UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS ELECTRIFICACIÓN URBANA AÉREA DEL DISTRITO DE LIMA MEMORIA DESCRIPTIVA 1. GENERALIDADES: UBICACIÓN : El área escogida esta entre la Av. Alfonso Ugarte, Av. Grau, Av. Sebastián Lorente y Av. Enrique Meigs 2. ALCANCES La presente obra comprende el diseño de las redes eléctricas del subsistema de distribución primaria preparados para trabajar en 22.9Kv, inicialmente operara en 10 Kv., desde el punto de alimentación hasta la subestación compacta pedestal ubicada, desde el cual se suministrara energía eléctrica a las redes del subsistema de distribución secundaria de la habilitación urbana de Lima La obra comprende: 2.1 Red primaria a la tensión nominal de 10 Kv., preparada para operar en 22.9 Kv. 2.2 El montaje de una subestación compacta pedestal. 3. CONSIDERACIONES DE DISEÑO: Si tomamos en cuenta el diseño propio de nuestra instalación podemos ver que vamos aplicar condiciones de altitud, condiciones de caída de tensión, condiciones de pérdidas de energía, etc.
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UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS
ELECTRIFICACIÓN URBANA AÉREA DEL DISTRITODE LIMA
MEMORIA DESCRIPTIVA
1. GENERALIDADES:
UBICACIÓN : El área escogida esta entre la Av. Alfonso Ugarte, Av. Grau, Av. Sebastián Lorente y Av. Enrique Meigs
2. ALCANCESLa presente obra comprende el diseño de las redes eléctricas del subsistema de distribución primaria preparados para trabajar en 22.9Kv, inicialmente operara en 10 Kv., desde el punto de alimentación hasta la subestación compacta pedestal ubicada, desde el cual se suministrara energía eléctrica a las redes del subsistema de distribución secundaria de la habilitación urbana de Lima
La obra comprende:
2.1 Red primaria a la tensión nominal de 10 Kv., preparada para operar en 22.9 Kv.
2.2 El montaje de una subestación compacta pedestal.
3. CONSIDERACIONES DE DISEÑO:
Si tomamos en cuenta el diseño propio de nuestra instalación podemos ver que vamos aplicar condiciones de altitud, condiciones de caída de tensión, condiciones de pérdidas de energía, etc.
Todos los cálculos van a ser previstos hallando la altitud de los postes, con la flecha nominal, para lo cual haremos uso de los cálculos mecánicos.
Tenemos en cuenta en todo momento que la demanda es para 20 años, y con un crecimiento del 2 %.
Conductores son desnudos aleación de aluminio.
Las subestaciones serán de 400 KVA, y todas serán bipostes.
4. CALCULOS ELECTRICOS DE CAIDA DE TENSION: En las tablas adjuntas en Excel le presentamos los cálculos y mostramos que no superamos el 5% de caída de tensión.
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5. PERDIDAS DE POTENCIA Y ENERGIA POR EFECTO JOULE
Fc= factor de cargaFp=factor de pérdidasΦ= ángulo de factor de pérdidas.VL= tensión entre fases.L= longitud del tramo.
6.- DETERMINACIÓN DEL AISLAMIENTO DE LAS LÍNEAS PRIMARIAS.
Según normas internacionales (IEC, IEEE-ANSI, etc.), el aislamiento de líneas de media tensión debe diseñarse tomando en cuenta los siguientes criterios:
- Sobretensiones a la frecuencia industrial
- Contaminación ambiental
- Sobretensiones atmosféricas.
La norma IEC 60815 define los siguientes requerimientos de línea de fuga, de acuerdo con el grado de contaminación:
- Nivel de polución I (ligero) 16 mm/kV - Nivel de polución II (medio) 20 mm/kV - Nivel de polución III (pesado) 25 mm/kV - Nivel de polución IV (muy pesado) 31 mm/kV
TIPO PIN SUSPENSIONClase EEI-NEMA 55-4 52-3
Tensión disruptiva enSeco 70 KV 80KV
Tensión disruptiva bajoLluvia 40 -KV 50KV
Tensión de perforación 95KV 110KVCarga de rotura 3000 Lbs 15000 LbsLínea de fuga 9" Puig. 11 '/2" Puig.
Podrán ser de porcelana o vidrio endurecido. Para la red primaria será de dos tipos.
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7.- DISEÑO DEL AISLAMIENTO DE LOS EQUIPOS DE SUBESTACIONES Y COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO.
Materiales : PorcelanaDiámetro del
aislador :57.15mm (2 1/4")
Altura del Aislador :53.97mm (2 1/8"9
Diámetro del agujero :17.46mm(11/ 16')
Resistencia Mecánica :909 Kg. (2000 lbs.)
Tensión de flameo
- En seco :20 Kv.
- En húmedo vertical :8 Kv.
- En húmedo horizontal 10 Kv.
Referencia ANSI RO/2011Norma de fabricación :EEI - NEMA 53-1
Tensión de servicio :220 V.
8.- PUESTA A TIERRA.
Se ejecutara un pozo a tierra para la MT y BT a fin de proteger adecuadamente los equipos de la subestación particular. La medida del pozo a tierra de MT y BT no deberá superar los 25 y 15 respectivamente.
El electrodo para el pozo a tierra a ejecutarse será de copperweld de 5/8” de diámetro y 2400mm de longitud y estará provisto de conector mordaza, el pozo de tierra será de 0.80m de diámetro por 2.50m de profundidad, con tierra y sales de tratamiento TORGEL, hasta lograr valores menores de 10.
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RED PRIMARIA
1. Consideraciones de Diseño.
El diseño se hizo para una proyección en un incremento en la demanda de 20 años a futuro, con una tasa de crecimiento de 2%:
Pfinal = Pinicial.*(1+α)n
Entonces la demanda para todo el distrito será de 12240 Kw, tanto la demanda para los lotes, iluminación pública de los parques y plazas.
Para los efectos del diseño eléctrico de líneas y redes primarias se tendrán en cuenta las siguientes características:
2. Distancias Mínimas de Seguridad
a)-. Distancias Mínimas entre Conductores
Según el Código Nacional de Electricidad deben cumplirse las siguientes distancias mínimas:
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a.1)-.Separación mínima de los conductores en la estructura, para tensiones mayores a 11 KV
Dónde:
KV= Tensión nominal entre fases h= Factor de corrección por altitud
b).-Otras Distancias Mínimas de Seguridad
Altura mínima sobre el suelo a los largo de caminos para peatones………6.00 m. Altura mínima sobre el suelo en cruce de calles o caminos vecinales…….6.00 m.
Las distancias mínimas al terreno señaladas corresponden a la flecha calculada a máxima temperatura.
Cálculos Eléctricos de Caída de Tensión
Premisas Básicas
- Tensiones nominales 22.9 kV, trifásico, 3 conductores con retorno total por tierra.
- Frecuencia60 Hz
- Factor de Potencia 0.90
- Conductores Aleación de aluminio de 25 y 120 mm²
- Caída máxima de tensión zona urbana 5%
Fórmulas utilizadas a) Para sistemas trifásicos:
Donde: k = (R + X Tgφ)/ (10 x (Vl)²)Simbología:
ΔV% = Caída porcentual de tensión. L = Longitud de la línea, en km. R = Resistencia del conductor, en Ohm/km a 40°C X = Reactancia del conductor, en Ohm/km. Φ = Angulo de factor de potencia. K = Factor de caída de tensión.
ΔV % = (K) (P) (L) %
d = 0.40 m + 0.01 m / (KV) (h) en exceso sobre 11 KV
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Cálculo de los Parámetros del Conductor en Sistemas trifásicos
a) Cálculo de la resistencia eléctrica
ta = 40C α = 0.0036/C para conductor de aleación de aluminio
b) Cálculo de la reactancia inductiva
DMG = 1.13 m Dse = K*r r = Radio del conductor, en m
En el cuadro muestran los valores calculados para cada conductor
CONDUCTOR (mm²) 16 25 120
CORRIENTE (A) 106 138 375
TANΦ 0,484 0,484 0,484
COSΦ 0,9 0,9 0,9
R (20ºC) OHM-Km 2,141 1,37 0,285
CRT (a) 1/ºC 0,0036 0,0036 0,0036
R (40ºC) OHM-Km 2,295 1,469 0,306
3. Perdidas de potencia y energía por Efecto Joule.
Las pérdidas de potencia y energía se calcularán utilizando la siguiente fórmula:- Pérdidas de potencia en circuitos trifásicos:
X1 = 0.1736*Log (DMG/Dse)
r 40C = r 20C [1 + α (ta - 20)]
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Donde:P = Demanda de potencia, en kWr1 = Resistencia del conductor a la temperatura de operación, en Ω/kmL = Longitud del circuito o tramo del circuito, en kmVL = Tensión entre fase, en kVΦ = Angulo de factor de potencia
4. Determinación de aislamiento de las líneas Primarias.
4.1Criterios para la selección del nivel de aislamiento.
Los criterios que deberán tomarse en cuenta para la selección del aislamiento serán las siguientes:
- Sobretensiones atmosféricas- Sobretensiones a frecuencia industrial en seco- Contaminación ambiental
En el Cuadro Nº 4.1 se muestran los niveles de aislamiento que se aplicarán a la línea, redes primarias en condiciones Standard:
Cuadro Nº 4.1
Consideraciones Generales
Para el diseño de aislamiento se han tenido en cuenta los siguientes criterios:
Sobretensiones a frecuencia industrial Sobretensiones atmosféricas, y Contaminación ambiental
Condiciones de operación del sistema
- Tensión nominal del sistema 22.9 kV- Tensión máxima del equipo 25 kV- Contaminación ambiental del área del proyecto Ligera- Altitud máxima del área del proyecto 1000 msnm.
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Sobretensiones a frecuencia industrial
Según el Código Nacional de Electricidad, la tensión disruptiva bajo lluvia a la frecuencia de servicio que debe soportar un aislador no debe ser menor que:
U’ = 2.1 (U+5)
Donde:
U’ = Tensión nominal de servicio corregido por altitud y temperatura
Para este proyecto:
U’ = 70.61 kV
4.3 Contaminación ambiental.
Deberá verificarse el adecuado comportamiento del aislamiento frente a la contaminación ambiental. Para ello, se tomará como base las recomendaciones de la Norma IEC 815 “GUIDE FOR THE SELECTION OF INSULATORS IN RESPECT OF POLLUTED CONDITIONS”.
Para propósitos de normalización, se han definido los siguientes cuatro (04) niveles de contaminación:
- Ligero- medio- pesado- muy pesado
4.4 tensiones de sostenimiento y líneas de fuga para aisladores normalizados.
En el Cuadro Nº 4.2 se consignan las tensiones de sostenimiento a frecuencia industrial y a impulso atmosférico, así como las líneas de fuga de los aisladores tipo PIN y cadenas de aisladores cuyo uso está normalizado.
CUADRO Nº 4.2
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5. Diseño de la puesta a tierra.
Se ejecutara un pozo a tierra para la MT y BT a fin de proteger adecuadamente los equipos de la subestación particular. La medida del pozo a tierra de MT y BT no deberá superar los 25 y 15 respectivamente.
El electrodo para el pozo a tierra a ejecutarse será de copperweld de 5/8” de diámetro y 2400mm de longitud y estará provisto de conector mordaza, el pozo de tierra será de 0.80m de diámetro por 2.50m de profundidad, con tierra y sales de tratamiento TORGEL, hasta lograr valores menores de 10.
6. Cálculo de Cortocircuito y coordinación de la Protección.
Se asumen los siguientes datos:
Potencia de cortocircuito: 250 MVATensión mínima de la red: 22,9 kV.Icc = 6,3 KAINOMINAL = 302.9 A
Selección del interruptor:
Iintp = 1,2*IN = 363.48 A => Se escoge un interruptor de 400 A.Regulación magnética: (0.5 – 1.0)IN
Regulación térmica: (18 – 25)IN
7.- CÁLCULOS MECÁNICOS DEL CONDUCTOR.
Estos cálculos tienen el objetivo de determinar las siguientes magnitudes relativas a los conductores de líneas y redes primarias aéreas en todas las hipótesis de trabajo:
- Esfuerzo horizontal del conductor- Esfuerzo tangencial del conductor en los apoyos
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- Flecha del conductor- Parámetros del conductor- Coordenadas de plantillas de flecha máxima (sólo en hipótesis de máxima temperatura)- Ángulos de salida del conductor respecto a la línea horizontal, en los apoyos.- Vano - peso de las estructuras- Vano - medio de las estructuras
7.1.- Esfuerzos del conductor en la condición EDS.
Las Normas Internacionales y las Instituciones vinculadas a la investigación respecto al comportamiento de los conductores, recomiendan que en líneas con conductores de aleación de aluminio sin protección antivibrante los esfuerzos horizontales que se tomarán de modo referencial, sean los siguientes:
En la condición EDS inicial 18% del esfuerzo de rotura del conductor (UTS).
Para conductores de sección igual o menor que 95 mm² se considera un esfuerzo de rotura promedio de 300 N/mm²
7.2.- Hipótesis de estado.
Las hipótesis de estado para los cálculos mecánicos del conductor se definen sobre la base de los siguientes factores:
- Velocidad de viento- Temperatura- Carga de hielo
Se utiliza la condición de máxima temperatura para calcular la flecha máxima.
El conductor necesario para la Red Primaria tiene una sección de 120 mm2 AA. Tomando en cuenta este dato podemos comenzar a realizar los cálculos mecánicos, para ello buscamos las características mecánicas del conductor en las tablas:
Ya que la velocidad del viento es nula y la sobrecarga de hielo para este caso tampoco se considera tenemos:
ω2= ω1= 0.322 Kg/m
T2 = ? ; σ 2= ?Módulo de elasticidad final → E = 6200 Kg/mm2
N = (E/24)*(ω2d/S)2
Reemplazando los datos:
N = (6200/24)*(0.322*100/120)2
N = 18.6007
R = E*α (t2-t1) + (1/24)*[(ω1*d) / (S*σ1)] 2Donde:
α: coeficiente de expansión térmica (1/ºC)α = 2.3 x 10^-5 (1/ºC)
R = 6200*2.3*10^-5 (0-20) + (1/24)*[(0.322*100) / (120*4.9969)]2R = -2.1070
M = (σ1 – R)M = (4.9969- (-2.1070)) = 7.1039
Reemplazando todos los parámetros obtenidos en la ecuación de estado:
σ22*(σ2 - M) = N
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σ22*(σ2 – 7.1039) = 18.6007
σ2 = 7.445Kg/mm2
T2 = σ2*S = 7.445 Kg/mm2 * 120 mm2
T2 = 893.4Kg (26.81%T)… no sobrepasa el 60%
HIPOTESIS III (condición de máxima velocidad del viento)
La altitud a la cual se encuentra la zona en estudio es de 1000 m.s.n.m. la cual es registrada dentro del AREA 0 (hasta 3000 m.s.n.m). Para esta condición tenemos velocidad de viento de 94Km/h y una temperatura de 10ºCV = 94Km/h t3 = 10ºCSf = 1 (superficie cilíndrica)
ωh = √ (ωc2 + ωv
2 ) …(ө)ωv = ρv (Φc + 2c)/1000Como no se considera la carga de hielo entonces 2c = 0ωv = ρv (Φc)/1000
Para el ÁREA 0 no se considera la máxima carga de hielo pues de 0 - 3000m.s.n.m. estamos a nivel de Costa, por lo tanto la carga de hielo es cero.Podemos decir que bajo estas condiciones la hipótesis 4 = hipótesis 2
HIPOTESIS V (condición de máxima temperatura)
ωv = NulaComo al velocidad del viento es nula, ω5 = ω1 = 0.322 Kg/mt5 = 40ºC
Observación: con los resultados obtenidos podemos afirmar que para las tres hipótesis el conductor podrá soportar los esfuerzos mecánicos sin sobrepasar el 60% de la tensión de rotura del conductor.
8.- CÁLCULO DE LA ALTURA DEL POSTE Y CRUCETAS
Estos Cálculos tienen por objeto determinar las cargas mecánicas en postes, cables de retenida y sus accesorios, de tal manera que en las condiciones más críticas, no se supere los esfuerzos máximos previstos en el Código Nacional de Electricidad Suministro y complementariamente en las Normas Internacionales señaladas en el capítulo 1.
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8.1.- Factores de seguridad.
Los factores de seguridad mínimas respecto a las cargas de rotura serán las siguientes:
a) En condiciones normales:
- Poste de madera 2,2- Poste de concreto 2- Cruceta de madera 4
b) En condiciones anormales con rotura de conductor:
En líneas y redes primarias de electrificación rural, no se considera hipótesis de rotura de conductor.Para los postes de madera o concreto, los factores de seguridad mínimos consignados son válidos tanto para cargas de flexión como de compresión (pandeo).
Según el código nacional eléctrico se debe cumplir la siguiente relación:
Donde:
Tr : tiro de la retenida (Kg)L =longitud del bloque de anclaje (cm)d= ancho del bloque de anclaje (cm).Asumimos para L= 60cm
Seleccionamos d=12 cmCalculo de la profundidad mínima a que debe enterrrarse el bloque de Anclaje:
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Calculo del volumen de tierra de cimentaciónDe la siguiente expresión:
Hallando A1 y A 2
A1= 060*0.60A1=0.36 m2
11.- CALCULO DE CIMENTACIÓN DE POSTES.
Calculo de los materiales agregados del cimiento
DIMENSIONES DEL CIMIENTO: De los cálculos de la cimentación se tiene:A= 0.8 m; he=1.2 m
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Volumen neto del cimiento: Vn=0.418m3
Piedra mediana = 0.3*0.418=0.125 m3
Concreto=0.7*0.4418=0.2926m3Para el concreto ciclópeo de relación 1:8 se tiene:Cemento = 0.0325m3=117 bolsas de cementoHormigón=0.26m3*1.25’=0.325m3=11.7p3
(‘)=Factor de esponjamiento
TÉCNICAS ESPECIFICACIONES
Las siguientes especificaciones técnicas describen las características mínimas que deben cumplir los materiales accesorios comprendidos en el presente proyecto.
1. Red de Primaria.
1.1 Cable Aéreo de Media Tensión.
TIPO SECCIÓN (mm2) NUEMRO FASES R20 (Ω/KM) R40 (Ω/KM) X (Ω/KM)
- Temperatura ambiente (aire) 200C- Temperatura máxima de operación 400C- Tipo de instalación aéreo
Características básicas de los Conductores.Conductor de aleación de aluminio, sólido o cableado concéntrico o sectorial.
1.2Terminal Exterior Para Cable IAAC – 22.9KV.
Características Técnicas Básicas.
Son de tensión clase 25KV. Resistentes a ambientes de alta contaminación, llevaran campanas exteriormente, con una línea de fuga mínima de acuerdo al siguiente cuadro:
TIPO DE CORROSION LINEA DE FUGA MINIMA (mm)MODERADA 600SEVERA 800
Serán Suministrados en KITS, cada KIT contiene material para realizar montajes de tres terminaciones unipolares.
Terminal auto controlable tipo ultrarrápido.
SECCION (mm2) 90FABRICANTE RAYCHEM
Componentes principales
- Tiras de mastic sellante- Cinta de cobre preformado para tierra.- Cinta de vinilo.- Terminal auto controlable aislador de caucho silicón.
Terminal Termo controlable
SECCION (mm2) 90FABRICANTE RAYCHEM
Componentes Principales
- Tubo termo controlable de control de campo- Tubo termo controlable aislante- Cintas de mastic sellante- Campanas termo controlables
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- Cinta de cobre preformada para tierra.
2. Subestación de Distribución.
2.1 Obras Civiles.Es el de tipo aérea biposte con alimentación subterránea, los cables de media tensión pasaran cada fase por un tubo de 2” de diámetro.
La subestación está ubicada según el plano de Red Primaria.
2.2 Fusible Seccionador Unipolar Aéreo De 22.9 KV Base UnipolarCaracterísticas básicas:
- Marca S&C- Tensión nominal de línea 22.9KV- Corriente nominal 100A- Capacidad de interrupción
Simétrica 6 KA rmsAsimétrica 10KA rms
- Nivel básico de aislamiento (BIL) >95KV- línea de fuga >284mm
2.3 Seccionador Unipolar Aéreo De 22.9 KV.Características básicas:- Marca S&C- Tensión nominal de línea 22.9KV- Corriente nominal 400A- Corriente de cortocircuito
Simétrico 20KA rms- Nivel básico de aislamiento (BIL) >95KV
2.4 Transformador De Potencia De 400KVA, 22.9/0.38/0.23KV
Características básicas
- Potencia Nominal 400KVA- Ejecución Exterior- Refrigeración ONAN- Altura de trabajo 100msnm- Frecuencia 60Hz- Tensión nominal
Primario 22.9 – 10KVSecundario 0.38 - 0.23KV
- Relación de transformación en vacío 22.9 KV+- 2x2.5% / 0.38 KV- Esquema de conexión
Primario DeltaSecundario Estrella
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- Grupo de conexión Dy5- Numero de terminales
Alta tensión 3Baja tensión 4
- Regulación de tensión Manual en vacío- Aceite libre de contenido de PCB (menor a 2 PPM)Niveles de aislamiento externo (aisladores en bornes de MT)- Tensión máxima de servicio 36KV- Tensión de ensayo con fuente independiente a la frecuencia inducida 1 minuto 70KV- Tensión de impulso a 1.2/50 seg. 170KV- línea de fuga 600mmNiveles de aislamiento interno (pruebas del transformador)- Tensión máxima de servicio 36KV- Tensión de ensayo con fuente independiente a la frecuencia inducida 1 minuto 70KV- Tensión de impulso a 1.2/50 seg. 170KV- Tensión de ensayo a frecuencia inducida para los circuitos de control (1 min.) 2.5KV- Sobre temperatura con carga continua
Aceite 600CArrollamientos 650C
- Temperatura ambiente máxima 400C- Temperatura arrollamiento punto mas alto 780C- Tensión de cc a 750C y en la toma central 4%- Capacidad de sobrecarga Según norma IEC-354- Norma internacional de referencia IEC publicación 76
2.5 Sistema De Puesta a Tierra.
Se ejecutara un pozo a tierra para la MT y BT a fin de proteger adecuadamente los equipos de la subestación particular. La medida del pozo a tierra de MT y BT no deberá superar los 25 y 15 respectivamente.
El electrodo para el pozo a tierra a ejecutarse será de copperweld de 5/8” de diámetro y 2400mm de longitud y estará provisto de conector mordaza, el pozo de tierra será de 0.80m de diámetro por 2.50m de profundidad, con tierra y sales de tratamiento TORGEL, hasta lograr valores menores de 10.
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Punto KVA ∑KVA P (KW) Ia (A) Sc (mm2) INcond (A) L (Km) Factor K ∆V (%) ∑∆V (%)CT 13600 12240 343.287 50 193.13 0.02 0.0001783 0.04365 0.043651 13600 12240 343.287 120 333.75 0.395 0.0000965 0.46656 0.510
Donde: I: corriente que pasa por el conductor diseño P: potencia total V: tensión de línea Cos(φ): factor de potencia
2. Por caída de tensión :
Donde: K: constante factor I: corriente (A) L: longitud vano
3. Factor :
Donde: Rf : resistencia a 40º C XL: reactancia a 60 Hz.
4. Resistencia final :
Donde: Rf: resistencia final a 40º C Ro: resistencia inicial a 20º C α: coeficiente de dilatación 0.0036 1/ºC To: temperatura inicial Tf: temperatura final