CÁLCULOS PARA LA SELECCIÓN DE CALIBRE EN BAJA TENSIÓN CÁLCULOS PARA LA SELECCIÓN DE CALIBRE EN BAJA TENSIÓN Generalidades Los conductores eléctricos desempeñan una función fundamental en todo sistema eléctrico, éstos son los elementos indispensables para transportar la energía; por lo tanto, es muy importante realizar una selección adecuada de estos y así minimizar los riesgos de falla. CÁLCULOS PARA LA SELECCIÓN DE CALIBRE EN BAJA TENSIÓN Cálculos para la selección de cables Eléctricos: • Capacidad de conducción corriente • Caída de tensión • Cortocircuito Mecánicos: • Tensión de jalado • Longitud máxima de jalado • Presión lateral • Radio mínimo de curvatura Económicos: • Pérdidas • Selección del calibre económico de CÁLCULOS PARA LA SELECCIÓN DE CALIBRE EN BAJA TENSIÓN Pri ero… algu os conceptos y definiciones Circuito alimentador Circuito alimentador: son los conductores de un circuito entre el equipo de acometida o la fuente de un sistema derivado separado y el dispositivo final de protección contra sobrecorriente del circuito derivado. Circuito derivado: son los conductores de un circuito desde el dispositivo final de protección contra sobrecorriente que protege a ese circuito hasta la(s) salida(s) finales de utilización. Circuitos derivados CÁLCULOS PARA LA SELECCIÓN DE CALIBRE EN BAJA TENSIÓN Pri ero… algu os co ceptos y defi icio es Carga: es la potencia instalada o demandada en un circuito eléctrico, puede expresarse en HP, kW o kVA. Capacidad de conducción de corriente: corriente eléctrica expresada en amperes (A), que un conductor eléctrico puede conducir continuamente, bajo condiciones de uso normal, sin exceder su temperatura nominal. i i CÁLCULOS PARA LA SELECCIÓN DE CALIBRE EN BAJA TENSIÓN Pri ero… algu os co ceptos y definiciones Caída de tensión (e): es el valor de que decrece la tensión en el extremo receptor de un conductor eléctrico (con respecto al extremo transmisor) a causa del producto de la corriente nominal (Inom) por la impedancia del conductor (Zcond). =� =� � �� −� × Impedancia del conductor (Zcond): es la oposición del cable al paso de la corriente alterna; tiene dos componentes: la resistencia (Rca) y la reactancia inductiva (XL). = �� | =| |= +� 2 | + 2 Nota: para calcular la caída de tensión en volts debe utilizarse la impedancia del conductor (Zcond) en W, para lo cual se debe multiplicar ésta por la longitud del circuito, en km. CÁLCULOS PARA LA SELECCIÓN DE CALIBRE EN BAJA TENSIÓN Pri ero… algu os co ceptos y definiciones Resistencia (Rca): es la oposición del conductor al paso de la corriente alterna, debida a la resistividad eléctrica del material, referida a la temperatura de operación del conductor. = + + � Dónde Rcd debe estar referido a la temperatura de operación del conductor. 2 = +� 2 − es el coeficiente térmico de resistencia, varía para cada material. Material Cobre suave Aluminio duro r a 20 °C a 20 °C (W x mm2/ km) (1 / °C) 17.241 0.00393 28.265 0.00403 CÁLCULOS PARA LA SELECCIÓN DE CALIBRE EN BAJA TENSIÓN Pri ero… algu os co ceptos y definiciones En la tabla 9 del capítulo 10 de la norma NOM-001-SEDE-2012 se indican valores de Rca y XL. YS y YP son incrementos debidos a los efectos piel y de proximidad, respectivamente; se calculan en función del tipo de cableado, diámetro del conductor y separación entre conductores, pero para fines prácticos se pueden despreciar para conductores en cableado clases B y C de hasta calibre 1/0 AWG. CÁLCULOS PARA LA SELECCIÓN DE CALIBRE EN BAJA TENSIÓN Pri ero… algu os co ceptos y definiciones Reactancia inductiva (XL): es la oposición del conductor al paso de la corriente alterna, debida a la inductancia que produce la circulación de la misma corriente. = × = � −4 DMG es la distancia media geométrica, está en función de la separación entre conductores; para un sistema de tres conductores: B A C SAB ln � SBC SCA � = 3 × × CÁLCULOS PARA LA SELECCIÓN DE CALIBRE EN BAJA TENSIÓN Pri ero… algu os co ceptos y definiciones RMG es el radio medio geométrico, está en función del radio del conductor (r) y de la cantidad de alambres que lo conforman. = × K es el factor que depende de la cantidad de alambres que lo conforman. No. alambres K 1 0.779 7 0.726 19 0.758 37 0.768 61 0.772 91 0.774 127 0.776 CÁLCULOS PARA LA SELECCIÓN DE CALIBRE EN BAJA TENSIÓN Fundamentos teóricos El flujo de corriente eléctrica a lo largo de un conductor produce efectos que deben conocerse para poder controlarse: POTENCIA DE ENTRADA • potencia de pérdidas, la cual se disipa en forma de calor, • caída de tensión. POTENCIA DE SALIDA CONDUMEX POTENCIA DE PERDIDAS = CALOR CÁLCULOS PARA LA SELECCIÓN DE CALIBRE EN BAJA TENSIÓN Fundamentos teóricos La selección de conductores eléctricos se realiza principalmente en función de la corriente nominal de la carga (Inom), los conductores deben tener una capacidad de conducción (Icond) igual o mayor a este valor. � ≥� Cálculo de la corriente nominal (Inom): Cargas Monofásicas Trifásicas Con P en watts (W) � � × � � Con P en HP �× � × �×� × �� × � �× × �� × � × � Vf = tensión de fase a neutro VL = tensión entre fases FP = factor de potencia de la carga = eficiencia del motor CÁLCULOS PARA LA SELECCIÓN DE CALIBRE EN BAJA TENSIÓN Fundamentos teóricos La capacidad de conducción de los conductores es un fenómeno de transferencia de calor, dónde el calor generado en el conductor debe disiparse a través de las barreras térmicas del asilamiento, cubierta, aire, etc. El límite térmico es la temperatura de operación del aislamiento. Cuanto mejor sea la disipación del calor, mayor será la capacidad de conducción del cable. CÁLCULOS PARA LA SELECCIÓN DE CALIBRE EN BAJA TENSIÓN Fundamentos teóricos Además, también existen otros factores que afectan la disipación del calor, tales como: • la temperatura ambiente, • el tipo de instalación de los cables: en tubo (conduit), en charola, en ductos, directamente enterrados, etc. • la configuración de los cables: en trébol, en línea (espaciados o sin espaciamiento), etc. CÁLCULOS PARA LA SELECCIÓN DE CALIBRE EN BAJA TENSIÓN Fundamentos teóricos La caída de tensión en un circuito mal seleccionado puede provocar un mal funcionamiento o daño de los aparatos y equipos eléctricos: • débil intensidad luminosa de lámparas, • calentamiento de motores, • apagado/encendido continuo e inesperado de equipo electrónico. CÁLCULOS PARA LA SELECCIÓN DE CALIBRE EN BAJA TENSIÓN Fundamentos teóricos Los parámetros que contribuyen a la caída de tensión son: Circuitos largos Cargas grandes INCREMENTA LA CAIDA DE TENSION Circuitos cortos Cargas pequeñas Calibres pequeños Calibres grandes DISMINUYE LA CAIDA DE TENSION • la magnitud de la corriente que fluye por los conductores, • la impedancia de los conductores, • la longitud del circuito. CÁLCULOS PARA LA SELECCIÓN DE CALIBRE EN BAJA TENSIÓN Fundamentos teóricos El cortocircuito es un eventual régimen de trabajo en el que se produce mucho calor, tal que puede llegar a fundir el conductor si no está dimensionado para soportarlo. �= � .9 × × lo� +| | +| | Dónde: Área de sección transversal del conductor, mm2 Corriente de cortocircuito, kA Icc= Duración del cortocircuito, s tcc= Temperatura máxima de cortocircuito Tcc= que soporta el aislamiento, °C Temperatura de operación normal del Top = aislamiento, °C |T| y K = Constantes que dependen del material del conductor. |T| K Material °C A= Cobre suave 234.5 0.0297 Aluminio duro 228.0 0.0125 CÁLCULOS PARA LA SELECCIÓN DE CALIBRE EN BAJA TENSIÓN Fundamentos teóricos Por lo tanto, la selección del calibre de un conductor debe tomar en cuenta en esos factores y otros más. Corriente nominal Tipo de instalación Temperatura ambiente Cortocircuito Material del conductor Selección del calibre Temperatura de operación del cable Caída de tensión CÁLCULOS PARA LA SELECCIÓN DE CALIBRE EN BAJA TENSIÓN Disposiciones de la NOM-001-SEDE-2012 La norma NOM-001-SEDE-2012 no es una guía o manual; sin embargo establece parámetros para la selección adecuada del calibre de los conductores, como: a) tablas de capacidad de conducción de corriente para diferentes tipos de cables y diferentes métodos de instalación. CÁLCULOS PARA LA SELECCIÓN DE CALIBRE EN BAJA TENSIÓN Disposiciones de la NOM-001-SEDE-2012 • la tabla 310-15(b)(16) aplica para cables instalados en tubo (conduit) y directamente enterrados. • la tabla 310-15(b)(17) aplica para cables monoconductores instalados al aire libre, como en soporte tipo charola. • las tablas 400-5(a)(1) y 4005(a)(2) aplican para cables y cordones flexibles. • la tabla 922-10 aplica para conductores desnudos utilizados en líneas aéreas. • las tablas B.310.15(B)(2)(1) y B.310.15(B)(2)(3) aplican para cables multiconductores (de hasta 3) con cubierta común y con armadura, respectivamente, instalados al aire libre. • la tabla 310-15(b)(20) aplica para cables múltiples (de hasta 3) soportados por un mensajero. CÁLCULOS PARA LA SELECCIÓN DE CALIBRE EN BAJA TENSIÓN Disposiciones de la NOM-001-SEDE-2012 b) factores de corrección por temperatura ambiente (ft) y agrupamiento o configuración (fa): • las tablas 310-15(b)(2)(a) y 310-15(b)(2)(b) de capacidad de conducción de corriente indica los factores de corrección para temperaturas diferentes a las indicadas en su encabezado. • la tabla 310-15(b)(3)(a) indica los factores de corrección por agrupamiento para instalación en tubo (conduit) y multiconductores. • la sección 392-80 indica los factores de corrección por configuración para instalación en soporte tipo charola. � =� × × CÁLCULOS PARA LA SELECCIÓN DE CALIBRE EN BAJA TENSIÓN Disposiciones de la NOM-001-SEDE-2012 c) criterios para la evaluación de la caída de tensión: en las secciones 210-19 y 215-2 (notas 4 y 2 respectivamente) se establece que los conductores de circuitos derivados y alimentadores deben dimensionarse para evitar una caída de tensión individual mayor que el 3% y total del 5%. e1 3% e1 + e2 5% e2 3% CÁLCULOS PARA LA SELECCIÓN DE CALIBRE EN BAJA TENSIÓN Disposiciones de la NOM-001-SEDE-2012 d) sobre motores, continuas y otros. cargas • la subsección 110-14 (c)(1) establece limitaciones por temperatura para la capacidad de conducción de corriente de los conductores, para proteger conectadores, otros conductores y dispositivos con menor temperatura de operación: - 60 °C de temperatura de operación para circuitos de 100 A y menores, - 75 °C de temperatura de operación para circuitos mayores de 100 A. CÁLCULOS PARA LA SELECCIÓN DE CALIBRE EN BAJA TENSIÓN Disposiciones de la NOM-001-SEDE-2012 • la sección 430-22 establece que los conductores que suministran energía a un motor deben tener una capacidad de conducción del 125% de la corriente nominal a plena carga. • la sección 430-6 establece que las corrientes nominales deben tomarse de las tablas 430-248 y 430-250 para motores monofásicos y trifásicos, respectivamente. � = . ×� CÁLCULOS PARA LA SELECCIÓN DE CALIBRE EN BAJA TENSIÓN Disposiciones de la NOM-001-SEDE-2012 • las subsecciones 210-19(a)(1) y 215-2(a)(1) establecen que los conductores que alimentan cargas continuas deben tener una capacidad de conducción del 125% de dicha carga. Nota: una carga continua es aquella que demanda su corriente nominal durante 3 horas o más. La norma NOM-001-SEDE-2012 también establece requisitos para la selección adecuada del aislamiento de los conductores, como: • Tipos de aislamiento y usos • Marcados especiales CÁLCULOS PARA LA SELECCIÓN DE CALIBRE EN BAJA TENSIÓN Disposiciones de la NOM-001-SEDE-2012 Aislamiento Tipo genérico Tipo específico Termoplástico THW, THW-LS THHW, THHW-LS RHW Termofijo RHHW XHHW, XHHW-LS Temperaturas de operación (°C) Materiales (ejemplos) PVC XLP EP XLP EP XLP Normal (Top) 75 90 Sobrecarga Cortocircuito (Tcc) 105 150 130 250 75 90 90 THW = Aislamiento termoplástico (T) resistente al calor (H = Heat) y a la humedad (W = Water), típico para 75 °C THHW = Aislamiento termoplástico (T) resistente al calor (HH = Heat) y a la humedad (W = Water), típico para 90 °C XHHW = Polímero de cadena cruzada (X) resistente al calor (HH = Heat) y a la humedad (W = Water), típico para 90 °C RHW = Hule (R) resistente al calor (H = Heat) y a la humedad (W = Water), típico para 75 °C RHHW Hule (R) resistente al calor (HH = Heat) y a la humedad (W = Water), típico para 90 °C CÁLCULOS PARA LA SELECCIÓN DE CALIBRE EN BAJA TENSIÓN Disposiciones de la NOM-001-SEDE-2012 La subsección 518-4(a) establece que los cables utilizados en lugares de reunión deben ser resistentes a la propagación de incendio y de baja emisión de humos: marcado L“ ; esto se permite si se satisfacen las pruebas de resistencia a la propagación del incendio conforme a la norma NMX-J-093-ANCE, baja emisión de gases ácidos conforme la norma NMX-J-472-ANCE y baja emisión de humos densos conforme la norma NMX-J-474-ANCE. LS Marcado LS CÁLCULOS PARA LA SELECCIÓN DE CALIBRE EN BAJA TENSIÓN Disposiciones de la NOM-001-SEDE-2012 La sección 392-10 establece que los cables instalados en soporte tipo charola deben tener el marcado CT y que los monoconductores deben ser de un calibre mínimo del 4 AWG. El marcado CT se permite si se satisface la prueba de flama en charola vertical conforme la norma NMX-J-498-ANCE. 4 AWG CT Cal. mín. = 4 AWG Marcado CT CÁLCULOS PARA LA SELECCIÓN DE CALIBRE EN BAJA TENSIÓN Disposiciones de la NOM-001-SEDE-2012 La subsección 310-10(d) establece que los cables expuestos a la radiación solar debe estar aprobados para tal uso: marcado SR; esto se permite si se satisface la prueba de resistencia a la intemperie conforme la norma NMX-J-553ANCE. SR Marcado SR CÁLCULOS PARA LA SELECCIÓN DE CALIBRE EN BAJA TENSIÓN Disposiciones de la NOM-001-SEDE-2012 • la subsección 310-15(b)(3)(c) establece valores de temperatura que deben sumarse a la temperatura ambiente para cables o cables en canalizaciones expuestas a la luz solar. CÁLCULOS PARA LA SELECCIÓN DE CALIBRE EN BAJA TENSIÓN Procedimiento recomendado para el cálculo y selección 1. Determinar, mediante cálculo o tablas, la corriente nominal del circuito (Inom). 2. Determinar la tabla de capacidad de conducción adecuada en función del método de instalación del (los) cable(s). 3. Determinar la columna adecuada en función del tipo de cable (aislamiento y temperatura de operación). CÁLCULOS PARA LA SELECCIÓN DE CALIBRE EN BAJA TENSIÓN Procedimiento recomendado para el cálculo y selección 4. Determinar los factores de corrección y/o ajuste aplicables (temperatura, agrupamiento o configuración, motor, carga continua, exposición al sol, etc). 5. Calcular la corriente del conductor en función de la corriente nominal y de los factores de corrección y/o ajuste. � � × . = �× × Capacidad de conducción requerida Corriente nominal del circuito, calculada o tomada de tablas (para motores) Número de conductores en paralelo n= Factor de corrección por temperatura ft = ambiente Factor de corrección por agrupamiento fa = (para conduit) o configuración (para charola) Nota: el factor 1.25 aplica solo para motores y cargas continuas. Icond= Inom= CÁLCULOS PARA LA SELECCIÓN DE CALIBRE EN BAJA TENSIÓN Procedimiento recomendado para el cálculo y selección 6. Seleccionar el calibre (de la tabla y columna determinadas en 2 y 3) en función de la capacidad de conducción calculada. 7. Calcular la caída de tensión, en volts y en porciento, que producirá el calibre seleccionado. Nota: para calcular la caída de tensión en volts debe utilizarse la impedancia del conductor (Zcond) en W, para lo cual se debe multiplicar ésta por la longitud del circuito, en km. Para sistemas monofásicos: × % = × � Para sistemas trifásicos: % = × × �� CÁLCULOS PARA LA SELECCIÓN DE CALIBRE EN BAJA TENSIÓN Procedimiento recomendado para el cálculo y selección Si el porcentaje de caída de tensión cumple con las disposiciones de la NOM-001SEDE-2012, entonces el calibre seleccionado es adecuado, de lo contrario se tendrá que seleccionar un calibre mayor y verificar nuevamente la caída de tensión. 8. Verificar el calibre por cortocircuito. En la sección 4.2.6 de la NOM001-SEDE-2012 se establece que la selección del calibre de los conductores debe realizarse también por cortocircuito; además, es recomendable hacerlo para una completa y adecuada selección, que ofrecerá seguridad a la instalación. CÁLCULOS PARA LA SELECCIÓN DE CALIBRE EN BAJA TENSIÓN Ejemplo: Planteamiento Determinar el calibre en cobre de los conductores del circuito derivado de un motor de inducción trifásico de 50 HP que es alimentado a 220 V. Considerar lo siguiente: a) longitud del circuito de 90 m b) temperatura ambiente de 40 °C c) Instalación en tubo (conduit) dentro de nave industrial (no expuestos al sol). d) Icc = 30 kA y tcc = 0.3 s. CÁLCULOS PARA LA SELECCIÓN DE CALIBRE EN BAJA TENSIÓN Ejemplo - Paso 1: Corriente nominal De acuerdo a la sección 430-6, la corriente nominal se toma de la tabla 430-250: Inom = 143 A CÁLCULOS PARA LA SELECCIÓN DE CALIBRE EN BAJA TENSIÓN Ejemplo - Pasos 2 y 3: Tabla y columna Para instalación en tubo (conduit) debe utilizarse la tabla 31015(b)(16) y de acuerdo a la subsección 110-14(c)(1) debe utilizarse la columna de 75 °C. CÁLCULOS PARA LA SELECCIÓN DE CALIBRE EN BAJA TENSIÓN Ejemplo - Paso 4: Factores de corrección Como la temperatura ambiente de referencia de la tabla 31015(b)(16) es 30 °C, para el factor de corrección por temperatura se debe utilizar la tabla 310-15(b)(2)(a). ft = 0.88 fa = 1.00 Imotor = 1.25 CÁLCULOS PARA LA SELECCIÓN DE CALIBRE EN BAJA TENSIÓN Ejemplo - Pasos 5 y 6: Cálculo de la corriente del conductor y selección del calibre × . × . × . � = � = 203.13 A El calibre debe ser 4/0 AWG, con una capacidad de conducción de 230 A @ 75 °C. CÁLCULOS PARA LA SELECCIÓN DE CALIBRE EN BAJA TENSIÓN Ejemplo – Paso 7: Cálculo de la caída de tensión De la tabla 9 se pueden obtener Rca @ 75 °C y XL. XL = 0.167 ohm/km Rca @ 75°C = 0.207 ohm/km Nota: si las condiciones del caso difieren, Rca y XL se deben calcular. CÁLCULOS PARA LA SELECCIÓN DE CALIBRE EN BAJA TENSIÓN Ejemplo - Paso 7: Cálculo de la caída de tensión Y la caída de tensión: Entonces: |�| = . + . |�| = 0.266 ohm/km � � = (0.266 ohm/km) x (0.09 km) = 0.024 ohm = = . % = × . 24 � × . % = 2.7 % × El resultado es menor que el 3%, por lo que la selección del calibre 4/0 AWG cumple con la norma y por lo tanto es correcta. CÁLCULOS PARA LA SELECCIÓN DE CALIBRE EN BAJA TENSIÓN Ejemplo - Paso 8: Verificación del calibre por cortocircuito Para cables Vinanel XXI: Lo cual implica que se debe seleccionar un conductor de 177.9 mm2 de sección transversal y calibre próximo es 350 kcmil (177.3 mm2). Tcc= 150 °C Top= 90 °C Se desarrolla el denominador de la fracción dentro del radical y el valor es 2.19x10-3. �= . × � =177.94 mm2 . . × − Una alternativa es seleccionar cables con un valor de Tcc mayor, como Vulcanel. CÁLCULOS PARA LA SELECCIÓN DE CALIBRE EN BAJA TENSIÓN Ejemplo - Paso 8: Verificación del calibre por cortocircuito Para cables Vulcanel: En este caso se debe seleccionar un conductor de 115.8 mm2 de sección transversal y el calibre próximo es 250 kcmil (126.7 mm2). Tcc= 250 °C Top= 90 °C Se desarrolla el denominador de la fracción dentro del radical y el valor es 5.17x10-3. �= . × � =115.77 mm2 . . × − Existen otras alternativas como reducir la magnitud del cortocircuito mediante elementos limitadores o seleccionar tiempos de disparo más rápidos en las protecciones. CÁLCULOS PARA LA SELECCIÓN DE CALIBRE EN BAJA TENSIÓN Catálogo inteligente Condumex http://catalogo.condumex.com.mx CÁLCULOS PARA LA SELECCIÓN DE CALIBRE EN BAJA TENSIÓN Co erciales… CÁLCULOS PARA LA SELECCIÓN DE CALIBRE EN BAJA TENSIÓN ¡Gracias por su atención! MC Julio César Rodríguez Rocha Asesor Técnico-Comercial 53 28 99 05 Ext. 4518 [email protected]
