Caídas de tensión en instalaciones

Un cable es un conductor eléctrico recubierto de un material aislante que se utiliza para transportar de un sitio a otro una corriente eléctrica. Está formado por un conductor, un aislamiento, una capa de relleno y una cubierta.

  • Conductor: Generalmente se fabrican de cobre (gracias a su excelente conductividad), de aluminio (posee menor conductividad y es más ligero y económico que el cobre), o una aleación de aluminio o de cobre. Pueden tener uno o varios conductores.
  • Aislamiento: Recubrimiento que envuelve al conductor y es de plástico. Su tipo y grosor dependen del nivel de tensión, corriente nominal y temperatura necesaria en la instalación. Puede ser un aislamiento termoplástico (PVC, PE…) o termoestable (XLPE, PTFE…)
  • Capa de relleno: Material aislante que envuelve a los conductores para mantener la sección circular del conjunto
  • Cubierta: Está hecha de materiales que protejan mecánicamente al cable. Tiene como función proteger el aislamiento de los conductores de la acción de la temperatura, sol, lluvia, etc

Imagen: Cable con 2 conductores

Tipos de cable

Existen multitud de tipos de cable, pero los más comunes son:

  • Manguera: formado por 2 o 3 conductores recubiertos con aislante cada uno de ellos
  • Rígidos / Flexibles: difíciles / fáciles de deformar
  • Planos: de forma plana
  • Coaxial: núcleo chapado en cobre rodeado por un aislante dieléctrico
  • Trenzado: pares de alambres con cobres de aislante trenzados uno alrededor de otro.
  • Cables para baja, media y alta tensión

Artículo en nuestro blog: Cableados de conexión

 

Tamaño del conductor: Sección del cable

El tamaño de un conductor viene definido por su área (sección de cable). Esto es muy importante para la instalación ya que la sección del cable será la que defina cuánta corriente podrá circular de manera correcta por el cable.

Cuanto menor sea el AWG (American Wire Gauge) más grueso será el cable. Se debe tener en cuenta que este valor sólo hace referencia al conductor, no al diámetro exterior con el aislante incluido.

 

Cómo elegir el cable adecuado para la instalación

En toda instalación, es imprescindible conocer la sección de cable necesaria para evitar pérdidas, mal funcionamiento, sobrecalentamiento, etc de la instalación. Para ello, se deben satisfacer tres condiciones principales:

  1. Intensidad máxima admisible del aislamiento del cable

La temperatura del conductor del cable, trabajando a plena carga y de manera constante, no debe superar la temperatura admisible del material utilizado para el aislamiento del cable. En España, esta temperatura está definida por el REBT (Reglamento Electrotécnico para Baja Tensión de España).

Si se supera esta temperatura, el daño en el cableado puede llegar a romper el material de aislamiento, provocando problemas de seguridad si un usuario toca el área expuesta, aumentar la caída de tensión, etc.

2. Caída de tensión

Toda circulación de corriente a través de un conductor genera unas pérdidas, por lo que existe una diferencia entre la potencia del extremo de origen y final del cable. Esta diferencia ocasiona unas pérdidas de tensión (“caída de tensión”) que pueden ocasionar un mal funcionamiento de los receptores alimentados por el cableado, daños y problemas de seguridad. Cuanto mayor sea la longitud del cable, mayores serán las pérdidas.

Estos valores máximos también vienen definidos en el REBT.

3. Intensidad de cortocircuito en instalaciones de alta tensión

En el caso de que se produzca un cortocircuito o un paso de sobreintensidad de corta duración, el conductor del cable eleva su temperatura. Esto es importante en instalaciones de alta y media tensión, no tanto para instalaciones de baja tensión.

 

Colores

En las instalaciones eléctricas, en la norma europea se utilizan unos colores con el fin de identificarlos rápidamente.

Conductor de tierra: Es el cable de toma a tierra: Se encarga de desviar la energía en caso de fallo eléctrico, con el fin de proteger la instalación y a las personas. Color verde-amarillo

Conductor de fase o potencial: Cable por el que entra la corriente eléctrica. Color Marrón, negro, gris

Conductor neutro: Cable por el que sale la corriente eléctrica en el circuito. Color: Azul claro

Ejemplo de cálculo de sección del cable

A groso modo, vamos a realizar un ejemplo con las nociones más básicas del cálculo de sección del cable. Suponemos una bomba de elevación de agua para unas viviendas. Las características son:

  • Potencia de la bomba: 3000W
  • Longitud desde la alimentación hasta la entrada de la bomba: 10m
  • Instalación monofásica: 230VAC

 

1. Primera condición: Intensidad máxima admisible

Cuando por los conductores circula una corriente, hay una parte que se transforma en calor por efecto Joule. Este calentamiento se da ya que los conductores tienen una resistencia eléctrica que se opone al paso de la corriente por ellos. Esto da lugar a que ese calor se transforme en pérdidas en la línea, y puede expresarse como:

PL = RL * I2

Siendo PL: Potencia línea, RL: resistencia línea, I: Corriente línea

Por lo tanto, para disminuir estas pérdidas, hay que disminuir la resistencia de la línea, aumentando la sección del conductor.

Cálculo intensidad de corriente que fluye por el conductor

P = U * I * cos φ . Vamos a suponer un cos φ = 1 para el ejemplo (Artículo sobre el factor de potencia)

I = P / V = 3000 / 230 = 13.05A

Según el reglamento REBT, los conductores de tensión deben estar dimensionados para una intensidad del 125 % de la intensidad a plena carga del motor. Por lo tanto, la intensidad máxima será:

Im = 13.05A * 1.25 = 16.30A

Cálculo de la resistencia del conductor

La fórmula general para la resistencia eléctrica es: R = ρ * L /S

Siendo:

  • ρ (ro) la resistividad del material conductor del cable. Para el cobre, ρ=0.0178 Ω mm2 /m
  • L = longitud de la línea en metros
  • S = sección del cable en mm2

R = 0,0178 * (10/S)

Vemos que:

Para una sección de cable pequeña, por ejemplo, 2.5mm², la potencia perdida será:

R = 0.0712 Ω →  PL = RL * I2 =0.0712 * 16.32 = 18.92W

Para una sección mayor, por ejemplo, 4mm2, la potencia perdida será:

R = 0.0445 Ω →  PL = RL * I2 = 0.0445 * 16.32 = 11.82W

 

Queda demostrado que, aumentando la sección del cable, la potencia perdida disminuye.

Ahora que ya conocemos la intensidad del circuito, a través de las tablas REBT buscamos la intensidad inmediatamente superior en la tabla y la sección asociada a esa corriente. Ésta será la que cumpla la condición de la intensidad máxima admisible.

Enlace de descarga de la norma UNE-HD 60364-5-52:2014 para instalaciones de Baja Tensión

Para ello, debemos:

  • Categorizar el método de instalación. Puede ser A1, A2, B1, etc. Indica en qué circunstancias se han instalado los conductores: tubo empotrado en pared de obra, en pared de madera, cable multiconductores, cables unipolares, etc.
  • Si se trata de un circuito trifásico (3x) o monofásico (2x)
  • Tipo de aislante: PVC, XLPE, EPR

En nuestro ejemplo, es una instalación tipo B1, monofásica (2X), con tipo de aislamiento PVC y conductor de cobre. Y en base a los cálculos, necesitamos una intensidad de al menos 16.3A.

Siguiendo la tabla, nos sale que debemos utilizar una sección de al menos 2,5mm2

 

2. Segunda condición: Caída de tensión

Las caídas de tensión en las líneas del secundario pueden compensarse ajustando la tensión de salida. Para ello, en tensión monofásica, puede usarse la siguiente fórmula:

Siendo:

ꓥU = caída de tensión en V

I = intensidad en A

p = resistividad (cobre: 0.0178 Ω mm² /m)

l = longitud de la línea en m (multiplicada por 2 para tener en cuenta el hilo de retorno y alimentación)

A = sección transversal del conductor en mm²

La caída de tensión (ꓥU) depende del tipo de circuito que estemos realizando. Por ejemplo, vamos a suponer que no debe ser superior a un 3%:

  • Sección obtenida en el apartado anterior: 2.5mm²
  • Longitud del circuito: 10m

3% de la tensión nominal (230V) = 6.9 V

 

ꓥU = 16.3A * 0.0178 Ω mm² /m * 2 * 10m / 2.5mm2 = 2.32 V < 6.9 V

La sección de 2.5mm2 cumple con la caída de tensión.

Caídas de tensión en corriente continua

En el caso de corriente continua, que es la utilizada para instalaciones con tiras de led, el cálculo es el mismo. Aquí la caída de tensión admisible vendrá dada por la tensión mínima a la que puede funcionar la tira de led.

Suponemos una tira de led a 24V, 12W/m y con una longitud de 5m. El consumo total de la tira serán 60W y suponiendo que la tira funciona correctamente a partir de 21V, asumimos una caída máxima admisible d 3V. Si suponemos que la fuente de alimentación está situada a 10m de la tira:

60W = 24V * I → I = 2.5A

24V – 21V  = 2.5A *  0.0178 Ω mm² /m * 2 * 10 m / A

A = 2.5A *  0.0178 Ω mm² /m * 2 * 10 m / 3V

A = 0.30 mm²

Con un cable superior a 0.30 mm²  podríamos evitar problemas con las caídas de tensión en la instalación.

 

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