Medición de energía eléctrica de forma indirecta

La medición de energía eléctrica de forma indirecta, se utiliza en instalaciones industriales y comerciales, donde se requieren de un gran consumo de corriente.

Medición de energía eléctrica de forma indirecta

Los medidores actuales son del tipo “S” Socket, también nombrados como de enchufe, tiene terminales llamadas bayonetas, una especie de clavija que son introducidas en las mordazas, localizadas en la base para medidor.

Los Watthorímetros tipo S, se dividen en autocontenidos y no autocontenidos.

Medidor autocontenido

La gran mayoría de medidores utilizados actualmente son de este tipo llamado autocontenido.

Un medidor autocontenido, no requieren aparatos externos, para cumplir su función.

 La corriente de línea entra al medidor y sale hacia la carga.

Bases para medidores autocontenidos

La corriente marcada en la placa de datos de estos medidores, es de 15 (100) A; donde; los 15 amperes es la corriente nominal, utilizada para ajuste y calibración del medidor, la corriente máxima se anota generalmente entre paréntesis (100 amperes) “Especificación CFE GWH00-34”

Las regulaciones en México nos señalan limitarla, con protecciones de 30 amperes, como valor máximo en cada fase.

Medición indirecta con aparatos secundarios en armario

Algunas industrias y comercios en su funcionamiento, utilizan más de 100 amperios, en estos casos por protección y seguridad no se mide directamente el circuito de alimentación.

Las corrientes son de tal magnitud, que, si pasaran directamente, como en los medidores autocontenidos, se dañaría el Watthorímetro.

En la medición indirecta la alimentación eléctrica a medir, proviene de la subestación local, donde se pueden obtener corrientes muy grandes.

Medidor de energía eléctrica de 13 terminales, forma 9S

En la medición indirecta se utilizan un medidor de 13 terminales, y se hace uso de transformadores, de corriente (TC) y de potencial (TP).

Del secundario de transformadores (TC y TP) un porcentaje muy pequeño, llega al medidor, los circuitos internos del medidor, toman en cuenta la relación, y registran lecturas del circuito de alimentación con alta precisión y de forma instantánea.

Transocket

Los elementos secundarios (transformadores TC y TP) pueden ir en un armario externo, o bien alojados en el gabinete de la base del medidor (transocket).

Mi agradecimiento al Ingeniero Sergio Elías Reyes Medina, Instructor del Conalep de Gómez Palacio, por sus aportaciones.

Servicio eléctrico con demanda de hasta 25 KW

 En el servicio eléctrico con demanda de energía hasta 25 KW, se emplea un Watthorímetro tipo enchufe, de 7 terminales.

Servicio eléctrico con demanda de hasta 25 KW

Es servicio trifásico es utilizado en instalaciones comercial, industrial o donde se demanda un alto consumo de energía, como en las grandes residencias.

Se suele decir que es una alimentación a 4 hilos, donde los hilos es una palabra técnica referida a los cables conductores.

Alimentación a 4 hilos

El sistema de alimentación  a 4 hilos (también conocido como estrella), es la forma mas común y versatil de distribuir la energía eléctrica, en instalaciones donde se requiere alimentar, tanto cargas monofásicas como trifásicas.

El sistema cuenta con tres conductores vivos (activos) L1, L2 y L3 más un conductor neutro N, y de él se obtienen 2 tensiones eléctricas (127/220 V). 

También existe un arreglo de (120/208 V). los voltajes provienen del bobinado secundario conectado en estrella de un transformador de distribución. 

Servicios de energía eléctrica

Los servicios de alimentación de energía estandarizados en México, son de 5, 10 y 25 KiloWatts (2, 3 y 4 hilos).

En la figura anterior se señalan sus valores nominales, debemos prestar atención en el valor 15 A (amperes), señalado como común en todos los sistemas, es así porque es un valor nominal para calibrar el watthorímetro.

La corriente en realidad dependerá de la carga conectada, por norma la tenemos limitada con fusibles de 30 Amper en cada línea viva.

Base para medidor de 7 terminales

El Watthorímetro mide y registra la energía consumida, es decir integra la potencia real (activa) en un periodo de tiempo.

Aunque los watthorímetro acttual es electrónico, se suele representar de una forma simple, que facilita su identificación.

Representación normalizada de Watthorímetros

La representación normalizada para el watthorímetro de 7 terminales, le corresponde a la forma 16 S .

Variación de la tensión eléctrica

 Se nombra variación de la tensión eléctrica, a las fluctaciones de voltaje, elevaciones o reducciones espontáneas en la energia eléctrica, fuera de su valor nominal.

Variación de la tensión eléctrica

Las variaciones de voltaje tienen rangos aceptables normalizados.

El Reglamento de la ley del Servicio Público de Energía Eléctrica, mexicano tiene como objetivo reglamentar el servicio y las actividades, del Sistema Eléctrico Nacional SEN a cargo de a CFE (Comisión Federal de Electricidad).

Por ley el reglamento  en su artículo 38, establece parametros, donde el suministrador deberá ofrecer y mantener el servicio en forma de corriente alterna, observando lo siguiente

I)             “Que la frecuencia sea de 60 Hertz, con una tolerancia de 0.8 % en más o en menos, y”

II)           “Que las tolerancias en el voltaje de alta, media o baja tensión, no excedan de 10% en más o en menos y tiendan a reducirse progresivamente.”

Gráfica de perturbaciones de corta y larga duración 

Para un servicio con tensión nominal de 120 Voltios, la CFE debera supervizar y controlar el servicio, para mantener la tensión en valores que se encuentren entre entre (120 +/- 10%). 108 y 132 Voltios, valores que debemos considerar como tensiones normales.

Tal y como lo señala la gráfica reproducida  de la guía CFE L000-70,  “Calidad de la energía: Características y límites de las perturbaciones de los parámetros de ls energía eléctrica”.

La norma estadunidense como la ANSI C84.1-2016, señala que para obtener un “voltaje real”, este  se divide en  2 rangos, A y B, estos rangos se indican en una  ubicación, voltaje de servicio y voltaje de utilización.

Ubicación del voltaje de servicio y voltaje de utilización

El voltaje de servicio se mide en el punto de suministro, mientras que el voltaje de utilización, se mide en las terminales del equipo del usuario.

La diferencia entre ambos voltajes (servicio y utilización). permite conocer la caida de voltaje en el cableado del usuario.

Rangos de voltaje de la norma estadunidense ANSI C84.1

El rango A  es denominado de servicio, y es responsabilidad de la empresa suinistradora de energía, su rango alto es 126 Voltios (105% del Voltaje nominal y su rango bajo es 114 (95 %Vn).

El rango B incluye tensiones superiores e inferiores al rango A, necesarios para el diseño y operación del sistema, el rango B alto 127 Voltios (105.83% Vn), el rango B bajo 110 Voltios (91.67%).

Variación de tensión fuera de control

Se indica tambien que habrá periodos poco frecuentes donde se produciran tensiones fuera de los limites del rango B, estas deben ser poco frecuentes y limitadas, debido a condiciones fuera de control, del provedor, del usuario o de ambos.

Porcentajes de caidas de tensión del usuario

 El Código Eléctrico Nacional (NEC)  estadunidense recomienda, que la caida de tensión en circuitos derivados (subpanel y equipo utilizador) sea inferior al 3%, misma cantidad también  recomendada del panel principal al subpanel.

Rangos de voltaje estadunidense para servicio combinado 120/240 V

El valor nominal se ve influenciado por variaciones de tensión, principalmente debido caídas de voltaje y condiciones operativas.

 Estas variaciones estan limitadas por regulaciones, para garantizar la calidad y la seguridad en el servicio eléctrico.

120/240 Voltios

120/240 Voltios, es un voltaje nominal combinado, normalizado en los Estados Unidos de Norteamérica y en México, y la mayoría de los hogares, lo reciben del sistema de distribución con fase dividida.

120/240 Voltios

El servicio eléctrico que llega a nuestras casas por líneas de distribución, es un voltaje secundario combinado, 2 mitades de voltaje de línea a neutro de 120 voltios y un voltaje de línea a línea de 240 voltios.

Las regulaciones estadunidenses como el Código Eléctrico Nacional (NEC) en su artículo 220.5, y la norma ANSI C84.1, señalan como valor nominal 120/240 Voltios.

Las tensiones de 110/220 V. fueron sustituidas por 120/240 V. por regiones hace ya varias décadas  en los Estados Unidos de América.

Transformador monofásico con norma K

En México, los transformadores para distribución de la energía eléctrica, utilizados en fraccionamientos residenciales, son diseñados y fabricados, para la CFE (Comisión Federal de Electricidad), bajo la norma K, las especificaciones CFE K1000-01 y CFE L0000-02, en las que se señala, que el voltaje nominal de salida es de 120/240 Voltios.

ESPECIFICACION CFE L0000-02

Los cambios en regulaciones estadunidenses, son adoptados en México, para hacer compatible la norma nacional con la internacional, dada la relación entre ambos países.

El Código Eléctrico Nacional (NEC), menciona en el artículo 220,5, para “cálculos” de cargas, “se utilizarán las tensiones nominales del sistema, de 120, 120/240, 208 Y/120, 240, 347, 480 Y/277, 480, 600 Y/347 y 600 Voltios.”

Un valor nominal es la principal referencia, podíamos afirmar que es “un valor ideal”, sin embargo, existen diversos factores que causan inestabilidad en la red de distribución, por lo que se permiten variaciones de tensiones mayor o menor de un 10%.

Secadora para tensiones de 208, 220 y 240 

Los equipos señalan en sus especificaciones solo en tensiones nominales,  y pueden ser diseñados con multitensiones.

Existen transformadores trifásicos, con tensiones secundarias de 127/220 Voltios, algunos de estos transformadores en zonas comerciales e industriales, en donde existen residencias.

De estos transformadores, podemos tener servicios trifásicos a 4hilos, o bifásicos a 3 hilos, de donde se toman tensiones monofásicas, a dos hilos para equipos a 220 voltios.

Electrodoméstico con voltaje nominal de 240 Voltios

En las redes sociales estadunidenses (en internet), se sorprenden que se siga afirmando, que hay voltajes nominales de distribución de energía de 110/220 V.

110/120 V., es un estándar antiguo que fue sustituido por 120/240 V., se afirma, que en algunas regiones de los EE.UU. hace 75 años. 

En México, la confusión sin duda, es aún más grande. 

Servicio eléctrico con voltaje de 120/208 Volts

 El servicio eléctrico con voltaje de 120/208 Volts, es un sistema estadunidense de uso comercial e industrial, que proporciona120 Volts de línea a neutro (L-N) Y 208 Volts de línea a línea (L-L)

Servicio eléctrico con voltaje de 120/208 Volts

La tensión eléctrica de 120 voltios, tiene aplicación residencial, y es señalado como estándar, por la Comisión Federal de Electricidad (CFE) en México.

El voltaje de 208 Voltios es extraño en México. No es así, en los Estados Unidos de Norteamérica, donde este servicio eléctrico es el más común, utilizado en edificios comerciales y pequeñas industrias.

Secundario del transformador

Las tensiones provienen del secundario de un transformador delta - estrella, y se representa para el análisis entre las 2 tensiones, solo el devanado secundario del transformador.

Este devanado secundario, tiene conexión estrella a 4 hilos, y suele abreviarse como 120/208Y o 120/208 WYE.

Para obtener los 208 V., se multiplica los 120 por la raíz cuadrada de 3.

 (1.732) x (120) = 208 Volt.

Secundario del transformador con neutro puesto a tierra

La raíz de 3 surge a partir de que las tres líneas de 120 voltios, están separadas 120 grados eléctricos, entre sí.

Algunas regulaciones, señalan colocar la tierra de servicio, la menciono al último, ya que no es utilizada para determinar el porqué del 208.

Aplicación del servicio eléctrico 120/208 Volts

Los 120 Voltios se utilizan para lámparas y equipos monofásicos y los 208 voltios para equipos trifásicos.

El NEC (Código Eléctrico Nacional) estadunidense, señala que para identificar este sistema de otros servicios eléctricos, el color del aislante del conductor, se emplea en las  fases A, B y C, (negro, rojo y azul), el neutro (blanco) y el de tierra de servicio (verde).

Nuestra referencia más cercana en México es el transformador (delta-estrella) 127/220 Voltios.

Voltajes nominales equivalentes

 Los voltajes nominales equivalentes, no causan ningún problema importante, cuando se conecta un aparato.

Voltajes nominales equivalentes

Los primeros sistemas de electricidad comercial de corriente alterna, utilizaron los focos de Thomas Alva Edison, tenían como objetivo iluminar, y a pesar  del tiempo, en México, continuamos afirmando de forma general, que pagamos el recibo de la luz.

 Cuentan que dichos focos, se diseñaron para alimentarse con un voltaje nominal de 100 Voltios, de corriente directa, y que fueron  alimentados con 110 Voltios de corriente alterna, para que iluminarán  con mayor intensidad.

Los antiguos focos fueron capaces de soportar este aumento de tensión eléctrica.

Tolerancia en el voltaje nominal

 “El voltaje nominal es el valor de voltaje, para el cual un dispositivo o sistema eléctrico, fue diseñado para funcionar de manera óptima y segura”

El rango de variación que se permite en una línea de alimentación eléctrica, se nombra tolerancia de voltaje, suele ser de +/- 10 % del voltaje nominal.

Voltajes nominales de fase y de lineas de sistema trifásico

Los transformadores trifásicos, proporcionan voltajes monofásicos nominales de 127 Voltios +/- 10 %. 

Los transformadores bifásicos, proporcionan voltajes monofásicos nominales de 120 voltios +/- 10 %.

Voltajes nominales de fase y de lineas de sistema bifásico

El estándar de tensión eléctrica de 120 voltios, es señalado, por la Comisión Federal de Electricidad en México, en su servicio de acometida.

Las longitudes de circuitos, la temperaturas, la resistencias de conductores, los falsos contactos, entre otros factores, también crean variaciones de voltajes.

Los fabricantes de aparatos eléctricos, conocen de estas variaciones.

 Conectar un aparato a 110, 115, 120 o 127 Voltios, no causa ningún problema.

Designación del medidor doméstico de energía

 La designación del medidor doméstico de energía, tipo Socket, se señala con el acrónimo 1S.

Designación del medidor doméstico de energía

El medidor 1S se diseña para trabajar a 120 voltios monofásico, 60 Hertz y con una clase de exactitud de 0.5.

En su carátula se marcan los parámetros; 1S, 1F, 2H, 1E, 15 (100) A, y actualmente se suele incluir, su diagrama esquemático de conexiones.

Los parámetros 1F y 2 H, del kilowatthorímetro

La energía que llega a nuestras casas, proviene de un sistema de generación eléctrica, llamado trifásico, del que se pueden tomar 3 tensiones monofásicas, con desfase entre ellas.

El desfasamiento ocurre porque las tensiones no se generan a un mismo tiempo, y se utiliza una de las tres fases (L1 y N; L2 y N; L3 y N).

En nuestros hogares llega la energía eléctrica, de 1 fase (1F), por 2 conductores (línea y neutro), que reciben el nombre técnico a 2 hilos (2H). 

El Watthorímetro digital “inteligente”, es electrónico de “estado sólido”, y ha dejado en desuso al medidor analógico electromecánico.

Watthorímetro analógico

El Watthorímetro analógico trabaja con el principio del “motor de Ferraris”, está caracterizado por un disco giratorio (rotor) que mueve ruedas con números, como si fuera reloj.

En su estator hay una bobina, para sensar (detectar) el voltaje “V” y otra bobina para la corriente “I”.

Antiguamente se afirmaba con razón, que el medidor de energía necesitaba 1 E (Estator), el estator es el circuito eléctrico fijo, en nuestro estudio, se incluyen las 2 bobinas “V” y “I”.

Diagrama esquemático del medidor de energía tipo 1S

En el Watthorímetro digitales monofásico, no utilizan el motor eléctrico, sin embargo, en la representación gráfica, continúan tradicionalmente representándose como bobinas.

La combinación de señales de tensión y corriente de entrada sensadas, “voltaje y corriente” se nombra técnicamente hoy como “elemento”, 1E (Elemento).

La especificación CFE GWH00-34.

4.18 “el término elemento es también referido como estator”.

Datos del medidor de energía tipo 1S

La corriente 15 A (Amperes), es también señala (CFE GWH00-34)

4.15 Corriente Nominal (In).

“Es el valor de la corriente marcada en la placa de datos, utilizada para el ajuste y calibración del medidor, y debe satisfacer los requerimientos de exactitud de esta especificación.

La corriente de (100) A  (100 Amperes).

“4.13 Corriente Máxima (Imáx)”

“Es el valor máximo de corriente marcado en la placa de datos, que admite el medidor en régimen permanente, y que debe satisfacer los requerimientos de exactitud de esta especificación; este valor es normalmente igual a la corriente de clase y se anota generalmente entre paréntesis.

Medidor de energía tipo S

 El medidor tipo S, es el término que se da, al medidor que se inserta en las mordazas de una base enchufe., donde la sigla “S” viene de la palabra socket.

Medidor de energía tipo S

Socket es un término inglés, y en ese idioma tiene variadas acepciones, en nuestro estudio es un enchufe.  

Los Watthorímetros más comunes, son los “auto-contenidos”

El término de “auto-contenido”, se  da al aparato de medición que no requieren elementos externos, como el uso de transformadores u otro equipo.

Medidor monofásico de energía eléctrica tipo S 

Los watthorímetros electrónicos, heredaron el sistema de montaje de los medidores analógicos, incluyendo la misma base, sus mordazas y algunos de sus términos.

En cuanto a su instalación, es un enchufe, clavija - contacto. Donde la base y sus mordazas, hace la función del tomacorriente.

Terminales del sistema de medición de energía eléctrica

Es importante señalar que la conexión central localizada en la base, que va finalmente conectada a tierra (tierra de servicio), cumple la función de eliminar variaciones de tensión, y está normalizada su presencia y su función.

 Sin embargo, la conexión de tierra de servicio no cumple una función vital de medición, por lo que, si por alguna razón es eliminada, por  ejemplo por vandalismo, el medidor continúa funcionando.

En México utilizamos Watthorímetros digitales tipo S, monofásicos y polifásicos, con una clase de exactitud 0.5.

Bases bifásica y trifásica para Medidores de energía tipo S

El medidor autocontenido, para uso doméstico  monofásico, tiene 4 terminales, el bifásico cuenta con 5 terminales, y se emplea en comercios y grandes residencias,  el trifásico utiliza 7  terminales, y tiene aplicación, en grandes residencias, comercios e industrias.

Medidor del servicio eléctrico multifuncional

 Un medidor del servicio eléctrico multifuncional, es un dispositivo que mide como objetivo específico el consumo eléctrico, los KiloWatts - hora, además de contar con funciones adicionales.

Medidor del servicio eléctrico multifuncional

La Comisión Federal de Electricidad (CFE), en su especificación CFE G0000-48 de “medidores multifunción para sistemas eléctricos”, define  el punto (4.2.1) como  la  Multifunción.  A la “integración funcional de capacidad de medición, comunicación local y remota, control de entrada y/o salida almacenamiento y transferencia de datos”.

Medidores de energía eléctrica

Los medidores del consumo de  la energía eléctrica en México, todavía conservan el nombre de “medidores de luz”, derivado de que las primeras casas, solo tenian como  consumidores lámparas.   

El medidor digital “inteligente” es electrónico " de estado sólido", y ha dejado en desuso, al medidor analógico (electromecánico), que trabaja bajo el principio del motor de Ferraris, este último caracterizado por un disco giratorio (rotor) que mueve  ruedas con números, como si fuera reloj.

Medidor inteligente de energía eléctrica monofásico

El medidor electrónico monofásico para sistema interactivo de medición de energía eléctrica, utiliza la misma base y conexiones de su antecesor (del medidor analógico).

Su multifuncionalidad la obtiene de sus circuitos electrónicos, a las nuevas generaciones, acostumbrados al teléfono celular, no les parecerá extraño que además de su función específica, el aparato se capaz de cumplir diversas tareas.

Funciones integradas de características eléctricas

El contador del suministro de energía eléctrica, nos brinda el servicios equivalente varios medidores, con clase de exactitud de 0.5.

Este medidor puede comunicarse con otros dispositivos, con el usuario, le permite establecer un dialogo, con información importante, como fallas o suspensión del servicio por falta de pago.

Fusible con base Edison

El fusible con base Edison, es un antiguo dispositivo de protección contra sobre corrientes, el abuelito de los fusibles, se obtiene para trabajar como reemplazo.

Fusible con base Edison

A pesar de sus años es poco conocido en México, ya que sus años de gloria, han quedado lejos.

 Todavía trabaja., ha sobrevivido a los cambios,  y esta presente, en algunas antiguas acometidas.

 En México es conocido como tapón fusible de 30 amperes, en su pais de origen, los estadunidenses lo denominan como fusible enchufable.

Antigua acometida

Los hay para diversas aplicaciones, y varias capacidades (amperajes).

Se acopla a su base como tornillo, al igual que los focos.

 “Según el Código Eléctrico Nacional (NEC) estadunidense, Los fusibles enchufables con base Edison deben clasificarse como de 125 voltios o menos y 30 amperios o menos”.

 Es decir, el tapón fusible, es de uso residencial.

 Tapón fusible

El tipo W es un fusible de enchufe de acción rápida (de uso general).

El tipo T es un fusible de enchufe de acción lenta (uso en motores).

El tipo TL es un fusible de acción de retardo y servicio medio, (utilizado en secciones de instalaciones).

El tipo D es un fusible de enchufe de retardo (uso en circuitos de encendido y apagado frecuente).

Bases de fusible enchufable 

Una persona poco diestra en el uso de fusibles, puede crear un problema, al colocar un fusible de una capacidad o caracteristicas diferente al original.

  Los fusibles de 10, 20 y 30 amperios, o de diferentes tipos, tienen la misma base roscada.

 Para asegurar que un fusible se instale en el lugar correcto, se crearon los fusibles tipo “S”, llamados de rechazo o a prueba de manipulaciones, ya que cada fusible tiene adaptador con rosca exterior Edison y en su interior una  rosca especial diferente.

Fusible con base Edison con interruptor de reinicio

Existen fusibles con base Edison con interruptor de reinicio, nombrados por los estadunidenses como fusible “mini breaker”.

Edison Fuse

En México, en las actuales regulaciones de acometidas de la Comisión Federal de Electricidad (CFE), ya no es requerido, pero la experiencia en él, continuara en otros dispositivos.