Cables de alimentación de BT: guía de selección, estándares y datos de dimensionamiento

Los cables de alimentación de baja tensión (BT) se utilizan ampliamente en edificios comerciales, plantas industriales, redes de distribución de servicios públicos y proyectos de infraestructura. La selección adecuada del cable es esencial para la seguridad eléctrica, el funcionamiento confiable y el rendimiento del sistema a largo plazo.

Un cable de alimentación de BT seleccionado correctamente debe satisfacer tres criterios de ingeniería fundamentales: capacidad de transporte de corriente continua, limitación de caída de tensión y resistencia térmica a cortocircuitos.

Las consideraciones adicionales incluyen el material aislante, la construcción del conductor, las condiciones de instalación, el tamaño del conductor neutro, la conexión a tierra de protección y los requisitos ambientales.

Esta guía resume las prácticas de ingeniería reconocidas internacionalmente basadas principalmente en CEI 60228, CEI 60502-1, CEI 60364-5-52, CEI 60364-5-54 e CEI 60949, con referencias complementarias a BS 7671 y el Código Eléctrico Nacional (NEC), cuando corresponda.

1. Normas aplicables y su alcance

Diferentes normas internacionales abordan diferentes aspectos del diseño, fabricación, selección e instalación de cables de baja tensión.

Para un proyecto determinado, se deben identificar claramente el código eléctrico nacional aplicable, la norma del producto y la especificación técnica del proyecto.

Las calificaciones actuales y los factores de corrección de diferentes estándares no deben combinarse sin verificar sus supuestos subyacentes y su aplicabilidad.

2. Criterios de selección de cables

2.1 Capacidad de transporte de corriente continua

La capacidad de transporte de corriente continua, comúnmente denominada ampacidad, representa la corriente máxima que un cable puede transportar de forma continua en condiciones de instalación específicas sin exceder la temperatura permitida del conductor.

Las clasificaciones de temperatura de funcionamiento continuo típicas para sistemas de aislamiento comunes incluyen:

Estos valores se aplican a los sistemas de aislamiento de uso común y deben verificarse con la norma del producto aplicable y los datos técnicos del fabricante.

El aislamiento XLPE generalmente permite una temperatura operativa del conductor más alta que el aislamiento de PVC convencional de 70 °C.

Sin embargo, el aumento resultante en la capacidad de transporte de corriente no es un porcentaje fijo.

La ampacidad real depende de varios factores:

Temperatura ambiente

Las temperaturas ambiente más altas del aire o del suelo reducen la capacidad del cable para disipar el calor.

La clasificación actual debe corregirse de acuerdo con la temperatura real de la instalación.

Método de instalación

Los cables instalados al aire libre, conductos, bandejas portacables, conductos o directamente enterrados bajo tierra experimentan diferentes condiciones térmicas.

Se debe considerar el método de instalación al determinar la clasificación de corriente permitida.

Agrupación de cables

Varios cables instalados muy juntos pueden experimentar calentamiento mutuo.

Se deben aplicar factores de corrección de agrupación apropiados de acuerdo con el estándar de diseño seleccionado.

Resistividad térmica del suelo

Para instalaciones subterráneas, la resistividad térmica del suelo influye significativamente en la disipación de calor.

El suelo seco, el relleno mal compactado o la alta resistividad térmica pueden reducir la clasificación de corriente permitida.

Material conductor

Los conductores de cobre y aluminio tienen diferentes resistencias eléctricas y características térmicas.

El área de la sección transversal del conductor seleccionada debe tener en cuenta el material y la norma de conductor aplicable.

Los métodos y tablas de referencia incluyen IEC 60364-5-52, BS 7671 Apéndice 4 y tablas de ampacidad NEC aplicables.

Las calificaciones actuales publicadas son válidas sólo bajo las condiciones de referencia especificadas. Se deben aplicar las correcciones apropiadas cuando las condiciones reales de instalación difieran.

2.2 Caída de voltaje

La caída de voltaje se produce debido a la resistencia eléctrica y la reactancia de los conductores del cable.

Una caída excesiva de voltaje puede reducir el rendimiento del equipo, aumentar las pérdidas de energía y causar problemas operativos.

La caída de voltaje permitida debe seguir el código eléctrico nacional aplicable y las especificaciones técnicas del proyecto.

Por ejemplo, los proyectos basados ​​en NEC comúnmente utilizan recomendaciones de diseño del 3% para circuitos derivados y del 5% para el circuito combinado alimentador y derivado.

Estos valores no deben tratarse como requisitos universales de IEC.

Sistema de CA trifásico

Para un circuito trifásico equilibrado, la caída de tensión aproximada se puede calcular como:

ΔU = √3 × I × L × (R × cosφ X × senφ) / 1000

Sistema de CA monofásico

Para un circuito monofásico convencional de dos conductores con conductores de salida y retorno comparables:

ΔU = 2 × I × L × (R × cosφ X × senφ) / 1000

donde:

La división por 1000 convierte la longitud del cable de metros a kilómetros.

La caída de voltaje porcentual se calcula como:

Caída de tensión (%) = ΔU / Un × 100

Donde Un es la tensión nominal aplicable del sistema.

Para sistemas trifásicos, normalmente se utiliza la tensión línea a línea. Para sistemas monofásicos, se utiliza la tensión de alimentación aplicable.

Estas ecuaciones proporcionan cálculos aproximados para circuitos de CA convencionales en estado estacionario. Puede ser necesario un análisis más detallado para instalaciones complejas, cargas desequilibradas o sistemas con distorsión armónica significativa.

La caída de voltaje se puede reducir mediante:

• Aumento del área de la sección transversal del conductor.
• Reducir la longitud del cable cuando sea práctico.
• Seleccionar un material conductor con menor resistencia.
• Mejorar el factor de potencia de carga cuando corresponda.
• Optimización del arreglo de distribución eléctrica.

2.3 Resistencia térmica de cortocircuito

Los cables de alimentación deben resistir los efectos térmicos de un cortocircuito hasta que el dispositivo de protección desconecte la falla.

Un cable puede tener suficiente capacidad de transporte de corriente continua pero una resistencia térmica a cortocircuitos inadecuada.

Para fallas de corta duración aplicables en condiciones adiabáticas, el área transversal mínima del conductor se puede estimar usando:

S = Yo × √t / k

donde:

El valor k aplicable depende del material del conductor, el sistema de aislamiento, la temperatura inicial del conductor y la temperatura final permitida de cortocircuito.

A continuación se muestran valores ilustrativos para combinaciones de conductores y aislamientos comunes.

Estos valores son ilustrativos y se aplican únicamente bajo los supuestos de temperatura inicial y final del conductor especificados.

El valor k aplicable debe verificarse con respecto a la norma pertinente y la construcción del cable real.

Para fallas de mayor duración o condiciones en las que la transferencia de calor durante la falla es significativa, los supuestos de la ecuación adiabática pueden no ser suficientes.

IEC 60949 proporciona métodos para evaluar corrientes de cortocircuito térmicamente permitidas, incluidos los efectos no adiabáticos.

Consideraciones importantes de ingeniería

La resistencia térmica a cortocircuitos es un criterio de diseño independiente de la ampacidad continua.

Sin embargo, el cálculo depende de la temperatura inicial supuesta del conductor, que puede verse influenciada por la carga operativa normal del cable.

El tamaño final del conductor seleccionado debe satisfacer simultáneamente los requisitos de ampacidad continua, caída de voltaje y resistencia térmica en cortocircuito.

3. Selección del material aislante

El material aislante afecta la temperatura de funcionamiento del cable, el rendimiento eléctrico, la resistencia ambiental y la idoneidad de la instalación.

Los materiales aislantes comunes utilizados en cables de alimentación de bajo voltaje incluyen PVC, XLPE y EPR.

Las temperaturas mostradas son valores típicos para sistemas de aislamiento comunes y deben verificarse con la norma del producto aplicable y los datos del fabricante.

Aislamiento de PVC

El aislamiento de PVC es muy utilizado en instalaciones eléctricas de baja tensión.

Ofrece aislamiento eléctrico práctico y propiedades mecánicas para muchas aplicaciones convencionales.

Su idoneidad depende de la temperatura de funcionamiento, las condiciones de instalación y los requisitos aplicables de comportamiento frente al fuego.

Aislamiento XLPE

El polietileno reticulado (XLPE) proporciona un buen aislamiento eléctrico y rendimiento térmico.

Los cables de alimentación con aislamiento XLPE se utilizan comúnmente en instalaciones industriales, sistemas de distribución de servicios públicos, proyectos de infraestructura e instalaciones de energía renovable.

La temperatura del conductor continuo más alta permitida de XLPE puede permitir clasificaciones de corriente más altas en condiciones de instalación comparables.

Sin embargo, la diferencia de ampacidad real debe determinarse utilizando el método de diseño relevante en lugar de un porcentaje universal.

Aislamiento EPR

El caucho de etileno propileno (EPR) se utiliza en diversas aplicaciones de cables industriales y especializados.

Dependiendo de su formulación y construcción del cable, el aislamiento EPR puede proporcionar flexibilidad y resistencia útiles a ciertas condiciones ambientales.

La selección final del aislamiento debe considerar los requisitos eléctricos, la temperatura de funcionamiento, el entorno de instalación, el rendimiento mecánico y las normas aplicables.

4. Conductores neutros y de protección.

4.1 Conductores neutros

El tamaño del conductor neutro depende del sistema de distribución eléctrica, el equilibrio de carga y las características armónicas.

En los sistemas trifásicos convencionales de tres hilos normalmente no existe un conductor neutro.

En sistemas trifásicos de cuatro hilos, el conductor neutro debe dimensionarse de acuerdo con la corriente neutra esperada y los requisitos de instalación aplicables.

Las consideraciones importantes incluyen:

Cargas desequilibradas

La carga de fase desigual puede producir corriente en el conductor neutro.

El neutro debe ser capaz de transportar la corriente desequilibrada esperada.

Corrientes armónicas

Las cargas no lineales monofásicas, como fuentes de alimentación de computadoras, iluminación electrónica y ciertos equipos electrónicos, pueden generar armónicos triples.

Los armónicos triplen incluyen los múltiplos tercero, noveno, decimoquinto y superiores del tercer armónico.

En sistemas trifásicos de cuatro hilos, estas corrientes armónicas pueden acumularse en el conductor neutro en lugar de cancelarse.

Como resultado, la corriente neutra puede exceder el nivel esperado solo por el desequilibrio de carga de frecuencia fundamental.

Dependiendo del espectro armónico real y del estándar aplicable, es posible que se requiera un conductor neutro de tamaño completo o sobredimensionado.

El dimensionamiento del conductor neutro debe basarse en las condiciones operativas esperadas en lugar de una regla de sobredimensionamiento universal.

4.2 Conductores de tierra de protección

Los conductores de tierra de protección (PE) proporcionan una ruta de corriente de falla y admiten la desconexión automática del suministro bajo condiciones de falla específicas.

IEC 60364-5-54 proporciona requisitos para el dimensionamiento de conductores de protección.

El área de la sección transversal requerida depende de factores que incluyen:

• Área de la sección transversal del conductor de fase.
• Material conductor.
• Corriente de falla a tierra potencial.
• Tiempo de funcionamiento del dispositivo de protección.
• Protección mecánica y condiciones de instalación.

Para algunas instalaciones, el conductor de protección puede tener la misma sección transversal que el conductor de fase.

Para conductores de fase más grandes, se puede permitir un tamaño de conductor de protección reducido cuando se cumplan los requisitos de la norma aplicable.

Los conductores combinados de protección a tierra y neutro (PEN) se permiten solo bajo condiciones de instalación y sistema específicas.

No se deben suponer aceptables para todos los arreglos de distribución eléctrica.

5. Consideraciones sobre la carga armónica

Las corrientes armónicas pueden aumentar las pérdidas de los conductores e influir en el tamaño del cable.

El efecto depende del espectro armónico, la construcción del cable, la disposición de los conductores y el sistema de distribución eléctrica.

Calefacción de conductores de fase

Los variadores de frecuencia, rectificadores y otros equipos no lineales pueden generar corrientes armónicas en los conductores de fase.

Estas corrientes pueden aumentar el calentamiento del conductor y pueden influir en la sección transversal requerida del cable.

Calefacción por conductor neutro

En sistemas trifásicos de cuatro hilos que suministran cargas no lineales monofásicas significativas, se pueden acumular corrientes armónicas triples en el conductor neutro.

Este efecto debe considerarse al seleccionar el tamaño del conductor neutro.

Mitigación armónica

Dependiendo de la aplicación, las medidas adecuadas pueden incluir:

• Aumento del área de la sección transversal del conductor.
• Seleccionar un conductor neutro del tamaño adecuado.
• Instalación de filtros de armónicos.
• Utilizar configuraciones adecuadas de convertidor o variador.
• Evaluación del espectro de corriente armónica real durante el dimensionamiento del cable.

Ciertos estándares, incluido el BS 7671, proporcionan factores de corrección específicos para condiciones armónicas definidas.

Estos factores no deben aplicarse universalmente a todas las instalaciones de cables de baja tensión.

Se deben considerar el estándar aplicable, la disposición de los cables y las características de carga reales.

6. Instalación y factores ambientales

La selección correcta del cable debe tener en cuenta las condiciones bajo las cuales se instalará y operará el cable.

Temperatura ambiente

La clasificación de corriente permitida debe corregirse de acuerdo con la temperatura ambiente real del aire o del suelo.

Las temperaturas más altas generalmente reducen la capacidad del cable para disipar el calor.

Agrupación de cables

Varios cables instalados muy cerca pueden experimentar calentamiento mutuo.

Se deben aplicar factores de corrección de agrupación adecuados según el estándar de instalación seleccionado.

Instalación subterránea

Para cables enterrados, los factores importantes incluyen:

• Resistividad térmica del suelo.
• Profundidad de entierro.
• Espaciado de cables.
• Material de relleno.
• Condiciones de humedad del suelo.
• Fuentes de calor cercanas.

Estas condiciones deben evaluarse al determinar la clasificación de corriente continua del cable.

Radio de curvatura mínimo

El radio de curvatura mínimo depende de la construcción del cable, el tipo de conductor, el sistema de aislamiento, el diseño de la armadura y las condiciones de instalación.

El valor aplicable debe confirmarse a partir de la hoja de datos del producto del fabricante y las instrucciones de instalación.

Los cables no deben estar sujetos a fuerzas de flexión más allá de sus límites mecánicos especificados.

Protección mecánica

Se pueden seleccionar cables de alimentación blindados cuando se requiera protección mecánica adicional.

Las construcciones de armadura comunes incluyen armadura de alambre de acero (SWA), armadura de cinta de acero (STA) y armadura de alambre de aluminio (AWA).

El tipo de armadura apropiado depende de la construcción del cable, las condiciones de instalación y los requisitos del proyecto.

Para cables de CA de un solo núcleo, el material de la armadura y las pérdidas magnéticas asociadas requieren una consideración especial.

7. Conclusión

La selección adecuada del cable de alimentación de bajo voltaje requiere una evaluación coordinada de los requisitos eléctricos, térmicos, mecánicos y ambientales.

Un cable adecuado debe cumplir simultáneamente:

1. Capacidad de transporte de corriente continua bajo condiciones reales de instalación, incluidas las correcciones de agrupación y temperatura aplicables.

2. Requisitos de caída de voltaje de acuerdo con el código eléctrico vigente y las especificaciones del proyecto.

3. Resistencia térmica de cortocircuito basado en la posible corriente de falla, el tiempo de operación del dispositivo de protección y los límites de temperatura permitidos del conductor.

4. Dimensionamiento del conductor neutro y de protección. apropiado para el sistema de distribución eléctrica y las características de carga esperadas.

5. Requisitos de instalación y medioambientales. , incluida la protección mecánica, el radio de curvatura y las condiciones térmicas.

Las decisiones de ingeniería deben hacer referencia a las ediciones aplicables de IEC 60228, IEC 60502-1, IEC 60364-5-52, IEC 60364-5-54, IEC 60949 y los códigos eléctricos regionales relevantes.

La selección final del cable siempre debe verificarse con los datos técnicos publicados por el fabricante y las especificaciones técnicas aprobadas del proyecto.

Acerca de Xinyu Cable

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

Nuestra gama de cables de alimentación de baja tensión incluye cables aislados con PVC y XLPE con conductores de cobre o aluminio, disponibles en construcciones unipolares y multipolares, con opciones blindadas y no blindadas.

Los productos se pueden fabricar de acuerdo con las normas IEC aplicables y los requisitos técnicos específicos del cliente.

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