Una protección contra sobrecorriente parece tener una función simple: limitar el flujo de corriente de un circuito a un valor seguro. Incluso los diseñadores eléctricos calculan esta protección a diario.
Sin embargo hay muchos más temas sobre las protecciones de sobrecorriente que se deben aclarar, algunas preguntas son: ¿Cómo se limita el flujo de corriente?, ¿Qué es un valor seguro?, ¿Cómo se protege correctamente un circuito alimentador o un ramal?, ¿Por qué la NEC/NFPA/NTC2050 hablan de tres condiciones (Sobrecarga, falla a tierra y corto circuito) cuando se trata de protecciones de sobrecorriente ?, ¿Por qué se habla de carga continua y no continua?, ¿Cuándo puedo proteger los conductores al 100% y cuando al 125%?, las respuestas a estas y muchas mas inquietudes sobre las protecciones de sobrecorrientes las encontraras en este articulo, teniendo en cuenta el tipo de aplicación, el equipo que se protege y la potencia de la fuente.
Afortunadamente, la NFPA 70: National Electric Code (NEC) y NTC2050 establecen los requisitos para la mayoría de las aplicaciones que los ingenieros y diseñadores eléctricos encuentran en su trabajo. Aunque a primera vista los requisitos de NEC/NFPA/NTC2050 pueden no parecer sencillos, hay un razonamiento sólido detrás de las reglas del código en cuanto a la protección contra sobrecorriente.
La protección contra sobrecorriente (OCPD «overcurrent protection device», por sus siglas en ingles) protegen un circuito de daños debido a una condición de sobrecorriente (Las condiciones de sobrecorriente son: sobrecarga, falla a tierra y corto circuito).
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Tipos de condiciones de sobrecorriente a considerar en aplicaciones típicas según NEC/NFPA70/NTC2050
Sobrecarga
La NEC/NFPA70/NTC2050 define la sobrecarga como el «funcionamiento de un equipo por encima de su capacidad nominal a plena carga, o de un conductor por encima de su capacidad de corriente (ampacity) nominal que, cuando persiste durante un tiempo suficientemente largo, podría causar daños o un calentamiento peligroso».
Una falla, como un cortocircuito o una falla a tierra, no es una sobrecarga.
Las condiciones de sobrecarga generalmente no son tan críticas en el tiempo como los cortocircuitos y las fallas a tierra. El equipo eléctrico generalmente puede soportar cierto nivel de corriente de carga por encima de su capacidad durante un período de tiempo corto. La información sobre la capacidad de sobrecarga del equipo a menudo proviene del fabricante. Sin embargo, algunos equipos (motores, transformadores y conductores, por ejemplo) tienen requisitos de protección contra sobrecargas establecidos por el NEC.
Cortocircuito
Un cortocircuito se define como un flujo de corriente por un camino diferente a la ruta de corriente debida. En un circuito trifásico, son posibles dos tipos de cortocircuitos: fallas trifásicas simétricas y fallas monofásicas asimétricas (Figura 1).
Las fallas simétricas dan como resultado el mismo flujo de corriente en cada fase durante la condición de falla. Las fallas asimétricas tienen diferentes corrientes de falla en cada fase.
Las fallas trifásicas simétricas rara vez ocurren, pero su análisis es útil para comprender la respuesta de un sistema a una falla y generalmente da como resultado los niveles de falla en el peor de los casos. Las fallas asimétricas son más comunes y generalmente resultan en menos corriente de falla que una falla trifásica simétrica.
Falla a tierra
Una falla a tierra es un tipo específico de cortocircuito que involucra al menos a uno de los conductores de fase que se encuentra con un conductor o superficie conectada tierra. Las fallas a tierra incluyen una sola falla de línea a tierra y fases múltiples de línea a tierra (Figura 1).
La falla de línea única a tierra es el tipo de falla más común.
Los diferentes tipos de fallas se muestran en la Figura 1 para ilustrar el concepto de protección contra sobrecorriente.
¿Qué sucede en un circuito, conductores y protección durante una sobrecarga o una condición de falla?
La Figura 2 muestra un circuito monofásico simple que opera en una configuración normal. En este caso, la corriente en la carga es de 10 amperios (Corriente en la resistencia de 12Ohm). El circuito está protegido por un disyuntor o breaker de 15 amperios. El disyuntor o breaker no se abre porque la corriente que pasa por el, esta por debajo de su corriente de operación; la corriente de carga fluye y los conductores no se sobrecalientan (Funcionamiento Normal).
Condición de sobrecarga (Figura 3)
En el circuito sobrecargado, la corriente de carga es de casi 20 amperios. El disyuntor o breaker permitirá que la condición de sobrecarga continúe durante aproximadamente 2,5 minutos antes de abrir el circuito (Este valor de tiempo dependerá de la curva tiempo-corriente del breaker, a menor corriente de sobrecarga mayor tiempo de operación). Los conductores comenzarán a calentarse, pero no se dañarán, porque la protección actuara antes de permitir el daño.
Condición de cortocircuito (Figura 4)
La corriente de falla es de aproximadamente 10,000 amperios. El disyuntor o breaker permitirá que la corriente de cortocircuito fluya solo durante un breve período de tiempo (Mucho menor que el tiempo para operar por sobrecarga, recordar que a mayor corriente menor tiempo de operación).
Si la corriente de falla persiste, el aislamiento se derretirá y los conductores mismos se dañarán por ello en esta condición el breaker deberá operar en cuestión de milisegundos (Entre 200 y 800 milisegundos, depende del tipo de curva del breaker).
Condición de falla a tierra (Figura 5)
En este ejemplo, la ruta de falla a tierra agrega aproximadamente 0.012 ohmios de resistencia en paralelo con la resistencia de carga (12Ohm), lo que resulta en una resistencia del circuito mucho menor.
La corriente de falla es de aproximadamente 5,000 amperios. Como en el caso del cortocircuito, el disyuntor permitirá que la corriente de falla fluya solo por un corto tiempo. Nuevamente, si la corriente de falla persiste, el aislamiento se derretirá y los conductores eventualmente se dañarán.
Cómo proteger un circuito de sobrecargas peligrosas y cortocircuitos
Los requisitos para la protección contra sobrecorriente de los equipo se pueden encontrar en el artículo de NEC que trata sobre ese equipo en específico. La Tabla 240.3 del NEC proporciona una lista de las secciones aplicables. Las secciones para artículos relacionados con equipos que se encuentran típicamente en edificios comerciales incluyen:
- 230 Acometidas
- 368 Electrobarras
- 406 receptáculos o tomacorrientes
- 410 Luminarias
- 422 Electrodomésticos
- 427 Equipos eléctricos de calefacción
- 430 Motores, circuitos de motores y controladores
- 440 Equipos de aire acondicionado y refrigeración
- 445 Generadores
- 450 Transformadores y bóvedas de transformadores
- 460 condensadores
- 517 Instalaciones para el cuidado de la salud
- 620 ascensores
- 660 equipos de rayos X
- 695 Bombas contra incendios
- 700 Sistemas de emergencia.
El requisito general para la protección de conductores contra sobrecorriente se proporciona en la Sección 240.4, Protección de conductores.
La regla básica para la protección de conductores contra sobrecorriente, además de usar cordones flexibles, cables flexibles y alambres de accesorios, es proteger el conductor de acuerdo con las ampacidades especificadas en la Sección 310.15. El artículo 310 establece los requisitos generales para conductores, aislamiento, marcas, resistencia mecánica y clasificación de ampacidad.
Varios artículos aplicables a edificios comerciales modifican la regla general NEC para protección contra sobrecorriente, como se resume a continuación:
240.4 (A) Peligro de pérdida de energía. La protección de sobrecorriente de una bomba contra incendios deben seleccionarse o configurarse para transportar indefinidamente la suma de la corriente de rotor bloqueado del motor de bomba contra incendios más grande y el motor de la bomba de mantenimiento de presión, más el 100% de la corriente de carga completa de los otros motores de bomba y equipo accesorio de bomba contra incendios.
El requisito de transportar la corriente de rotor bloqueado de forma indefinida no se aplica a los conductores del motor de la bomba contra incendios.
240.4 (B) Dispositivos de sobrecorriente con capacidad nominal de 800 amperios o menos. Esta sección permite que se utilice el siguiente amperaje estándar para el dispositivo de sobrecorriente (siempre que la clasificación nominal de amperios no supere los 800 amperios), y siempre y cuando los conductores que protege no se utilicen para suministrar un circuito ramal con más de un receptáculo o tomacorriente para cargas conectadas por enchufe y la ampacidad del conductor no se corresponde con una clasificación de amperios estandar del breaker. Si el dispositivo de protección contra sobrecorriente es ajustable, debe ajustarse al valor igual o menor que la ampacidad del conductor.
240.4 (E) Conductores para circuitos ramales. La regla general de NEC requiere que el OCPD (Breaker) esté ubicado aguas arriba del conductor que se está protegiendo. Sin embargo, existen reglas especiales que permiten colocar el OCPD en otras ubicaciones del circuito siempre que se cumplan todas las condiciones del NEC. Por ejemplo, las cocinas, el cableado para iluminación, los conductos de electrobarras y los motores tienen reglas especiales.
240.4 (F) Conductores secundarios de los transformadores. El NEC, excepto en dos condiciones especiales, requiere que los conductores secundarios del transformador estén protegidos por un OCPD secundario.
240.4 (G) Protección contra sobrecorriente para aplicaciones específicas de conductores. Los requisitos del NEC para protección contra sobrecorriente para aplicaciones específicas se encuentran en secciones distintas de la 240.
Por ejemplo, los requisitos para equipos de aire acondicionado y refrigeración se encuentran en el Artículo 440, partes III y VI. Los requisitos de OCPD del conductor del circuito del condensador se encuentran en la Sección 460. Los requisitos de protección contra sobrecorriente de los conductores de control de motores y de los motores se encuentran en el Artículo 430, partes II, III, IV, V, VI y VII.
Selección de proteccion de sobrecarga para breaker o disyuntores (OCPD «overcurrent protection device», por sus siglas en ingles).
En los siguientes ejemplos, la clasificación del valor de disparo (Sobrecarga) del OCPD se determinará junto con la ampacidad de los conductores utilizados en el circuito.
La clasificación de corriente de cortocircuito y la clasificación de falla a tierra también deben determinarse en función de la corriente de cortocircuito. El cálculo de la corriente de cortocircuito disponible está fuera del alcance de este articulo.
Ejemplo de dimensionamiento de la protección, breaker, disyuntor o OCPD de un circuito ramal
Los requisitos para la protección contra sobrecorriente de circuitos ramales se encuentran en la Sección 210.20. El requisito general es dimensionar el OCPD para no menos del 125% de la carga continua y el 100% de la carga no continua. La definición de NEC/NFPA70/NTC2050 de una carga continua es una carga en la que se espera que la corriente máxima continúe durante 3 horas o más.
Existe una excepción para el diseño de protecciones al 100% de la carga continua y es que se certifique tanto el envolvente (Parte metálica tablero) como la protección para conducir indefinidamente la corriente de carga al 100%, ver mas información en este articulo.
Por ejemplo, considere un circuito monofásico de 120 V que alimenta una carga de iluminación de una oficina (carga continua) de 1,000 VA y una carga de una bomba de condensado de enfriamiento pequeña (carga no continua) de 100 VA.
La carga del circuito ramal con el propósito de dimensionar el OCPD (Breaker) es:
Carga de dimensionamiento OCPD = 1,25 x 1000 VA (Carga continua) + 1,00 x 100 VA (Carga no continua) = 1350 VA
Corriente de dimensionamiento OCP = 1350 VA / 120 V = 11,25 amperios.
El siguiente OCPD (Breaker) estándar más alto (consulte la tabla 240.6 (A)) es de 15 amperios.
Ejemplo de dimensionamiento del cableado del circuito ramal
Ahora seleccione un conductor de acuerdo con las secciones 210.19 (A) y 310.15.
La sección 210.19 (A) requiere que el conductor sea dimensionado de la misma manera que el OCPD: no menos del 125% de la carga continua y el 100% de la carga no continua.
En el ejemplo anterior, los conductores del circuito ramal serán THHN y se llevaran a través de la oficina en un tubo que contiene seis conductores de corriente.
Al hacer referencia a la Tabla 310.15 (B) (16), el tamaño mínimo de conductor permitido es # 14.
Aunque este ejemplo utiliza cable THHN de cobre, clasificado para 90 ° C, nosotros solo podremos utilizar la columna de 60 ° C debido al requisito de la Sección 110.14 (C) (1) (a), que dice lo siguiente:
Esta sección requiere el uso de la columna de 60 ° C en la Tabla 310.15 (B) (16), porque se supone que las terminales para equipos con una capacidad nominal de 100 amperios o menos tienen una capacidad de ampacidad nominal de 60 ° C, a menos que se certifique y etiqueten de otra manera. Además, la Sección 240.4 (D), Conductores pequeños, requiere que el OCPD (Breaker) para el cable n. ° 14 tenga una capacidad nominal de 15 amperios.
La regla general para la selección de ampacidad NEC se encuentra en la Sección 310.15, que se refiere a las tablas de la Sección 310.15 (B).
La Sección 310.15 contiene factores limitantes que deben aplicarse a los valores de la tabla de ampacidad 310.15(B)(16) al determinar la ampacidad para el cable y protecciones específicas.
De los factores que se deben considerar, dos factores se encuentran comúnmente y son la temperatura ambiente y el número de conductores en una canalización.
Al mirar las tablas en 310.15 (B), observe que algunas tablas se basan en una temperatura ambiente de 30 ° C y otras se basan en 40 ° C.
Factores de corrección por temperatura ambiente y ejemplo
Los factores de corrección de temperatura ambiente para tablas de 30 ° C se encuentran en la Tabla 310.15 (B) (2) (a).
Los factores de corrección de temperatura ambiente para tablas de 40 ° C se encuentran en la Tabla 310.15 (B) (2) (b).
Factores de corrección por cantidad de conductores en una canalización y ejemplo
Los ajustes para el número de conductores portadores de corriente en una canalización se encuentran en la Tabla 310.15 (B) (3) (a).
Hay algunas condiciones bajo las cuales los factores de reducción no se aplican, como se ve en 310.15 (B) (3) (a) (2) a (4). Por ejemplo, los factores de reducción no se aplican al tipo de cable blindado (AC) y cables revestidos de metal (MC) siempre que los cables no tengan una cubierta general, cada cable no tenga más de tres conductores portadores de corriente, los conductores sean # 2 AWG, y no se instalen más de 20 conductores portadores de corriente sin mantener el espacio.
Continuando con el ejemplo, los cables se enrutan a través de un entorno de oficina donde se espera que la temperatura más alta sea de 85 ° F (30ºC) durante los momentos en que los sistemas de enfriamiento están apagados.
La Tabla 310.15 (B) (2) (a) proporciona los factores de corrección de la temperatura ambiente, que deben aplicarse a las ampacidades indicadas en la Tabla 310.15 (B) (16). Para una temperatura ambiente de 85 ° F (30ºC) , el factor de corrección para el cable de cobre THHN 90 ° C es 1.0, por lo que no se requiere ajuste de ampacidad.
Reducción de ampacidad del cable por cantidad de conductores en un tubo:
A continuación, se debe considerar la reducción de ampacidad por la cantidad de conductores en un tubo. En nuestro ejemplo, hay seis conductores portadores de corriente enrutados en el tubo. La Tabla 310.15 (B) (3) (a) se utiliza para determinar el factor de reducción apropiado. Para cuatro a seis conductores en una canalización, el factor de reducción es del 80%.
Cable No 14 THHN /Cobre, tiene una ampacidad de = 25 amperios x 0,8 = 20 amperios, cuando viajan por un tubo de 4 a 6 cables.
Como se pueden dar cuenta para el calculo de reducción por cantidad de cables utilizamos la ampacidad a 90ºC y no a 60ºC, esta ultima es solo para calcular la capacidad con respecto a la protección, breaker o OCPD.
Como se discutió anteriormente, la ampacidad del cable se debe calcular a 60 ° C para un breaker de 15 amperios, por lo tanto debe usarse un cable No 14. A pesar de que el cable tiene una ampacidad más alta a 90ºC se debe reducir su capacidad a 60ºC, según lo expresado anteriormente.
Ejemplo de dimensionamiento de la protección, breaker, disyuntor o OCPD (OCPD «overcurrent protection device», por sus siglas en ingles) de un alimentador
Los requisitos para la protección contra sobrecorriente del circuito de alimentación se encuentran en la Sección 215.3 y son similares a los requisitos para los circuitos ramales.
Al igual que con los circuitos ramales, el requisito general es dimensionar el OCPD (Breaker) a no menos del 125% de la carga continua y el 100% de la carga no continua.
Existe una excepción para el diseño de protecciones al 100% de la carga continua y es que se certifique tanto el envolvente (Parte metálica tablero) como la protección para conducir indefinidamente la corriente de carga al 100%, ver mas información en este articulo.
Considere un alimentador trifásico de 208 V que suministra potencia a un tablero con una carga no continua de 10 kVA y una carga continua de 30 kVA.
La carga del circuito con el propósito de dimensionar el OCPD (Breaker) es:
Carga para el dimensionamiento OCPD:
= 1,25 x 30 000 VA + 1,00 x 10 000 VA
= 47,500 VA
Corriente de dimensionamiento OCPD
= 47,500 VA / (1,73 x 208 V)
= 132 amperios
El siguiente OCPD (Breaker) estándar más alto (consulte la tabla 240.6 (A)) es de 150 amperios.
Ejemplo de dimensionamiento del cableado de un alimentador
A continuación, seleccione los conductores de acuerdo con las secciones 215.2 y 310.15.
La sección 215.2 requiere que el conductor tenga el mismo tamaño que el OCPD: no menos del 125% de la carga continua y el 100% de la carga discontinua.
En este ejemplo, los conductores del circuito son cobre THHN y se enrutan a través de una sala de calderas donde la temperatura no excederá los 120 ° F (50ºC). El tubo contendrá tres conductores portadores de corriente.
Haciendo referencia a la Tabla 310.15 (B) (16), el tamaño mínimo de conductor permitido para una clasificación de OCPD (Breaker) de 150 amperios es # 1/0.
Al igual que en el ejemplo anterior, el tipo de cable seleccionado es THHN de cobre, que está clasificado para 90 ° C. Sin embargo en este caso, se debe usar la columna de 75 ° C debido al requisito de la Sección 110.14 (C) (1) (b), que dice lo siguiente:
Esta sección requiere el uso de la columna de 75 ° C en la Tabla 310.15 (B) (16), porque las terminaciones para equipos con una clasificación de 100 amperios o más deben tener una clasificación de 75 ° C a menos que se certifiquen y etiqueten de otra manera.
En este ejemplo, los cables pasan a través de una sala de calderas donde se espera que la temperatura más alta no supere los 120 ° F (50ºC).
La Tabla 310.15 (B) (2) (a) proporciona los factores de corrección de la temperatura ambiente, que deben aplicarse a las ampacidades indicadas en la Tabla 310.15 (B) (16). Para una temperatura ambiente de 120 ° F (50ºC), el factor de corrección para el cable de cobre THHN 90 ° C es 0.82. Por lo tanto, la ampacidad calculada para el cable THHN de cobre n. ° 1/0 utilizado en este ejemplo es:
Temperatura ambiente (50ºC):
Cable No 1/0 AWG – THHN de cobre = 170 amperios x 0,82 = 139,4 amperios, este cableado es adecuado para l a protección de 150A calculada anteriormente, esto es teniendo en cuenta el articulo «240.4 (B) Dispositivos de sobrecorriente con capacidad nominal de 800 amperios o menos.«
Un error común es calcular la reducción por temperatura u ocupación a partir de la ampacidad del cable a 75ºC, cuando en realidad para calcular la reducción por temperatura u ocupación se debe usar la máxima ampacidad del cable a 90ºC en el caso de este ejemplo.
A continuación, se debe considerar la reducción de la cantidad de conductores en el tubo. En el ejemplo anterior, hay tres conductores portadores de corriente enrutados en el tubo. Dado que las ampacidades en la tabla 310.15 (B) (3) (a) ya representan hasta tres conductores portadores de corriente y que la tabla 310.15(B)(16) ya considera tres conductores portadores de corriente, este alimentador no se requiere más reducción de amperaje.
Una vez que se determina la ampacidad, también se debe considerar la caída de voltaje. Para circuitos largos, es posible que sea necesario aumentar el tamaño del conductor para mantener los requisitos mínimos de caída de voltaje.
El NEC tiene notas informativas sobre la caída de voltaje para circuitos derivados y alimentadores, pero no es una regla de código.
Sin embargo, muchas autoridades que tienen jurisdicción han hecho que la caída de voltaje sea un requisito del código. Además, los códigos de energía requieren que se considere la caída de voltaje.
Después de aplicar las reducciones apropiadas, la ampacidad calculada del cable No 1/0 AWG está protegido adecuadamente por el OCPD de 150 amperios seleccionado anteriormente.
A pesar de que lo anterior es aceptado por el código, como ingeniero recomiendo siempre intentar que la ampacidad del cable se coordine con la capacidad de la protección.
Debe tenerse en cuenta el crecimiento de la carga. Las clasificaciones de carga y cable calculadas anteriormente son valores mínimos. Es una práctica común agregar el 20% del amperaje mínimo del cable que se utilizará para futuras adiciones de carga.
Cargas continuas y no continuas
La NFPA 70: National Electric Code (NEC) brinda poca orientación con respecto a cargas continuas y no continuas, pero ¿por qué esto es importante?.
Es importante tener una distinción entre cargas continuas y no continuas debido al calor. Considere una carga de 25 amperios que fluye en un circuito. En el caso no continuo (por ejemplo, una bomba de sumidero grande), la carga puede estar activa durante menos de un minuto.
En el caso continuo (por ejemplo, un enfriador), la carga puede estar activa durante 8 horas o más. Comparando los dos casos, los conductores del circuito del enfriador estarán a una temperatura más alta durante el funcionamiento que los conductores del circuito de la bomba de sumidero.
El NEC requiere una selección más conservadora (125%) en el caso de cargas continuas debido al aumento del calor disipado por los conductores del circuito en comparación con las cargas no continuas.
Algunos ejemplos de cargas continuas incluyen iluminación de oficinas, iluminación exterior, equipo de centro de datos, calentadores de agua de tipo de almacenamiento fijo con capacidades inferiores a 120 gal (450 l; según NEC 422.13) y bombas de circulación de agua fría / caliente.
Algunos ejemplos de cargas discontinuas o no continuas incluyen trituradores de desperdicios de comida, bombas eyectoras de sumideros / aguas residuales, operadores de puertas de garaje y sacapuntas eléctricos. Determinar si una carga es continua o no continua no siempre es claro.
Considere el caso de un circuito de iluminación de almacén de oficina. Si está diseñado según los requisitos del código energético actual, debe tener un sensor de vacantes para apagar automáticamente las luces cuando no se detecten ocupantes. Esto parece un ejemplo de circuito discontinuo.
¿Qué pasa si el sensor falla o la habitación se reutiliza temporalmente como oficina? Algunos inspectores pueden requerir que esto se considere como carga continua. En los casos en los que no es seguro que una carga no sea continua, dimensione el circuito al 100% de la carga. Si la carga es discutible, sea conservador y diseñe para una carga continua.
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