¿Existen reglas para seleccionar el calibre del cable para aplicaciones de un solo pulso?

Estoy tratando de dimensionar el cable para paneles UL 508a. Tengo los requisitos de calibre de cable de UL, pero esos requisitos son para uso continuo. El dispositivo que estoy diseñando solo funcionará durante dos segundos, con minutos u horas entre ejecuciones. Dado que las corrientes de interés son de 25, 50, 100 y 200 amperios, ¡hay mucho que ahorrar al no usar cables clasificados para uso continuo!

¿Hay una forma adecuada de dimensionar el cable para aplicaciones de pulso como esta? Si la ampacidad continua de (por ejemplo) 75C de cobre trenzado 4 AWG es de 85 amperios, ¿cuánto puedo hacer funcionar durante dos segundos? ¿Hay alguna regla general? ¿Alguna ecuación? ¿Una mesa? ¿Aplicación adecuada del cálculo?

Una pregunta y un comentario. Primero, ¿por qué no le pregunta a UL cuáles son sus requisitos en este caso? ¿O pregúntele a su proveedor de cables qué recomiendan? En segundo lugar, creo que el factor limitante aquí será la densidad de corriente. Con un ciclo de trabajo tan corto, es posible que tenga la tentación de usar el calibre de cable más pequeño posible, pero puede fallar si su densidad de corriente es demasiado alta, incluso si su ciclo de trabajo es realmente bajo. Su proveedor de cables puede tener información sobre la densidad de corriente máxima.
Muchas tablas de cables enumeran las corrientes nominales máximas de varias fuentes y bajo varias aplicaciones (aire libre, conductos, en equipos, luna nueva...). El más alto de estos es probable que sea seguro en su caso, SIEMPRE QUE pueda limitar la duración a un máximo conocido en condiciones de falla y que conozca la amplitud máxima real. Me gusta la entrada térmica de Chris Johnson en el enfoque de aislamiento, ya que si se usa SIN enfriamiento (sistema cerrado), le brinda una calificación tolerable máxima absoluta de "leyes de la física". Actual será una fracción de esto.
Punto de datos de interés únicamente: Cables de red para uso del consumidor que se suministran en carretes de plástico enrollables con un mango que permite a los usuarios enrollarlos nuevamente después de su uso, se derriten si se usan enrollados a la carga nominal :-)] es decir, la energía a largo plazo entrada excede la capacidad de enfriamiento disponible. Por supuesto, el aislamiento se derrite y no el cable.

Respuestas (3)

Si esta pregunta estuviera en un examen de física, la respondería de la siguiente manera; si esta es una idea sensata en la práctica es un asunto completamente diferente. Uno tendría que estar bastante seguro de que ningún estado de falla podría dejar que la corriente fluya durante más de dos segundos.

Sabemos por la especificación del cable la resistencia por metro R y la masa de cobre por metro M. Dada la corriente, I, sabemos que la potencia disipada en el cable es I^2 R por metro. Por lo tanto, la energía térmica total disipada por metro de cable es E=I^2 R t, donde t=2 segundos es el tiempo durante el cual la corriente está activa. Estimamos (conservadoramente) que el calor insignificante sale del alambre de cobre durante estos 2 segundos y, por lo tanto, el aumento de temperatura T está dado por

T=E/(MC) = I^2 R t / (MC)

donde C es la capacidad calorífica específica del cobre. Se debe elegir un cable con R y M tal que este aumento de temperatura T sea aceptable.

Tomé en cuenta Rth, y acabo de ejecutar una hoja de cálculo comparando su enfoque con el mío. Rth es, de hecho, insignificante en estas escalas de tiempo. Cinco segundos pueden hacer una diferencia del 1% y 30 segundos hacen el 5%.
+1 Esta es la mitad del análisis necesario. Sin embargo, esto solo es adecuado en el caso de que solo haya un solo pulso (es decir, efectivamente, un tiempo infinito entre pulsos). Para hacer la otra mitad del análisis, debe determinar la cantidad de disminución de la temperatura entre pulsos. La cantidad de disminución de la temperatura entre pulsos debe ser mayor que el aumento como resultado del pulso. De lo contrario, cada pulso contribuirá a aumentar la temperatura a valores cada vez más altos. Es casi seguro que el enfriamiento sigue la ley de enfriamiento de Newton, por lo que el análisis debería ser sencillo.
De hecho, esta no es la historia completa. Puede que no sea sencillo calcular el coeficiente apropiado para la ley de enfriamiento de Newton, que será una función del grosor y las propiedades térmicas del aislamiento del cable, quizás también del recinto.

La resistencia del alambre tiene dos efectos primarios. La primera es que provoca una caída de voltaje en la carga, y esto es independiente del ciclo de trabajo. La segunda es que hace que el cable se caliente, lo que puede hacer que falle.

En general, el cableado debe tener una clasificación conservadora en todas las aplicaciones, porque realmente no desea que el cable en sí sea el punto de falla, incluso en condiciones de falla, como un ciclo de trabajo excesivo o sobrecorriente. El cable debe resistir la falla hasta que el equipo de protección tenga tiempo de actuar.

La resistencia cambiará con la temperatura, por lo que puede estar relacionada indirectamente con el ciclo de trabajo.

Hay una tabla de ampacidad (Tabla 36.1) en el estándar que se refiere a las resistencias de potencia (como en las resistencias de frenado del motor). El "tiempo de encendido" más corto (y el ciclo de trabajo más bajo) que se muestra es 5 segundos encendido/75 segundos apagado (6,25 % del ciclo de trabajo). En esas condiciones, permiten una ampacidad del conductor del 35% de la FLA del motor. Hay un poco más de información en la introducción con respecto a los diferentes tiempos de encendido/apagado, pero el significado parece algo confuso.

Ahora, si eso es aplicable o no a su situación, no me gustaría especular. Al menos le da una idea de lo que UL considera seguro, y eso es ciertamente necesario, pero puede no ser suficiente.

Como han dicho otros, debería tener algún tipo de protección de circuito adecuada para el tamaño del cable que realmente está utilizando, no para las sobretensiones.

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