Esto es lo que tienes que tener en cuenta sobre la intensidad de cortocircuito en cuadros eléctricos industriales para cumplir con las normativas de seguridad

La seguridad eléctrica en entornos industriales es vital para garantizar un entorno de trabajo seguro y proteger tanto a personas como a maquinaria. Un aspecto fundamental en este contexto es comprender y controlar la intensidad de cortocircuito en los cuadros eléctricos industriales, un parámetro crítico que tiene un impacto significativo en la seguridad y el rendimiento de las instalaciones eléctricas.

De acuerdo con la norma UNE EN 60204-1 de Seguridad en Máquinas, que regula el equipo eléctrico de las máquinas, es esencial comprender cómo calcular y gestionar la intensidad de cortocircuito para garantizar el cumplimiento de los estándares de seguridad. En este artículo Quim Soler, responsable del área de Componentes Industriales en Grupo Elektra y experto en cuadros eléctricos eficientes y seguros, te explica el concepto de intensidad de cortocircuito en cuadros eléctricos industriales, su importancia en el contexto de la normativa de seguridad y las mejores prácticas para su gestión eficiente.

Después de leerlo estarás más preparado para asegurar a tus clientes un entorno industrial más seguro y eficiente.

Intensidad de cortocircuito en cuadros eléctricos industriales (según norma UNE EN 60204-1 de Seguridad en Máquinas, equipo eléctrico de las máquinas)

En el apartado 7.10 de dicha norma, se hace referencia a:

Intensidad de cortocircuito asignada

Se debe determinar la intensidad de cortocircuito asignada al equipo eléctrico. Esto se puede lograr mediante la aplicación de reglas de diseño, cálculo o por ensayo.

Puede determinarse, por ejemplo:

• Conforme la norma UNE EN 61439-1 (Conjuntos de aparamenta de BT). Es la norma de referencia para los cuadros eléctricos.
• CEI 60909-0 (corrientes de cortocircuito en sistemas AC trifásicos. Parte 0: cálculo de corrientes).
• CEI/TR 60909-1 (Parte 1: factores para el cálculo de corrientes de cortocircuito).
• IEC/TR 61912-1  (dispositivos de protección contra sobreintensidades. Parte 1: aplicación de los características de cortocircuito).

En la norma de cuadros UN EN 61439 no hay ninguna parte que trate de los cuadros de control para máquina. Se puede usar como fuente de información el punto

8.5.3 Selección de los dispositivos de conexión y de los componentes

Aquí se dice que estos deben:

• Convenir a su aplicación: U, I, Poder corte, cierre, resistencia a los cortocircuitos.
• La tensión de aislamiento asignada y la tensión soportada a impulso asignada de los dispositivos instalados en el circuito deben ser iguales o mayores que el valor correspondiente asignado a ese circuito.
• En algunos casos puede ser necesaria la protección de sobretensión.
• Coordinación:
  • de los arrancadores de motor con dispositivos de protección contra los cortocircuitos (CEI60947-4-1).
  • Protección de respaldo.

Una vez visto lo que nos dicen las principales normas, empezaremos por entender algunos de los principales parámetros:

Corriente asignada de cresta admisible Ipk:

• Debe ser mayor o igual que los valores declarados para el valor de pico de la corriente prevista de cortocircuito del sistema o sistemas de alimentación para el cual está diseñada la conexión de uno o varios circuitos.

Corriente asignada de corta duración admisible Icw:

• La corriente asignada de corta duración de un circuito principal de un conjunto debe ser mayor o igual que el valor de la corriente de cortocircuito prevista (Icp) en cada punto de conexión de la alimentación.
• En un conjunto pueden asignarse valores de Icw diferentes para duraciones diferentes (por ejemplo 0,2 – 1- 3seg). Normalmente 1 segundo.
• Es el valor eficaz de la componente alterna.

La norma UNE EN 61439-1 nos da la relación entre la corriente de cresta y la corriente de corta duración:

• Ipk= n x Icc

Corriente asignada de cortocircuito condicional Icc:

• Es la máxima corriente de cortocircuito, cuando está protegido por un IA, puede soportar satisfactoriamente durante el tiempo de funcionamiento del dispositivo en las condiciones de ensayo.
• Debe ser mayor o igual que el valor previsto de la corriente de cortocircuito Icp durante un período limitado por el funcionamiento del dispositivo de protección.
• El fabricante del conjunto debe declarar el poder de corte, las características de limitación de corriente I²t e Iit del DPCC, teniendo en cuenta los datos proporcionados por el fabricante del dispositivo.

Llegados a este punto, es momento de enfrentarnos a las preguntas realmente importantes:

1. ¿Qué valores son relevantes y por qué?
2. ¿Qué valor de cortocircuito debe resistir el cuadro y que influencia este valor?

1. Intensidad de cortocircuito prevista en bornes de entrada del cuadro de control Icp

• Apartado 3.1.48 de la UNE EN 60204-1: Icp = valor eficaz de la intensidad que fluye cuando los conductores de alimentación del equipo eléctrico están cortocircuitados por un conductor de impedancia insignificante colocado lo más cerca posible de los bornes de alimentación del equipo eléctrico.

• Ikmáx de un transformador: en función de la potencia del transformador y de su Ucc(%). Podemos tener un valor aproximado en algunas tablas.

• Atenuación de la intensidad de cortocircuito debida a la línea: puede determinarse, por ejemplo, con la siguiente gráfica, en función de la sección del cable, longitud, y a partir de la Icc en el origen.

• Uso de software que dan los valores en cada punto de la instalación.

• Por ejemplo, en una instalación:
  • Transformador 2000 kVA
  • Cable 6m: 4×300
• En el CGBT:
  • Ikmáx= 51,2 kA
  • Ikmin= 38,19 kA
• Hasta el cuadro de máquina
  • 20 m de cable 1×150
  • Intensidad de cortocircuito prevista en bornes de entrada del cuadro Icp=
    • Ikmáx=35,2 kA
    • Ikmin=16,8 kA
• Y en el punto más lejano de la instalación, por ejemplo en bornes de un motor
  • Ikmáx=3,5 kA
  • Ikmin=1,2 kA

Ikmin es el cortocircuito entre fase y tierra (el de menor valor).

La protección debe ser capaz de despejar la intensidad de cortocircuito máxima y la mínima prevista en el punto más lejano de la instalación.

2. Productos activos vs. pasivos en relación al cortocircuito

• Pasivos en relación al cortocircuito (contactores, interruptores corte carga, embarrados, variadores…).
  • Protegidos aguas arriba por elemento que desconecte la corriente de cortocircuito.
  • Se requieren datos acerca de su resistencia al cortocircuito (dependiendo del elemento de protección definido por el fabricante).

• Productos activos en relación al cortocircuito (interruptores magnetotérmicos, disyuntores, fusibles…).
  • Tienen un poder de corte, que en función de la norma de fabricación se designa como Icn, Icu, Ics, que debe ser superior a la Icp.

Productos pasivos

Esto ocurre por ejemplo, en los cuadros en los que el interruptor de entrada sea un interruptor de corte en carga:

• Información del data-sheet del fabricante:
  • Con fusible gG aguas arriba, aguanta 50 kA.
  • Ic=intensidad de corte limitada.
  • I²t.

• Deben instalarse los equipos usados para los ensayos.
• Deben indicarse los datos necesarios de la protección con fusibles (Ic e I²t) en la documentación.

¿Qué es la I²t?

• Para un aparato: indica la energía que este equipo puede aguantar sin sobrecargarse térmicamente y ser destruido.
• La energía pasante.
  • La energía que deja pasar, por ejemplo un elemento de protección , hasta la interrupción del fallo.
• En los fusibles se aplica pre-arco I²t.

Y la corriente limitada Ic:

• Corriente limitada: la corriente máxima que ocurre más allá de un equipo de protección limitador.

Otro ejemplo de producto pasivo serían los contactores: deben aguantar la Icp hasta que la protección aguas arriba despeje este cortocircuito. La reacción previsible de un dispositivo de conmutación (contactor) en caso de cortocircuito se llama coordinación.

La coordinación puede ser:

Coordinación tipo 1: el contactor o arrancador, después de un cortocircuito “(…) puede no ser adecuado para un servicio adicional sin reparación y reemplazo de partes”.

Para la máquina esto significa:

• El contactor y/o el relé de sobrecarga posiblemente estén defectuosos
• Los componentes posiblemente no sean adecuados para un servicio adicional.
• La protección del operador y de la máquina no es segura en caso de un servicio continuo.
• La funcionalidad de los componentes es incierta.

En consecuencia, los componentes deben ser reemplazados.

La ventaja de este hecho es que los costos de fabricación del cuadro de control son más bajos que con el tipo de coordinación 2, porque se pueden usar dispositivos de conmutación más pequeños.

Las desventajas son largas paradas y la previsión de altos desembolsos para reparaciones.

Coordinación tipo 2: después de un cortocircuito, el contactor o arrancador “(…) debe ser adecuado para un servicio adicional. Se reconoce el riesgo de soldadura por contacto, en cuyo caso, el fabricante deberá indicar las medidas que deben tomarse en relación con el mantenimiento del equipo.”

Las instrucciones de mantenimiento deben describir cómo las soldaduras de contacto permitidas pueden romperse nuevamente.

Ventajas:

• Tiempos de inactividad cortos
• Bajo desembolso para reparaciones.

Desventajas:

Los costos de fabricación del cuadro de control son más altos que con el tipo de coordinación 1 porque se utilizarán dispositivos de conmutación más grandes.

Por ejemplo, a modo de comparativa, en la unión protección+contactor, en el tamaño pequeño de la gama de Siemens:

• Coordinación tipo 1: tamaño “pequeño” hasta 7,5 kW.
• Coordinación tipo 2: tamaño “pequeño” hasta 1,5 kW.

3. Resistencia a los cortocircuitos de los embarrados

Depende de la sección de las barras y de la distancia entre soportes.

En el caso de un cortocircuito, la Ipk (corriente de pico de cortocircuito) es el valor relevante para el embarrado:

Recordemos que:

Ipk= Icp x n

Ejemplo: un cuadro instalado en una ubicación en que la Icp=55kA

La corriente de pico sería Ipk=2,1 x 55 kA =115,5 kÂ.

Si vamos a la gráfica, parecería que no habría solución, ya que llega hasta 80 kA.

Pero el uso de protecciones con capacidad de limitación, permiten usar la Ic (corriente limitada) como Ipk para dimensionar el embarrado.

En el ejemplo, con Icp de 55 kA, necesitaríamos un interruptor de caja moldeada 3VA2225-5HN32-0AA0.

Este interruptor, ante un cortocircuito de 55 kA, limita la corriente en Ic=25,7 kA.

Embarrado de 1 m de longitud, Barras de 20×10:

• Soporte cada 500 mm (3 soportes).
• Ipk= 40 kA.

Comparación de los dos valores que produce la Icc en el sistema de barras:

• La Ipk que aguanta el embarrado es de 40 kA > 25,7 kA (de la corriente limitada por la protección).
• Podemos decir que la Icc del embarrado= 55 kA.

4. Selección de las protecciones y sus poderes de corte

Existen dos normas de fabricación para los interruptores magnetotérmicos, según su ámbito de actuación:

• Norma doméstica UNE EN 60898.
• Norma Industrial UNE EN 60947-2.

4.1. La norma doméstica UNE EN 60898

• Referente a instalaciones domésticas y análogas.
• Cuando el cuadro es accesible a cualquier persona.
• También en Industrial o Terciaria, no atendida siempre por “técnicos”.
• Marcados y características: el poder de corte se llama Icn y se marca en Amperios, por ejemplo Icn=6000A.
• El Icn es el cortocircuito que puede interrumpir dos veces, y después de estas dos interrupciones, la protección no pierde ninguna prestación.

4.2. La norma industrial UNE EN 60947-2

• Referente a instalaciones industriales y terciarias.
• Cuando sólo el personal cualificado tiene acceso al cuadro.
• Marcados y características: 10 kA.
• Y se definen dos prestaciones:
  • Icu:cortocircuito que puede interrumpir 2 veces : O – t – CO
  • Ics: cortocircuito que puede interrumpir 3 veces : O – t – CO – t – CO
• Después de esta segunda interrupción el interruptor puede haber perdido alguna de sus prestaciones.

• Selección protección motor (guardamotor):

En el ejemplo, Icp=55kA. Para un motor de 15 kW podría ser la protección 3RV2021-4NA10, que tiene las siguientes características: Icu= 55kA.

• Selección de una protección F+N para una alimentación auxiliar de 10A:

En el ejemplo tenemos que Ikmínima=16,8 kA. Necesitamos una protección con poder de corte superior. Elegimos la norma industrial Icu.

Y el interruptor, 5SY4510-7 con Icu=20 kA.

5. Ejes de actuación

• Determinar Ikmax de acuerdo con el cliente. O especificarla si no tenemos la información por parte cliente final.
• Determinar Ipk, acordado con el cliente. O especificarlo:
  • Para el diseño de embarrados, repartidores.
  • Calcular la corriente de pico limitada por el interruptor general.
• Listar las máximas resistencias a los cortocircuitos de los equipos del cuadro:
  • Icu para los Magnetotérmicos.
  • Ipk embarrados.
  • Icc para el cuadro.

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