Cómo calcular el tamaño del cable: una guía paso a paso para proyectos eléctricos

Pregúntele a cualquier ingeniero eléctrico experimentado y escuchará lo mismo: el tamaño del cable no es una fórmula, sino una corta cadena de comprobaciones, y cada eslabón de esa cadena debe mantenerse. Si se obtiene la corriente correcta pero se ignoran los factores de reducción, el conductor se calentará más de lo que se diseñó su aislamiento. Obtenga la ampacidad correcta pero ignore la caída de voltaje y el motor en el otro extremo de la línea se negará a arrancar. Si se omite la comprobación de cortocircuito, la instalación estará a un fallo de sufrir un incidente grave.

El siguiente método sigue la secuencia que utilizan nuestros propios ingenieros cuando revisan un proyecto: primero la corriente de diseño, luego la coordinación con el dispositivo de protección, luego la capacidad de carga de corriente, luego la caída de voltaje y luego la resistencia al cortocircuito. Siga los pasos en orden y la sección transversal correcta casi se elegirá sola.

Antes de comenzar: recopile las entradas

Californiasi todos los retrasos en un ejercicio de dimensionamiento de cables se deben a una entrada faltante. Reúna estos antes de abrir una mesa:

• Datos de carga: potencia en kW o kVA, factor de potencia, eficiencia, ciclo de trabajo y simultaneidad.
• Datos del sistema: tensión nominal, número de fases, frecuencia y si el suministro es TN, TT o IT.
• Datos de protección: tipo y calibre del disyuntor o fusible, y sus características de disparo.
• Método de instalación: multipolar o monopolar, sobre bandeja, en conducto, clipado directo, al aire libre o enterrado.
• Medio ambiente: temperatura del aire ambiente, temperatura del suelo y resistividad térmica, profundidad de enterramiento y cuántos circuitos comparten la ruta.
• Datos del recorrido: longitud del trayecto en metros, más cualquier ampliación futura ya prevista.
• Datos de fallo: corriente de cortocircuito prevista en el origen y tiempo de desconexión necesario.

Anota los valores. Una hoja de dimensionamiento que muestra sus entradas se puede revisar en minutos; uno que no lo haga siempre será cuestionado.

Paso 1: Calcular la corriente de diseño (Ib)

La corriente de diseño es la corriente que transportará el cable en servicio normal. Para una carga trifásica:

Ib = P / (√3 × U × cos φ)

y para una carga monofásica:

Ib = P / (U × cos φ)

Un ejemplo rápido: una carga trifásica de 90 kW con un suministro de 400 V con un factor de potencia de 0,85 consume 90.000 / (1,732 × 400 × 0,85) = 153 A. Ese número único sienta las bases para todo lo que sigue, porque el dispositivo de protección debe ser al menos así de grande y el cable debe tener al menos esta capacidad.

Vale la pena recordar dos precisiones. La corriente de arranque del motor no cambia la corriente continua de diseño, pero sí afecta la elección de la protección y la verificación de la caída de voltaje. Y en instalaciones con un alto contenido de armónicos, como oficinas llenas de cargas electrónicas o una planta llena de variadores, es posible que sea necesario dimensionar el conductor neutro para más que la corriente de fase en lugar de menos.

Paso 2: coordine el cable con el dispositivo de protección

Un cable sólo está protegido si el dispositivo que tiene delante se desconecta antes de que se dañe el aislamiento. En la práctica esto significa que deben cumplirse dos condiciones al mismo tiempo:

Ib ≤ En ≤ Iz

donde Ib es la corriente de diseño, In es la clasificación nominal del dispositivo de protección e Iz es la capacidad de transporte de corriente corregida del cable. Una segunda condición, I2 ≤ 1,45 × Iz, confirma que el dispositivo realmente funcionará con su corriente de disparo convencional sin sobrecalentar el conductor.

La consecuencia práctica es simple. Si la corriente calculada es 153 A, no elige un disyuntor de 200 A y luego busca un cable lo suficientemente grande como para igualarlo; usted elige la clasificación estándar más pequeña por encima de la carga, que aquí es 160 A, y dimensiona el cable según esa cifra.

Paso 3: encuentre la capacidad base de carga de corriente

Las tablas de capacidad de carga de corriente, ya sea tomadas de IEC 60364-5-52, BS 7671 o del catálogo de un fabricante, se construyen en torno a un conjunto definido de condiciones: una temperatura ambiente de referencia, un método de instalación establecido, un número definido de conductores cargados y un solo circuito. Encuentre la fila que coincida con su sección transversal y la columna que coincida con su instalación.

Tres opciones dominan el resultado. El material del conductor es importante, porque el aluminio necesita aproximadamente una vez y media la sección transversal del cobre para la misma corriente. El aislamiento es importante, porque un cable XLPE puede tender con un conductor a 90 °C, mientras que un cable de PVC está limitado a 70 °C. Y el método de instalación es muy importante, ya que un cable enganchado al aire libre desprende calor mucho más fácilmente que el mismo cable introducido en un conducto lleno de gente.

Aquí es donde un catálogo real resulta realmente útil, porque la diferencia entre los tipos de aislamiento no es un error de redondeo. Un cable de alimentación con aislamiento XLPE de 6/1 kV transporta notablemente más corriente que un equivalente de PVC de la misma sección transversal de cobre, simplemente porque su aislamiento tolera una temperatura del conductor más alta.

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Paso 4: aplique los factores de corrección

Las instalaciones reales nunca coinciden con las condiciones de referencia de una mesa, por lo que hay que reducir la capacidad base. Los factores se multiplican juntos:

Iz = It × Ca × cg × cs × CD

Si la capacidad reducida queda por debajo de la clasificación del dispositivo de protección, suba una sección transversal y repita el cálculo. Es común que un cable pase la prueba actual sólo después de dos o tres intentos.

Paso 5: verifique la caída de voltaje

Un cable que transporta la corriente puede ser todavía demasiado pequeño para la ruta. La caída de voltaje aumenta tanto con la corriente como con la longitud, y es el control lo que más a menudo obliga a una sección transversal más grande en alimentadores largos.

Caída de voltaje = (mV/A/m × Ib × L) / 1000

Para un circuito trifásico, el valor tabulado de mV/A/m ya incluye el factor de √3. Los límites típicos son del 3 % para circuitos de iluminación y del 5 % para circuitos de potencia, medidos desde el origen de la instalación hasta los terminales de la carga, con el margen compartido entre el alimentador y el circuito final.

Tome un conductor de cobre de 70 mm² que transporte 160 A a lo largo de 80 m. Su caída trifásica es de aproximadamente 0,58 mV/A/m, por lo que la pérdida es 0,58 × 160 × 80 / 1000 = 7,4 V, o 1,9 % de 400 V, que está cómodamente dentro del límite. Si la ruta hubiera sido de 300 m, el mismo cálculo habría producido 27,8 V y obligado a aumentar la sección transversal.

Paso 6: verificar la resistencia al cortocircuito

Durante una falla, el conductor transporta una corriente muchas veces superior a su clasificación normal y tiene que sobrevivir el tiempo suficiente para que la protección elimine la falla. La comprobación adiabática es el método estándar:

S ≥ (yo × √t) / k

Aquí I es la posible corriente de falla en amperios, t es el tiempo de desconexión en segundos y k es una constante que depende del material del conductor y su aislamiento. Para los conductores de cobre, k suele ser 143 con aislamiento XLPE y 115 con PVC, mientras que los conductores de aluminio utilizan valores más bajos. Un fallo de 20 kA solucionado en 0,2 s requiere 20.000 × 0,447 / 143 = 62,5 mm² de cobre, por lo que la comprobación de cortocircuito, en lugar de la comprobación de corriente, a veces decide el tamaño final.

La misma atención merece el conductor de protección. Debe soportar la misma energía de falla y debe tener un tamaño que permita que la impedancia del circuito de falla a tierra permita que el dispositivo se dispare dentro del tiempo permitido.

Un ejemplo resuelto

Junte los seis pasos para un alimentador de motor de 90 kW en un sistema de 400 V con un factor de potencia de 0,85, recorrido 80 m en una bandeja en aire a 40 °C con otros dos circuitos cargados al lado.

La respuesta es un cable XLPE de cobre de cuatro núcleos y 70 mm². Tenga en cuenta qué paso establece el tamaño: se necesitaron 70 mm² para transportar 160 A después de la reducción de potencia, y también satisface la prueba adiabática con solo un pequeño margen. Reduce el agrupamiento o la temperatura ambiente y ese margen desaparece.

Dónde suele fallar el tamaño del cable

• Dimensionamiento de la carga nominal ignorando la diversidad, la capacidad excedente o la expansión futura.
• Utilizando una tabla basada en 30 °C cuando la sala de máquinas funciona a 45 °C.
• Haciendo caso omiso de la agrupación, a pesar de que tres circuitos en una bandeja reducen la potencia de un cable mucho más de lo que la mayoría de la gente espera.
• Lectura de una columna de PVC para un cable XLPE, o al revés.
• Verificar la caída de voltaje en la primera carga del circuito en lugar de la última.
• Olvidando que el neutro puede transportar corrientes armónicas en circuitos trifásicos de cuatro hilos.
• Tratar la verificación de cortocircuito como opcional en recorridos cortos, donde suele ser el factor decisivo.

Dos casos que necesitan atención adicional

Alimentadores de media tensión

Desde 3,6/6 kV hasta 26/35 kV la lógica sigue siendo la misma, pero al cálculo se suman el espesor del aislamiento, la construcción de la pantalla y la puesta a tierra de la cubierta metálica. La pantalla metálica tiene su propia función de cortocircuito que satisfacer, y la disposición de puesta a tierra afecta tanto al nivel de falla como al comportamiento térmico del cable. Dimensionar un Cable de alimentación aislado XLPE 26/35 kV Por lo tanto, significa verificar los mismos límites con un conjunto adicional de condiciones de pantalla y conexión a tierra adjunto.

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Circuitos de accionamiento de frecuencia variable

Los variadores impulsan corrientes armónicas y pulsos de voltaje rápidos a través del cable, por lo que la corriente que usted calcula a partir de la placa de identificación del motor no es la corriente que el cable realmente ve. Un cable de transmisión dedicado con una construcción simétrica de tres núcleos y una pantalla debidamente unida mantiene esas corrientes bajo control y reduce la interferencia electromagnética en los circuitos vecinos. Cuando se trata de cables de motor largos, los límites de longitud de cable del fabricante del variador deben considerarse como parte del ejercicio de dimensionamiento.

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Del cálculo a un cable en el que puede confiar

La aritmética no es difícil. La dificultad está en los números que se le introducen, es decir, la temperatura ambiente, la agrupación, el nivel de avería y la longitud del recorrido, y en saber qué norma rige el proyecto.

Wuxi Guanghuan Cable Co., Ltd. fabrica cables en Guanlin, Yixing desde 1998, con más de 100 variedades de productos y aproximadamente 30 000 especificaciones, desde cableado de 450/750 V hasta cables de alimentación XLPE de 26/35 kV, con gestión de calidad certificada según ISO 9001 y productos aprobados por TUV Rheinland. Cada pedido comienza con una conversación sobre el tamaño, porque el cable más económico es el que acierta a la primera. Envíenos la carga, la ruta y el entorno, y nuestros ingenieros le devolverán una recomendación de tamaño con los factores de reducción mostrados en su totalidad. Una mirada rápida a nuestra fábrica muestra cómo se producen, prueban y preparan esos cables para su entrega.

Si desea profundizar un nivel más en cómo el rendimiento del producto interactúa con el tamaño, nuestro artículo sobre los factores clave a considerar al elegir cables de alimentación es un complemento útil para esta guía.