Guía de dimensionamiento de conductores de protección: Comparación IEC 60364-5-54 y NEC 250.122

Los conductores de protección son componentes esenciales de los sistemas de seguridad eléctrica. Su propósito es proporcionar una ruta adecuada para la corriente de falla y apoyar la desconexión automática del suministro cuando ocurre una falla a tierra.

Según la terminología IEC, estos conductores se denominan combinados conductores de protección (PE) . En instalaciones regidas por el Código Eléctrico Nacional (NEC) de EE.UU. UU., el término correspondiente generalmente es conductor de puesta a tierra del equipo (EGC) .

A diferencia de los conductores de fase, los conductores PE y los EGC no están diseñados para transportar corriente de carga normal. Por lo tanto, su tamaño no debe basarse únicamente en la capacidad de transporte de corriente continua, o ampacidad, utilizada para los conductores de fase.

El método de dimensionamiento aplicable depende del estándar de instalación eléctrica.

Esta guía explica el tamaño del conductor de protección en CEI 60364-5-54 , seguido de una comparación con NEC 250.122 para proyectos norteamericanos.

1. ¿Qué es un protector de conductores?

Se proporciona un conductor de protección para la seguridad eléctrica, incluida la conexión de piezas conductoras expuestas al dispositivo de puesta a tierra de protección.

Durante una falla a tierra, el conductor de protección puede formar parte del camino de la corriente de falla, permitiendo que el dispositivo de protección desconecte el circuito afectado dentro del tiempo requerido.

Su rendimiento depende de varios factores:

• conductor de materiales y área de sección transversal.

• Corriente de falla a tierra potencial.

• Duración de la falla.

• Características del dispositivo de protección.

• Impedancia del bucle de falla.

• Disposición de puesta a tierra.

• Protección mecánica y condiciones de instalación.

Un conductor de protección debe ser capaz de resistir los efectos térmicos y mecánicos asociados con las condiciones de falla relevantes.

También debe formar parte de un dispositivo de protección y puesta a tierra que satisfaga los requisitos de desconexión automática aplicables.

Importante: Los conductores PE, los conductores neutros y los conductores neutros y de protección combinados (PEN) realizan funciones diferentes y no deben considerarse intercambiables.

2. CEI 60364-5-54: Dimensionamiento del conductor de protección

CEI 60364-5-54 proporciona requisitos para disposiciones de puesta a tierra, conductores de protección y conductores de conexión de protección en instalaciones eléctricas de bajo voltaje.

Para el área de la sección transversal del conductor de protección, IEC 60364-5-54 permite dos enfoques principales:

1. Selección mediante tabla de tallas simplificada.

2. Cálculo basado en la resistencia térmica de cortocircuito.

Ambos enfoques siguen sujetos a los requisitos de sección transversal mínima, instalación y protección aplicable.

Cuando un proyecto evalúa ambos métodos, el diseñador puede seleccionar el tamaño de conductor resultante más grande como una opción de diseño conservadora. Esto no debe confundirse con el requisito universal de IEC de calcular ambos valores y adoptar siempre el mayor.

2.1 Tabla de dimensionamiento de conductores de protección IEC simplificada

Para conductores de protección fabricados del mismo material que los conductores de línea correspondientes, la relación simplificada es:

Ejemplo 1:

Un circuito utiliza un conductor de línea de cobre de 10 mm².

Según la tabla simplificada, el conductor PE de cobre correspondiente es de 10 mm².

Ejemplo 2:

Un circuito utiliza un conductor de línea de cobre de 25 mm².

Según la tabla simplificada, el conductor PE de cobre correspondiente es de 16 mm².

Ejemplo 3:

Un circuito utiliza un conductor de línea de cobre de 70 mm².

En la tabla simplificada, el área de PE de cobre calculada es:

70 / 2 = 35 mm²

El conductor seleccionado debe cumplir con el requisito mínimo aplicable y utilizar un tamaño de conductor disponible apropiado.

Limitación importante de materiales

La tabla simplificada anterior se aplica cuando el conductor de protección y el conductor de fase están hechos del mismo material.

Cuando se utilizan diferentes materiales, como un conductor de línea de aluminio con un conductor protector de cobre, se deben considerar las disposiciones de corrección de materiales aplicables de la norma IEC 60364-5-54.

La tabla no debe aplicarse directamente a materiales conductores diferentes sin el ajuste requerido.

3. Área de sección transversal mínima para conductores de PE separados

Cuando un conductor de protección no está incorporado en un cable y no está encerrado en un recinto común con los conductores de línea, se aplican requisitos adicionales de área de sección transversal mínima.

Para las condiciones de instalación IEC relevantes, normalmente se aplican los siguientes tamaños mínimos:

Estos son requisitos mínimos para las disposiciones de instalación especificadas.

No reemplazan la necesidad de determinar el tamaño del conductor de protección requerido por el diseño del circuito.

Es posible que un conductor de protección deba ser más grande debido al método de dimensionamiento seleccionado, condiciones de falla u otros requisitos aplicables.

Conductores de pluma

Un conductor PEN combina funciones protectoras y neutrales.

Según los requisitos IEC pertinentes, las áreas de sección transversal mínima del conductor PEN son generalmente:

• cobre de 10 mm².

• Aluminio de 16 mm².

Los conductores PEN están sujetos a restricciones adicionales relativas a la disposición de puesta a tierra, la instalación y la construcción del conductor.

Un conductor PE normal no debe describirse ni especificarse como conductor PEN a menos que la función combinada se requiera y permita explícitamente.

4. Cálculo adiabático para conductores de protección.

IEC 60364-5-54 también proporciona un método basado en cálculos para determinar el área de la sección transversal del conductor de protección a partir de la resistencia térmica y cortocircuitos.

Para tiempos de eliminación de fallas aplicables que no exceden los 5 segundos, la relación adiabática simplificada es:

S_PE ≥ I × √t / k

donde:

El factor k debe seleccionarse para la construcción real del conductor de protección y las temperaturas iniciales y finales aplicables.

4.1 Valores k de referencias típicas

Los siguientes valores se utilizan comúnmente para las condiciones indicadas del conductor aislado:

Importante: Estos no son valores universales para todos los conductores de protección. El factor k aplicable debe verificarse con las disposiciones IEC pertinentes y las condiciones reales del conductor.

4.2 Ejemplo de cálculo

Supongamos que un conductor de protección de cobre con aislamiento XLPE está sujeto a:

• Corriente de defecto a tierra potencial: 5.000 A.

• Tiempo de eliminación de fallos: 0,2 s.

• Factor k aplicable: 143.

El área de la sección transversal requerida es:

S_PE ≥ 5.000 × √0,2 / 143

S_PE ≥ 15,64 mm²

Un conductor de cobre de 16 mm² satisfaría este cálculo térmico ilustrativo.

Sin embargo, la selección final del conductor también debe cumplir con los demás requisitos de instalación y protección aplicables.

El ejemplo no es una verificación completa de una instalación eléctrica.

4.3 Por qué es importante el tiempo para solucionar fallos

El estrés térmico experimentado por un conductor de protección depende tanto de la corriente de falla como de la duración de la falla.

Una corriente de falla más alta no requiere necesariamente un conductor más grande si el dispositivo de protección elimina la falla con la suficiente rapidez.

Por el contrario, una corriente de falla más baja mantenida durante un período más prolongado puede producir un estrés térmico sustancial.

El diseñador debe utilizar las características operativas relevantes del dispositivo de protección y las posibles condiciones de falla en lugar de asumir un tiempo de limpieza fijo para cada circuito.

5. NEC 250.122: Comparación norteamericana

Para proyectos regidos por el Código Eléctrico Nacional de EE.UU. UU., los conductores de puesta a tierra de equipos generalmente se dimensionan de acuerdo con el Artículo 250 de NEC.

NEC 250.122 establece requisitos mínimos de tamaño para los conductores de puesta a tierra de equipos basados ​​principalmente en la clasificación o configuración del dispositivo de protección contra sobrecorriente que protege el circuito.

Esto difiere del enfoque IEC simplificado, que relaciona el tamaño del conductor de protección con el área de la sección transversal del conductor de línea.

5.1 Valores seleccionados de la tabla NEC 250.122

La siguiente tabla proporciona valores de referencia seleccionados para conductores de puesta a tierra de equipos tipo alambre.

Nota: Esta es una tabla de referencia condensada, no una reproducción de todos los requisitos de NEC. Se deben verificar la edición NEC adoptada, las excepciones aplicables y los requisitos de las autoridades locales para un proyecto real.

5.2 Tamaño aumentado del conductor de línea

Según NEC 250.122(B), cuando los conductores no puestos a tierra aumentan de tamaño en circunstancias cubiertas por esa disposición, los conductores de puesta a tierra de equipos tipo alambre generalmente también deben aumentar proporcionalmente en un área de mil circulares, sujeto a las excepciones aplicables.

El control de caída de voltaje es una razón común para aumentar el tamaño del conductor de línea.

Sin embargo, no se debe describir que la regla se aplica únicamente a los aumentos relacionados con la caída de tensión.

5.3 Circuitos Paralelos

Las instalaciones de conductores paralelos pueden requerir conductores de puesta a tierra de equipos en cada canal u otra disposición de cableado permitida.

Se deben seguir las disposiciones aplicables del NEC al determinar el número, la ubicación y el tamaño de los EGC.

El área de EGC requerida no debe dividirse simplemente por el número de canales paralelos sin verificar los requisitos NEC pertinentes.

6. IEC vs NEC: diferencias claves

IEC y NEC utilizan diferentes terminología, métodos de dimensionamiento de conductores y sistemas de tamaño de conductores estándar.

¿Se pueden intercambiar las tablas de dimensionamiento IEC y NEC?

No.

Un tamaño de conductor seleccionado según IEC 60364-5-54 no puede declararse automáticamente conforme con NEC 250.122 simplemente convirtiendo mm² a AWG.

Del mismo modo, un EGC seleccionado de la tabla 250.122 de NEC no puede tratarse automáticamente como un conductor PE que cumple con IEC.

Para proyectos internacionales, la norma que rige la instalación eléctrica debe establecerse antes de finalizar el dimensionamiento del conductor.

Cuando las especificaciones del proyecto contienen requisitos de más de un sistema estándar, el ingeniero de diseño debe resolver los requisitos aplicables y cualquier conflicto antes de aprobar la construcción del cable.

7. Conductores de protección en proyectos de cables de alimentación de BT

Para cables de alimentación de baja tensión, el conductor de protección puede proporcionarse como:

• Un núcleo aislado dentro de un cable multinúcleo.

• Un conductor de protección aislado por separado.

• Otra disposición conductora permitida que cumpla con la norma de instalación aplicable.

Por ejemplo, un cable multipolar de bajo voltaje puede especificarse con conductores trifásicos y un núcleo conductor de protección separado.

El área de la sección transversal del conductor de PE requerida debe ser establecida por el diseñador eléctrico de acuerdo con la norma de instalación vigente.

Los fabricantes de cables no deben dar por sentado que todos los cables de cuatro hilos sean adecuados para un circuito trifásico con conductor PE.

En cambio, un cuarto núcleo puede estar previsto como conductor neutro.

La función requerida de cada núcleo debe estar claramente identificada en la especificación del cable.

8. Consideraciones sobre la puesta a tierra del cable de media tensión

La tabla de dimensionamiento de PE IEC simplificada analizada anteriormente está destinada a instalaciones eléctricas de bajo voltaje dentro del alcance de IEC 60364.

Los sistemas de cable de media tensión requieren una consideración adicional de:

• Construcción de pantalla metálica.

• Área transversal de la pantalla.

• Unión de armaduras.

• Corriente de falla a tierra potencial.

• Duración de la falla.

• Disposición de puesta a tierra.

• Diseño de juntas y terminaciones.

• Especificaciones de utilidad y proyecto aplicables.

Cuando sea relevante, se debe considerar la norma IEC 61936-1 y otras normas aplicables para la instalación eléctrica general.

Pantallas y armaduras metálicas.

Un cable de media tensión puede incluir una pantalla de alambre de cobre, una pantalla de cinta de cobre, una funda o armadura metálica.

Estos componentes no necesariamente realizan la misma función eléctrica o mecánica.

Su idoneidad para transportar corriente de falla a tierra depende de su construcción, continuidad, disposición de conexión y capacidad de resistencia a fallas verificada.

Por lo tanto, la pantalla o armadura metálica de un cable no debe dimensionarse únicamente aplicando la tabla de dimensionamiento simplificada de PE de baja tensión.

La construcción de pantalla metálica requerida y la resistencia a cortocircuitos deben confirmarse con las especificaciones técnicas del comprador.

9. Información necesaria al realizar pedidos de cables de alimentación con conductores PE

Para los fabricantes de cables, una investigación técnica completa ayuda a garantizar que la propuesta de construcción coincida con el diseño eléctrico.

Los compradores deben proporcionar la siguiente información cuando corresponda:

Para los cables de media tensión, la investigación también debe identificar la construcción de pantalla metálica requerida y los requisitos de resistencia a la corriente de falla.

Si aún no se ha determinado el PE o el área de la sección transversal de la pantalla, el comprador debe proporcionar la información de diseño relevante para una aclaración técnica.

10. Conclusión

El tamaño del conductor de protección es un requisito de seguridad eléctrica y no debe tratarse como un cálculo ordinario de ampacidad del cable.

Según IEC 60364-5-54, el área de la sección transversal del conductor de protección se puede determinar utilizando la tabla de dimensionamiento simplificada aplicable o un cálculo basado en la resistencia térmica a cortocircuitos.

Según NEC 250.122, el tamaño del conductor de puesta a tierra de equipos tipo cable se basa principalmente en el dispositivo de protección contra sobrecorriente aguas arriba, junto con los requisitos de instalación y ajuste aplicables.

Para ambos sistemas, la selección final del conductor debe soportar la función protectora requerida bajo las condiciones reales de instalación y falla.

En los sistemas de cables de media tensión, las pantallas metálicas, las armaduras y las disposiciones de unión asociadas requieren una consideración técnica separada.

La especificación final del cable debe confirmarse con la norma vigente, el diseño eléctrico aprobado y los datos técnicos publicados por el fabricante.

Acerca de Xinyu Cable

Xinyu Cable fabrica cables eléctricos de baja y media tensión para distribución de servicios públicos, instalaciones industriales, infraestructura y proyectos de energía renovable.

Nuestra gama de productos incluye cables de alimentación con conductores de cobre y aluminio, cables con aislamiento XLPE, cables multipolares de baja tensión y construcciones de cables armados y no armados.

Para consultas sobre proyectos, los clientes pueden proporcionar los tamaños de conductores requeridos, configuraciones de núcleo, requisitos de conductores de protección, especificaciones de pantalla metálica y normas técnicas aplicables.

Nuestro equipo puede revisar la construcción de cable solicitada y proporcionar información y cotizaciones de productos relevantes.

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