Cómo calcular el tamaño del cable: una guía paso a paso para proyectos reales y seguros

Elegir el tamaño correcto del conductor es una de esas decisiones que determinan silenciosamente si una instalación funcionará cómodamente durante treinta años o se sobrecalentará en su primer verano caluroso. Un cable de tamaño insuficiente desperdicia energía, acorta la vida útil del aislamiento y crea un verdadero riesgo de incendio; un cable dos tamaños más grande inmoviliza dinero en cobre que el circuito nunca necesitó. Aprender a calcular el tamaño del cable consiste en equilibrar cuatro comprobaciones diferentes entre sí.

Esta guía sigue la misma secuencia que nuestros ingenieros usan cuando un cliente envía un programa de carga: encuentre la corriente de diseño, corríjala según la forma en que está instalado realmente el cable, confirme la caída de voltaje en toda la longitud del tendido y verifique que el conductor sobreviva un cortocircuito.

Lo que realmente significa un tamaño de cable correcto

Un conductor tiene el tamaño correcto sólo cuando se satisfacen al mismo tiempo las cuatro condiciones siguientes. Si uno de ellos falla, pase a la siguiente sección transversal estándar y repita el cálculo. Saltarse una verificación es la razón más común por la que un cable tiene el tamaño perfecto en papel y luego falla en el sitio.

Paso 1: Establecer la corriente de diseño

Todo comienza con la corriente continua que debe transportar el cable, normalmente escrita como Ib. Para una carga trifásica la relación es:

Ib = P / (1,732 × U × PF)

Para un circuito monofásico o de CC, simplemente elimine el 1.732:

Ib = P / (U × PF)

Tomemos un motor trifásico de 55 kW alimentado a 400 V con un factor de potencia de 0,86. Entonces Ib = 55.000 / (1,732 × 400 × 0,86), lo que da aproximadamente 92 A. Utilice el factor de potencia real en lugar de suponer la unidad, porque la diferencia entre 0,86 y 1,0 es aproximadamente el 16 por ciento de la corriente y, a menudo, es exactamente el margen que decide una verificación de caída de voltaje. Si la carga es un motor, observe también la corriente de arranque, ya que el dispositivo de protección debe funcionar durante el arranque sin dispararse.

La corriente de diseño no es la clasificación del disyuntor

Una vez que conozca Ib, elija un dispositivo de protección cuya clasificación sea al menos Ib, luego confirme que la capacidad reducida del cable sea al menos la clasificación del dispositivo. Trabajar en ese orden mantiene al conductor protegido y térmicamente cómodo.

Paso 2: Aplicar factores de reducción para condiciones reales

Las clasificaciones de corriente del catálogo asumen un conjunto de condiciones de referencia, generalmente un circuito al aire libre a 30 °C o un circuito enterrado en el suelo a 20 °C. Las instalaciones reales rara vez coinciden con esos supuestos, por lo que cada desviación se maneja con un factor de corrección y los factores se multiplican:

Iz = It × k1 × k2 × k3 ...

donde It es la clasificación tabulada e Iz es la capacidad realmente disponible. Un grupo de tres circuitos cargados en un conducto en un día a 40 °C puede perder un tercio de la clasificación nominal incluso antes de considerar la caída de voltaje.

Como ejemplo, un factor de 0,87 para una temperatura ambiente de 40 °C multiplicado por 0,75 para agrupar da 0,65, por lo que un cable tabulado a 130 A solo sirve para aproximadamente 85 A en esa disposición. Nunca sume factores de corrección juntos; multiplícalos siempre.

Paso 3: Verifique la caída de voltaje a lo largo del recorrido

La caída de voltaje es el control que más a menudo obliga a un conductor más grande en alimentadores largos, y no puede juzgarse únicamente a partir de una tabla de corriente. Para la parte resistiva del circuito:

Vd = k × I × L × R / 1000

donde k es 2 para circuitos monofásicos y de CC y 1,732 para trifásicos, I es la corriente de carga en amperios, L es la longitud del recorrido unidireccional en metros y R es la resistencia del conductor en ohmios por kilómetro. Luego, la caída porcentual se divide por Vd por el voltaje nominal, multiplicado por 100. La mayoría de las instalaciones de bajo voltaje funcionan al 3 por ciento en el circuito final y al 5 por ciento en general.

En nuestro ejemplo, un recorrido de 80 m a 92 A sobre un conductor de cobre de 50 mm² con una resistencia de aproximadamente 0,387 ohmios por kilómetro da Vd = 1,732 × 92 × 80 × 0,387 / 1000, que es aproximadamente 4,9 V, o 1,2 por ciento de 400 V. Eso pasa cómodamente. En un recorrido de 300 m, el mismo cálculo fallaría y empujaría la sección transversal hacia arriba varios escalones, razón por la cual la longitud de la ruta debe incluirse en el cálculo desde el principio.

Paso 4: verificar la resistencia al cortocircuito

Un cable también tiene que sobrevivir a la corriente de falla durante el tiempo que tarda el dispositivo de protección en eliminarla. La ecuación adiabática maneja esto en una sola línea:

S = raíz cuadrada de (I² × t) / k

donde S es la sección transversal mínima en mm², I es la posible corriente de falla en amperios, t es el tiempo de desconexión en segundos y k es una constante para la combinación de conductor y aislamiento. Los valores típicos son alrededor de 143 para cobre con aislamiento XLPE, 115 para cobre con PVC y 94 para aluminio con XLPE.

Una falla de 6 kA eliminada en 0,1 s en un cable XLPE de cobre requiere la raíz cuadrada de (6000² × 0,1) dividida por 143, que es aproximadamente 13 mm². Nuestro conductor de 50 mm² es cómodo. Observe lo importante que es: la misma falla solucionada en un segundo requeriría aproximadamente 42 mm², razón por la cual la configuración de protección y el tamaño del cable pertenecen a la misma conversación.

Poniéndolo todo junto

Aquí está la secuencia completa del motor de 55 kW en un recorrido de 80 m, con cifras redondeadas para mayor claridad.

1. Corriente de diseño: 92 A a 400 V con un factor de potencia de 0,86. Dispositivo de protección nominal 100 A.
2. Condiciones de instalación: Cable de cobre XLPE en bandeja con otros dos circuitos cargados, temperatura ambiente de 40 °C. Factor de reducción combinado 0,65.
3. Primera prueba en 35 mm²: capacidad tabulada de aproximadamente 130 A, reducida a aproximadamente 85 A. Falla porque 85 A está por debajo de la clasificación del dispositivo de 100 A.
4. Segunda prueba a 50 mm²: capacidad reducida aproximadamente 100 A. Cumple con la clasificación del dispositivo.
5. Caída de tensión a 50 mm² en 80 m: 4,9 V o 1,2 por ciento. Pases.
6. Requisito de cortocircuito: 13 mm² mínimo para una falla de 6 kA despejada en 0,1 s. Pases.
7. Resultado: cable de cobre aislado XLPE de 0,6/1 kV, cuatro núcleos de 50 mm², con protección configurada para eliminar una falla en 0,1 s.

Del cálculo al cable que realmente solicita

Una sección transversal es sólo una parte de la especificación. El tipo de aislamiento cambia la cantidad de corriente que puede transportar un conductor, porque los cables con aislamiento XLPE operan a temperaturas de conductor más altas que los equivalentes de PVC y, por lo tanto, necesitan una sección transversal más pequeña para la misma carga. Comparamos las dos construcciones con más detalle en este artículo sobre Rendimiento del cable de alimentación con aislamiento XLPE y PVC . El material del conductor también importa: los conductores de aluminio y aleaciones de aluminio son más ligeros y económicos, pero necesitan una sección transversal mayor para la misma corriente.

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Para la mayoría de los trabajos de distribución de baja tensión, el cable de alimentación aislado XLPE de 0,6/1 kV en cobre o aluminio cubre el rango, y el cálculo anterior se aplica directamente. En media tensión, el método no cambia, pero las tablas de reducción, los niveles de falla y los requisitos de espesor del aislamiento son diferentes, por lo que los alimentadores desde 3,6/6 kV hasta 26/35 kV generalmente se dimensionan según los datos de la propia red de la empresa de servicios públicos.

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Dimensionamiento para cargas solares, VFD y otras cargas especiales

Algunos circuitos necesitan una versión modificada del mismo procedimiento. Las cadenas solares de CC transportan corriente continua a alta temperatura ambiente en un tejado, por lo que el factor de reducción se aplica a un cable que ya está caliente, y la caída de voltaje a menudo se mantiene en 1 o 2 por ciento porque la eficiencia del inversor se ve afectada en ambos extremos de su ventana de entrada. Los circuitos de variador de frecuencia agregan contenido armónico y voltaje pulsado, por lo que el cable apantallado y la verificación del voltaje nominal a tierra se convierten en parte del ejercicio de dimensionamiento.

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Los cables resistentes al fuego, a las termitas y de tránsito ferroviario siguen la misma aritmética, pero la norma aplicable añade restricciones como la integridad del circuito bajo fuego que ningún cálculo puede reemplazar.

Errores de tamaño comunes que vemos en los documentos de licitación

• Aplicando un factor de desclasificación y olvidándonos del resto, al agrupar, la temperatura ambiente y las condiciones del suelo actúan a la vez.
• Usando valores de resistencia de 20 °C para un conductor que funcionará a 70 °C o 90 °C.
• Dimensionamiento para un interruptor que ya estaba especificado en lugar de para la carga real.
• Ignorar el neutro en circuitos con cargas ricas en armónicos, como equipos informáticos de oficina o iluminación LED.
• Suponer que un cable más grande soluciona un problema de caída de voltaje cuando el problema real es la longitud de la ruta o un factor de potencia deficiente.
• Olvidando la sección mínima necesaria para la resistencia mecánica y la continuidad del conductor de protección.

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Envíenos el programa de carga, la longitud de la ruta, el método de instalación y las condiciones ambientales, y nuestros ingenieros realizarán las mismas cuatro comprobaciones descritas anteriormente y regresarán con una sección transversal, un tipo de aislamiento y una construcción de cable que pasará la inspección la primera vez.