Calculo de protección eléctrica de transformadores en baja tensión <1000V según NEC/NFPA70/NTC2050. !!! PREMIUM !!!

Un transformador transfiere energía eléctrica (potencia) de un sistema a otro por inducción, sin conexión física entre los dos sistemas (aparte de las conexiones a tierra).

En este articulo explicamos los tipos de conexiones de los transformadores (Conexión Delta y conexión en «Y»), también revisaremos como se calcula la corriente de un transformador, tanto monofásico como trifásico.

Además enseñaremos como se calcula la protección de un transformador con interruptores, fusibles o breakers y como se calcula el cable primario y secundario para este.

La intención de este documento no es transmitir el mejor diseño de un sistema para una aplicación en particular, sino proporcionar ejemplos necesarios para entender los “mínimos” de la regla del código que deben considerarse cuando estos componentes están involucrados.

Por lo tanto los diseñadores deben considerar otros factores para el sistema, como los niveles deseados de protección contra cortocircuitos, las características de operación del transformador y la coordinación.

El artículo 450 del NEC/NFPA70/NTC2050 trata ÚNICAMENTE de los requisitos para el transformador. La ampacidad de los conductores que alimentan y se extienden desde el transformador, así como la protección contra sobrecorriente necesaria de los conductores, están cubiertas por las reglas de los Capítulos 2 y 3 del NEC/NFPA70/NTC2050.

Tipos de conexión de transformadores – Delta y Delta-Y

Transformador Delta-Delta

Los transformadores conectados en triángulo o delta tienen tres devanados conectados de extremo a extremo. Los conductores de línea se conectan a cada punto donde se encuentran dos devanados (Ver imagen 1). Este sistema se llama «Delta» porque cuando se dibuja parece un triángulo (el símbolo griego Delta para la letra D). Para un transformador delta / delta, tanto el devanado primario como el secundario están conectados en triángulo ( Ver imagen 1 ).

Transformador Delta-Y

Los transformadores conectados en estrella tienen los tres devanados conectados a un punto común por medio de un extremo del devanado. El otro extremo de los devanados se conectan a los conductores de línea. Un secundario con configuración en estrella a menudo se representa con una disposición en forma de Y ( Ver imagen 2 ).

Como se calcula la corriente de un transformador

Puede calcular la corriente de línea de un transformador se debe utilizar la fórmula adecuada para sistemas monofásicos o trifásicos:

Corriente monofasica (L-N)

I = VA ÷ Voltaje

Corriente trifasica (L-L)

I = VA ÷ (Voltaje × 1.732) 

Como se calcula la protección de sobrecorriente de un transformador (Térmica, magnética y falla a tierra)

Para proteger los devanados de un transformador contra sobrecorriente, use los porcentajes enumerados en la Tabla 450.3 (A) y Tabla 450.3 (B) y sus notas aplicables.

Selección y calculo de protección de sobrecorriente (Fusible, interruptor o breaker) en transformadores de 1000V o menos

Estas reglas se aplican a transformadores donde tanto el primario como el secundario son de 1000 V o menos. La Tabla 450.3 (B) describe los requisitos para la protección del transformador usando un dispositivo en el primario solamente y la protección usando protección primaria y secundaria. Recuerde, esto solo cubre el transformador, no los conductores.

Tabla 450.3(B). Valor nominal o ajuste máximo de la protección contra sobrecorriente para los transformadores de 1 000 V o menos (como un porcentaje de la corriente nominal del transformador):

NOTA 1. Cuando el 125 % de la corriente no corresponde a un valor estándar de un fusible o ruptor de circuito no ajustable, debe permitirse elegir el valor nominal estándar inmediatamente superior.

NOTA 2. Cuando se exija protección contra sobrecorriente en el secundario, debe permitirse que el dispositivo de sobrecorriente del secundario esté compuesto por máximo seis interruptores automáticos de circuito o seis grupos de fusibles agrupados en un lugar. Cuando se utilicen dispositivos múltiples de protección contra sobrecorriente, el total de todos los valores nominales de los dispositivos no deben exceder el valor permitido para un solo dispositivo de
protección contra sobrecorriente.

NOTA 3. Debe permitirse que un transformador equipado por el fabricante con protección térmica coordinada contra sobrecarga y dispuesta para interrumpir la corriente del primario, tenga protección contra sobrecorriente en el primario con valor nominal o ajuste a un valor de corriente que no sea más de seis veces la corriente nominal del transformador, para transformadores que no tienen una impedancia de más del 6 % y no más de cuatro veces la corriente nominal del transformador, para transformadores que tienen una impedancia de más del 6 %, pero no más del 10 %.

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La Sección 450.3 (B) cubre la protección de los devanados del transformador, no los conductores que alimentan o salen del transformador.

Para corrientes de 9 A o más, Sec. 450.3 (B), se aplica la Nota 1. Donde el 125% de la corriente primaria no corresponde a un fusible estándar, disyuntor, breaker o protección no ajustable, puede usar la siguiente clasificación más alta de dispositivo de protección contra sobrecorriente (OCPD), como se indica en la Sec. 240,6 (A).

Cuando se requiere la protección, el Código permite que esta sea un solo juego de fusibles o un disyuntor o una combinación de no más de seis juegos de fusibles o breakers. Si se utilizan varios dispositivos de sobrecorriente, sus amperajes combinadas no deben exceder el amperaje permitido de un solo dispositivo.

Siguiente tamaño estándar de protección permitida

Especifica si, en las condiciones particulares indicadas, se puede usar el siguiente tamaño de dispositivo OCPD estándar cuando el tamaño máximo no corresponde a un amperaje o ajuste estándar o comercial.

El devanado del transformador conectado a la fuente de voltaje es llamado comúnmente «primario», mientras que el devanado del transformador conectado a la carga es llamado «secundario».

Ejemplo de calculo de protección estándar permitida para transformadores de 1000V o menos

Para 1000 voltios o menos, los amperajes estándar o comerciales para breakers y fusibles se pueden encontrar en NEC/NFPA70/NTC2050 240.6 y se aplican de la siguiente manera:

Se tiene una corriente primaria de un transformador de 118 amperios y se debe calcular el amperaje del fusible o proteccion al 125% (Ver mas adelante explicación), entonces el amperaje seria de 148 A (118 multiplicado por 1,25 = 148), sin embargo se podrá redondear al siguiente tamaño estándar de 150 A.

Si se lee el articulo 240.4 (B) se darán cuenta de una limitación de 800 A en el redondeo, ósea que después de 800A no se podrá redondear hacia arriba, sin embargo este articulo no se aplica al transformador como se aplica a los conductores en este artículo.

Ejemplo de protección primaria contra sobrecorriente para transformadores de menos de 9A (1000V o menos)

Pregunta: ¿Cuál es la clasificación en amperios de una protección OCPD (dispositivos de protección contra sobrecorriente) primaria máxima para un transformador monofásico de 240 V con carga continua de 2 kVA?

Corriente primaria = (Valor nominal en VA del transformador) ÷ (Voltaje primario)

Corriente primaria = 2,000VA ÷ 240V

Corriente primaria = 8.33A

Protección primaria = (Corriente primaria) × (Tabla 450.3 (B) Porcentaje)

Protección primaria = 8.33A × 167%

Protección primaria = 13,92 A

Ejemplo de protección primaria contra sobrecorriente para transformadores de mas de 9 A (1000V o menos)

Pregunta: ¿Cuál es la clasificación OCPD (dispositivos de protección contra sobrecorriente) primaria máxima para un transformador trifásico de 480 V de carga continua de 45 kVA ( Imagen 3 )?

Corriente primaria = Valor nominal en VA del transformador ÷ (Voltaje primario × 1.732)

Corriente primaria = 45,000VA ÷ (480V × 1.732)

Corriente primaria = 54A

Protección primaria = (Corriente primaria) × (Tabla 450.3 (B) Porcentaje)

Protección primaria = 54A × 125%

Protección primaria = 68A

Por lo tanto, utilice un OCPD de 70A en esta situación. [Según. 240.6 (A) y Tabla 450.3 (B), Nota 1]

Como calcular el conductor (Cable) primario para el transformador

Dimensione los conductores primarios al menos al 125% de las cargas continuas, más el 100% de las cargas no continuas, con base en las ampacidades nominales de temperatura de las terminales (75°C o 65°C) según la Tabla 310.15 (B) (16), antes de cualquier ajuste de ampacidad debido a que esta tabla aplica para 3 conductores por tubería, si tienes mas conductores deberás aplicar también la tabla 310.15(B)(3)(A).

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Tabla 310.15(B)(16) (Antes Tabla 310.16) Capacidades de corriente (Ampacity) permisibles en conductores aislados para tensiones nominales de hasta e incluyendo 2 000 V y 60 °C a 90 °C. No más de tres conductores portadores de corriente en una canalización, o cable o tierra (enterrados directamente), basadas en una temperatura ambiente de 30 °C.

Tabla 310.15(B)(3)(a) Factores de ajuste para más de tres conductores portadores de corriente

Proteja los conductores contra sobrecorriente según su ampacidad después del ajuste de ampacidad, como se especifica en la Sec. 310,15 [240,4]. Puede usar la siguiente clasificación estándar más alta de OCPD (por encima de la ampacidad de los conductores que se protegen) si la clasificación de OCPD no excede los 800A [Sec. 240,4 (B)].

Ejemplo de calculo de conductor (Cable) primario para transformador

Pregunta: ¿Qué tamaño de conductor o cable primario se puede usar para un transformador trifásico de 480 V con carga continua de 45 kVA, donde el OCPD (dispositivos de protección contra sobrecorriente) primario tiene un amperaje de 70 A?

Paso 1: dimensione el conductor primario al 125% del amperaje o corriente  primaria del transformador.

I = 45,000VA ÷ (480V × 1.732) = 54A

54A × 1,25 = 68A

Un conductor de 4 AWG tiene una ampacidad de 70 A a 60 ° C [Ver Sec. 110.14 (C) (1) (a) (1) y Tabla 310.15 (B) (16)].

La seccion 110.14 (C) (1) (a) (1) de la NEC/NFPA70/NTC2050 dice lo siguiente:

…(a) Las disposiciones para los terminales del equipo para circuitos de 100 A nominales o menos, o
marcados para conductores de sección transversal 2,08 mm2 (14 AWG) a 42,2 mm2 (1 AWG), se debe aplicar sólo para uno de los siguientes: (1) Conductores con valor nominal de temperatura
de 60 °C….

Paso 2 : Verifique que los conductores estén protegidos para sus ampacidades [Sec. 240,4].

Un conductor de 4 AWG de 70 A a 60 ° C puede protegerse con un OCPD primario de 70 A.

Como calcular el conductor o cable secundario para transformadores

La ampacidad del conductor secundario debe ser al menos igual a la capacidad nominal del OCPD en la terminación de los conductores secundarios [Sec. 240,21 (C) (2)]. Suponga que los conductores secundarios transportarán la capacidad total del transformador de forma continua.

Pasos para determinar el cableado secundario:

Paso 1 : Determine el amperaje del transformador y ajuste el OCDP [Sec. 215.2 (A) (1) (a)].

Paso 2 : Dimensione los conductores secundarios para que tengan una ampacidad de al menos la capacidad nominal del OCDP [Sec. 240,21 (C)].

Ejemplo de calculo de conductor secundario para transformador

Ejemplo de dimensionamiento de conductor secundario Pregunta: ¿Qué tamaño de conductor secundario se puede utilizar para un transformador trifásico de 45 kVA de carga continua, 480 V-120/208 V?

Paso 1: Determine la corriente secundaria del transformador.

Corriente secundaria = Transformador VA ÷ (Voltaje secundario × 1.732)

I = 45 000 VA ÷ (208 V × 1,732)

I = 125A

Paso 2: Dimensione el OCPD secundario para carga continua (125% de la clasificación de corriente secundaria) [Sec. 215,3].

125A × 1,25 = 156A

Por lo tanto, use un OCPD 175A en esta situación [Sec. 240,6 (A)].

Paso 3: Dimensione el conductor secundario para que tenga una ampacidad de al menos el OCPD secundario de 175 A (Paso 2) [Sec. 240,21 (C) (2)].

Utilice un 2/0 AWG clasificado 175A a 75 ° C [Sec. 110.14 (C) (1) (b) y Tabla 310.15 (B) (16)]

Evitando errores

Un error de cálculo puede tener resultados trágicos. Entonces, ¿cómo puede reducir las posibilidades de error en los cálculos de su transformador?

Las matemáticas involucradas no son particularmente desafiantes, pero si selecciona la fórmula incorrecta, sus resultados serán incorrectos incluso si sus matemáticas son correctas. Estos cuatro sencillos pasos le ayudarán a asegurarse de seleccionar la fórmula correcta para una aplicación determinada:

1. Vuelva a verificar la potencia (VA) del transformador.

2. Identifique los voltajes primario y secundario, y si es monofásico o trifásico.

3. Vuelva a verificar la caracterización y los cálculos de su carga (Amperajes).

4. Compruebe que utilizó las fórmulas correctas. Aquí hay un consejo para ayudarlo a hacerlo:

Consulte las fórmulas incorrectas. Por ejemplo, si está trabajando en un sistema monofásico mirar la fórmula de un sistema trifasico. ¿Es esto lo que usaste? Si no, genial. Pase al siguiente elemento y use un proceso similar.