Como calcular la caída de voltaje/tensión de un circuito eléctrico según la NEC/NFPA70/NTC2050 (National Electrical Code®)

El propósito del NEC/NFPA70/NTC2050 es la protección de las personas y la propiedad de los peligros derivados del uso de la electricidad.

El NEC/NFPA70/NTC2050 generalmente no considera que la caída de tensión/voltaje sea un problema de seguridad.

Como resultado, el NEC/NFPA70/NTC2050 contiene seis recomendaciones (notas en letra pequeña) para que los conductores de los circuitos tengan un tamaño lo suficientemente grande como para que se pueda proporcionar una eficiencia razonable en la operación del equipo.

Además, el NEC/NFPA70/NTC2050 tiene cinco reglas que requieren que los conductores se dimensionen para adaptarse a la caída de tensión de los conductores del circuito.

Las notas de letra pequeña en el NEC/NFPA70/NTC2050 son solo para fines informativos y la autoridad de inspección no puede hacerlas cumplir [90-5 (c)]. Sin embargo, la Sección 110-3 (b) requiere que el equipo se instale de acuerdo con las instrucciones del fabricante. Por lo tanto, el equipo eléctrico debe instalarse de manera que funcione dentro del voltaje nominal especificado por el fabricante.

Debido a la caída de tensión/Voltaje en los conductores de los circuitos, el voltaje de funcionamiento en el equipo eléctrico será menor que el voltaje de salida de la fuente de alimentación.

Las cargas inductivas (es decir, motores, balastos, etc.) que operan a un voltaje por debajo de lo especificado en la placa pueden sobrecalentarse, lo que reduce la vida útil del equipo y aumenta el costo de mantenimiento, lo cual se traduce en molestias para el cliente.

El bajo voltaje para equipos electrónicos sensibles como computadoras, impresoras láser, fotocopiadoras, etc., puede hacer que el equipo se bloquee o se apague repentinamente, lo que resultará en la pérdida de datos, aumento de costos y posible falla del equipo.

Las cargas resistivas (calentadores, iluminación incandescente) que operan a bajo voltaje simplemente no proporcionarán la salida de calor o iluminación nominal esperada.

La caída de tensión/voltaje en los conductores puede hacer que la iluminación parpadee cuando se encienden otros electrodomésticos grandes en comparación con la luminaria, o sistemas de calefacción y refrigeración. Aunque esto puede resultar molesto para algunos, no es peligroso y no viola el NEC/NFPA70/NTC2050.

Como calcular la caída de tensión de un circuito o cable eléctrico

Cuando los conductores del circuito ya se han instalado, la caída de voltaje de los conductores se puede determinar mediante los siguientes métodos: la ley de Ohm, las fórmulas de caída de tensión o una calculadora de caída de tensión.

Método de la ley de Ohm: Solo aplica a casos monofásicos

La caída de voltaje de los conductores del circuito se puede determinar multiplicando la corriente del circuito por la resistencia total de los conductores:

Caída de Voltaje= I x R.

Donde:

«I»: Es igual a la carga en amperios.

«R»: Es igual a la resistencia del conductor como se indica en el Capítulo 9, Tabla 8 para circuitos de corriente continua, o en el Capítulo 9, Tabla 9 para circuitos de corriente alterna. El método de la ley de Ohm no se puede utilizar para circuitos trifásicos.

Notas de la tabla 8 del capitulo 9:

1. Estos valores de resistencia son válidos solamente para los parámetros indicados. Al usar conductores con hilos recubiertos, de distinto tipo de trenzado y especialmente a otras temperaturas, cambia la resistencia.
2. Ecuación para el cambio de temperatura: R2 = R1 [1 + α (T2 − 75)] donde αcu = 0.00323, αAL = 0.00330 at 75 °C.
3. Los conductores con trenzado compacto o comprimido tienen aproximadamente un 9 % y un 3 %, respectivamente, menos de diámetro del conductor desnudo que los conductores mostrados. Para las dimensiones reales de los cables compactos, Ver la Tabla 5A.
4. Las conductividades usadas, según la IACS: cobre desnudo = 100 %, aluminio = 61 %.
5. El trenzado de Clase B está listado también como sólido para algunos calibres. Su área y diámetro total son los de la circunferencia circunscrita.

Notas de la tabla 9 del capitulo 9:

1. Estos valores se basan en las siguientes constantes: alambres del tipo RHH del UL con trenzado de Clase B, en configuración acunada. La conductividad de los alambres es del 100 % IACS para cobre y del 61 % IACS para aluminio; la del tubo (conduit) de aluminio es del 45 % IACS. No se tiene en cuenta la reactancia capacitiva, que es insignificante a estas tensiones. Estos valores de resistencia sólo son válidos a 75° C y para los parámetros dados, pero son representativos para los tipos de alambres para 600 V que operen a 60 Hz.
2. Z Eficaz es definido como R cos(θ) + X sin(θ), donde θ es el ángulo del factor de potencia del circuito. Al multiplicar la corriente por la impedancia eficaz se obtiene una buena aproximación de la caída de tensión de línea a neutro. Los valores de impedancia eficaz de esta tabla sólo son válidos con un factor de potencia de 0,85. Para cualquier otro factor de potencia (PF), del circuito, la impedancia eficaz (Ze) se puede calcular a partir de los valores de R y XL dados en esta tabla, como sigue: Ze = R × PF + XL sen[arccos(PF)].

Ejemplo de calculo de regulación (Caída de tensión) con el método de la ley de Ohm

Ejemplo con voltaje de 120V: ¿Cuál es la regulación o caída de voltaje de dos conductores No. 12 que suministran potencia a una carga de 120 voltios y 17 amperios que se encuentra a 100 pies (30m) de la fuente de alimentación?.

1. Utilizar la formula: Caída de voltaje = I x R, donde:

«I» es igual a 17 amperios

“R” es igual a 0.4 ohmios (Capítulo 9, Tabla 9: (6.6 ohmios/1,000 m) x 60m (Distancia total de los dos conductores))

2. Reemplazando en la formula: Caída de voltaje = 17 amperios x 0,4 ohmios = 6,8 Voltios

3. Pasando el valor a porcentaje: 6,8 voltios/120 voltios = 0.0566×100%=caída de 5,6% voltios.

4. Voltaje de funcionamiento: 120 voltios – 6,8 voltios = 113.2 voltios

La caída de voltaje del 5,6% para el circuito ramal anterior excede las recomendaciones del NEC/NFPA70/NTC2050 del 3%, pero no viola el NEC/NFPA70/NTC2050 a menos que la carga de 17 amperios tenga un voltaje de placa exigido mayor de 113.6 voltios [110-3 (b)].

Ejemplo monofásico de 240 voltios: ¿Cuál es el voltaje de operación de una carga monofásica de 44 amperios, 240 voltios ubicada a 160 pies (49m) del tablero, si está cableada con conductores No. 6?

1. Utilizar la formula: Caída de voltaje = I x R, donde:

«I» es igual a 44 amperios

«R» es igual a 0,157 ohmios (Capítulo 9, Tabla 9: (1.61 ohmios / 1000 m) x 98 m(Distancia total de los dos conductores))

2. Reemplazando en la formula: Caída de voltaje = 44 amperios x 0,157 ohmios = 6.9Voltios.

3. Pasando el valor a porcentaje: Caída de voltaje = 6,9 voltios, (6,9 voltios / 240 voltios = caída de 2,9% voltios)

4. Voltaje de funcionamiento = 240 voltios – 6,9 voltios = 233,1 voltios

Método de caída de tensión con formulas

Cuando los conductores del circuito ya han sido instalados, la caída de voltaje de los conductores se puede determinar usando una de las siguientes fórmulas:

• VD = (2 x K x Q x I x D )/ CM – Monofásico
• VD = 1.732 x K x Q x I x D / CM – Trifásico

Donde:

“VD” = Voltage Drop: Caída de voltaje de los conductores del circuito expresada en voltios.

“K” = Constante de corriente continua: Es una constante que representa la resistencia de corriente continua para un conductor que tiene mil metros de largo, a una temperatura de operación de 75º C. El valor constante de corriente continua que se utilizará para el cobre es de 12,9 ohmios y se utiliza 21,2 ohmios para los conductores de aluminio. La constante “K” es adecuada para circuitos de corriente alterna, donde los conductores no exceden el No. 1/0.

“Q” = Factor de ajuste de corriente alterna: Los circuitos de corriente alterna No. 2/0 y mayores deben ajustarse para los efectos de la autoinducción (efecto piel). El factor de ajuste «Q» se determina dividiendo la resistencia de corriente alterna como se indica en el Capítulo 9, Tabla 9 del NEC/NFPA70/NTC2050, por la resistencia de corriente continua como se indica en el Capítulo 9, Tabla 8.

“I” = Amperios: La carga en amperios al 100 por ciento, no al 125 por ciento para motores o cargas continuas.

“D” = Distancia: La distancia a la que se encuentra la carga desde la fuente de alimentación, no la longitud total de los conductores del circuito, en pies.

“CM” = Circular-Mils: Las mils circulares del conductor del circuito como se enumera en el Capítulo 9, Tabla 8.

Ejemplo de calculo de caída de tensión para un circuito monofásico con el método de las formulas

Ejemplo monofásico: ¿Cuál es la caída de voltaje para un conductor No. 6 que suministra potencia a una carga monofásica de 44 amperios y 240 voltios ubicada a 160 pies del tablero?

1. Utilizar la formula para circuito monofásico: VD = (2 x K x I x D) / CM, donde:

K = 12,9 ohmios, cobre (Constante para el cobre)

I = 44 amperios

D = 160 pies

CM = No. 6, 26,240 mils circulares, Capítulo 9, Tabla 8

2. Reemplazando los anteriores valores en la formula: VD = 2 cables x 12,9 ohmios x 44 amperios x 160 pies / 26.240 milésimas circulares

3. Pasando el valor a porcentaje: VD = 6,9 voltios, (6,9 voltios / 240 voltios = caída de 2,9% voltios)

Voltaje de funcionamiento = 240 voltios – 6,9 voltios = 233,1 voltios

Ejemplo de calculo de caída de tensión para un circuito trifásico con el método de las formulas

Ejemplo trifásico: Una carga trifásica de 208 voltios y 36 kVA está ubicada a 80 pies del tablero y está cableada con conductores de aluminio No. 1. ¿Cuál es la caída de voltaje de los conductores en el equipo?

1. Utilizar la formula para circuito monofásico: VD = 1,732 x K x I x D / CM, donde:

K = 21,2 ohmios, aluminio (Constante)

I = 100 amperios

D = 80 pies

CM = No. 1, 83,690 mils circulares, Capítulo 9, Tabla 8

2. Reemplazando los anteriores valores en la formula: VD = 1,732 x 21,2 ohmios x 100 amperios x 80 pies / 83,690 milésimas circulares

3. Pasando el valor a porcentaje: VD = 3,5 voltios (3,5 voltios / 208 voltios = 1,7%)

Voltaje de funcionamiento = 208 voltios – 3,5 voltios = 204,5 voltios

Recomendaciones de la NEC/NFPA70/NTC2050 en cuanto a regulación o caída de tensión

El NEC (National Electrical Code®) contiene seis notas en letra pequeña para alertar al usuario del Código que el equipo puede tener una eficiencia de operación mejorada si se tiene en cuenta la caída de voltaje del conductor.

1. Circuitos ramales: Esta nota recomienda que los conductores del circuito ramal tengan un tamaño que evite una caída máxima de voltaje del 3%. La caída de voltaje total máxima para una combinación de circuito ramal y alimentador no debe exceder el 5%. [210-19 (a) Nota No. 4].

2. Alimentadores: Esta nota recomienda que los conductores de los alimentadores tengan un tamaño que evite una caída máxima de voltaje del 3%. La caída de voltaje total máxima para una combinación de circuito ramal y alimentador no debe exceder el 5%. [215-2 (d) Nota No. 2].

Ejemplo: ¿Cuál es el voltaje operativo mínimo recomendado por el NEC/NFPA70/NTC2050 para una carga de 120 voltios que está conectada a una fuente de 120/240 voltios.

(a) 120 voltios (b) 115 voltios (c) 114 voltios (d) 116 voltios

Respuesta: (c) 114 voltios

La caída máxima de voltaje del conductor recomendada tanto para el alimentador como para el circuito derivado es del 5 por ciento de la fuente de voltaje; 120 voltios x 5% = 6 voltios. El voltaje de operación en la carga se determina restando la caída de voltaje del conductor de la fuente de voltaje, 120 voltios – caída de 6 voltios = 114 voltios.

Curiosamente, no hay una caída de voltaje recomendada para los conductores de acometidas, pero esta Nota [230-31 (c)]recuerda al usuario del Código que considere la caída de voltaje de los conductores de acometidas.

3. Ampacidad del conductor: Las ampacidades enumeradas en las Tablas 310-15 no toman en consideración la caída de voltaje .

4. Convertidores de fase: los convertidores de fase tienen su propia recomendación de que la caída de voltaje de la fuente de alimentación al convertidor de fase no debe exceder el 3% [455-6 (a) ].

5. Parques de vehículos recreativos: los vehículos recreativos tienen la recomendación de que la caída máxima de voltaje para los conductores de circuito ramal no exceda el 3% y que la combinación del ramal y el alimentador no exceda el 5% [210-19 (a) FPN No. 4 y 551-73 (d) FPN].

Requisitos del NEC/NFPA70/NTC2050

El NEC (National Electrical Code®) también contiene cinco reglas que requieren que los conductores ramales aumenten de tamaño para adaptarse a la caída de voltaje.

1. Conductores de conexión a tierra: esta regla establece que cuando los conductores de fase aumentan de tamaño para compensar la caída de voltaje, los conductores de conexión a tierra del equipo también deben aumentar de tamaño [250-122 (b)].

Sin embargo, si no se aumenta el tamaño de los conductores del fase para adaptarse a la caída de voltaje, no es necesario que el conductor de conexión a tierra del equipo sea más grande que el que se indica en la Tabla 250-122.

2. Estudios de cine / televisión: el conductor de circuito ramal para sistemas de 60/120 voltios utilizado para reducir el ruido en la producción de audio / video u otros dispositivos electrónicos sensibles similares para estudios de movimiento y televisión no debe exceder el 1.5%, y la caída de voltaje combinada del alimentador y el ramal no deben exceder el 2.5% [530-71 (d)]. Además, la Nota No. 1 de la Sección 530-72 (b) le recuerda al usuario del Código aumentar el tamaño del conductor de conexión a tierra de acuerdo con la Sección 250-122 (b).

3. Bombas contra incendios: el voltaje de funcionamiento en los terminales de un controlador de bomba contra incendios no debe ser inferior al 15% del voltaje nominal del controlador mientras el motor está arrancando (corriente del rotor de bloqueo). Además, la tensión de funcionamiento en los terminales del motor de la bomba contra incendios no debe ser inferior al 5% de la tensión nominal del motor cuando el motor está funcionando al 115 por ciento de su corriente nominal de carga completa [695-7].