¿Cómo es posible verificar el estrés térmico en un conductor eléctrico?

Entre las características intrínsecas de un cable o un conductor eléctrico, hay dos valores que son esenciales para su dimensionamiento:

La temperatura máxima del conductor en estado estacionario que permite calcular la intensidad admisible.
La temperatura máxima del conductor en cortocircuito, temperatura más allá de la cual comienza el deterioro del aislamiento.

Para cables estandarizados, estos valores son impuestos por normativa, por ejemplo, 90 ° C y 250 ° C respectivamente para cables aislados con EPR / XLPE.

Por lo tanto, es necesario verificar que el paso de la corriente de cortocircuito (Ik) durante el tiempo de desconexión (t) no hará que el conductor supere su temperatura máxima.

Para un tiempo de desconexión de menos de cinco segundos (máximo impuesto en las normativas de instalación), el calentamiento se considera adiabático, es decir, se acepta que el calor producido permanece en el núcleo del conductor y no tiene tiempo de disiparse a través de otros elementos del cable.

En esta hipótesis, la tensión térmica soportada por los conductores se calcula mediante la fórmula: Energía pasante = Ik2 × t en A2s

El estrés térmico admisible por el conductor se calcula mediante la fórmula k2 × S2 en la que:

  • S es la sección transversal del conductor en mm2
  • k es un factor que tiene en cuenta la resistividad, el coeficiente de temperatura y la resistencia al calentamiento del material conductor, así como las temperaturas iniciales (temperatura máxima del conductor en régimen permanente para un conductor cargado o un PE incorporado en el cable, o temperatura ambiente para un PE separado) y final (temperatura máxima del conductor en cortocircuito) del conductor.

Por lo tanto, debe verificarse que, en todos los casos de cortocircuito, se verifique la relación: Ik2 × t

Para facilitar los cálculos, es posible utilizar las tablas que indican los valores de k en los casos habituales, como en el siguiente ejemplo tomado del documento IEC 60364-4-43:

La verificación de estrés térmico con elec calc™

El software elec calc™ calcula la energía pasante máxima en todos los conductores y la compara con su valor de aguante térmico (de acuerdo con la fórmula k² × S²). Esta verificación se aplica a las fases, pero también al neutro y al PE. Si no se cumple esta condición, se muestra un error de estrés térmico en el cable.

¿Cómo resolver un problema de estrés térmico?

En el caso de un problema de estrés térmico, siempre es posible sobredimensionar la sección transversal de los conductores, lo que aumenta su estrés térmico admisible. Sin embargo, existen otras alternativas a este aumento de sección.

Uso de fusibles: el tiempo de fusión de un fusible es generalmente mucho más corto que el tiempo de disparo de un interruptor en caso de elevadas corrientes de cortocircuito. Hay, por lo tanto, una limitación natural de la energía pasante. Tenga en cuenta que, en caso de protección con fusibles, la energía máxima puede tener lugar durante el cortocircuito mínimo porque el tiempo de fusión puede ser mayor. Por lo tanto, es necesario verificar la resistencia del cable para todos.

Uso de interruptores automáticos limitadores: ciertas gamas de equipos están diseñadas para evitar el establecimiento de corriente de falta, al permitir solo un valor de corriente limitado. El comportamiento de limitación de un interruptor automático lo proporciona el fabricante en forma de curvas de limitación:

• La curva que representa el valor máximo de la corriente limitada en función del valor eficaz de la componente alterna de la corriente de falta esperada (útil para verificar el estrés electrodinámico)
• La curva que representa el valor de la energía pasante limitada en función del valor eficaz de la componente alterna de la corriente de falta esperada. Es este valor limitado el que debe compararse con el estrés térmico admisible de los conductores.

¿Cómo resolver un problema de estrés térmico?

El catálogo multifabricante de elec calc™ gestiona las curvas de limitación para las diversas protecciones. Tan pronto como una referencia con curvas de limitación se asocia con un dispositivo de protección, el software puede calcular la energía pasante limitada asociada con la corriente de cortocircuito esperada. Cabe señalar que la mayoría de los interruptores automáticos modulares tienen capacidad de limitación, lo que permite resolver los problemas de estrés térmico en cables de sección pequeña, que se ven más afectados por problemas de estrés térmico.

EJEMPLO:

Mi instalación incluye un circuito de iluminación con un cable U1000R2V-3G2.5 protegido por un interruptor automático de 16 A curva C.

La corriente máxima de cortocircuito en el cable es de 5,63 kA y el tiempo de disparo de la protección de 10 ms. La energía pasante es, por lo tanto: Ik² × t = 5.63² × 0.01 o 316 969 A²s

El aguante térmico de mi cable es: k² × S² = 143² × 2.5² o 127 806 A²s

Comprobación: Ik² × t> k² × S² => problema de estrés térmico en el cable: en caso de cortocircuito, el cable se dañará.

Caso de fusibles:

Si reemplazo el disyuntor con un fusible de 16 A gG, el tiempo de fusión es de 4·10-5 s. La energía de paso máxima es, por lo tanto: Ik² × t = 5.63² × 0.00004 o 1268 A²s. Por lo tanto, no hay ningún problema de estrés térmico en el cable. En nuestro caso, también verificamos que es la corriente máxima de cortocircuito la que proporciona la energía máxima.

Integración de una referencia de interruptor automático con una limitación:

Ahora incluyo una referencia del fabricante en mi protección. Por lo tanto, el software podrá leer en la curva de limitación de energía suministrada por el fabricante la energía pasante para una corriente de cortocircuito de 5,63 kA:

En nuestro caso, la energía residual es 15 120 A²s. Es inferior al aguante térmico del conductor. Entonces, ya no tenemos un problema de estrés térmico en el cable.

Vaya más adelante con elec calc™ para el cálculo de la energía pesante

Teniendo en cuenta el componente de CC: en las fórmulas mencionadas anteriormente, hemos considerado que el valor de Ik es el valor eficaz de la componente alterna de la corriente de falta esperada. Si queremos ser más precisos, debemos tener en cuenta la componente continua de la corriente de falta. La influencia de esta componente continua es especialmente notable cuando el punto de falta está cerca de las fuentes. Depende del tiempo de desconexión y del valor de la relación X / R del circuito en el punto de falta. Es aconsejable calcular una corriente térmica equivalente que reemplace en las fórmulas a la corriente Ik.

elec calc™ tiene en cuenta la influencia de esta componente continua cuando el estándar utilizado lo requiere.

Múltiples fuentes: una falta puede ser alimentada por varias fuentes, cada una de las cuales contribuye a la corriente de cortocircuito. Las protecciones asociadas con estas diferentes fuentes pueden no reaccionar al mismo tiempo a la corriente de cortocircuito que generan. El cálculo preciso de la energía pasante debe, por lo tanto, integrar una acumulación cronológica de las energías producidas por cada fuente.

Esto es lo que hace el software elec calc™ para acercarse lo más posible al fenómeno real.

El artículo fue escrito por Philippe Aupetit y Jérôme Mullie, Product Managers en Trace Software International

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