Dimensionamiento de cables de media tensión: comprobaciones de ampacidad, caída de tensión y cortocircuito

Suponga que tiene un transformador alimentador de 13,8 kV con una corriente primaria calculada de 84 A. Una tabla rápida de ampacidad podría sugerir un conductor de cobre n.º 3 AWG. Sin embargo, una instalación típica en el campo a menudo termina con un cable 2/0 AWG. La razón es que el tamaño del cable de media tensión no puede limitarse a la ampacidad.

El tamaño correcto también debe superar los límites de caída de voltaje, sobrevivir a la corriente de cortocircuito disponible, respetar los tamaños mínimos prácticos de los conductores y tener en cuenta las condiciones reales de instalación, como la temperatura del suelo, los bancos de conductos y los circuitos paralelos. Trátelo como un ciclo de verificación, no como un solo paso de búsqueda.

Qué significa "dimensionamiento" para cables de MT

Por cable de media tensión generalmente se entiende cables con capacidades nominales superiores a 1 kV y hasta 35 kV. Las clases de voltaje comunes incluyen 3,6/6 kV, 6/10 kV, 8,7/15 kV, 12/20 kV y 18/30 kV. Dimensionar un cable de MT significa seleccionar la sección transversal del conductor, el nivel de aislamiento y la construcción de la pantalla que permitan que el cable funcione de forma segura durante toda su vida útil tanto en condiciones de carga estable como de falla.

Las comprobaciones principales son contiguas: capacidad de transporte de corriente continua, caída de tensión, resistencia térmica en cortocircuito y reducción de potencia según las condiciones de instalación. En muchos proyectos industriales, el tamaño final se decide mediante la verificación de cortocircuito o caída de voltaje en lugar de la verificación de ampacidad, especialmente cuando el alimentador es largo o el nivel de falla es alto.

Paso 1: definir el sistema y las entradas de cable

Antes de iniciar cualquier cálculo, recopile los datos del sistema. Necesita la tensión nominal entre fases, la corriente de carga continua máxima, la corriente de cortocircuito máxima en la ubicación del cable y el tiempo de eliminación de la protección. Los detalles de la instalación también son importantes: longitud de la ruta, temperatura ambiente, resistividad térmica del suelo, profundidad del enterramiento y si el cable pasa en un banco de conductos, bandeja de cables o enterramiento directo.

Los pequeños errores de entrada crean grandes errores de tamaño. Si se supone una temperatura del suelo de 20°C pero el sitio real funciona a 30°C, un cable marginal funcionará por encima de su temperatura de diseño. Si olvida incluir la calefacción del alimentador paralelo, el mismo cable se verá reducido en una instalación real. El tiempo extra dedicado a verificar los datos de entrada siempre vale la pena.

Para la mayoría de las aplicaciones de distribución, la opción predeterminada es un cable aislado con XLPE y conductores de cobre. El aislamiento proporciona alta resistencia eléctrica, bajas pérdidas dieléctricas y buen rendimiento térmico. Una referencia práctica para la distribución de media tensión es el Serie de cables de alimentación con aislamiento XLPE de 3,6/6 kV a 26/35 kV .

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Paso 2: Calcular la ampacidad con condiciones reales

La ampacidad es la corriente continua máxima que el cable puede transportar sin exceder la temperatura nominal de su aislamiento. Para el aislamiento XLPE, la temperatura máxima del conductor continuo suele ser de 90 °C, mientras que la temperatura de emergencia en caso de cortocircuito puede ser de 250 °C para los conductores de cobre. La sección transversal del cable debe permitir que el calor generado internamente se transfiera hacia el exterior sin sobrecalentar el aislamiento.

Comience a partir de una tabla de ampacidad base, luego multiplique por factores de corrección para temperatura ambiente, resistividad térmica del suelo, profundidad, espacio entre cables y agrupación. Un tamaño de conductor que funciona en un cálculo de escritorio puede calentarse cuando se instala en paralelo a otros cables cargados. La siguiente tabla proporciona factores de reducción representativos para instalaciones MV comunes:

Después de aplicar todos los factores de corrección, compare la ampacidad corregida con la corriente de carga completa. Si el valor está entre dos tamaños de conductor estándar, elija el siguiente tamaño más grande a menos que una verificación posterior fuerce un conductor aún más grande.

Paso 3: Verifique la caída de voltaje en alimentadores largos

La caída de tensión se convierte en el criterio rector cuando el alimentador de MT tiene varios kilómetros de longitud o cuando la carga es alta en relación con la impedancia del cable. La caída de voltaje trifásico se puede aproximar como Vdrop = sqrt(3) * I * (R * cos(phi) X * sin(phi)) * L, donde R y X son la resistencia y reactancia de CA efectivas por unidad de longitud, y L es la longitud de la ruta.

Para circuitos de media tensión, la caída de tensión total generalmente debe permanecer por debajo del 5% desde la fuente hasta la carga. Muchas instalaciones aplican un límite más estricto del 3% solo para el alimentador para dejar margen para transformadores y conductores secundarios. Para un alimentador de 33 kV y 10 km que transporta 250 A, un cable de cobre de 95 mm² puede tener una caída de tensión cercana al 3,5%, mientras que un cable de 120 mm² la lleva por debajo del 3%. En tales casos, el cable más grande no se selecciona por ampacidad sino por límite de caída de voltaje.

En un alimentador de 33 kV, la inductancia a menudo domina sobre la resistencia, por lo que agregar la sección transversal del conductor solo proporciona una mejora limitada. En ese caso, un nivel de voltaje más alto o un cable con una ruta diferente pueden ser más efectivos.

Paso 4: confirmar la resistencia al cortocircuito

Un cable en un sistema de media tensión debe sobrevivir a la corriente de cortocircuito del peor de los casos el tiempo suficiente para que el dispositivo de protección elimine la falla. Durante la falla, la temperatura del conductor aumenta bruscamente porque el calor no puede escapar rápidamente. Para cables aislados con XLPE, la temperatura permitida del conductor de cortocircuito suele ser de 250 °C para cobre y 200 °C para aluminio, pero se deben utilizar los valores de los datos de prueba del fabricante.

La sección transversal mínima del conductor para resistencia térmica se puede estimar como s = I * sqrt(t) / k, donde I es la corriente de falla rms, t es el tiempo de limpieza en segundos y k es una constante que depende del material del conductor y de las temperaturas inicial y final supuestas. Un sistema de 13,8 kV con una falla de 20 kA eliminada en 0,2 s puede requerir fácilmente un conductor más grande que el de la verificación de ampacidad. Por este motivo, la comprobación de cortocircuito no es opcional.

También debe verificarse la coordinación del relevo aguas arriba. Si el tiempo de limpieza del relé es mayor que el límite térmico del cable, el cable se dañará antes de que se abra el disyuntor.

Paso 5: respetar los requisitos de reducción de potencia y tamaño mínimo

Además de los cálculos técnicos, los códigos y los requisitos mecánicos a menudo imponen un tamaño mínimo de conductor. Muchos alimentadores de media tensión utilizan un conductor de cobre #2 AWG como mínimo práctico, incluso cuando el cálculo de ampacidad permitiría un tamaño más pequeño. Los terminales grandes, los kits de terminación y las fuerzas de tracción resultan poco prácticos con cables de media tensión muy delgados.

Los factores de reducción para cables agrupados e instalaciones enterradas pueden reducir la ampacidad base en un 20 % o más. La verdadera ampacidad es el valor base multiplicado por todos los factores aplicables. Si el valor final aún está por encima de la corriente de carga, el cable es aceptable para carga continua. Pero el ingeniero también debe confirmar que el cable se puede conectar correctamente a los terminales del interruptor, del bus o del transformador.

Paso 6: Equilibrar costos, disponibilidad y crecimiento futuro

Una vez superados todos los controles técnicos, queda la cuestión económica. Un conductor más grande reduce las pérdidas I^2*R y deja espacio para un crecimiento futuro de la carga, pero aumenta el costo inicial y puede complicar la instalación en conductos estrechos. En un alimentador largo, el valor actual neto del ahorro de energía puede justificar el costo adicional. En un alimentador corto, el cable más grande puede ser innecesario.

La elección de una sección transversal ampliamente fabricada reduce el tiempo de entrega y evita terminaciones no estándar. Los tamaños comunes de MT en sistemas métricos incluyen 70, 95, 120, 150, 185 y 240 mm². Al revisar las opciones de productos, el Gama de cables de alimentación XLPE de 6-35 kV ofrece una buena descripción general de los voltajes nominales y los detalles de construcción de los circuitos de distribución típicos.

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Uniendo el proceso de dimensionamiento

El dimensionamiento del cable de media tensión es un proceso sistemático: defina los parámetros del sistema, verifique la ampacidad, verifique la caída de voltaje, confirme la resistencia a cortocircuitos y aplique reglas de reducción de potencia y tamaño mínimo. Sólo después de que se pasen esas comprobaciones es el momento de sopesar el costo y la disponibilidad.

Si está dimensionando un alimentador largo o un sistema de distribución industrial con alto nivel de falla, preste especial atención a los factores de reducción y al cálculo de la corriente de falla. Un cable que a primera vista funciona puede fallar durante una avería o al final de un caluroso día de verano. Para obtener más información sobre las clasificaciones de temperatura de aislamiento y cómo afectan la ampacidad, el Comparación de costos de aislamiento y ampacidad del cable MV90 vs MV105 es un punto de partida útil.