Coordinación entre cables y protecciones

Una de las decisiones con mayor transcendencia en el cálculo de los circuitos de las instalaciones de baja tensión, es la elección de las protecciones. Por un lado, hay que decidir cual es la protección más adecuada, por ejemplo eligiendo entre:

• Fusibles
• Interruptores automáticos
  • Con disparador magnetotérmico
  • Con disparador térmico
  • Con disparador magnético
  • Con disparador electrónico
  • Con disparador por corriente diferencial residual (para el caso de las protecciones para personas)

Por otro lado, hay que seleccionar la intensidad asignada de la protección elegida para cumplir con los requisitos normativos, técnicos y de seguridad. En este artículo, se explican algunos criterios para poder decidir con mayor claridad.

El cálculo de los cables

La Norma UNE-HD 60364-1, establece los requisitos que deben cumplirse para determinar la sección de los conductores. Debe tenerse en cuenta la intensidad que circulará en funcionamiento normal y también en condición de defecto (sobrecarga y cortocircuito). Teniendo eso en cuenta, la sección resultante del cable dependerá de:

• su temperatura máxima admisible
• la caída de tensión admisible
• los esfuerzos electromecánicos capaces de producirse en caso de defecto a tierra y de cortocircuito
• otros esfuerzos mecánicos a los que los conductores pueden estar sometidos
• el valor máximo de la impedancia que permite garantizar el funcionamiento de la protección frente a las corrientes
  de defecto
• el método de instalación.

Aparte de lo anterior, las normas también establecen la posibilidad de elegir secciones mayores a las técnicamente necesarias, para conseguir una optimización desde el punto de vista económico. En estos interesantes artículos de D. Lisardo Recio, se pueden consultar resultados muy interesantes a este respecto:

• Artículo sobre el cálculo de la amortización del cable.
• Artículo con tablas de amortización para todos los cables de una serie en Prysmian.

El método de instalación elegido

Una vez que se ha elegido un tipo concreto de cable, todas las condiciones anteriores se obtienen de una manera más o menos directa mediante cálculos o tablas. Sin embargo, el método de instalación elegido es una decisión de proyecto. Existen multitud de métodos de instalación posibles y cada uno de ellos dará lugar a que los cables soporten un valor determinado de intensidad admisible. Estas intensidades admisibles se pueden calcular de manera exacta aplicando las indicaciones de la serie de Normas UNE 21144. Otra posibilidad es recurrir a los valores tabulados de dichas intensidades que se encuentran en las normas siguientes, según el tipo de cable que se use o el tipo de instalación eléctrica:

• Para cables de tensión asignada hasta 450/750 V: UNE-HD 60364-5-52.
• Para cables de tensión asignada desde 0,6/1 kV o que se usen en redes de distribución públicas y alumbrado público: UNE 211435-1

En el caso de la Norma UNE-HD 60364-5-52 se agrupan los métodos de instalación en métodos de referencia. En su tabla A.52.3 donde se enumeran una serie de ejemplos de métodos de instalación, con la anotación del método de referencia en el que se agrupa cada uno. Esto permite enfocar el cálculo teniendo en cuenta que las intensidades admisibles de cada método de referencia son aplicables por igual para los distintos métodos concretos de ejemplo que forman parte del mismo. Los métodos de referencia reciben una denominación genérica, que no implica que sean aplicables exclusivamente a los métodos de instalación concretos que coinciden con dicha descripción. Son los siguientes:

1. Método de referencia A1: conductores aislados en tubos en el interior de una pared térmicamente aislante.
2. Método de referencia A2: cables multipolares en tubos en el interior de una pared térmicamente aislante.
   En estos casos, la pared consiste en una capa exterior resistente a la intemperie, aislamiento térmico y una capa interior de madera o un material similar con una conductancia térmica de al menos 10 W/m²·K. El tubo se fija de forma que esté cerca, pero no necesariamente tocando la capa interior. Se asume que el calor de los cables escapa solamente a través de la capa interior. El tubo puede ser de metal o de plástico.
   Los cables instalados en un techo se pueden abordar como el método de referencia A. Puede ser necesario aplicar los factores de corrección debido a las temperaturas ambiente más altas que pueden surgir en las cajas de conexiones y similares montados en el techo. Cuando se utiliza una caja de conexiones en el techo para alimentar una luminaria, la disipación del calor desde la luminaria puede dar lugar a temperaturas ambientales más altas que las prescritas en las tablas, pudiendo alcanzar valores de entre 40 ºC y 50 ºC, y tiene que aplicarse el factor de corrección por temperatura correspondiente.
3. Método de referencia B1: conductores aislados en tubos sobre una pared de madera.
4. Método de referencia B2: cable multipolar en tubo sobre una pared de madera.
   Tubo montado sobre una pared de madera de forma que el espacio entre el tubo y la superficie es menos de 0,3 veces el diámetro del tubo. El tubo puede ser de metal o plástico. Cuando el tubo se fija a una pared de mampostería la corriente admisible del cable o los conductores aislados puede ser mayor. Este asunto está bajo consideración.

   Téngase en cuenta que la descripción dada se refiere a la descripción del método de referencia únicamente y esa descripción no incluye todos los casos posibles de instalación que estarían incluídos. Por ejemplo, en estos métodos de referencia estarían incluidos los cables (ya sean aislados, unipolares o multipolares) instalados en tubos empotrados en mampostería (ladrillo, hormigón, yeso y similares que no sean térmicamente aislantes y cuya resistividad térmica sea inferior o igual a 2 K·m/W).

5. Método de referencia C: cable unipolar o multipolar en una pared de madera.
   Cable montado sobre una pared de madera de forma que el espacio entre el cable y la superficie es menos de 0,3 veces el diámetro del cable. Cuando el cable se fija o se embebe en una pared de mampostería (se incluye aquí ladrillo, hormigón, yeso y similares siempre que no sean materiales térmicamente aislantes) la corriente admisible puede ser mayor. Este asunto está bajo consideración.
   Los cables sobre el suelo o bajo un techo son métodos similares al método de referencia C excepto que en este caso la corriente admisible para un cable en el techo se reduce ligeramente (coeficientes de la tabla B.52.17) a partir del valor para una pared o un suelo debido a la reducción en la convección natural.
   Los cables en sistema de bandejas también se abordan como el método de referencia C. Una bandeja perforada tiene un patrón regular de agujeros para facilitar el uso de las fijaciones del cable. La corriente admisible para cables sobre bandejas perforadas se deriva a partir de ensayos que utilizan bandejas donde los agujeros ocupan el 30% del área de la base. Si los agujeros ocupan menos del 30% del área de la base, la bandeja de cables se considera como no perforada.
6. Método de referencia D1: cable multipolar en conductos en el suelo.
7. Método de referencia D2: cables multipolares diseñados para enterrarse directamente en el suelo según indicaciones del fabricante.
   Cables en el interior de conductos de plástico, loza o metálicos de 100 mm de diámetro instalados en contacto directo con el terreno con una resistividad térmica de 2,5 K·m/W a una profundidad de 0,7 m. Cables instalados en contacto directo con el terreno con una resistividad térmica de 2,5 K·m/W a una profundidad de 0,7 m.
   Con cables instalados en el suelo es importante limitar la temperatura de la cubierta. Si el calor de la cubierta seca el terreno, la resistividad térmica puede aumentar y hacer que el cable se sobrecargue. Una manera de evitar este calentamiento es usar las tablas de 70 ºC de temperatura del conductor incluso para cables diseñados para 90 ºC.
8. Métodos de referencia E, F y G: cable unipolar o multipolar al aire libre.
   Un cable soportado de tal forma que disipación del calor la total no se vea obstaculizada. Se debe tener en cuenta el calentamiento por radiación solar y otras fuentes. Se debe tener cuidado con que la convección natural del aire no se vea obstaculizada. En la práctica, para permitir el uso de corrientes admisibles apropiadas para las condiciones al aire libre es suficiente un espacio libre entre un cable y cualquier superficie adyacente de al menos 0,3 veces el diámetro externo del cable para cables multipolares o 1 vez el diámetro del cable para cables unipolares.
   Algunos sistemas de montaje específicos que también se englogan dentro de los métodos de referencia E, F y G son los siguientes:
   Los sistemas de bandeja de escalera ofrecen un mínimo de impedancia al flujo de aire alrededor de los cables, es decir, el soporte metálico bajo los cables ocupa menos del 10% del área plana.
   Los cables instalados con sistemas de bridas de amarre utilizan la fijación de cables a una bandeja o para agrupar cables juntos.
   Los colgadores de cable emplean soportes de cables que sujetan el cable a intervalos a lo largo de su longitud y permiten un flujo del aire libre alrededor del cable prácticamente completo.

Coordinación entre conductores y dispositivos de protección contra sobrecargas

Con todo lo descrito en los apartados anteriores, se calcula un cable cuya sección admitirá una intensidad máxima en régimen permanente de uso normal, que se denomina I_Z. Este valor de intensidad admisible ya contiene los eventuales factores de corrección que hubieran tenido que considerarse.

Por otro lado, ese cálculo se ha realizado sobre la base de que la intensidad de uso normal del circuito se ha obtenido previamente. El valor de esta intensidad se denomina I_B.

Ahora la cuestión es que la relación que debe respetarse entre estos valores de intensidad y entre ellos y la intensidad asignada de la protección contra sobrecargas que se elija, debe cumplir con los criterios especificados en la Norma UNE-HD 60364-4-43, apartado 433.1:

donde,

• es la intensidad de diseño del circuito. En condiciones normales, esta intensidad se corresponde con la obtenida a través de los conductores de línea. Pero si se prevé la existencia de armónicos de tercer orden mayores a la intensidad del conductor de línea, tendría que ser la intensidad calculada para el conductor neutro.
• es la intensidad permanente admisible del cable,
• es la intensidad asignada del dispositivo de protección. Para dispositivos de protección ajustables, la intensidad asignada es la corriente seleccionada.
• es la intensidad efectiva asegurada en funcionamiento en el tiempo convencional del dispositivo de protección. El fabricante o la norma de producto deben de proveer la intensidad efectiva asegurada en funcionamiento del dispositivo de protección. Esta intensidad también se puede llamar o según las normas de cada aparato de protección. En este otro artículo, se resumen los valores normalizados básicos para algunos tipos de fusibles de uso muy frecuente en España.

La cuestión aquí es que la protección elegida teniendo en cuenta solo la primera condición, puede no asegurar la protección en ciertos casos si no se aplica correctamente la segunda condición.

En la figura 1 se ilustran las condiciones de coordinación de protección expresadas antes. Se representa la situación genérica en la que la intensidad asignada de la protección se encuentra cumpliendo las condiciones. Una ventaja de dejar un margen entre e es que ante una posible ampliación de los receptores del circuito, que conllevaría un incremento de , todavía permitiría mantener la misma protección instalada, siempre que se siguieran cumpliendo las condiciones anteriores, obviamente. Pero un inconveniente de esta elección, es que la protección del circuito no es tan estricta y podría darse el caso, por ejemplo con sobreintensidades sostenidas inferiores a , que no se asegure la protección por sobrepasar . En esos casos, se debería de considerar la elección de un cable con una sección superior.

La figura 2 ilustra el caso extremo de una protección más estricta, eligiendo una protección con intensidad asignada . Esta situación no permite ampliación de receptores, sin cambio de la protección. Pero asegura una mayor protección del cable y de los receptores.

Valores de intensidad de disparo

Los valores de la intensidad efectiva asegurada en funcionamiento en el tiempo convencional del dispositivo de protección, o intensidad efectiva de disparo, depende del tipo de dispositivo. En general, los fabricantes deben proporcionar la relación de con la intensidad asignada . Pero las normas por las que se rigen la fabricación de los dispositivos de protección establecen unas referencias que permiten abordar el cálculo.

Estos valores de en función de la intensidad asignada son los siguientes (se pueden consultar todas las características de fusibles de baja tensión en este artículo):

• 
  • Magnetotérmicos para uso por personal cualificado, según UNE-EN 60947-2.
• 
  • Magnetotérmicos para uso por personal no cualificado, según UNE-EN 60898.
• 
  • Fusibles gG y gM en general de todo tipo, con A.
  • Fusibles cilíndricos gG, tipo NF, con A.
  • Fusibles cilíndricos gG, tipo BS, con A.
  • Fusibles gG, tipo D, con A.
• 
  • Fusibles cilíndricos gG, tipo NF y tipo cuchillas NH, con A.
  • Fusibles gG, tipo D, con A e A.
• 
  • Fusibles cilíndricos gG, tipo NF y tipo cuchillas NH, con A.
  • Fusibles gG, tipo D, con A e A.

En el caso de los relé de disparo por efecto térmico (únicamente para protección de sobrecargas), se establecen las corrientes y tiempos convencionales de disparo en la Norma UNE-EN IEC 60947-4-1 y también depende de la clase de corriente del mismo y del ajuste de la . Pero en general, los valores de corriente y tiempos de disparo son los siguientes (de acuerdo a los parámetros A, B, C y D de la tabla 1):

• , disparo en más de 2 h.
• , disparo en menos de 2 h.
• ,
  • Disparo en menos de 2 minutos, para las clases 2, 3, 5 y 10 A.
  • Disparo en menos de 4 min, 8 min, 12 min o 16 min, para las clases 10, 20, 30 y 40 A.
• , disparo en un tiempo según la tabla 2 y según la clase de disparo.