Como proteger contra sobrecorriente alimentadores y ramales eléctricos según NEC/NFPA/NTC2050

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Una protección contra sobrecorriente parece tener una función simple: limitar el flujo de corriente de un circuito a un valor seguro. Incluso los diseñadores eléctricos calculan esta protección a diario.

Sin embargo hay muchos más temas sobre las protecciones de sobrecorriente que se deben aclarar, algunas preguntas son: ¿Cómo se limita el flujo de corriente?, ¿Qué es un valor seguro?, ¿Cómo se protege correctamente un circuito alimentador o un ramal?, ¿Por qué la NEC/NFPA/NTC2050 hablan de tres condiciones (Sobrecarga, falla a tierra y corto circuito) cuando se trata de protecciones de sobrecorriente ?, ¿Por qué se habla de carga continua y no continua?, ¿Cuándo puedo proteger los conductores al 100% y cuando al 125%?, las respuestas a estas y muchas mas inquietudes sobre las protecciones de sobrecorrientes las encontraras en este articulo, teniendo en cuenta el tipo de aplicación, el equipo que se protege y la potencia de la fuente.

Afortunadamente, la NFPA 70: National Electric Code (NEC) y NTC2050 establecen los requisitos para la mayoría de las aplicaciones que los ingenieros y diseñadores eléctricos encuentran en su trabajo. Aunque a primera vista los requisitos de NEC/NFPA/NTC2050 pueden no parecer sencillos, hay un razonamiento sólido detrás de las reglas del código en cuanto a la protección contra sobrecorriente.

La protección contra sobrecorriente (OCPD “overcurrent protection device”, por sus siglas en ingles) protegen un circuito de daños debido a una condición de sobrecorriente (Las condiciones de sobrecorriente son: sobrecarga, falla a tierra y corto circuito).

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Tipos de condiciones de sobrecorriente a considerar en aplicaciones típicas según NEC/NFPA70/NTC2050

Sobrecarga

La NEC/NFPA70/NTC2050 define la sobrecarga como el “funcionamiento de un equipo por encima de su capacidad nominal a plena carga, o de un conductor por encima de su capacidad de corriente (ampacity) nominal que, cuando persiste durante un tiempo suficientemente largo, podría causar daños o un calentamiento peligroso”.

Una falla, como un cortocircuito o una falla a tierra, no es una sobrecarga.

Las condiciones de sobrecarga generalmente no son tan críticas en el tiempo como los cortocircuitos y las fallas a tierra. El equipo eléctrico generalmente puede soportar cierto nivel de corriente de carga por encima de su capacidad durante un período de tiempo corto. La información sobre la capacidad de sobrecarga del equipo a menudo proviene del fabricante. Sin embargo, algunos equipos (motores, transformadores y conductores, por ejemplo) tienen requisitos de protección contra sobrecargas establecidos por el NEC.

Cortocircuito

Un cortocircuito se define como un flujo de corriente por un camino diferente a la ruta de corriente debida. En un circuito trifásico, son posibles dos tipos de cortocircuitos: fallas trifásicas simétricas y fallas monofásicas asimétricas (Figura 1).

Tipos de cortocircuito trifasico
Figura 1. Tipos de cortocircuito trifasico

Las fallas simétricas dan como resultado el mismo flujo de corriente en cada fase durante la condición de falla. Las fallas asimétricas tienen diferentes corrientes de falla en cada fase.

Las fallas trifásicas simétricas rara vez ocurren, pero su análisis es útil para comprender la respuesta de un sistema a una falla y generalmente da como resultado los niveles de falla en el peor de los casos. Las fallas asimétricas son más comunes y generalmente resultan en menos corriente de falla que una falla trifásica simétrica.

Falla a tierra

Una falla a tierra es un tipo específico de cortocircuito que involucra al menos a uno de los conductores de fase que se encuentra con un conductor o superficie conectada tierra. Las fallas a tierra incluyen una sola falla de línea a tierra y fases múltiples de línea a tierra (Figura 1).

La falla de línea única a tierra es el tipo de falla más común.

Los diferentes tipos de fallas se muestran en la Figura 1 para ilustrar el concepto de protección contra sobrecorriente.

¿Qué sucede en un circuito, conductores y protección durante una sobrecarga o una condición de falla?

La Figura 2 muestra un circuito monofásico simple que opera en una configuración normal. En este caso, la corriente en la carga es de 10 amperios (Corriente en la resistencia de 12Ohm). El circuito está protegido por un disyuntor o breaker de 15 amperios. El disyuntor o breaker no se abre porque la corriente que pasa por el, esta por debajo de su corriente de operación; la corriente de carga fluye y los conductores no se sobrecalientan (Funcionamiento Normal).

Circuito en funcionamiento normal
Figura 2. Circuito en funcionamiento normal (R=12 (resistencias de carga (Load))+0.01 (Resistencia fuente)+0.001 (Resistencia ruta tramo cable No1 del breaker)+0.001 (Resistencia ruta tramo cable No2 retorno a fuente). E=Voltaje monofásico=120V. I=E/R.

Condición de sobrecarga (Figura 3)

En el circuito sobrecargado, la corriente de carga es de casi 20 amperios. El disyuntor o breaker permitirá que la condición de sobrecarga continúe durante aproximadamente 2,5 minutos antes de abrir el circuito (Este valor de tiempo dependerá de la curva tiempo-corriente del breaker, a menor corriente de sobrecarga mayor tiempo de operación). Los conductores comenzarán a calentarse, pero no se dañarán, porque la protección actuara antes de permitir el daño.

Circuito en condicion de sobrecarga
Figura 3. Circuito en condición de sobrecarga. (R=6 (resistencias en paralelo=12×12/(12+12))+0.01 (Resistencia fuente)+0.001 (Resistencia ruta tramo cable No1 del breaker)+0.001 (Resistencia ruta tramo cable No2 retorno a fuente). E=Voltaje monofásico=120V. I=E/R.

Condición de cortocircuito (Figura 4)

La corriente de falla es de aproximadamente 10,000 amperios. El disyuntor o breaker permitirá que la corriente de cortocircuito fluya solo durante un breve período de tiempo (Mucho menor que el tiempo para operar por sobrecarga, recordar que a mayor corriente menor tiempo de operación).

Si la corriente de falla persiste, el aislamiento se derretirá y los conductores mismos se dañarán por ello en esta condición el breaker deberá operar en cuestión de milisegundos (Entre 200 y 800 milisegundos, depende del tipo de curva del breaker).

Circuito en condición de cortocircuito
Figura 4. Circuito en condición de cortocircuito (R=0.0 (resistencia de la ruta a tierra que es cero debido a que es el contacto de dos cables)+0.01 (Resistencia fuente)+0.001 (Resistencia ruta tramo cable No1 del breaker)+0.001 (Resistencia ruta tramo cable No2 retorno a fuente). E=Voltaje monofásico=120V. I=E/R.

Condición de falla a tierra (Figura 5)

En este ejemplo, la ruta de falla a tierra agrega aproximadamente 0.012 ohmios de resistencia en paralelo con la resistencia de carga (12Ohm), lo que resulta en una resistencia del circuito mucho menor.

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