calculadora de protecciones electricas segun NEC rápida

Calculadora rápida de protecciones eléctricas según NEC: guía práctica para dimensionamiento y verificación.

Contenido técnico detallado: fórmulas, tablas, ejemplos resueltos y referencias normativas aplicables.

Resumen técnico y alcance del documento

Documento técnico orientado a ingenieros eléctricos y proyectistas que necesitan una herramienta conceptual y metodológica para calcular protecciones eléctricas conforme al Código Eléctrico Nacional (NEC). Se abordan criterios para selección de interruptores automáticos, fusibles, coordinación, ajustes de disparo y cálculo de corrientes de cortocircuito y arranque.

Se incluyen tablas con valores comunes, formulaciones completas en formato visual accesible, ejemplos prácticos de diseño y referencias a secciones relevantes del NEC y organismos internacionales.

Marco normativo y referencias

La guía se basa en las ediciones vigentes del NEC y normas complementarias: IEEE Std 242, IEEE Std 1584 para cálculo de arcos, IEC 60909 para corrientes de cortocircuito y NFPA 70 en su edición correspondiente. Consulte la normativa local aplicable para adaptaciones.

Enlaces de referencia: National Fire Protection Association (https://www.nfpa.org), IEEE Xplore (https://ieeexplore.ieee.org), NEMA (https://www.nema.org) y ANSI.

Principios básicos para una calculadora rápida según NEC

Objetivos: dimensionar dispositivos de protección, verificar capacidad de interrupción (AIC/IR), evaluar tiempos de disparo y coordinación selectiva entre dispositivos.

Criterios esenciales: corriente continua y alterna, factores de corrección por temperatura, agrupamiento de conductores, tipo de carga y distancia de falla.

Variables primarias y su definición

• In: corriente nominal de la carga (A)
• Ib: corriente de diseño o carga continua (A)
• Iz: capacidad de conducción del conductor a temperatura ambiente (A)
• Inom: corriente nominal del dispositivo de protección (A)
• ICC: corriente de cortocircuito en el punto de instalación (A)
• IR: corriente de ruptura o capacidad de interrupción del dispositivo (AIC) (A)
• Isc_peak, Isc_sym: componentes de pico y simétrica de la corriente de falla
• T_tr: tiempo de operación del dispositivo ante la falla (s)
• K1, K2...: coeficientes de corrección (temperatura, agrupamiento, longitud)

Tablas extensas con valores comunes

Las tablas muestran valores típicos de dispositivos, capacidades de conducción y corrientes de cortocircuito frecuentes en proyectos residenciales, comerciales e industriales.

Tabla de ajustes típicos para interruptores y relés de sobrecorriente (valores de ejemplo)

Formulaciones críticas para la calculadora rápida

A continuación se presentan las fórmulas necesarias para dimensionar conductores y dispositivos de protección ajustadas al NEC, con explicación de variables y valores típicos.

1. Cálculo de corriente de carga básica

Ib = P / (√3 × V × PF × η)

Variables:

• P: potencia aparente o activa según caso (W o VA). Valor típico: motores 5–500 kW, cargas residenciales 100–5000 W.
• V: tensión de línea a línea (V). Valores típicos: 120/208 V, 277/480 V, 240 V.
• PF: factor de potencia. Valores típicos: 0.8–1.0 (motores 0.8, cargas resistivas 1.0).
• η: eficiencia del equipo (cuando aplica). Valores típicos: transformadores 0.98–0.995; motores 0.85–0.96.

2. Selección del conductor según corriente de diseño

Se requiere Iz ≥ Ib × Kcorr × Kagrup

Variables:

• Iz: capacidad nominal del conductor según tablas (A).
• Ib: corriente de carga (A).
• Kcorr: factor de corrección por temperatura del aislamiento. Típico: 0.91–1.0 según temperatura y material.
• Kagrup: factor por agrupamiento de conductores. Tipos comunes: 0.8–1.0 según cantidad.

3. Selección del dispositivo de protección (corriente nominal)

In ≤ 800% × Iz (NEC 240.4 y excepciones) y generalmente In ≥ Ib; para cargas continuas In ≥ 125% × Ib

Variables:

• In: corriente nominal del dispositivo de protección (A).
• Iz: capacidad conductor (A).
• Ib: corriente de carga (A).

4. Verificación de capacidad de interrupción (AIC)

IR ≥ ICC_peak o IR ≥ Isc_sym según criterio de fabricantes y NEC

Variables:

• IR: capacidad de interrupción del dispositivo (A).
• ICC_peak: corriente pico del cortocircuito (A). Se obtiene con factores de contribución de fuentes.
• Isc_sym: componente simétrica de la corriente de falla (A).

5. Cálculo de corriente de cortocircuito en punto

Isc = (Vll) / (Zth) — aproximación básica para sistemas de alimentación

Variables:

• Vll: tensión línea a línea en el punto de cálculo (V).
• Zth: impedancia total desde la fuente hasta el punto de falla (Ω), incluyendo transformadores, cables y generadores.
• Valores típicos: Zth transformador 5–10% en pu (transformadores secos y de distribución).

6. Relación pico/simétrica para corriente de falla

Isc_peak = k × Isc_sym

Variables:

• Isc_peak: pico inicial de la corriente de falla (A).
• Isc_sym: componente simétrica (A).
• k: factor de pico típico 1.6–2.2 según X/R del sistema; en transformadores 2.5–3.0 puede aparecer por magnetización.

7. Cálculo de energía letal (I²t) y selección de fusibles

I²t_falla ≤ I²t_ruptura del equipo o conductor

Variables:

• I²t_falla: integral corriente-cuadrado durante tiempo de fusión (A²·s).
• I²t_ruptura: capacidad I²t permisible del conductor/equipo (A²·s) o límite térmico.
• Valores típicos: fusibles y tablas de I²t provistas por fabricante.

8. Ajuste para protección de motores (NEC 430)

Si motor: In (protección termomagnética o relé) = 125% × FLA (NEC 430 para protección térmica), con excepciones para arranques y protección contra cortocircuito.

Variables:

• FLA: Full Load Amps del motor (A) según placa o tabla NEC.
• Ajustes típicos: arrancadores con relé de sobrecarga ajustable 0.8–1.2 × FLA.

Diseño de una calculadora rápida: algoritmos y flujo de cálculo

Flujo recomendado para implementación conceptual:

1. Entrada: potencia, tensión, factor de potencia, tipo de carga, temperatura ambiente, numero de conductores agrupados.
2. Calcular Ib con la fórmula de potencia.
3. Aplicar factores Kcorr y Kagrup para obtener Iz requerido.
4. Seleccionar conductor estándar cuya Iz ≥ valor calculado.
5. Seleccionar dispositivo In conforme a reglas de 125% para carga continua y límites de conductor.
6. Calcular Isc en el punto; verificar IR ≥ Isc_sym y considerar Isc_peak para coordinación.
7. Ajustar protecciones (TIEMPOS y curvas) para selectividad y I²t.

Recomendaciones de UX: entrada clara de parámetros, validación en tiempo real, advertencias si In supera Iz o IR insuficiente, y enlaces a tablas normativas para verificación manual.

Ejemplos del mundo real

Se presentan dos casos prácticos, con desarrollo paso a paso aplicable a instalaciones típicas.

Caso 1: Alimentador para panel comercial 480 V trifásico

Datos de partida: carga total estimada 120 kW en 480 V, PF 0.9, no continua, temperatura ambiente 35°C, conductores en bandeja agrupados 3 fases + neutro.

Paso 1 — Corriente de carga: Ib = P / (√3 × V × PF × η) Asumiendo η = 1 (sin transformador interno): Ib = 120000 / (1.732 × 480 × 0.9) = 160.7 A

Paso 2 — Aplicar factores: Kcorr (35°C para aislante 75°C) ≈ 0.94 Kagrup (4 conductores en bandeja) ≈ 0.8 (según cantidad) Requerimiento Iz ≥ Ib / (Kcorr × Kagrup) = 160.7 / (0.94 × 0.8) = 213.7 A

Paso 3 — Selección de conductor: Seleccionar conductor de cobre con Iz ≥ 213.7 A. Tabla típica: calibre 3/0 AWG cobre 75°C Iz ≈ 225 A → aceptable.

Paso 4 — Selección de dispositivo: Carga no continua → In ≥ Ib. Recomendación NEC: In = 200–225 A. Sin embargo, dispositivo comercial estándar: interruptor 225 A. Verificar Iz ≥ 125% × Ib si carga continua; aquí no aplica.

Paso 5 — Verificación AIC: Calcular Isc en el punto (simplificado): suponiendo transformador de 150 kVA 5% y fuente con Isc disponible alto; se obtiene Isc_sym ≈ 8 kA. Seleccionar interruptor con IR ≥ 10 kA (mejor 25 kA según disponibilidad) → seleccionar interruptor 225 A con AIC 65 kA para cumplir margen.

Conclusión caso 1: conductor 3/0 AWG cobre 75°C, interruptor moldeado 225 A con AIC ≥ 25 kA, verificación de coordinación de curvas tiempo-corriente con protecciones aguas arriba.

Caso 2: Circuito de motor 50 HP en 480 V con arranque directo

Datos: motor 50 HP (37.3 kW), 480 V trifásico, PF ≈ 0.85, FLA según placa ≈ 62 A, arranque directo, alimentación por transformador con Z% = 5% y Zth total estimado 0.06 pu.

Paso 1 — FLA y corriente: FLA = 62 A (tabla motor o placa) Ib = FLA (para protección térmica)

Paso 2 — Protección de sobrecarga: NEC 430 requiere que la protección contra sobrecarga térmica se ajuste entre 115%–125% del FLA según tipo de controlador; seleccionar ajuste 125%: In_OL = 1.25 × 62 = 77.5 A → redondear a 80 A en relé de sobrecarga.

Paso 3 — Protección contra cortocircuito: Calcular corriente de cortocircuito en punto: Isc_sym = (Base kA) = (S_base / (Zpu × V_base)) — usando método simplificado: Transformador 150 kVA en 480 V, Z% = 5% → I_sc_base = (150000 / (√3 × 480)) / 0.05 ≈ 3600 A Seleccionar fusible o interruptor con IR ≥ 3600 A; fusible rápido puede actuar antes de que la sobrecarga térmica opere, por lo que se requiere coordinación de tiempo.

Paso 4 — Ajustes y coordinación: Seleccionar fusible de respaldo en caja del motor con curva y tiempo I²t tal que permita el arranque (inrush) pero proteja contra cortocircuitos permanentes. Compare I²t del fusible con capacidad de los conductores y con la energía tolerable del motor para evitar daños.

Conclusión caso 2: relé de sobrecarga ajustado a 80 A, fusible de respaldo con IR ≥ 10 kA y curva selectiva compatible con corriente de arranque; se recomienda prueba de coordinación en sitio con medidas de Isc reales.

Coordinación selectiva y análisis temporal

La coordinación requiere comparar curvas tiempo-corriente (TCC) de dispositivos aguas arriba y abajo. Herramientas avanzadas calculan tiempo de operación para múltiples niveles de corriente y permiten definir zonas de protección.

Principales consideraciones:

• Definir curvas TCC normalizadas del fabricante para interruptores y fusibles.
• Evaluar tiempos de despeje frente a corrientes de arranque para no interrumpir cargas temporales permitidas.
• Aplicar margenes de seguridad entre dispositivos (ej. 0.3 s o según criterio) para evitar operación simultánea.

Pruebas, verificación y puesta en marcha

Protocolos: medición de Isc en punto, verificación de selectividad mediante pruebas reales o simuladas, chequeo de disparos y tiempos, pruebas de transferencia de carga si existen generadores.

Recomendaciones:

• Registrar condiciones ambientales y verificar factores de corrección aplicados en proyecto.
• Realizar test de puesta en servicio con un analizador de redes para confirmar que la corriente de falla calculada se ajusta a la real.
• Mantener documentación de curvas TCC y ajustes en el expediente del proyecto.

Consideraciones avanzadas y temas críticos

Protecciones en presencia de generadores: considerar contribución de generadores síncronos y estáticos; aplicar métodos de cálculo de contribución de fuentes múltiples para Isc y ajustar dispositivos para evitar disparos intempestivos.

Arco eléctrico y seguridad: utilice normas IEEE 1584 y NFPA 70E para evaluar límites de energía de arco, establecer límites de approach y equipos de protección personal (EPP) según niveles calculados.

Recursos adicionales y referencias normativas

Documentos y enlaces de consulta:

• NEMA: guías y hojas técnicas — https://www.nema.org
• NFPA (NEC / NFPA 70): normativa eléctrica — https://www.nfpa.org
• IEEE 1584: Guía para evaluación de arco eléctrico — https://ieeexplore.ieee.org
• IEC 60909: Cálculo de cortocircuitos — https://www.iso.org / https://www.iec.ch

Buenas prácticas para implementación de la calculadora

Interfaz: pedir al usuario parámetros mínimos obligatorios y tener opciones avanzadas para transformador, generador y variaciones de temperatura; incluir módulos para cálculo de I²t y coordinación TCC.

Validación: incluir pruebas unitarias contra casos de referencia de IEC/IEEE y comparaciones con resultados de software comercial (ej. ETAP, SKM) para verificar consistencia.

Ampliaciones y temas para profundizar

Se puede ampliar el sistema incorporando:

• Modelos detallados de transformadores para cálculo de Isc con magnetización.
• Análisis armónico que afecta la selectividad y la medición de corrientes.
• Módulos para dimensionamiento térmico de canalizaciones y bandejas según NEC Tabla 310.
• Integración de base de datos de fabricantes para curvas TCC y valores I²t.

Checklist rápido para verificación final

1) Ib calculada y verificada; 2) Iz seleccionado con factores aplicados; 3) In cumple reglas de 125% para cargas continuas; 4) IR ≥ Isc_sym y margen para peak; 5) Curvas TCC coordinadas; 6) Pruebas in situ y documentación registrada.