I. Una pregunta más frecuente

En la selección y uso de cables, se plantea repetidamente una pregunta:

"¿Cuál es la corriente máxima que puede soportar este cable?"

Esta pregunta en sí es incorrecta.

La pregunta correcta es:

"Bajo una determinada corriente de sobrecarga, ¿cuánto tiempo puede funcionar el cable de forma segura?"

La capacidad de sobrecarga a corto plazo de un cable está determinada tanto por el tiempo como por la corriente, no solo por la corriente. Hablar de capacidad de sobrecarga ignorando la dimensión temporal no tiene sentido en ingeniería.

II. El proceso térmico de los cables sobrecargados

Los cables generan calor Joule cuando transportan corriente. La cantidad de calor generado está determinada por la siguiente fórmula:

Q = I² × R × t
Donde Q es el calor generado, I es la corriente, R es la resistencia del conductor y t es el tiempo.

La corriente afecta al calor generado con una relación cuadrada. Duplicar la corriente cuadriplica el calor generado.

Sin embargo, el punto clave es: si el tiempo es lo suficientemente corto, incluso con una corriente grande, el calor total generado puede ser muy pequeño.

Un cable no es un fusible. Los fusibles están diseñados para fundirse en milisegundos. Los cables son sistemas con una inercia térmica significativa: tanto los conductores como los materiales aislantes necesitan tiempo para alcanzar temperaturas peligrosas.

Una sobretensión breve de alta corriente puede provocar sólo un aumento de temperatura de unos pocos grados Celsius. Sin embargo, pequeñas sobrecargas prolongadas pueden provocar envejecimiento térmico o incluso rotura térmica del aislamiento.

III. Secuencia de falla: aislamiento antes del conductor

Un error común es pensar que las sobrecargas de cables "quemarán los cables de cobre".

Esto es incorrecto.

En escenarios de sobrecarga reales, la capa de aislamiento falla primero, no el conductor.

El punto de fusión de los conductores de cobre es de aproximadamente 1085°C. La temperatura de funcionamiento permitida a largo plazo del aislamiento XLPE es de sólo 90°C, e incluso considerando sobrecargas a corto plazo, su temperatura soportada no supera los 250°C. La temperatura de funcionamiento permitida a largo plazo del aislamiento de PVC es de 70 °C y su temperatura soportada a corto plazo es de aproximadamente 160 °C.

La comparación de estas cifras muestra claramente que antes de que el conductor de cobre alcance su punto de fusión, el material aislante ya ha sufrido ablandamiento térmico, carbonización o incluso una pérdida total de rendimiento de aislamiento.

Una vez que falla el aislamiento, se produce un cortocircuito entre los conductores, lo que genera un arco eléctrico y altas temperaturas localizadas; sólo entonces podría fundirse el conductor de cobre. Sin embargo, se trata de una falla secundaria, no una consecuencia directa de la sobrecarga.

Por lo tanto, discutir la capacidad de sobrecarga del cable en ingeniería significa esencialmente discutir: ¿durante qué período de tiempo, el calentamiento del conductor no hará que la temperatura del aislamiento exceda su límite de resistencia a corto plazo?

IV. Capacidad de sobrecarga de corta duración deCables aislados XLPE

Según IEC 60364-5-54 y cálculos termodinámicos en la práctica de la ingeniería, para cables conductores de cobre aislados con XLPE, bajo la premisa de una temperatura inicial de 90 °C (estado normal de carga completa), la capacidad de sobrecarga de corta duración es aproximadamente la siguiente:

Cuando el múltiplo de sobrecarga es del 150%, el cable normalmente puede resistir desde varios minutos hasta decenas de minutos. Este intervalo de tiempo depende principalmente de la tasa de acumulación de calor en el material aislante.

Cuando la sobrecarga múltiple es del 200%, el cable puede soportar desde decenas de segundos hasta varios minutos. El factor limitante aquí es principalmente la velocidad de aumento de temperatura en la superficie del aislamiento.

Cuando la sobrecarga múltiple es del 300%, el cable puede soportar desde varios segundos hasta más de diez segundos. En este punto, la temperatura en la interfaz conductor-aislamiento aumenta rápidamente, convirtiéndose en el principal factor limitante.

Cuando la sobrecarga alcanza el 500% o más, el cable sólo puede soportarla durante 1 a 5 segundos. En estas condiciones, el material aislante se carbonizará rápidamente, casi sin dejar margen de seguridad.

Cabe señalar que los valores anteriores son sólo estimaciones de ingeniería. Los valores exactos dependen de la sección transversal del cable, el método de tendido, la temperatura inicial y la formulación específica del material aislante. Cuanto más baja sea la temperatura inicial, mayor será el tiempo de resistencia; los arranques en frío son mucho más seguros que los arranques en caliente. Una mejor disipación de calor también extiende el tiempo de resistencia: la instalación con aire es superior a la instalación con conductos.

V. Comprobación de sobrecarga del cable para el arranque directo del motor

Tomando como ejemplo un motor de 132kW. Su corriente nominal es de aproximadamente 240 A (en un sistema de 400 V). Durante el arranque directo, la corriente de arranque es aproximadamente 6 veces la corriente nominal, es decir, 1440 A. La duración inicial suele ser de 6 segundos.

El cable correspondiente es un cable de cobre XLPE de 95 mm². La capacidad nominal de carga de corriente de este cable en un ambiente de 40 °C bajo condiciones de instalación de conductos es de aproximadamente 300 A.

El proceso de verificación es el siguiente:

Primero, determine la temperatura inicial. Suponga que el cable ha estado funcionando bajo carga nominal durante algún tiempo, con una temperatura inicial de aproximadamente 90 °C.

Luego calcule el calor generado durante el arranque. El calor generado es igual al cuadrado de la corriente multiplicado por la resistencia multiplicada por el tiempo, es decir, 1440² × R × 6.

Compare este valor con el calor generado en condiciones operativas nominales. En condiciones nominales, con una corriente de 300 A durante 1 hora (3600 segundos), el calor generado es 300² × R × 3600.

Los resultados reales del cálculo muestran que el calor generado durante un proceso de arranque de 6 segundos equivale a sólo unos 15 a 20 segundos de calor generado en condiciones nominales. Esto corresponde a un aumento de temperatura de aproximadamente 15 a 20°C.

Este aumento de temperatura está muy por debajo del límite de temperatura soportada por corto tiempo del aislamiento XLPE (aproximadamente 250 °C). Por lo tanto, el proceso de inicio no causará daños al aislamiento.

Esta es la razón por la que en muchas aplicaciones de motores de arranque directo, no es necesario aumentar la especificación del cable debido a la corriente de arranque, siempre que el tiempo de arranque sea lo suficientemente corto, generalmente entre 5 y 8 segundos.

VI. Tres criterios de juicio en la práctica de la ingeniería

Primero, distinga entre sobrecarga en estado estacionario y sobrecarga transitoria.

Una sobrecarga en estado estable se refiere a una situación en la que la corriente excede el valor nominal y dura varios minutos o más. El principal riesgo de este tipo de sobrecarga es el envejecimiento térmico del aislamiento, que puede provocar daños acumulativos a largo plazo.

Una sobrecarga transitoria se refiere a una situación en la que la corriente es varias veces mayor que el valor nominal pero dura solo unos segundos. Este tipo de sobrecarga normalmente puede ser soportada por el cable a menos que ocurra repetidamente.

En segundo lugar, utilice la temperatura del aislamiento como criterio de fallo.

La base para juzgar si un cable está sobrecargado no es "si el cobre se ha quemado", sino "si la temperatura del aislamiento excede el límite de resistencia a corto plazo". Para el aislamiento XLPE, la temperatura de resistencia a corto plazo generalmente se toma como 250 °C, según la temperatura del conductor.

En tercer lugar, consideremos el efecto acumulativo.

Si el equipo se arranca y se detiene con frecuencia, como una grúa o un compresor alternativo, el aumento de temperatura de cada arranque se acumulará. En este caso, no basta con observar únicamente el aumento de temperatura de un solo inicio; Es necesario calcular el efecto del aumento de temperatura acumulativo bajo el ciclo térmico.

VII. Recomendaciones de selección
Para equipos con alta corriente de arranque, como motores, transformadores y máquinas de soldar, existen cuatro estrategias comunes para afrontarlos.

El primer método consiste en aumentar la especificación del cable. Este método es adecuado para escenarios con tiempos de inicio prolongados (más de 10 segundos) o inicios frecuentes. Sin embargo, es más caro, especialmente para tendido a larga distancia.

El segundo método consiste en instalar un arrancador suave. Este método es adecuado para escenarios con tiempos de arranque medios (de 3 a 10 segundos) y donde se necesita una reducción de la sobretensión actual. El costo es moderado.

El tercer método consiste en instalar un convertidor de frecuencia. Este método es adecuado para escenarios con arranques muy frecuentes o donde se requiere un control preciso de la velocidad. Ofrece la funcionalidad más completa pero también es la más cara.

El cuarto método consiste en dejarlo como está y utilizar la especificación original. Este método es adecuado para escenarios con tiempos de inicio muy cortos (no más de 5 segundos) y arranques poco frecuentes. El coste es cero, pero depende de que se verifique la seguridad.

Un error de ingeniería común es aumentar ciegamente las especificaciones del cable para manejar la sobrecarga de arranque. Muchas veces ésta no es la solución óptima. El enfoque correcto es calcular primero el calor real generado durante el arranque. En muchos casos, los cálculos muestran que el cable existente es suficiente.

Si se requiere verificación, se deben preparar los siguientes parámetros: sección transversal del cable, material y tipo de aislamiento; la curva de corriente de arranque-tiempo proporcionada por el fabricante del equipo; y el método de colocación y temperatura inicial.

VIII. Conclusiones clave

En primer lugar, la capacidad de sobrecarga a corto plazo de un cable está determinada tanto por el tiempo como por la corriente. Preguntar "¿Cuánta corriente puede soportar?" no tiene sentido; También hay que preguntarse "¿Cuánto tiempo podrá resistir?".

En segundo lugar, en caso de sobrecarga, el aislamiento falla primero, no el conductor. El límite de temperatura del aislamiento está muy por debajo del punto de fusión del cobre.

En tercer lugar, los cables aislados con XLPE normalmente pueden resistir desde decenas de segundos hasta varios minutos bajo una sobrecarga del 200%, dependiendo de la temperatura inicial y las condiciones de disipación de calor.

Cuarto, para impactos de corta duración por arranque directo del motor, en la mayoría de los casos, no es necesario aumentar la especificación del cable, siempre que el tiempo de arranque no exceda de 5 a 8 segundos y sea poco frecuente.

Quinto, las decisiones de ingeniería deben basarse en cálculos, no en intuición. Aumentar ciegamente las especificaciones de los cables desperdicia costos, mientras que descuidar la verificación puede crear peligros ocultos.