Redes de Distribucion

REDES DE DISTRIBUCIÓN

J. M. ARROYO

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA, ELECTRÓNICA Y AUTOMÁTICA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES

UNIVERSIDAD DE CASTILLA – LA MANCHA

CAMPUS UNIVERSITARIO S/N E-13071 CIUDAD REAL

ESPAÑA

Octubre 2002

J. M. Arroyo Redes de Distribución

CONTENIDOS 1. INTRODUCCIÓN 2. CLASIFICACIÓN 3. DISEÑO DE LÍNEAS DE DISTRIBUCIÓN: CAÍDA DE TENSIÓN, DENSIDAD DE CORRIENTE 4. CÁLCULO DE CAÍDA DE TENSIÓN 5. DISEÑO DE REDES DE DISTRIBUCIÓN 6. DETERMINACIÓN DE LA CARGA ELÉCTRICA DE UNA INSTALACIÓN

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INTRODUCCIÓN

SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA A GRANDES Y PEQUEÑOS CONSUMIDORES DESDE LAS SUBESTACIONES PRINCIPALES SITUADAS AL FINAL DE LAS LÍNEAS DE TRANSPORTE RED DE DISTRIBUCIÓN PRIMARIA

• TENSIONES ENTRE 3 Y 20 kV, LONGITUDES NO SUPERIORES A 25 km

• GRAN NÚMERO DE CONEXIONES COMUNES FORMANDO MALLAS CERRADAS (SEGURIDAD EN EL SUMINISTRO)

• SUMINISTRO A PEQUEÑOS CONSUMIDORES INDUSTRIALES, CONSUMOS RURALES (CABLES AÉREOS) Y PEQUEÑOS NÚCLEOS URBANOS (CABLES SUBTERRÁNEOS)

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INTRODUCCIÓN

RED DE DISTRIBUCIÓN SECUNDARIA O DE BAJA TENSIÓN

• TENSIONES DE 127 V, 220 V Y 380 V

• MALLA MÁS DENSA (HAY QUE EVITAR INTERRUPCIONES DE SUMINISTRO)

• SUMINISTRO A POBLACIONES EXTENSAS

• CABLES SUBTERRÁNEOS A CUATRO HILOS (3 FASES + NEUTRO)

• REPARTO EQUILIBRADO DE LA CARGA (3 FASES PARA FUERZA Y 3 FASES + NEUTRO PARA ALUMBRADO)

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CLASIFICACIÓN

SEGÚN SU TENDIDO:

• AÉREAS (CAMPO Y PERIFERIA DE CIUDADES)

• SUBTERRÁNEAS (ZONAS HABITADAS) SEGÚN EL NÚMERO DE LADOS POR EL QUE RECIBEN LA TENSIÓN DE ALIMENTACIÓN:

• ABIERTAS

• CERRADAS

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CLASIFICACIÓN

SEGÚN LA FORMA:

• RADIALES

• EN ANILLO

• ENMALLADAS

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CLASIFICACIÓN

• RADIALES

LÍNEAS DE DERIVACIÓN ABIERTAS CON CARGAS EN LOS EXTREMOS O REPARTIDAS TANTO ARBITRARIA COMO UNIFORMEMENTE SUMINISTRO A DISTINTOS CENTROS DE CONSUMO CON CARGA REDUCIDA RED DE BAJA SEGURIDAD (ALIMENTACIÓN POR UN ÚNICO ORIGEN)

• EN ANILLO

LÍNEA CERRADA QUE PARTE DE UNA O VARIAS ALIMENTACIONES CON CARGA REPARTIDA ARBITRARIAMENTE SUMINISTRO A DIVERSOS CENTROS DE CONSUMO ALEJADOS ENTRE SÍ CON DIFERENTES TOMAS DE CARGA MAYOR SEGURIDAD (ALIMENTACIÓN POR VARIOS NUDOS)

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CLASIFICACIÓN

• ENMALLADAS

REDES CERRADAS UNIDAS EN LOS PUNTOS DE CONCENTRACIÓN DE LA CARGA SUMINISTRO A ZONAS DE GRAN DENSIDAD DE CARGA Y CONCENTRACIÓN SEGURIDAD EN EL SUMINISTRO MUY ALTA

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CLASIFICACIÓN

FACTORES QUE AFECTAN A LA ELECCIÓN DE LA FORMA:

• DENSIDAD DE LA CARGA DE LA ZONA

• NÚMERO Y SITUACIÓN DE LOS PUNTOS DE CONCENTRACIÓN DE CARGA

• SEGURIDAD DEL SUMINISTRO

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DISEÑO DE LÍNEAS DE DISTRIBUCIÓN

• CRITERIO DE CAÍDA DE TENSIÓN

INSTALACIÓN SUMINISTRADORA ⇒ REGLAMENTO DE VERIFICACIONES ELÉCRICAS Y REGULARIDAD EN EL SUMINISTRO DE ENERGÍA (± 7% TENSIÓN NOMINAL, FRECUENCIA 50 Hz)

INSTALACIÓN RECEPTORA ⇒ INSTRUCCIÓN MIBT017 DEL REGLAMENTO ELECTROTÉCNICO DE BAJA TENSIÓN (<3% TENSIÓN NOMINAL EN ALUMBRADO, <5% TENSIÓN NOMINAL RESTO DE USOS)

• CRITERIO DE DENSIDAD DE CORRIENTE O CALENTAMIENTO NORMALMENTE SE USA CABE AISLADO EN BAJA TENSIÓN ⇒ R >> X

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CRITERIO DE CAÍDA DE TENSIÓN LÍNEA DE CORRIENTE CONTINUA

IRVV TRS +=

IRVVV TRS =−=∆

CAÍDA RELATIVA DE TENSIÓN:

S

T

S

RS

S VIR

VVV

VV =−=∆=ε

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CRITERIO DE CAÍDA DE TENSIÓN LÍNEA DE CORRIENTE ALTERNA MONOFÁSICA

XT = 2X RT = 2R

+

VS

–

+

VR

–

I

ZL = Z∠ϕ ~ +

GEN

ERAD

OR

CARGA

M

Q ϕ ϕ

ϕ VR

VS

S

T

N

P RTI

XTI O

I

( ) I jXRVV TTRS ++=

PSOPOSVV RS =−=−

PRPSVV RS ≈=−

MNPQQRPQPR +=+=

ϕ+ϕ=−=∆= IsenXcosIRVVVPR TTRS

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CRITERIO DE CAÍDA DE TENSIÓN LÍNEA DE CORRIENTE ALTERNA MONOFÁSICA

FINALMENTE:

rTaT IXIRV +=∆ DONDE: Ia COMPONENTE ACTIVA DE I Ir COMPONENTE REACTIVA DE I SI SE CONOCE LA POTENCIA DEL RECEPTOR:

( )QXPRV1V TTR

+=∆

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CRITERIO DE CAÍDA DE TENSIÓN LÍNEA DE CORRIENTE ALTERNA TRIFÁSICA

CÁLCULOS POR FASE:

raF XIRIV +=∆

DONDE: R RESISTENCIA POR FASE (1 HILO) X REACTANCIA POR FASE (1 HILO)

( )raL XIRI3V +=∆

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CRITERIO DE DENSIDAD DE CORRIENTE O CALENTAMIENTO

PÉRDIDAS JOULE ⇒ ELEVACIÓN TEMPERATURA HASTA EQUILIBRIO ENTRE CALOR

DESARROLLADO Y EMITIDO POR RADIACIÓN ↑↑ TEMPERATURA ⇒ PELIGRO PARA AISLANTES, PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS

HILOS, CONSERVACIÓN DE LA CANALIZACIÓN ENERGÍA CALORÍFICA (J) EN TIEMPO t PARA CONDUCTOR CILÍNDRICO:

tIdL424.0tI

SL24.0tRI24.0CALOR 2

222

πρ=ρ==

DONDE:

d DIÁMETRO L LONGITUD ρ RESISTIVIDAD I CORRIENTE

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CALOR EMITIDO POR RADIACIÓN:

( )acdLtMRADIACIÓN θ−θπ=

DONDE: M COEFICIENTE DE RADIACIÓN θc TEMPERATURA DEL CONDUCTOR θa TEMPERATURA AMBIENTE

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IGUALANDO AMBAS EXPRESIONES:

( )ac2

2 dLtMtIdL424.0 θ−θπ=

πρ

( )ac322 dMI96.0 θ−θπ=ρ

SI SE FIJA LA DIFERENCIA DE TEMPERATURAS:

32

23

I'KdKdI =⇒=

VALORES RECOGIDOS EN LOS REGLAMENTOS ELECTROTÉCNICOS

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CRITERIO DE DENSIDAD DE CORRIENTE CONDUCTORES DESNUDOS (REDES AÉREAS)

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CRITERIO DE DENSIDAD DE CORRIENTE CABLES AISLADOS TRENZADOS EN HAZ

(REDES AÉREAS)

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CRITERIO DE DENSIDAD DE CORRIENTE CABLES AISLADOS NO TRENZADOS (REDES AÉREAS)

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CRITERIO DE DENSIDAD DE CORRIENTE CABLES AISLADOS (REDES SUBTERRÁNEAS)

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CÁLCULO DE CAÍDAS DE TENSIÓN DISTRIBUIDOR ALIMENTADO POR UN EXTREMO

HIPÓTESIS: TODOS LOS CONDUCTORES TIENEN LA MISMA SECCIÓN EN SU EXTENSIÓN

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DISTRIBUIDOR ALIMENTADO POR UN EXTREMO RED DE CORRIENTE CONTINUA

= 44 iI

433 iiI += + 4322 iiiI +=

43211 iiiiI +++=

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DISTRIBUIDOR ALIMENTADO POR UN EXTREMO RED DE CORRIENTE CONTINUA

CAÍDA DE TENSIÓN (HASTA EL EXTREMO MÁS ALEJADO DEL ORIGEN):

44332211T IrIrIrIrV +++=∆

(( ) ) ( )43214321321211T rrrrirrrirririV +++++++++=∆

44332211T RiRiRiRiV +++=∆

∑=∆j

jjT RiV

SI SE CONOCEN LAS POTENCIAS DE LOS CONSUMOS:

N

jj V

Pi = (APROXIMACIÓN VN = CONSTANTE)

∑=∆j

jjN

T RPV1V

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DISTRIBUIDOR ALIMENTADO POR UN EXTREMO RED DE CORRIENTE ALTERNA MONOFÁSICA

( )∑ +=∆

jjjrjjaT XiRiV

( )∑ +=∆j

jjjjN

T XQRPV1V

DONDE: ija COMPONENTE ACTIVA DE ij ijr COMPONENTE REACTIVA DE ij Pj POTENCIA ACTIVA CONSUMIDA POR LA CARGA j Qj POTENCIA REACTIVA CONSUMIDA POR LA CARGA j Rj RESISTENCIA TOTAL DE LA LÍNEA (2 HILOS) HASTA EL CONSUMO j Xj REACTANCIA TOTAL DE LA LÍNEA (2 HILOS) HASTA EL CONSUMO j

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DISTRIBUIDOR ALIMENTADO POR UN EXTREMO RED DE CORRIENTE ALTERNA TRIFÁSICA

( )∑ +=∆

jjjrjjaT XiRi3V

( )∑ +=∆j

jjjjN

T XQRPV1V

DONDE: Rj RESISTENCIA TOTAL POR FASE (1 HILO) HASTA EL CONSUMO j Xj REACTANCIA TOTAL POR FASE (1 HILO) HASTA EL CONSUMO j Pj POTENCIA ACTIVA TOTAL (TRIFÁSICA) CONSUMIDA POR LA CARGA j Qj POTENCIA REACTIVA TOTAL (TRIFÁSICA) CONSUMIDA POR LA CARGA j

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DISTRIBUIDOR UNIFORMEMENTE CARGADO

EJEMPLO ⇒ ALUMBRADO DE CALLES Y CARRETERAS CORRIENTE CONTINUA:

∫ ==∆L

0

2T irL

21x·r·dx·iV

r RESISTENCIA POR METRO DE LONGITUD (IDA Y VUELTA)

iLI = rLR =

2RIVT =∆ ⇔ TODA LA CORRIENTE EN EL PUNTO MEDIO DE LA LÍNEA

CORRIENTE ALTERNA MONOFÁSICA: 2XI

2RIV raT +=∆

CORRIENTE ALTERNA TRIFÁSICA:

+=∆

2XI

2RI3V raT

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DISTRIBUIDOR MIXTO

COMBINACIÓN DE CARGAS CONCENTRADAS ARBITRARIAMENTE Y CARGAS UNIFORMEMENTE DISTRIBUIDAS PRINCIPIO DE SUPERPOSICIÓN

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DISTRIBUIDOR ALIMENTADO POR AMBOS EXTREMOS

INCONVENIENTE DEL DISTRIBUIDOR ALIMENTADO POR UN EXTREMO ⇒ CAÍDAS DE TENSIÓN ELEVADAS PARA LÍNEAS LARGAS SOLUCIONES: 1) ↑ SECCIÓN DE CONDUCTORES ⇒ ↓ R ⇒ PROHIBITIVO 2) ALIMENTACIÓN POR AMBOS EXTREMOS ⇒ MENOR SECCIÓN, ↑ SEGURIDAD EN EL

SERVICIO

TENSIONES DE ALIMENTACIÓN PARECIDAS ⇒ SE EVITAN CORRIENTES DE CIRCULACIÓN (PÉRDIDAS POR EFECTO JOULE)

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HIPÓTESIS: DISTRIBUIDOR DE SECCIÓN UNIFORME, RED DE CORRIENTE CONTINUA M PUNTO DE MÍNIMA TENSIÓN OBJETIVO ⇒ LOCALIZACIÓN DEL PUNTO M

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PRIMER LEMA DE KIRCCHOFF:

321yx iiiII ++=+

( )( ) ( )( ) ( )[ ]y33y231x12x121 I LLiILLiILLILS20V −−−−−−−+ρ==∆ −

i( )

LLiLiLiiiI 332211

321x++−++=

i

LLiLLiI 332211

y++

=

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EN GENERAL:

L

Li

iI jjj

jjx

∑∑ −=

∑L

Li

I jjj

y =

RED DE CORRIENTE ALTERNA (MONOFÁSICA O TRIFÁSICA):

L

Li

iI jjj

jjx

∑∑ −=

r

rr

∑L

Li

I jjj

y =

r

r

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PUNTO M ⇔ PUNTO QUE RECIBE ALIMENTACIÓN POR AMBOS LADOS OBTENCIÓN DE DOS DISTRIBUIDORES INDEPENDIENTES ALIMENTADOS POR UN EXTREMO

TOMANDO UNO CUALQUIERA:

( )[ ]21x11MAX L iILiS2V −+ρ=∆

PARA CORRIENTE ALTERNA ⇒ EXPRESIONES ANÁLOGAS

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DISTRIBUIDOR EN ANILLO

SE ABRE LA LÍNEA POR EL NUDO (O NUDOS) DE ALIMENTACIÓN ⇒ UNO O VARIOS DISTRIBUIDORES ALIMENTADOS POR AMBOS LADOS

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DISEÑO DE REDES DE DISTRIBUCIÓN

DETERMINACIÓN DE LA SECCIÓN DEL DISTRIBUIDOR EN FUNCIÓN DE LA CAÍDA DE TENSIÓN MÁXIMA ADMISIBLE CORRIENTE CONTINUA:

∑ ρ=∆=∆j

jjMAXT LS2iVV

POR LO TANTO:

∑∆ρ=

jjj

MAXLi

V2S

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DISEÑO DE REDES DE DISTRIBUCIÓN CORRIENTE ALTERNA TRIFÁSICA

3 ( )∑ +=∆=∆

jjjrjjaMAXT XiRiVV

PARA CARGAS RESISTIVAS O LÍNEAS SUBTERRÁNEAS (R >> X) ⇒ 0ijr =

∑∑ ϕ∆

ρ=∆

ρ=j

jjjMAXj

jjaMAX

cosLiV

3LiV

3S

PARA LÍNEAS AÉREAS ⇒ PROCESO ITERATIVO

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DISEÑO DE REDES DE DISTRIBUCIÓN CORRIENTE ALTERNA TRIFÁSICA

1) ESTIMACIÓN DE LA CAÍDA INDUCTIVA DE LA LÍNEA (X = 0.35 Ω/km) 2) ∑∑ δ=−∆=

jjjrMAX

jjja Xi3VRi3

3) ∑ ϕδ

ρ=j

jjj cosLi3S

4) ELECCIÓN DE SECCIÓN NORMALIZADA MÁS PRÓXIMA ⇒ RADIO CONDUCTORES Y

SEPARACIÓN (ART. 25.2 REGLAMENTO DE LÍNEAS AÉREAS DE ALTA TENSIÓN) ⇒ L ⇒ X 5) VOLVER A 1) FINALMENTE, COMPROBACIÓN DE MÁXIMA DENSIDAD DE CORRIENTE

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DETERMINACIÓN DE LA CARGA ELÉCTRICA DE UNA INSTALACIÓN

CONSUMO ≠ SUMA DE CAPACIDADES DE LOS EQUIPOS INSTALADOS IMPOSIBLE DE DETERMINAR CON EXACTITUD SU CÁLCULO DEBE RESPETAR LOS REQUERIMIENTOS TÉCNICOS Y SER ECONÓMICO USO DE VALORES TÍPICOS SEGÚN EL USO:

• INSTALACIONES INDUSTRIALES

• INSTALACIONES DOMÉSTICAS (DESTINADAS A VIVIENDAS)

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INSTALACIONES INDUSTRIALES

REQUISITOS DEL SUMINISTRO:

• ALTA SEGURIDAD DE ABASTECIMIENTO

• ESTABILIZACIÓN DE LA TENSIÓN (± 5% NORMALMENTE) TANTO EN RÉGIMEN PERMANENTE COMO EN RÉGIMEN TRANSITORIO

• PÉRDIDAS REDUCIDAS ⇒ LONGITUDES MÍNIMAS, SECCIONES SUFICIENTEMENTE ALTAS

%80%40INSTALADA POTENCIA

DEMANDADAMÁXIMA POTENCIA DADSIMULTANEI DE ECOEFICIENT O FACTOR −==

DIVISIÓN EN 3 GRUPOS SEGÚN CONSUMO MEDIO

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INSTALACIONES INDUSTRIALES

• GRUPO A (50 – 100 W/m2)

GRANDES Y PEQUEÑOS CONSUMOS BASTANTE UNIFORMEMENTE REPARTIDOS, CONSUMO CONSTANTE TALLERES DE REPARACIÓN, FÁBRICAS DE TEJIDOS, TORNOS DE PRECISIÓN

• GRUPO B (100 – 300 W/m2)

GRANDES DIFERENCIAS ENTRE PEQUEÑOS Y GRANDES RECEPTORES, CASI UNIFORMEMENTE REPARTIDOS, CONSUMO CON GRANDES VARIACIONES FABRICACIÓN DE HERRAMIENTAS, PRENSAS, TALLERES DE SOLDADURA, FÁBRICAS DE PRODUCTOS QUÍMICOS

• GRUPO C (200 – 500 W/m2)

GRANDES RECEPTORES DE GRAN POTENCIA, MOTORES, HORNOS TALLERES DE TEMPLE, SIDERÚRGICOS, TALLERES DE LAMINACIÓN, INDUSTRIAS QUÍMICAS

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INSTALACIONES DE VIVIENDAS

REGLAMENTO ELECTROTÉCNICO DE BAJA TENSIÓN TIPO DE ELECTRIFICACIÓN

DEMANDA MÁXIMA (kW)

SUPERFICIE MÁXIMA TOTAL (m2)

MÍNIMA

3

080

MEDIA

5

150

ELEVADA

8

200

ESPECIAL

A DETERMINAR EN CADA CASO

A DETERMINAR EN CADA CASO

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CARGA TOTAL DE UN EDIFICIO DE VIVIENDAS

SUMA DE LAS CARGAS DE: • VIVIENDAS • SERVICIOS GENERALES • LOCALES COMERCIALES

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CARGA TOTAL DE UN EDIFICIO DE VIVIENDAS

• CARGA DE LAS VIVIENDAS

∑×=i

iMÁXIMA DEMANDA DADSIMULTANEI DE ECOEFICIENTCARGA

COEFICIENTE DE SIMULTANEIDAD

NÚMERO DE ABONADOS ELECTRIFICACIÓN MÍNIMA Y MEDIA

ELECTRIFICACIÓN ELEVADA Y ESPECIAL

2 – 4 1.0 0.8 5 – 15 0.8 0.7

16 – 25 0.6 0.5 > 25 0.5 0.4

• CARGA DE LOS SERVICIOS GENERALES

SUMA DE POTENCIA INSTALADA EN ASCENSORES, MONTACARGAS, ALUMBRADO DE PORTAL, CAJA DE ESCALERA Y SERVICIO ELÉCTRICO GENERAL DEL EDIFICIO

• CARGA DE LOS LOCALES COMERCIALES

100 W/m2 CON UN MÍNIMO DE 3000 W POR ABONADO

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CARGA TOTAL DE EDIFICIOS COMERCIALES, DE OFICINAS O INDUSTRIALES

• EDIFICIOS COMERCIALES Y DE OFICINAS:

100 W/m2 Y POR PLANTA, CON UN MÍNIMO DE 5000 W POR ABONADO • EDIFICIOS DESTINADOS A CONCENTRACIÓN DE INDUSTRIAS:

125 W/m2 Y POR PLANTA

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