verificar la conformidad a la norma IIEC 604311 deciertos valores (liacutemites de calentamientomencionados en el capiacutetulo 12 sobre lasnormas) y por otra parte para validar el modelo
En lo referente a las temperaturas del aire ladiferencia entre los valores medidos ycalculados depende del tipo de envolventemodelizada ya que al nivel de la modelizacioacuten
los supuestos difieren seguacuten que se considerelas envolventes compartimentadas o no
Sobre el conjunto de ensayos efectuados encuadros de diferentes formas(compartimentados o no) las diferenciasmaacuteximas constatadas han sido siempreinferiores a 6983226C
Las temperaturas calculadas para los juegos debarras muestran tambieacuten una concordancia conlas mediciones y han permitido validar elprograma informaacutetico
En referencia a las intensidades lasdesviaciones en valor medio son inferiores al5 En una homologacioacuten reciente de unaconfiguracioacuten de cuadro Masterbloc encalentamiento el programa ha permitido preverel nivel de funcionamiento del cuadro
Cuaderno Teacutecnico Schneider ndeg 145 p 25
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7 Meacutetodo propuesto por el documento IEC 60890
No hace mucho tiempo atras los gabinetes eleacutectricos
se escogiacutean equipaban y llenaban en funcioacutende la experiencia tambieacuten en lo que se refierea la tasa de llenado y a la variacioacuten de latemperatura en el tablero durante elfuncionamiento
Por ejemplo Temperatura exterior maacutexima
30983226C y 60983226C en el interior (los fabricantes de
aparamenta dan de margen hasta los 60983226C)
Esta praacutectica conduciacutea o a una pobre utilizacioacuten
del material o a actuaciones intempestivas de
las protecciones tenieacutendose la necesidad de
trabajar con las puertas abiertas
El meacutetodo propuesto por la recomendacioacuten
IEC aunque no se trate de una norma sino de
una guiacutea es de un intereacutes evidente Se
presenta detalladamente en el anexo de la
norma NFC 63410 o en la recomendacioacuten de la
IEC Ndeg 60890
Debemos de recordar los fundamentosmostrando los liacutemites y comparando con elmeacutetodo presentado en este Cuaderno Teacutecnico
En principio este meacutetodo se aplica aenvolventes a las que se puedan aplicar lassiguientes hipoacutetesis
reparto uniforme de la potencia disipada
el equipamiento se dispone de manera que no sedificulte la circulacioacuten de aire
no maacutes de 3 separaciones horizontales
Datos necesarios
dimensiones de la envolvente
potencia disipada en el interior (equipamiento
conductores)
tipo de instalacioacuten (envolvente aislada osituado en un extremo) (figura 24)
Caacutelculo
la temperatura se calcula uacutenicamente en 2
puntos de la envolvente
a media altura
T05 = Ta + ∆T050804siendo ∆T05 = dk Pw
d es un coeficiente que tiene en cuenta laexistencia de separaciones horizontales
1048573Si Ae lt 125 m2 d =1 (definicioacuten de Ae queveremos inmediatamente)
Si Ae gt 125 m2
Factor de repartode temperatura c165
116 2
3155 4
515
145
14
135
13
125
12
115
11
105
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Factor fCurvaTipo de instalacioacuten
1 Tapas separadas quitadas por todos los lados 3 Tapas separadas en montaje mural 2 Primera o uacuteltima tapa quitada
3 Tapa central quitada
5 Tapa central en montaje mural 4 Tapa central en montaje mural y con la parte
superior abierta
10485731114109917501 Factor de distribucioacuten de temperatura c para
envolventes sin orificios de ventilacioacuten y con una
superficie efectiva de enfriamiento A gt 125 m2 e
Valor de la superficie efectiva Constantede refrigeracioacuten Ae en m 2 de envolvente k
0 4
038
1 036
03415 032
2 03
028
3
25
026
4 024
5 022
6 0278 018
10 016
12 01414
01201
008
100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650
Seccion de los orificios de entrada de aire en cm2
10485731114109917501 Constante de la envolvente k para una
envolvente con orificio de ventilacioacuten y una superficie
efectiva de enfriamiento A gt 125 m2 e
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d = 1 con o sin orificios de ventilacioacuten sin
ninguna separacioacuten
d = 105 con o sin orificios de ventilacioacuten para
1 de separacioacuten
d = 115 oacute 110 con orificios de ventilacioacuten para 2 separaciones
d = 130 oacute 115 con orificios de ventilacioacuten para
3 separaciones
k es una constante que caracteriza laenvolvente su valor se determina con aacutebacos(figura 25) y es funcioacuten de la superficie deintercambio de la envolvente Ae (m2)
Ae = Σ Aob oacute Ao es la superficie geomeacutetrica delas diferentes paredes de la envolvente
b es una constante que tiene en cuenta el tipode instalacioacuten
Valores de b
1048573parte superior abierta b = 14
1048573
parte superior cubierta b = 071048573paredes laterales abiertas b = 09
1048573paredes laterales tapadas b = 05
1048573paredes laterales deenvolventes centrales b = 05
1048573parte inferior b = 0
Pw potencia disipada en Watt en la partealta de la envolvente
T1 = Ta + ∆T1
siendo ∆T1 = c ∆T05 o ∆T05 representa elcalentamiento precedente
c es una constante de calentamientodeterminada a partir de aacutebacos
Por ejemplo en el aacutebaco de la figura 24 c es
funcioacuten de Ae y de uno de los factores f o g
f = h135
(L P) si Ae gt 125 m2
g = h135L si Ae lt 125 m2
Liacutemites
Los liacutemites esenciales de este meacutetodo son
que se aplica bien a las envolventes nocompartimentadas de tipo gabinete y no a los
tableros de potencia muy compartimentados
que no tiene en cuenta la posicioacuten de lasfuentes de calor que la mayor parte de vecesno estaacuten repartidas de forma uniforme
Comparacioacuten con nuestra aproximacioacuten
Se constata que las aproximaciones danresultados similares para los tableros no
compartimentados y con fuentes de calorrepartidas (figura 26)
En lo que se refiere a las envolventes muycerradas la localizacioacuten de las fuentes de calory los intercambios entre las diferentes zonasinfluyen mucho en el calentamiento
Temperatura en oC
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Temperatura calculada seguacuten la norma
Temperatura calculada con el programa de MG
Temperatura del aire ambiente 35 oC
Dimensiones de la envolvente
alto 2 m
ancho 09 m
profundo 04 m
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
Potenciadisipada en Watt
Fig 26 Temperatura del aire a media altura en un tablero metaacutelico de distribucioacuten IP2 y de la forma 1
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8 Conclusioacuten
La importancia de los tableros eleacutectricos en la
distribucioacuten no hay que demostrarla
En cuanto a la disponibilidad de la energiacutea
eleacutectrica y de la seguridad de funcionamiento resulta indiscutible que el control teacutermico de los
tableros eleacutectricos es un objetivo fundamental
Las normas que se refieren a las envolventes ya los productos determinan los liacutemites teacutermicosque no hay que sobrepasar
Les queda a los profesionales convertirse enlaquoarquitectos teacutermicosraquo del disentildeo de lasenvolventes y tableros eleacutectricos hoy es ya
cosa hecha incluso para los tableros de serie
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Envolvente de 400 mmde profundidad
Potencia disipadaen vatios
1600
1400 T = 40oC
1200
1000 T = 30oC
800
T = 20oC600
400T = 10oC
200
800 900 1000 1100
Anchura en mm
Envolvente de 600 mmde profundidad
Potencia disipadaen vatios
1600 T = 40o
C
1400T = 30oC
1200
1000
T = 20oC1000
600
400 T = 10oC
200
800 900 1000 1100
Anchura en mm
10485731114109917501 Potencia disipable por calentamiento en una envolvente dada en funcioacuten de su anchura Curvas que se
refieren a un gabinete metaacutelico de formas 1 de 2 metros de altura
65 Resultados experimentales
Se han efectuado ensayos de calentamiento enel laboratorio Ampegravere de ASEFA con diversostipos de envolventes cofrets de plancha oplaacutestico armarios Prisma tableros de
distribucioacuten MasterblocDurante estos ensayos se han medido
temperaturas
1048573del aire en diferentes zonas de la envolvente
1048573de los conductores juego de barras yderivaciones
1048573de los puntos calientes de los dispositivos(bimetal ambiente electroacutenico)
intensidades
paraacutemetros que intervienen en lamodelizacioacuten en particular los coeficientes deintercambio aireparedes
Estas mediciones han permitido por una parte
verificar la conformidad a la norma IIEC 604311 deciertos valores (liacutemites de calentamientomencionados en el capiacutetulo 12 sobre lasnormas) y por otra parte para validar el modelo
En lo referente a las temperaturas del aire ladiferencia entre los valores medidos ycalculados depende del tipo de envolventemodelizada ya que al nivel de la modelizacioacuten
los supuestos difieren seguacuten que se considerelas envolventes compartimentadas o no
Sobre el conjunto de ensayos efectuados encuadros de diferentes formas(compartimentados o no) las diferenciasmaacuteximas constatadas han sido siempreinferiores a 6983226C
Las temperaturas calculadas para los juegos debarras muestran tambieacuten una concordancia conlas mediciones y han permitido validar elprograma informaacutetico
En referencia a las intensidades lasdesviaciones en valor medio son inferiores al5 En una homologacioacuten reciente de unaconfiguracioacuten de cuadro Masterbloc encalentamiento el programa ha permitido preverel nivel de funcionamiento del cuadro
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7 Meacutetodo propuesto por el documento IEC 60890
No hace mucho tiempo atras los gabinetes eleacutectricos
se escogiacutean equipaban y llenaban en funcioacutende la experiencia tambieacuten en lo que se refierea la tasa de llenado y a la variacioacuten de latemperatura en el tablero durante elfuncionamiento
Por ejemplo Temperatura exterior maacutexima
30983226C y 60983226C en el interior (los fabricantes de
aparamenta dan de margen hasta los 60983226C)
Esta praacutectica conduciacutea o a una pobre utilizacioacuten
del material o a actuaciones intempestivas de
las protecciones tenieacutendose la necesidad de
trabajar con las puertas abiertas
El meacutetodo propuesto por la recomendacioacuten
IEC aunque no se trate de una norma sino de
una guiacutea es de un intereacutes evidente Se
presenta detalladamente en el anexo de la
norma NFC 63410 o en la recomendacioacuten de la
IEC Ndeg 60890
Debemos de recordar los fundamentosmostrando los liacutemites y comparando con elmeacutetodo presentado en este Cuaderno Teacutecnico
En principio este meacutetodo se aplica aenvolventes a las que se puedan aplicar lassiguientes hipoacutetesis
reparto uniforme de la potencia disipada
el equipamiento se dispone de manera que no sedificulte la circulacioacuten de aire
no maacutes de 3 separaciones horizontales
Datos necesarios
dimensiones de la envolvente
potencia disipada en el interior (equipamiento
conductores)
tipo de instalacioacuten (envolvente aislada osituado en un extremo) (figura 24)
Caacutelculo
la temperatura se calcula uacutenicamente en 2
puntos de la envolvente
a media altura
T05 = Ta + ∆T050804siendo ∆T05 = dk Pw
d es un coeficiente que tiene en cuenta laexistencia de separaciones horizontales
1048573Si Ae lt 125 m2 d =1 (definicioacuten de Ae queveremos inmediatamente)
Si Ae gt 125 m2
Factor de repartode temperatura c165
116 2
3155 4
515
145
14
135
13
125
12
115
11
105
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Factor fCurvaTipo de instalacioacuten
1 Tapas separadas quitadas por todos los lados 3 Tapas separadas en montaje mural 2 Primera o uacuteltima tapa quitada
3 Tapa central quitada
5 Tapa central en montaje mural 4 Tapa central en montaje mural y con la parte
superior abierta
10485731114109917501 Factor de distribucioacuten de temperatura c para
envolventes sin orificios de ventilacioacuten y con una
superficie efectiva de enfriamiento A gt 125 m2 e
Valor de la superficie efectiva Constantede refrigeracioacuten Ae en m 2 de envolvente k
0 4
038
1 036
03415 032
2 03
028
3
25
026
4 024
5 022
6 0278 018
10 016
12 01414
01201
008
100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650
Seccion de los orificios de entrada de aire en cm2
10485731114109917501 Constante de la envolvente k para una
envolvente con orificio de ventilacioacuten y una superficie
efectiva de enfriamiento A gt 125 m2 e
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d = 1 con o sin orificios de ventilacioacuten sin
ninguna separacioacuten
d = 105 con o sin orificios de ventilacioacuten para
1 de separacioacuten
d = 115 oacute 110 con orificios de ventilacioacuten para 2 separaciones
d = 130 oacute 115 con orificios de ventilacioacuten para
3 separaciones
k es una constante que caracteriza laenvolvente su valor se determina con aacutebacos(figura 25) y es funcioacuten de la superficie deintercambio de la envolvente Ae (m2)
Ae = Σ Aob oacute Ao es la superficie geomeacutetrica delas diferentes paredes de la envolvente
b es una constante que tiene en cuenta el tipode instalacioacuten
Valores de b
1048573parte superior abierta b = 14
1048573
parte superior cubierta b = 071048573paredes laterales abiertas b = 09
1048573paredes laterales tapadas b = 05
1048573paredes laterales deenvolventes centrales b = 05
1048573parte inferior b = 0
Pw potencia disipada en Watt en la partealta de la envolvente
T1 = Ta + ∆T1
siendo ∆T1 = c ∆T05 o ∆T05 representa elcalentamiento precedente
c es una constante de calentamientodeterminada a partir de aacutebacos
Por ejemplo en el aacutebaco de la figura 24 c es
funcioacuten de Ae y de uno de los factores f o g
f = h135
(L P) si Ae gt 125 m2
g = h135L si Ae lt 125 m2
Liacutemites
Los liacutemites esenciales de este meacutetodo son
que se aplica bien a las envolventes nocompartimentadas de tipo gabinete y no a los
tableros de potencia muy compartimentados
que no tiene en cuenta la posicioacuten de lasfuentes de calor que la mayor parte de vecesno estaacuten repartidas de forma uniforme
Comparacioacuten con nuestra aproximacioacuten
Se constata que las aproximaciones danresultados similares para los tableros no
compartimentados y con fuentes de calorrepartidas (figura 26)
En lo que se refiere a las envolventes muycerradas la localizacioacuten de las fuentes de calory los intercambios entre las diferentes zonasinfluyen mucho en el calentamiento
Temperatura en oC
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Temperatura calculada seguacuten la norma
Temperatura calculada con el programa de MG
Temperatura del aire ambiente 35 oC
Dimensiones de la envolvente
alto 2 m
ancho 09 m
profundo 04 m
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
Potenciadisipada en Watt
Fig 26 Temperatura del aire a media altura en un tablero metaacutelico de distribucioacuten IP2 y de la forma 1
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8 Conclusioacuten
La importancia de los tableros eleacutectricos en la
distribucioacuten no hay que demostrarla
En cuanto a la disponibilidad de la energiacutea
eleacutectrica y de la seguridad de funcionamiento resulta indiscutible que el control teacutermico de los
tableros eleacutectricos es un objetivo fundamental
Las normas que se refieren a las envolventes ya los productos determinan los liacutemites teacutermicosque no hay que sobrepasar
Les queda a los profesionales convertirse enlaquoarquitectos teacutermicosraquo del disentildeo de lasenvolventes y tableros eleacutectricos hoy es ya
cosa hecha incluso para los tableros de serie
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7 Meacutetodo propuesto por el documento IEC 60890
No hace mucho tiempo atras los gabinetes eleacutectricos
se escogiacutean equipaban y llenaban en funcioacutende la experiencia tambieacuten en lo que se refierea la tasa de llenado y a la variacioacuten de latemperatura en el tablero durante elfuncionamiento
Por ejemplo Temperatura exterior maacutexima
30983226C y 60983226C en el interior (los fabricantes de
aparamenta dan de margen hasta los 60983226C)
Esta praacutectica conduciacutea o a una pobre utilizacioacuten
del material o a actuaciones intempestivas de
las protecciones tenieacutendose la necesidad de
trabajar con las puertas abiertas
El meacutetodo propuesto por la recomendacioacuten
IEC aunque no se trate de una norma sino de
una guiacutea es de un intereacutes evidente Se
presenta detalladamente en el anexo de la
norma NFC 63410 o en la recomendacioacuten de la
IEC Ndeg 60890
Debemos de recordar los fundamentosmostrando los liacutemites y comparando con elmeacutetodo presentado en este Cuaderno Teacutecnico
En principio este meacutetodo se aplica aenvolventes a las que se puedan aplicar lassiguientes hipoacutetesis
reparto uniforme de la potencia disipada
el equipamiento se dispone de manera que no sedificulte la circulacioacuten de aire
no maacutes de 3 separaciones horizontales
Datos necesarios
dimensiones de la envolvente
potencia disipada en el interior (equipamiento
conductores)
tipo de instalacioacuten (envolvente aislada osituado en un extremo) (figura 24)
Caacutelculo
la temperatura se calcula uacutenicamente en 2
puntos de la envolvente
a media altura
T05 = Ta + ∆T050804siendo ∆T05 = dk Pw
d es un coeficiente que tiene en cuenta laexistencia de separaciones horizontales
1048573Si Ae lt 125 m2 d =1 (definicioacuten de Ae queveremos inmediatamente)
Si Ae gt 125 m2
Factor de repartode temperatura c165
116 2
3155 4
515
145
14
135
13
125
12
115
11
105
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Factor fCurvaTipo de instalacioacuten
1 Tapas separadas quitadas por todos los lados 3 Tapas separadas en montaje mural 2 Primera o uacuteltima tapa quitada
3 Tapa central quitada
5 Tapa central en montaje mural 4 Tapa central en montaje mural y con la parte
superior abierta
10485731114109917501 Factor de distribucioacuten de temperatura c para
envolventes sin orificios de ventilacioacuten y con una
superficie efectiva de enfriamiento A gt 125 m2 e
Valor de la superficie efectiva Constantede refrigeracioacuten Ae en m 2 de envolvente k
0 4
038
1 036
03415 032
2 03
028
3
25
026
4 024
5 022
6 0278 018
10 016
12 01414
01201
008
100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650
Seccion de los orificios de entrada de aire en cm2
10485731114109917501 Constante de la envolvente k para una
envolvente con orificio de ventilacioacuten y una superficie
efectiva de enfriamiento A gt 125 m2 e
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d = 1 con o sin orificios de ventilacioacuten sin
ninguna separacioacuten
d = 105 con o sin orificios de ventilacioacuten para
1 de separacioacuten
d = 115 oacute 110 con orificios de ventilacioacuten para 2 separaciones
d = 130 oacute 115 con orificios de ventilacioacuten para
3 separaciones
k es una constante que caracteriza laenvolvente su valor se determina con aacutebacos(figura 25) y es funcioacuten de la superficie deintercambio de la envolvente Ae (m2)
Ae = Σ Aob oacute Ao es la superficie geomeacutetrica delas diferentes paredes de la envolvente
b es una constante que tiene en cuenta el tipode instalacioacuten
Valores de b
1048573parte superior abierta b = 14
1048573
parte superior cubierta b = 071048573paredes laterales abiertas b = 09
1048573paredes laterales tapadas b = 05
1048573paredes laterales deenvolventes centrales b = 05
1048573parte inferior b = 0
Pw potencia disipada en Watt en la partealta de la envolvente
T1 = Ta + ∆T1
siendo ∆T1 = c ∆T05 o ∆T05 representa elcalentamiento precedente
c es una constante de calentamientodeterminada a partir de aacutebacos
Por ejemplo en el aacutebaco de la figura 24 c es
funcioacuten de Ae y de uno de los factores f o g
f = h135
(L P) si Ae gt 125 m2
g = h135L si Ae lt 125 m2
Liacutemites
Los liacutemites esenciales de este meacutetodo son
que se aplica bien a las envolventes nocompartimentadas de tipo gabinete y no a los
tableros de potencia muy compartimentados
que no tiene en cuenta la posicioacuten de lasfuentes de calor que la mayor parte de vecesno estaacuten repartidas de forma uniforme
Comparacioacuten con nuestra aproximacioacuten
Se constata que las aproximaciones danresultados similares para los tableros no
compartimentados y con fuentes de calorrepartidas (figura 26)
En lo que se refiere a las envolventes muycerradas la localizacioacuten de las fuentes de calory los intercambios entre las diferentes zonasinfluyen mucho en el calentamiento
Temperatura en oC
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Temperatura calculada seguacuten la norma
Temperatura calculada con el programa de MG
Temperatura del aire ambiente 35 oC
Dimensiones de la envolvente
alto 2 m
ancho 09 m
profundo 04 m
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
Potenciadisipada en Watt
Fig 26 Temperatura del aire a media altura en un tablero metaacutelico de distribucioacuten IP2 y de la forma 1
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8 Conclusioacuten
La importancia de los tableros eleacutectricos en la
distribucioacuten no hay que demostrarla
En cuanto a la disponibilidad de la energiacutea
eleacutectrica y de la seguridad de funcionamiento resulta indiscutible que el control teacutermico de los
tableros eleacutectricos es un objetivo fundamental
Las normas que se refieren a las envolventes ya los productos determinan los liacutemites teacutermicosque no hay que sobrepasar
Les queda a los profesionales convertirse enlaquoarquitectos teacutermicosraquo del disentildeo de lasenvolventes y tableros eleacutectricos hoy es ya
cosa hecha incluso para los tableros de serie
7172019 Ct 145mayo
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d = 1 con o sin orificios de ventilacioacuten sin
ninguna separacioacuten
d = 105 con o sin orificios de ventilacioacuten para
1 de separacioacuten
d = 115 oacute 110 con orificios de ventilacioacuten para 2 separaciones
d = 130 oacute 115 con orificios de ventilacioacuten para
3 separaciones
k es una constante que caracteriza laenvolvente su valor se determina con aacutebacos(figura 25) y es funcioacuten de la superficie deintercambio de la envolvente Ae (m2)
Ae = Σ Aob oacute Ao es la superficie geomeacutetrica delas diferentes paredes de la envolvente
b es una constante que tiene en cuenta el tipode instalacioacuten
Valores de b
1048573parte superior abierta b = 14
1048573
parte superior cubierta b = 071048573paredes laterales abiertas b = 09
1048573paredes laterales tapadas b = 05
1048573paredes laterales deenvolventes centrales b = 05
1048573parte inferior b = 0
Pw potencia disipada en Watt en la partealta de la envolvente
T1 = Ta + ∆T1
siendo ∆T1 = c ∆T05 o ∆T05 representa elcalentamiento precedente
c es una constante de calentamientodeterminada a partir de aacutebacos
Por ejemplo en el aacutebaco de la figura 24 c es
funcioacuten de Ae y de uno de los factores f o g
f = h135
(L P) si Ae gt 125 m2
g = h135L si Ae lt 125 m2
Liacutemites
Los liacutemites esenciales de este meacutetodo son
que se aplica bien a las envolventes nocompartimentadas de tipo gabinete y no a los
tableros de potencia muy compartimentados
que no tiene en cuenta la posicioacuten de lasfuentes de calor que la mayor parte de vecesno estaacuten repartidas de forma uniforme
Comparacioacuten con nuestra aproximacioacuten
Se constata que las aproximaciones danresultados similares para los tableros no
compartimentados y con fuentes de calorrepartidas (figura 26)
En lo que se refiere a las envolventes muycerradas la localizacioacuten de las fuentes de calory los intercambios entre las diferentes zonasinfluyen mucho en el calentamiento
Temperatura en oC
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Temperatura calculada seguacuten la norma
Temperatura calculada con el programa de MG
Temperatura del aire ambiente 35 oC
Dimensiones de la envolvente
alto 2 m
ancho 09 m
profundo 04 m
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
Potenciadisipada en Watt
Fig 26 Temperatura del aire a media altura en un tablero metaacutelico de distribucioacuten IP2 y de la forma 1
Cuaderno Teacutecnico Schneider ndeg 145 p 27
7172019 Ct 145mayo
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8 Conclusioacuten
La importancia de los tableros eleacutectricos en la
distribucioacuten no hay que demostrarla
En cuanto a la disponibilidad de la energiacutea
eleacutectrica y de la seguridad de funcionamiento resulta indiscutible que el control teacutermico de los
tableros eleacutectricos es un objetivo fundamental
Las normas que se refieren a las envolventes ya los productos determinan los liacutemites teacutermicosque no hay que sobrepasar
Les queda a los profesionales convertirse enlaquoarquitectos teacutermicosraquo del disentildeo de lasenvolventes y tableros eleacutectricos hoy es ya
cosa hecha incluso para los tableros de serie
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8 Conclusioacuten
La importancia de los tableros eleacutectricos en la
distribucioacuten no hay que demostrarla
En cuanto a la disponibilidad de la energiacutea
eleacutectrica y de la seguridad de funcionamiento resulta indiscutible que el control teacutermico de los
tableros eleacutectricos es un objetivo fundamental
Las normas que se refieren a las envolventes ya los productos determinan los liacutemites teacutermicosque no hay que sobrepasar
Les queda a los profesionales convertirse enlaquoarquitectos teacutermicosraquo del disentildeo de lasenvolventes y tableros eleacutectricos hoy es ya
cosa hecha incluso para los tableros de serie
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