Cálculo de la sección transversal del cable por potencia y corriente: cómo calcular correctamente el cableado

¿Estás planeando hacer modernización de la red eléctrica ¿O además extender la línea eléctrica a la cocina para conectar una nueva estufa eléctrica? Aquí será útil un conocimiento mínimo sobre la sección transversal del conductor y el efecto de este parámetro en la potencia y la corriente.

Esté de acuerdo en que el cálculo incorrecto de la sección transversal del cable provoca sobrecalentamiento y cortocircuito o costes injustificados.

Es muy importante realizar cálculos en la etapa de diseño, ya que la falla cableado oculto y el reemplazo posterior está asociado con costos significativos. Le ayudaremos a comprender las complejidades de los cálculos para evitar problemas en el funcionamiento posterior de las redes eléctricas.

Para no sobrecargarlo con cálculos complejos, hemos seleccionado fórmulas y opciones de cálculo claras, presentamos la información en un formato accesible y proporcionamos explicaciones a las fórmulas. También se han agregado al artículo fotografías temáticas y materiales de video, lo que le permite comprender claramente la esencia del tema en consideración.

Cálculo de la sección transversal para la potencia del consumidor.

El objetivo principal de los conductores es entregar energía eléctrica a los consumidores en la cantidad requerida. Dado que los superconductores no están disponibles en condiciones normales de funcionamiento, se debe tener en cuenta la resistencia del material conductor.

Cálculo de la sección requerida. conductores y cables dependiendo de la potencia total de los consumidores se basa en la experiencia operativa a largo plazo.

Comencemos el curso general de cálculos realizando primero cálculos utilizando la fórmula:

P = (P1+P2+..PN)*K*J,

Dónde:

• PAG – la potencia de todos los consumidores conectados a la rama calculada en Watts.
• P1, P2, PN – potencia del primer, segundo y enésimo consumidor, respectivamente, en vatios.

Habiendo recibido el resultado al final de los cálculos utilizando la fórmula anterior, llegó el momento de pasar a los datos tabulares.

Ahora debe seleccionar la sección requerida según la Tabla 1.

Tabla 1. La sección del cable siempre debe seleccionarse al lado mayor más cercano (+)

Etapa #1 - cálculo de potencia reactiva y activa

Las capacidades de los consumidores se indican en los documentos del equipo. Normalmente, las hojas de datos de los equipos indican la potencia activa junto con la potencia reactiva.

Los dispositivos con tipo de carga activa convierten toda la energía eléctrica recibida, teniendo en cuenta la eficiencia, en trabajo útil: mecánico, térmico o de otro tipo.

Los dispositivos con cargas activas incluyen lámparas incandescentes, calentadores y estufas eléctricas.

Para tales dispositivos, el cálculo de la potencia por corriente y voltaje tiene la forma:

P=U*I,

Dónde:

• PAG – potencia en W;
• Ud. – tensión en V;
• I – intensidad actual en A.

Los dispositivos con carga de tipo reactivo pueden acumular energía proveniente de una fuente y luego devolverla. Este intercambio se produce debido al desplazamiento de la sinusoide de corriente y la sinusoide de voltaje.

Con desplazamiento de fase cero, la potencia P=U*I siempre tiene un valor positivo. Los dispositivos con un tipo de carga activo tienen un gráfico de las fases de corriente y voltaje (I, i - corriente, U, u - voltaje, π - pi igual a 3,14)

Los dispositivos con potencia reactiva incluyen motores eléctricos, dispositivos electrónicos de todos los tamaños y propósitos y transformadores.

Cuando hay un cambio de fase entre la sinusoide de corriente y la sinusoide de voltaje, la potencia P=U*I puede ser negativa (I, i - corriente, U, u - voltaje, π - pi igual a 3,14). Un dispositivo de energía reactiva devuelve la energía almacenada a la fuente.

Las redes eléctricas están construidas de tal manera que pueden transferir energía eléctrica en una dirección desde la fuente a la carga.

Por lo tanto, la energía devuelta por un consumidor con carga reactiva es parásita y se desperdicia en calentar los conductores y otros componentes.

La potencia reactiva depende del ángulo de fase entre las sinusoides de tensión y corriente. El ángulo de cambio de fase se expresa mediante cosφ.

Para encontrar la potencia total, use la fórmula:

P = Q / cosφ,

Dónde q – potencia reactiva en VAR.

Normalmente, la hoja de datos del dispositivo indica la potencia reactiva y el cosφ.

Ejemplo: el pasaporte del taladro percutor indica una potencia reactiva de 1200 VAr y cosφ = 0,7.Por tanto, el consumo total de energía será igual a:

P = 1200/0,7 = 1714W

Si no se pudiera encontrar cosφ, para la gran mayoría de electrodomésticos cosφ se puede tomar igual a 0,7.

Etapa #2: búsqueda de simultaneidad y coeficientes de margen

k – coeficiente de simultaneidad adimensional, muestra cuántos consumidores pueden estar conectados a la red al mismo tiempo. Rara vez sucede que todos los dispositivos consuman electricidad al mismo tiempo.

Es poco probable que el televisor y el centro de música funcionen simultáneamente. Según la práctica establecida, K puede considerarse igual a 0,8. Si planea utilizar todos los consumidores simultáneamente, K debe establecerse en 1.

j – factor de seguridad adimensional. Caracteriza la creación de una reserva de marcha para futuros consumidores.

El progreso no se detiene, cada año se inventan nuevos dispositivos eléctricos sorprendentes y útiles. Se espera que el consumo de electricidad crezca un 84% para 2050. Normalmente se considera que J está entre 1,5 y 2,0.

Etapa 3: realizar cálculos utilizando el método geométrico

En todos los cálculos eléctricos, se toma el área de la sección transversal del conductor: la sección transversal del núcleo. Medido en mm².

A menudo es necesario aprender a calcular correctamente. diámetro del cable alambres conductores.

En este caso, existe una fórmula geométrica simple para un alambre redondo monolítico:

S = π*R² = π*D²/4, o viceversa

D = √(4*S / π)

Para conductores rectangulares:

S = h * metro,

Dónde:

• S – área del núcleo en mm²;
• R – radio del núcleo en mm;
• D – diámetro del núcleo en mm;
• h, m – ancho y alto, respectivamente, en mm;
• π — pi es igual a 3,14.

Si compra un cable trenzado en el que un conductor consta de muchos cables retorcidos de sección redonda, el cálculo se realiza de acuerdo con la fórmula:

S = N*D²/1,27,

Dónde norte – número de cables en el núcleo.

Los cables con núcleos trenzados a partir de varios cables generalmente tienen mejor conductividad que los monolíticos. Esto se debe a las peculiaridades del flujo de corriente a través de un conductor con una sección transversal redonda.

La corriente eléctrica es el movimiento de cargas similares a lo largo de un conductor. Las cargas similares se repelen entre sí, por lo que la densidad de distribución de carga se desplaza hacia la superficie del conductor.

Otra ventaja de los cables trenzados es su flexibilidad y resistencia mecánica. Los cables monolíticos son más baratos y se utilizan principalmente para instalaciones estacionarias.

Etapa 4: calcular la sección transversal de potencia en la práctica

Tarea: la potencia total de los consumidores en la cocina es de 5000 W (lo que significa que se ha recalculado la potencia de todos los consumidores reactivos). Todos los consumidores están conectados a una red monofásica de 220 V y se alimentan de una rama.

Tabla 2. Si planea conectar consumidores adicionales en el futuro, la tabla muestra la potencia requerida de los electrodomésticos comunes (+)

Solución:

Tomemos el coeficiente de simultaneidad K igual a 0,8. La cocina es un lugar de constante innovación, nunca se sabe, el factor de seguridad es J=2,0. La potencia total estimada será:

P = 5000*0,8*2 = 8000W = 8kW

Utilizando el valor de la potencia calculada, buscamos el valor más cercano en la Tabla 1.

La sección de núcleo adecuada más cercana para una red monofásica es un conductor de cobre con una sección de 4 mm.². Tamaño de cable similar con núcleo de aluminio de 6 mm².

Para cableado unipolar, el diámetro mínimo será de 2,3 mm y 2,8 mm, respectivamente.En el caso de utilizar una opción de varios núcleos, se suma la sección transversal de los núcleos individuales.

Cálculo de la sección transversal actual.

Los cálculos de la sección transversal de corriente y potencia requerida de cables y alambres proporcionarán resultados más precisos.Dichos cálculos permiten evaluar la influencia general de varios factores en los conductores, incluida la carga térmica, la marca de los cables, el tipo de tendido, las condiciones de funcionamiento, etc.

Todo el cálculo se realiza en los siguientes pasos:

• selección de poder de todos los consumidores;
• cálculo de corrientes que pasan por un conductor;
• selección de una sección transversal adecuada mediante tablas.

Para esta opción de cálculo, se toma la potencia de los consumidores en términos de corriente y voltaje sin tener en cuenta los factores de corrección. Se tendrán en cuenta al sumar la fuerza actual.

Etapa n.° 1: cálculo de la intensidad actual mediante fórmulas

Para aquellos que se han olvidado del curso de física de la escuela, ofrecemos las fórmulas básicas en forma de diagrama gráfico a modo de hoja de trucos visual:

La "Rueda clásica" demuestra claramente la relación de fórmulas y la interdependencia de las características de la corriente eléctrica (I - intensidad de corriente, P - potencia, U - voltaje, R - radio del núcleo)

Anotemos la dependencia de la corriente I de la potencia P y la tensión de línea U:

Yo = P/U_yo,

Dónde:

• I — intensidad de corriente, expresada en amperios;
• PAG — potencia en vatios;
• Ud._yo — tensión de línea en voltios.

El voltaje de línea generalmente depende de la fuente de alimentación, puede ser monofásico o trifásico.

Relación entre tensión lineal y de fase:

1. Ud._yo = U*cosφ en caso de tensión monofásica.
2. Ud._yo = U*√3*cosφ en caso de tensión trifásica.

Para los consumidores eléctricos domésticos, se acepta cosφ=1, por lo que el voltaje lineal se puede reescribir:

1. Ud._yo = 220 voltios para tensión monofásica.
2. Ud._yo = 380 voltios para tensión trifásica.

A continuación, resumimos todas las corrientes consumidas mediante la fórmula:

Yo = (I1+I2+…IN)*K*J,

Dónde:

• I – corriente total en amperios;
• I1..EN – intensidad actual de cada consumidor en amperios;
• k – coeficiente de simultaneidad;
• j - factor de seguridad.

Los coeficientes K y J tienen los mismos valores que los utilizados al calcular la potencia total.

Puede darse el caso de que en una red trifásica fluya una corriente de fuerza desigual a través de diferentes conductores de fase.

Esto sucede cuando los consumidores monofásicos y trifásicos se conectan al mismo tiempo a un cable trifásico. Por ejemplo, se alimentan una máquina trifásica y una iluminación monofásica.

Surge una pregunta natural: ¿cómo se calcula la sección transversal de un cable trenzado en tales casos? La respuesta es simple: los cálculos se realizan en función del núcleo más cargado.

Etapa #2: seleccionar una sección adecuada usando tablas

Las reglas de funcionamiento para instalaciones eléctricas (PEU) contienen una serie de tablas para seleccionar la sección transversal requerida del núcleo del cable.

La conductividad de un conductor depende de la temperatura. Para los conductores metálicos, la resistencia aumenta al aumentar la temperatura.

Cuando se supera un determinado umbral, el proceso se vuelve autosostenible: cuanto mayor es la resistencia, mayor es la temperatura, mayor es la resistencia, etc. hasta que el conductor se queme o provoque un cortocircuito.

Las dos tablas siguientes (3 y 4) muestran la sección transversal de los conductores según las corrientes y el método de instalación.

Tabla 3. Primero, debe elegir el método para tender los cables, esto determina qué tan efectivo es el enfriamiento (+)

Un cable se diferencia de un alambre en que todos los núcleos del cable, equipados con su propio aislamiento, están retorcidos formando un haz y encerrados en una funda aislante común. Más detalles sobre las diferencias y tipos de productos de cable están escritos en este artículo.

Tabla 4. El método abierto está indicado para todos los valores de sección de conductor, sin embargo, en la práctica, las secciones inferiores a 3 mm2 no se colocan de forma abierta por razones de resistencia mecánica (+)

Cuando se utilizan tablas, se aplican los siguientes coeficientes a la corriente continua permitida:

• 0,68 si 5-6 núcleos;
• 0,63 si 7-9 núcleos;
• 0,6 si 10-12 núcleos.

Los factores de reducción se aplican a los valores actuales de la columna "abierta".

Los conductores neutro y de puesta a tierra no están incluidos en el número de conductores.

Según las normas PES, la selección de la sección transversal del conductor neutro en función de la corriente continua admisible se realiza como mínimo en un 50% de la del conductor de fase.

Las siguientes dos tablas (5 y 6) muestran la dependencia de la corriente continua permitida al colocarlo en el suelo.

Tabla 5. Dependencias de la corriente a largo plazo permitida para cables de cobre cuando se colocan en el aire o en el suelo

La carga actual cuando se coloca abiertamente y cuando se coloca profundamente en el suelo es diferente. Se aceptan como iguales si la colocación en el suelo se realiza mediante bandejas.

Tabla 6. Dependencias de la corriente continua permitida para cables de aluminio cuando se colocan en el aire o en el suelo

Para la instalación de líneas temporales de suministro eléctrico (portadoras, si son de uso privado), se aplica la siguiente tabla (7).

Tabla 7. Corriente continua permitida cuando se utilizan cables de mangueras portátiles, cables de ejes y mangueras portátiles, cables de reflectores y cables portátiles flexibles. Sólo se utilizan conductores de cobre.

A la hora de tender cables en el suelo, además de las propiedades de disipación de calor, es necesario tener en cuenta la resistividad, que queda reflejada en la siguiente tabla (8):

Tabla 8. Factor de corrección según el tipo y resistividad del suelo para la corriente permisible a largo plazo, al calcular la sección del cable (+)

Cálculo y selección de núcleos de cobre hasta 6 mm.² o aluminio hasta 10 mm² se realiza como para corriente continua.

En el caso de secciones grandes, es posible aplicar un factor de reducción:

0,875 * √T_pv

Dónde t_pv — relación entre la duración de la conmutación y la duración del ciclo.

La duración del encendido se considera no superior a 4 minutos. En este caso, el ciclo no debe exceder los 10 minutos.

Al elegir un cable para distribuir electricidad en casa de madera Se presta especial atención a su resistencia al fuego.

Etapa 3: cálculo de la sección transversal actual del conductor usando un ejemplo

Tarea: calcular la sección requerida cable de cobre para conexión:

• máquina para trabajar la madera trifásica con una potencia de 4000 W;
• soldadora trifásica con una potencia de 6000 W;
• electrodomésticos de la casa con una potencia total de 25.000 W;

La conexión se realizará con un cable de cinco conductores (tres conductores fase, uno neutro y uno de tierra), tendido en el suelo.

El aislamiento de cables y alambres se calcula para un voltaje de funcionamiento específico. Se debe tener en cuenta que la tensión de funcionamiento de su producto indicada por el fabricante debe ser superior a la tensión de red.

Solución.

Paso 1. Calculamos la tensión lineal de una conexión trifásica:

Ud._yo = 220 * √3 = 380 V

Paso 2. Los electrodomésticos, una máquina herramienta y una máquina de soldar tienen potencia reactiva, por lo que la potencia de la maquinaria y equipo será:

PAG_aquellos = 25000 / 0,7 = 35700W

PAG_obor = 10000 / 0,7 = 14300W

Paso 3. Corriente necesaria para conectar electrodomésticos:

I_aquellos = 35700 / 220 = 162 A

Etapa 4. Corriente requerida para conectar el equipo:

I_obor = 14300 / 380 = 38A

Paso #5. La corriente necesaria para conectar electrodomésticos se calcula en función de una fase. Según el problema, hay tres fases. Por tanto, la corriente se puede distribuir entre las fases. Por simplicidad, asumimos una distribución uniforme:

I_aquellos = 162 / 3 = 54 A

Paso #6. Corriente por fase:

I_F = 38 + 54 = 92 A

Paso #7. Los equipos y electrodomésticos no funcionarán al mismo tiempo, además, reservaremos una reserva de 1,5. Después de aplicar factores de corrección:

I_F = 92 * 1,5 * 0,8 = 110 A

Paso #8. Aunque el cable contiene 5 núcleos, sólo se tienen en cuenta los núcleos trifásicos. Según la Tabla 8, en la columna Cable tripolar enterrado, encontramos que una corriente de 115 A corresponde a una sección de núcleo de 16 mm.².

Paso #9. Según la Tabla 8, aplicamos un factor de corrección en función de las características del terreno. Para un tipo normal de tierra, el coeficiente es 1.

Paso #10. Opcional, calcular el diámetro del núcleo:

D = √(4*16 / 3,14) = 4,5 mm

Si el cálculo se hiciera únicamente en función de la potencia, sin tener en cuenta las peculiaridades del tendido de cables, entonces la sección transversal del núcleo sería de 25 mm.². Calcular la intensidad de la corriente es más complicado, pero a veces permite ahorrar una cantidad significativa de dinero, especialmente cuando se trata de cables de alimentación multipolares.

Puede leer más sobre la relación entre los valores de voltaje y corriente. aquí.

Cálculo de caída de voltaje

Cualquier conductor, excepto los superconductores, tiene resistencia. Por lo tanto, si el cable o alambre es lo suficientemente largo, se produce una caída de voltaje.

Los estándares PES requieren que la sección transversal del núcleo del cable sea tal que la caída de voltaje no supere el 5%.

Tabla 9. Resistividad de conductores metálicos comunes (+)

Se trata principalmente de cables de baja tensión de pequeña sección.

El cálculo de la caída de tensión es el siguiente:

R = 2*(ρ * L) / S,

Ud._almohadilla = Yo * R,

Ud._% = (U_almohadilla /u_lin) * 100,

Dónde:

• 2 – coeficiente debido al hecho de que la corriente necesariamente fluye a través de dos cables;
• R – resistencia del conductor, ohmios;
• ρ — resistividad del conductor, Ohm*mm²/metro;
• S – sección transversal del conductor, mm²;
• Ud._almohadilla – caída de tensión, V;
• Ud._% - caída de tensión respecto a U_lin,%.

Usando fórmulas, puede realizar de forma independiente los cálculos necesarios.

Ejemplo de cálculo de transporte

Tarea: calcular la caída de tensión para un cable de cobre con una sección transversal de un núcleo de 1,5 mm². El cable es necesario para conectar una máquina de soldar eléctrica monofásica con una potencia total de 7 kW. Longitud del cable 20 m.

Quienes deseen conectar una máquina de soldar doméstica a una rama de la red eléctrica deben tener en cuenta el tamiz de corriente para el que está diseñado el cable utilizado. Es posible que la potencia total de los dispositivos operativos sea mayor. La mejor opción es conectar a los consumidores con sucursales separadas.

Solución:

Paso 1. Calculamos la resistencia del alambre de cobre usando la Tabla 9:

R = 2*(0,0175 * 20) / 1,5 = 0,47 ohmios

Paso 2. Corriente que circula por el conductor:

Yo = 7000 / 220 = 31,8 A

Paso 3. Caída de tensión en el cable:

Ud._almohadilla = 31,8 * 0,47 = 14,95 V

Etapa 4. Calculamos el porcentaje de caída de tensión:

Ud._% = (14,95 / 220) * 100 = 6,8%

Conclusión: para conectar la máquina de soldar se requiere un conductor con una gran sección transversal.

Conclusiones y vídeo útil sobre el tema.

Cálculo de la sección transversal del conductor mediante las fórmulas:

Recomendaciones de especialistas sobre la selección de productos de cables y alambres:

Los cálculos anteriores son válidos para conductores de cobre y aluminio para uso industrial. Para otros tipos de conductores, se calcula previamente la transferencia total de calor.

A partir de estos datos se calcula la corriente máxima que puede circular por el conductor sin provocar un calentamiento excesivo.

Si tiene alguna pregunta sobre el método para calcular la sección transversal del cable o desea compartir su experiencia personal, deje comentarios sobre este artículo.La sección de revisión se encuentra a continuación.