Selección del interruptor automático según la potencia de carga, sección del cable y corriente: principios y fórmulas para los cálculos

Para organizar un suministro eléctrico doméstico que funcione sin fallos, es necesario separar ramas individuales. Cada línea debe estar equipada con su propio dispositivo de protección que proteja el aislamiento del cable contra la fusión. Sin embargo, no todos saben qué dispositivo comprar. ¿Está de acuerdo?

Todo sobre la selección de interruptores automáticos según la potencia de carga lo aprenderá en el artículo que le presentamos. Le explicaremos cómo determinar el valor nominal para encontrar el interruptor de la clase necesaria. La consideración de nuestras recomendaciones garantiza la compra de los dispositivos requeridos, capaces de evitar situaciones peligrosas durante la operación del cableado.

Interruptores automáticos para redes domésticas

Las organizaciones de suministro eléctrico realizan la conexión de casas y apartamentos, llevando a cabo trabajos de tendido del cable hasta el cuadro de distribución. Todas las actividades de instalación del cableado en el interior son realizadas por los propietarios o por especialistas contratados.

Para seleccionar un interruptor automático para proteger cada circuito individual, es necesario conocer su valor nominal, clase y algunas otras características.

Parámetros principales y clasificación

Los interruptores automáticos domésticos se instalan en la entrada del circuito eléctrico de baja tensión y están diseñados para resolver las siguientes tareas:

• Encendido o apagado manual o electrónico del circuito eléctrico;
• Protección del circuito: desconexión de la corriente en caso de sobrecarga leve prolongada;
• Protección del circuito: desconexión instantánea de la corriente en caso de cortocircuito.

Cada interruptor tiene una característica expresada en amperios, que se denomina corriente nominal (I_n) o “nominal”.

La esencia de este valor es más fácil de entender utilizando el coeficiente de exceso del valor nominal:

K = I / I_n,

donde I es la intensidad de corriente real.

• K < 1.13: la desconexión (disparo) no ocurrirá en 1 hora;
• K > 1.45: la desconexión ocurrirá en 1 hora.

Estos parámetros están fijados en el punto 8.6.2 de la norma GOST R 50345-2010. Para saber en qué tiempo ocurrirá la desconexión cuando K>1.45, es necesario utilizar la gráfica que refleja la característica tiempo-corriente del modelo específico del interruptor automático.

Cuando la corriente excede el doble del valor nominal del interruptor de manera prolongada, la desconexión ocurrirá en un período de entre 8 segundos y 4 minutos. La velocidad de activación depende del ajuste del modelo y de la temperatura ambiente.

Además, para cada tipo de interruptor automático se define un rango de corriente (I_a) en el que actúa el mecanismo de disparo instantáneo:

• clase “B”: I_a = (3 * I_n .. 5 * I_n];
• clase “C”: I_a = (5 * I_n .. 10 * I_n];
• clase “D”: I_a = (10 * I_n .. 20 * I_n];

Los dispositivos de tipo “B” se utilizan principalmente para líneas de gran longitud. En viviendas y oficinas se emplean disyuntores de clase “C”, y los aparatos con la designación “D” protegen circuitos donde hay equipos con un alto coeficiente de corriente de arranque.

La gama estándar de disyuntores domésticos incluye dispositivos con valores nominales de 6, 8, 10, 16, 20, 25, 32, 40, 50 y 63 A.

Estructura de los disparadores

En el interruptor automático moderno existen dos tipos de disparadores: térmico y electromagnético.

El disparador bimetálico tiene forma de placa compuesta por dos metales conductores con diferente dilatación térmica. Esta estructura, ante una sobrecarga prolongada por encima del valor nominal, provoca el calentamiento de la pieza, su curvatura y la activación del mecanismo de apertura del circuito.

En algunos disyuntores, mediante un tornillo de ajuste se pueden modificar los parámetros de corriente a los que se produce la desconexión. Antiguamente, este procedimiento se usaba a menudo para un ajuste “preciso” del dispositivo, pero requiere conocimientos especializados profundos y la realización de varias pruebas.

Girando el tornillo de ajuste (resaltado con un rectángulo rojo) en sentido antihorario se puede conseguir un mayor tiempo de disparo del disparador térmico.

Hoy en día, en el mercado se pueden encontrar muchos modelos de valores nominales estándar de diferentes fabricantes, cuyas características tiempo-corriente difieren ligeramente (pero cumplen con los requisitos normativos). Por lo tanto, es posible seleccionar un disyuntor con los ajustes “de fábrica” adecuados, lo que elimina el riesgo de una calibración incorrecta.

El disparador electromagnético evita el sobrecalentamiento de la línea debido a un cortocircuito. Reacciona casi instantáneamente, pero el valor de la corriente debe superar varias veces el valor nominal. Estructuralmente, esta pieza es un solenoide. La sobrecorriente genera un campo magnético que desplaza el núcleo, abriendo el circuito.

Cumplimiento de los principios de selectividad

En presencia de un circuito eléctrico ramificado, se puede organizar la protección de modo que, en caso de cortocircuito, solo se desconecte la rama donde se produjo la situación de emergencia. Para ello se aplica el principio de selectividad de los interruptores.

Diagrama ilustrativo que muestra el principio de funcionamiento del sistema de interruptores automáticos con función de selectividad implementada ante un cortocircuito.

Para garantizar una desconexión selectiva en los escalones inferiores, se instalan interruptores automáticos con disparo instantáneo, que abren el circuito en 0.02 – 0.2 segundos. El interruptor ubicado en el escalón superior tiene un retardo de disparo de 0.25 – 0.6 s o está diseñado según un esquema especial “selectivo” de acuerdo con la norma DIN VDE 0641-21.

Para garantizar el funcionamiento selectivo de los interruptores automáticos, es mejor utilizar interruptores automáticos del mismo fabricante. Para los interruptores de una misma serie de modelos, existen tablas de selectividad que indican las combinaciones posibles.

Reglas básicas de instalación

El tramo del circuito que debe protegerse con un interruptor puede ser monofásico o trifásico, tener neutro, así como un conductor PE (“tierra”). Por lo tanto, los interruptores automáticos tienen de 1 a 4 polos, a los que se conecta el conductor de corriente. Cuando se dan las condiciones para el disparo, se produce la desconexión simultánea de todos los contactos.

Los interruptores automáticos en el cuadro se fijan en un riel DIN especialmente destinado para ello. Este riel garantiza la compacidad y seguridad de la conexión, así como un acceso cómodo al interruptor.

Los interruptores automáticos se instalan de la siguiente manera:

• unipolares en la fase;
• bipolares en la fase y el neutro;
• tripolares en las 3 fases;
• tetrapolares en las 3 fases y el neutro.

Al mismo tiempo, está prohibido hacer lo siguiente:

• instalar interruptores unipolares en el neutro;
• introducir el conductor PE en el interruptor;
• instalar tres interruptores unipolares en lugar de un interruptor tripolar si al menos un consumidor trifásico está conectado al circuito.

Todos estos requisitos están estipulados en el PUE y deben cumplirse.

En cada casa o local al que se suministra electricidad, se instala un interruptor automático de entrada. Su valor nominal lo determina el proveedor y este valor está especificado en el contrato de conexión eléctrica. La finalidad de dicho interruptor es proteger el tramo desde el transformador hasta el consumidor.

Después del interruptor automático de entrada, se conecta a la línea un contador (monofásico o trifásico) y un dispositivo de protección diferencial, cuyas funciones difieren de las del interruptor automático y del interruptor diferencial.

Si en la habitación se ha realizado un cableado para varios circuitos, cada uno de ellos se protege con un interruptor automático independiente, cuya potencia está indicada en el marcado. Sus valores nominales y clases son determinados por el propietario del local, teniendo en cuenta el cableado existente o la potencia de los equipos conectados.

El contador de energía eléctrica y los interruptores automáticos se instalan en el cuadro de distribución, que cumple con todos los requisitos de seguridad y puede integrarse fácilmente en el interior del local.

Al elegir un lugar para instalar el cuadro de distribución, es necesario recordar que la temperatura ambiente afecta las propiedades del disparador térmico. Por lo tanto, es recomendable ubicar el carril con los interruptores automáticos dentro del propio local.

Cálculo del valor nominal necesario

La función de protección principal del interruptor automático se aplica al cableado, por lo que la selección del valor nominal se realiza según la sección del cable. Al mismo tiempo, todo el circuito debe garantizar el funcionamiento normal de los dispositivos conectados a él. El cálculo de los parámetros del sistema no es complicado, pero hay que tener en cuenta muchos matices para evitar errores y la aparición de problemas.

Determinación de la potencia total de los consumidores

Uno de los principales parámetros del circuito eléctrico es la potencia máxima posible de los consumidores de electricidad conectados a él. Al calcular este indicador, no se pueden simplemente sumar los datos de placa de los dispositivos.

Componente activa y componente nominal

Para cualquier dispositivo que funcione con electricidad, el fabricante está obligado a indicar la potencia activa (P). Esta magnitud determina la cantidad de energía que se convertirá irreversiblemente como resultado del funcionamiento del aparato y por la cual el usuario pagará según el contador.

Pero para los dispositivos que tienen condensadores o bobinas de inducción, existe otra potencia con un valor distinto de cero, que se denomina reactiva (Q). Llega al dispositivo y prácticamente regresa instantáneamente.

La componente reactiva no participa en el cálculo de la energía eléctrica utilizada, pero junto con la activa forma la denominada potencia “total” o “nominal” (S), que proporciona la carga al circuito.

cos(f) – un parámetro que permite determinar la potencia total (nominal) a partir de la potencia activa (consumida). Si no es igual a la unidad, se indica en la documentación técnica del aparato eléctrico.

Para calcular la contribución de un dispositivo individual a la carga total sobre los conductores y el interruptor automático, es necesario hacerlo según su potencia total: S = P / cos(f).

Corrientes de arranque elevadas

Otra característica de algunos tipos de electrodomésticos es la presencia de transformadores, motores eléctricos o compresores. Estos dispositivos, al iniciar su funcionamiento, consumen una corriente de arranque (inicial).

Su valor puede exceder varias veces los estándares, pero el tiempo de funcionamiento a alta potencia es corto y suele ser de 0,1 a 3 segundos. Este aumento breve no provocará la activación del disparador térmico, pero el componente electromagnético del interruptor, responsable de la sobrecorriente por cortocircuito, podría reaccionar.

Esta situación es especialmente relevante para las líneas dedicadas a las que se conectan equipos como máquinas para trabajar la madera. En este caso, es necesario calcular el amperaje y, posiblemente, tenga sentido utilizar un interruptor automático de clase “D”.

Consideración del coeficiente de demanda

Para los circuitos a los que está conectada una gran cantidad de equipos y no hay un dispositivo que consuma la mayor parte de la corriente, se utiliza el coeficiente de demanda (ks). El sentido de su aplicación es que todos los aparatos no funcionarán al mismo tiempo, por lo que la suma de las potencias nominales daría un valor demasiado alto.

El coeficiente de demanda para grupos de consumidores eléctricos está establecido en el p. 7 de SP 256.1325800.2016. Estos valores pueden servir de referencia también en el cálculo independiente de la potencia máxima.

Este coeficiente puede tomar un valor igual o menor que uno. El cálculo de la potencia estimada (P_r) de cada aparato se realiza mediante la fórmula:

P_r = ks * S

La potencia estimada total de todos los aparatos se utiliza para calcular los parámetros del circuito. El uso del coeficiente de demanda es adecuado para oficinas y pequeños locales comerciales con un gran número de computadoras, equipos de oficina y otros aparatos alimentados desde un mismo circuito.

Para líneas con un número reducido de consumidores, este coeficiente no se aplica en su forma pura. Del cálculo de potencia se excluyen aquellos dispositivos cuya activación simultánea con aparatos de mayor consumo energético es poco probable.

Así, por ejemplo, hay pocas posibilidades de que funcionen al mismo tiempo en una sala de estar la plancha y la aspiradora. Y para talleres con poco personal, solo se consideran en el cálculo 2-4 de las herramientas eléctricas más potentes.

Cálculo de la intensidad de corriente

La selección del interruptor automático se realiza según el valor máximo de intensidad de corriente permitido en el tramo del circuito. Es necesario obtener este indicador conociendo la potencia total de los consumidores eléctricos y la tensión de la red.

Según GOST 29322-2014, desde octubre de 2015, el valor de la tensión debe ser de 230 V para una red normal y de 400 V para una trifásica. Sin embargo, en la mayoría de los casos, todavía están vigentes los parámetros antiguos: 220 y 380 V respectivamente. Por lo tanto, para la precisión de los cálculos, es necesario realizar mediciones con un voltímetro.

Se puede medir el voltaje en la red doméstica con un voltímetro o un multímetro. Para ello, basta con insertar sus contactos en un enchufe.

Otro problema, especialmente relevante para la instalación eléctrica en el sector privado, es el suministro eléctrico con tensión insuficiente. Las mediciones en dichos objetos problemáticos pueden mostrar valores fuera del rango especificado por la norma GOST.

Además, dependiendo del nivel de consumo de electricidad de los vecinos, el valor del voltaje puede variar mucho en un corto período de tiempo.

Esto crea un problema no solo para el funcionamiento de los aparatos, sino también para el cálculo de la intensidad de corriente. Cuando la tensión cae, algunos dispositivos simplemente pierden potencia, mientras que otros, que tienen un estabilizador de entrada, aumentan el consumo de electricidad.

Realizar cálculos de calidad de los parámetros necesarios del circuito en tales condiciones es difícil. Por lo tanto, o bien habrá que tender cables con una sección deliberadamente mayor (lo cual es costoso), o bien resolver el problema mediante la instalación de un estabilizador de entrada o conectando la casa a otra línea.

El estabilizador se instala cerca del cuadro de distribución. A menudo, esta es la única forma de obtener valores de voltaje normativos en la casa.

Una vez que se ha encontrado la potencia total de los aparatos eléctricos (S) y se ha determinado el valor del voltaje (U), el cálculo de la intensidad de corriente (I) se realiza mediante las fórmulas que son consecuencia de la ley de Ohm:

I_f = S / U_f  para una red monofásica

I_l = S / (1.73 * U_l) para una red trifásica

Aquí, el índice “f” significa parámetros de fase, y “l” significa parámetros de línea.

La mayoría de los dispositivos trifásicos utilizan el tipo de conexión “estrella”, y también es según este esquema que funciona el transformador que suministra corriente al consumidor. Con una carga simétrica, la intensidad de línea y de fase serán idénticas (I_l = I_f), y el voltaje se calcula mediante la fórmula:

U_l = 1.73 * U_f

Matices en la selección de la sección del cable

La calidad y los parámetros de los alambres y cables están regulados por GOST 31996-2012. Según este documento, se elaboran especificaciones técnicas para los productos fabricados, donde se permite un cierto rango de valores de las características básicas. El fabricante está obligado a proporcionar una tabla de correspondencia entre la sección de los conductores y la intensidad de corriente máxima segura.

La intensidad de corriente máxima admisible depende de la sección de los conductores de los cables y del método de instalación. Estos pueden ser tendidos de forma oculta (en la pared) o de forma visible (en un tubo o conducto).

Es necesario seleccionar el cable de manera que garantice un flujo seguro de corriente correspondiente a la potencia total calculada de los electrodomésticos. Según el PUE (Reglamento de Instalaciones Eléctricas), la sección transversal calculada mínima de los conductores utilizados en locales residenciales debe ser de al menos 1,5 mm².

Los tamaños estándar tienen los siguientes valores: 1,5; 2,5; 4; 6 y 10 mm².

A veces tiene sentido utilizar cables con una sección transversal un paso mayor que la mínima permitida. En este caso, existe la posibilidad de conectar dispositivos adicionales o reemplazar los existentes por otros más potentes sin costosos y prolongados trabajos de instalación de nuevos cables.

Cálculo de los parámetros del interruptor automático

Para cualquier circuito debe cumplirse la siguiente desigualdad:

I_n <= I_p / 1.45

Aquí I_n es la corriente nominal del interruptor automático, y I_p es la corriente admisible para el cableado. Esta regla garantiza la desconexión asegurada ante una superación prolongada de la carga admisible.

La desigualdad “In <= Ip / 1.45” es la condición principal al emparejar el “interruptor automático – cable”. Despreciar esta regla puede provocar un incendio en el cableado.

Se puede calcular el valor nominal del interruptor automático tanto por la carga total como por la sección de los conductores del cableado ya instalado. Supongamos que existe un esquema de conexión de aparatos eléctricos, pero el cableado aún no está instalado.

En este caso, la secuencia de acciones es la siguiente:

1. Cálculo de la corriente total de los aparatos eléctricos conectados a la red.
2. Selección de un interruptor automático con un valor nominal no menor que el valor calculado.
3. Selección de la sección del cable según el valor nominal del interruptor automático.

Ejemplo:

1. S = 4 kW; I = 4000 / 220 = 18 A;
2. I_n = 20 A;
3. I_p >= I_n * 1.45 = 29 A; D = 4 mm².

Si el cableado ya está instalado, la secuencia de acciones es otra:

1. Determinación de la corriente admisible con una sección y método de instalación conocidos según la tabla proporcionada por el fabricante.
2. Selección del interruptor automático.
3. Cálculo de la potencia de los dispositivos a conectar. Agrupación de los aparatos de manera que la carga total en el circuito sea menor que el valor nominal.

Ejemplo. Supongamos que se han instalado dos cables unipolares de forma abierta, D = 6 mm², entonces:

1. I_p = 46 A;
2. I_n <= I_p / 1.45 = 32 A;
3. S = I_n * 220 = 7.0 kW.

En el punto 2 del último ejemplo hay una aproximación admisible insignificante. El valor exacto I_n = I_p / 1.45 = 31.7 A se redondeó al valor 32 A.

Selección entre varios valores nominales

A veces surge una situación en la que se pueden elegir varios interruptores automáticos con diferentes valores nominales para proteger un circuito. Por ejemplo, con una potencia total de aparatos eléctricos de 4 kW (18 A), se eligió con margen un cableado con sección de conductores de cobre de 4 mm². Para tal combinación se pueden instalar interruptores de 20 y 25 A.

Si el esquema de cableado eléctrico contempla una protección de múltiples niveles, entonces debe seleccionar los interruptores automáticos de manera que el valor nominal del superior (en la figura, el de la derecha – 25 A) sea mayor que el de los disyuntores de niveles inferiores.

La ventaja de elegir un interruptor con la mayor clasificación nominal es la posibilidad de conectar dispositivos adicionales sin cambiar los elementos del circuito. Generalmente se procede así.

A favor de la elección de un interruptor automático con una clasificación nominal más baja está el hecho de que su disparador térmico reaccionará más rápidamente a un aumento del nivel de corriente. Esto se debe a que algunos dispositivos pueden presentar una falla que conlleve un aumento en el consumo de energía, pero sin alcanzar el valor de un cortocircuito.

Por ejemplo, una falla en el rodamiento del motor de una lavadora provocará un aumento brusco de la corriente en el devanado. Si el interruptor automático reacciona rápidamente al exceso de los valores permitidos y se desconecta, el motor no se quemará.

Conclusiones y video útil sobre el tema

Estructura del interruptor automático y su clasificación. Concepto de la característica tiempo-corriente y selección del valor nominal según la sección del cable:

Cálculo de la potencia de los dispositivos y selección del interruptor automático utilizando las disposiciones del PUE (Reglamento de Instalaciones Eléctricas):

La selección del interruptor automático debe tomarse con responsabilidad, ya que de ello depende la seguridad del sistema eléctrico de la casa. Con toda la variedad de parámetros de entrada y matices de cálculo, es necesario recordar que la función protectora principal del interruptor se extiende al cableado.

Por favor, escriba comentarios, haga preguntas, publique fotos sobre el tema del artículo en el bloque a continuación. Comparta información útil que pueda ser de interés para los visitantes del sitio. Cuéntenos su propia experiencia en la elección de interruptores automáticos para proteger el cableado de una casa o de campo.