Estudio térmico de los tableros BT.

objetivo de este artículo es aportar una contribución a la comprensión y dominio de los problemas térmicos que aparecen en un tablero eléctrico BT

Tableros Eléctricos BT

Comportamiento térmicos de Tableros BT

(parte 1 de 3)

El objetivo de este artículo es aportar una contribución a la comprensión y dominio de los problemas térmicos que aparecen en un tablero eléctrico BT. Empezando por un repaso de las normas y los fenómenos térmicos: conducción-radiación-convección, se sigue mostrando cómo, a partir de las técnicas de modelización, generalmente reservadas a otros dominios, es posible realizar una modelización en los tableros de BT.

Terminologías:

BT: Baja Tensión.


IEC: Comisión Electrotécnica Internacional.


CGBT: Cuadro General de Baja Tensión.


Coeficiente de desclasificación: Para un determinado aparato, razón entre la intensidad térmica convencional bajo la envolvente (Ithe) y su intensidad asignada de empleo (Ie o In). Su valor depende de la forma de instalar y de la utilización del aparato y de su entorno.


Coeficiente de diversidad o de esponjamiento: Razón entre la intensidad asignada del interruptor automático de entrada y la suma de las intensidades asignadas de las salidas. Este coeficiente se denomina también factor de diversidad.


Conjunto de dispositivos de BT: Combinación de uno o más aparatos de conexión a BT con los elementos asociados de comando, medición, señalización, protección, regulación, etc…, completamente montados bajo la responsabilidad del fabricante, con todas las uniones internas mecánicas y eléctricas y sus correspondientes elementos de construcción.


CS/CDS: Conjunto de serie y conjunto derivado de serie (EDS), de equipos de BT, definidos por las normas las cuales imponen diversas características técnicas, critetios de diseño y de realización de los ensayos.


Envolvente de BT: Expresión genérica que designa los gabinetes, tableros de BT. Abarca también la estructura que permite asegurar la protección de los diversos componentes y de los dispositivos en BT
contra ciertas influencias externas y la protección contra contactos directos.


Grado Celsius oC (antes, centígrado): Temperatura con su referencia de 0 oC en la temperatura del hielo fundente, y con 100 oC en la temperatura del agua hirviendo a presión atmosférica normal.


Grado Fahrenheit, oF: Unidad utilizada particularmente en el área de influencia de los países de lengua inglesa. Sus puntos de referencia son: 32 oF, para la temperatura del hielo fundente, y 212 oF para la temperatura del agua hirviendo a presión atmosférica normal. Para obtener la expresión de la temperatura Fahrenheit a partir de
los grados Celsius, debe multiplicarse la temperatura en oC por 9, dividir el resultado por 5 y sumarle 32.

Grado Kelvin, K: Unidad de temperatura delsistema internacional (SI). Escala absoluta porque su definición se deduce de datos físicos precisos. Su graduación es la misma que la escala Celsius, pero con origen decalado 273 grados: la temperatura del hielo fundente corresponde a 273 K.


Intensidad asignada de empleo (Ie ó In): Para un dispositivo dado, es la especificada por el fabricante y tiene en cuenta la tensión asignada de empleo, la frecuencia asignada, el servicio asignado.


Intensidad térmica convencional al aire libre (Ith): Es el valor máximo de la intensidad de prueba a utilizar para los ensayos de calentamiento de un componente al aire libre. Su valor debe ser al menos igual al valor máximo de la corriente asignada de empleo para el componente sin envolvente, en servicio durante 8 h.


Intensidad térmica convencional bajo envolvente (Ithe): Es el valor de la intensidad, fijada por el fabricante, que hay que utilizar para los ensayos de calentamiento de los componentes cuando están montados bajo una envolvente especifica. Si el material está destinado normalmente a utilizarse bajo envolvente no especifica, este ensayo no es obligatorio ya que queda sustituido por el de intensidad térmica convencional al aire libre (Ith). En este caso, el fabricante debe estar en condiciones de suministrar los valores de intensidad térmica bajo envolvente o bien el valor del factor de desclasificación.

Juego de barras: Expresión genérica que designa el conjunto de conductores rígidos de distribución de corriente eléctrica en el interior de una envolvente de BT no incluyendo los conductores situados aguas abajo de los dispositivos
de maniobra y protección.

Sistema: En el sentido térmico de la expresión, es la región del espacio que se toma en consideración y en la que se estudian los procesos térmicos y su evolución. Está limitado por las fronteras, reales o ficticias, que según el tipo de intercambio que se produzca en su interior nos permite distinguir entr los sistemas aislados (sin ningún intercambio de
energía ni de materia a través de su frontera), sistemas cerrados (únicamente se intercambia energía a través de su frontera, por ejemplo: envolvente de BT estanca) y sistemas abiertos (eventual intercambio de materia y energía a través
de su frontera, por ejemplo: envolvente BT ventilada).


Termodinámica: Parte de la Física que trata de la generación, transmisión y utilización del calor. Aquí,
se considera el aspecto de la transmisión, exponiendo sucintamente las leyes de transferencia (conducción, convección y radiación) y de las nociones sobre los métodos para su evaluación.

1.1 Control térmico de los tableros eléctricos de BT

Los nuevos métodos de fabricación desarrollados por la industria en el transcurso de los últimos años (tendencias, flujos,…) han puesto en evidencia una nueva noción: la seguridad industrial. Este concepto, que engloba dos aspectos diferentes: la seguridad de las personas y de los bienes y la disponibilidad de la energía eléctrica, muestra cuando se aplica a procesos complejos, los puntos críticos en los que el funcionamiento debe estar perfectamente normalizado.
El tablero eléctrico es uno de estos puntos críticos.
Hay que destacar que el problema es similar al del sector terciario. Considerado, no hace mucho, como un simple punto de paso, se ha convertido en el verdadero centro neurálgico de las instalaciones eléctricas. De su seguridad depende la seguridad del conjunto de la instalación y con ello de toda la actividad industrial o terciaria. El dominio de su funcionamiento precisa conocer y controlar no sólo el funcionamiento de sus constituyentes sino también las influencias
externas a las que se ven sometidos. Un tablero eléctrico responde a la asociación de 4 elementos fundamentales:
a- la envolvente,
b- los dispositivos,
c- las conexiones,
d- las funciones que garantizan la señalización, el comando y el tratamiento de la información.

El tablero eléctrico es cada vez más técnico. Necesita unos estudios de base para controlar, ya desde el diseño, las condiciones de funcionamiento de sus componentes en un entorno determiando. Estos estudios se refieren entre otros a los aspectos térmicos, que son el objeto del presente Cuaderno Técnico.

Los problemas térmicos de un tablero.

El control de los fenómenos térmicos es de todos el más importante, principalmente por tres razones:


1- por la tendencia a instalar el material eléctrico bajo envolventes (seguridad) que suelen ser de material aislante (poco eficacespara disipar el calor);

2- por la evolución del equipamiento que integra, cada vez en mayor medida, la electrónica, cuyas dimensiones se van reduciendo sistemáticamente;


3- por la costumbre a ocupar el volumen del tablero al máximo y aumentar el coeficiente de diversidad

Causas, efectos y solucionesLa temperatura de un material eléctrico es el resultado:


a- del efecto Joule (P = I2R), es decir, de su resistencia al paso de la corriente, b- de la temperatura ambiente.

Los elementos del tablero se diseña respetando las normas de fabricación que definen las temperaturas máximas que no debenrebasarse, para la seguridad de las personas: temperatura de la caja y de los órganos de maniobra, diferencia máxima de temperatura en los bornes.


Todo ello se verifica por ensayos de certificación de los productos. En un tablero eléctrico, el material está sometido a condiciones de empleo muy diversas y las causas de sobretemperatura son múltiples.
La tabla de la figura 1 presenta las causas principales, sus efectos y las posibles soluciones.


Todo el problema consiste en asegurarse, en el momento del diseño del tablero de que todos sus componentes funcionarán en unas condiciones de temperatura menos severas que las límites previstas en las normas de construcción. Los elementos tales como (interruptores automáticos, contactores, etc…), deberán poder ser atravesados por la corriente
prevista sin ningún problema. Esto puede ocasionar un problema de calentamiento que se manifestará con temperaturas, localizadas en diversos puntos de un aparato o de un equipo de BT, superiores a los valores limite fijados por las normas o dependientes del comportamiento de ciertos componentes. Un estudio térmico de una envolvente BT tiene por objetivo principal el determinar la intensidad admisible para cada aparato, compatible con sus características,
teniendo en cuenta su entorno de funcionamiento.

El otro objetivo de seguridad para las personas y los bienes, no debe perderse de vista desde las dos condicionantes adicionales:
1-disponibilidad de la energía eléctrica (sin funcionamiento intempestivo o no funcionamiento),
2-tiempo de vida de los componentes. En definitiva, el objetivo a alcanzar consiste en prever, con alta fiabilidad, el estado de funcionamiento térmico del tablero. Para conseguirlo, nos apoyaremos en tres tipos de soluciones:
a- la experiencia del fabricante
b- los ensayos reales para los tableros repetitivos,
c- la utilización de programas informáticos con los que es posible determinar, en función de las características de la envolvente, el par intensidad-temperatura para cada una de las fuentes de calor dispositivos, conductores) y todo ello en función de su posición y de la temperatura del aire que los envuelve.

Es evidente que un programa informático amparado por la experiencia y los ensayos es muy útil ya que permite estudiar
comparativamente las numerosas configuraciones de instalaciones posibles y optimizar el cuadro a realizar desde el punto de vista térmico… y del costo.

Tabla 1 soluciones a calentamiento tableros BT

Detalle sobre las normas

Son muchas las normas que abarcan el amplio campo de la BT, por ejemplo la Reglamentación AEA/02 define las reglas a respetar para todas las instalaciones de baja tensiónen inmuebles. Para los aspectos de definición y de concepción de los aparatos y conjuntos de BT podemos referirnos respectivamente:
a-a las normas de dispositivos por ejemplo la IEC 60947,

b- a la norma IEC 60439, para los tableros (y sus montaje) en BT.

La norma internacional IEC 60439 se divide en cinco partes:


1- IEC 60439.1 (nov. 1992) que reúne las reglas para los conjuntos de serie (CS) y los conjuntos derivados de serie (CDS).
2- IEC 60439.2 (1997) que define las reglas para las canalizaciones prefabricadas,
3- IEC 60439.3 (dic. 1990) que comprende la instalación de los dispositivos de BT en zonas accesibles a personas no advertidas,
4- IEC 60439.4 (dic. 1990) que define las reglas para las instalaciones en canteras, 5- IEC 60439.5 (mar. 1996) que se refiere al montaje de redes de distribución, instaladas enel exterior (por ejemplo, tableros para aceras o andenes).

La parte que afecta particularmente a los tableros de BT es la IEC 60439.1 editada en 1992.
En el ámbito europeo, esta última es la base de la mayor parte de normas nacionales (British Standard, NFC, VDE, UNE …). En efecto sus contenidos transcriben fielmente el texto de la norma IEC, las diferencias corresponden más a costumbres propias de cada país que a diferencias causadas por puntos fundamentales de la norma IEC.
El aporte esencial de esta norma ha sido el definir de forma precisa dos nociones encaminadas ambas hacia un aumento de la seguridad. Éstas son:

a- la noción de conjuntos totalmente ensayados CS (conjuntos de serie) o parcialmente ensayados CDS (conjuntos derivados de serie),
b- la noción de las formas (figura 2).

Figura 2 : Diversas «formas» según la norma IEC 60439.

Sin entrar en el detalle, podemos decir que los CS corresponden a productos perfectamente definidos y fijados tanto a nivel de componentes (planos precisos de cada uno de sus constituyentes) como de su fabricación (guía de montaje) y deben satisfacer los ensayos de tipo (calentamiento, cortocircuito, continuidad de masa…) definidos por la norma.

Los CDS corresponden a conjuntos en los que la estructura de base es un CS con una o varias modificaciones; modificaciones que deben de estar validadas por el cálculo o por un ensayo específico. La noción de forma corresponde a una definición precisa de los grados de separación que pueden encontrarse en un tablero y que aumentan la protección de las personas por una no accesibilidad a las partes activas (juegos de barras…). Se distinguen 4 tipos de formas que
van desde una ausencia total de separación (forma 1) hasta un cierre completo de los diferentes elementos del tablero (forma 4). Hay que advertir que este encierro incide muchísimo sobre la componente térmica de estos conjuntos.

La norma IEC define igualmente el ensayo de calentamiento que debe satisfacer un conjunto.

Esta norma precisa las condiciones y los límites de calentamiento (8.2.1 de la norma) que no deben superar los diferentes componentes del conjunto.
1- Condiciones de ensayo:
2- El conjunto debe estar dispuesto para el uso
normal.
3- La corriente correspondiente al valor asignado se reparte entre los diferenteselementos teniendo en cuenta un factor d
diversidad (Kd) variable según el número de

circuitos principales.
2 ≤ nº de circuitos principales ≤ 3 Kd = 0,9
4 ≤ nº de circuitos principales ≤ 5 Kd = 0,8
6 ≤ nº de circuitos principales ≤ 9 Kd = 0,7
número de circuitos principales ≥ 10 Kd = 0,6

Se consigue realmente la estabilizacióntérmica cuando la variación de temperatura no excede de 1oC/h. Los conductores conectados a los aparatos deben tener su sección conforme a las directrices de la norma.


� Las mediciones de temperatura se efectúan con ayuda de termocuplas.

� La temperatura ambiente de referencia es de 35oC. Con relación a la temperatura ambiente, no deben excederse los calentamientos: 70 K para los bornes de conexión de los conductores exteriores, 25 K para los órganos de mando manual de material aislante, 30 K ó 40 K para las superficies metálicas externas, accesibles o no. valores específicos particulares para los constituyentes incorporados y también para los aislantes en contacto con los conductores.

Hay que señalar todavía un tema de normalización: la existencia de una guía técnica de predeterminación de los calentamientos (IEC 60890). Ha estado validada por numerosos ensayos ya que no tiene la categoría de norma.
La guía da resultados correctos para unas configuraciones simples (envolvente poco compartimentada, fuentes de calor
uniformemente repartidas…).

Comportamiento térmico de un tablero eléctrico en BT

Un tablero eléctrico es un sistema compuesto de un fluido (el aire) y de cuerpos sólidos en los que el paso de corriente eléctrica va acompañada de pérdidas de energía que provocan una elevación de temperatura.

Repaso sobre los principales fenómenos térmicos


Los intercambios térmicos permiten describir el comportamiento de un sistema cualquiera, en el que el sistema es un tablero eléctrico.Contemplan tres tipos de fenómenos diferentes: Fenómeno de conducción: que corresponde a una transferencia de calor al interior de cuerpos sólidos (figura 3). Se distinguen:
1. por una parte, los fenómenos de conducción simple, para los que el cuerpo considerado no es la base de ningún fenómeno térmico, por ejemplo: conducción al interior de un muro,
2. por otra parte, los fenómenos de conducción viva, donde el cuerpo estudiado es la base de una creación de calor; por ejemplo: barra de cobre recorrida por una corriente eléctrica.

Los cálculos relativos a la transmisión de calor por conducción se basan en la ley de Fourier, que para las geometrías simples, se reduce a la relación:

La evolución hacia el equilibrio térmico serealiza por transferencia del calor desde laspartes activas dispositivos, conductores,…),donde se genera dicho calor, hacia las partes en contacto con el exterior que lo transmiten a su alrededor, al medio que los rodea. siendo:


Φij = flujo calórico transmitido entre dos puntos i y j, en
W,
λ = conductividad térmica en W/m oC,
S = superficie de transmisión en m2,
Ti, Tj = temperaturas de los dos puntos en oC,
d = distancia entre los dos puntos en m,

λ es una característica del medio «conductor».
Su valor es función de la temperatura pero a menudo se considera como una constante. Por ejemplo: algunos valores de λ en W/m oC:
Plata λ = 420
Cobre λ = 385
Aluminio λ = 203
Acero λ = 45
Materiales plásticos λ = 0,2
Asfalto λ = 0,935
Piedra λ = 0,657
Lana de vidrio λ = 0,055
Aire (30 oC) λ = 0,026

Impedancia de las conexiones

Intercambios termicos al nivel de un Tablero

En el esquema de la figura 7, se presentan los elementos que constituyen el sistema estudiado: aire ambiente, envolvente, aire interno y las diferentes fuentes de calor. Esta descripción del estado térmico del tablero nos muestra que todos los fenómenos de intercambios descritos hasta aquí deben tenerse en cuenta y están fuertemente interrelacionados.

Fig. 7 Comportamiento térmico de una emvolvente.


Por ejemplo:
1- la temperatura del aire interno resulta:
2- de los intercambios por convección entre el aire interno y las superficies de los diferentes dispositivos, de los conductores y de las paredes.
3- del calor transportado por los movimientos convectivos del aire.
4- Al nivel de la dispositivos, el calor generado por efecto Joule es intercambiado:
a- por convección entre su superficie de intercambio y el aire interno.
b- por conducción entre las barras y los cables.
c- por radiación con las paredes de la envolvente y las superficies de los otros dispositivos.
Los fenómenos más importantes que intervienen en el comportamiento del conjunto son los fenómenos de convección.

Leer parte 2 /3 del articulo Aquí ( aún en desarrollo – prevista su publicacion Viernes 5/11 a las 08:20hs AM)

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