Cuando ocurre un cortocircuito en un cable de media tensión, la corriente de falla puede fluir total o parcialmente por la pantalla metálica hacia tierra. IEC 60949 define el límite térmico de la pantalla — la sección mínima para que no se dañe en el tiempo de actuación de la protección. Un cálculo incorrecto produce pantallas fundidas, daño del cable e interrupción del suministro.
Contenido
- El problema: corriente de falla en la pantalla
- Constantes K del material según IEC 60949
- Influencia del tiempo de despeje de la protección
- Cortocircuito asimétrico: factor dc de IEC 60949
- Pantallas en paralelo y distribución de corriente
- Sección mínima de pantalla en práctica de proyecto
- Verificación de terminaciones y empalmes
- Relación con la protección del cable
- Procedimiento de cálculo resumido
01El problema: corriente de falla en la pantalla
En un sistema de media tensión con neutro puesto a tierra, un cortocircuito fase-tierra hace fluir la corriente de falla desde el punto de falla hasta la subestación a través del camino de menor impedancia. Ese camino incluye la pantalla del cable MT, que se convierte temporalmente en conductor de retorno de la corriente de cortocircuito.
Donde:
S = sección de la pantalla [mm²]
K = constante del material: Cu = 226, Al = 148, acero = 78 [A·s^0.5/mm²]
t = tiempo de despeje del cortocircuito [s]
Para cortocircuito simétrico (simplificado):
I_cc × √t ≤ S × K
S_min [mm²] = I_cc [A] × √t [s] / K
02Constantes K del material según IEC 60949
| Material | K (A·s⁰·⁵/mm²) | Temperatura inicial (θ_i) | Temperatura final (θ_f) |
|---|---|---|---|
| Cobre (pantalla trenzada) | 226 | 20°C | 200°C (XLPE) |
| Cobre (cinta laminada) | 226 | 20°C | 200°C (XLPE) |
| Aluminio (laminado) | 148 | 20°C | 200°C (XLPE) |
| Acero (armadura) | 78 | 20°C | 200°C |
| Plomo | 42 | 20°C | 200°C |
La temperatura final de 200°C aplica para cables con aislamiento XLPE. Para cables con PVC (θ_f = 160°C) el valor de K es ligeramente menor. IEC 60949 tabula los valores exactos en función del material conductor, material de aislamiento y temperatura inicial de operación.
03Influencia del tiempo de despeje de la protección
El tiempo de despeje total incluye el tiempo de actuación del relé de protección más el tiempo de apertura del interruptor. Para sistemas con protección de distancia o diferencial, el tiempo total puede ser 60–150 ms. Para protección de sobrecorriente de tiempo definido en redes de distribución, puede llegar a 0.5–1.0 s o más.
| I_cc (kA) | Pantalla Cu 16 mm² (K=226) — t_max admisible | Pantalla Cu 25 mm² — t_max admisible | Pantalla Cu 50 mm² — t_max admisible |
|---|---|---|---|
| 2 kA | 3.24 s | 7.93 s | 31.8 s |
| 5 kA | 0.52 s | 1.27 s | 5.1 s |
| 10 kA | 0.13 s | 0.32 s | 1.27 s |
| 16 kA | 0.05 s | 0.12 s | 0.49 s |
| 25 kA | 0.021 s | 0.051 s | 0.21 s |
t_max = (S × K / I_cc)². Los valores marcados en rojo son menores que los tiempos típicos de protección de sobrecorriente de tiempo definido (0.3–1.0 s), indicando que esa sección de pantalla sería insuficiente para esa corriente de cortocircuito.
04Cortocircuito asimétrico: factor dc de IEC 60949
El cortocircuito real no es puramente simétrico: contiene una componente de corriente continua decreciente (DC offset) que incrementa el valor RMS durante los primeros ciclos. IEC 60949 define un factor m+n o un factor de asimetría κ que corrige el valor de I² integrado:
Donde m+n depende de X/R y del tiempo de despeje:
X/R = 10, t = 0.1 s: factor ≈ 1.1
X/R = 20, t = 0.1 s: factor ≈ 1.3
X/R = 5, t = 0.5 s: factor ≈ 1.02 (asimetría disipada)
Para redes de distribución (X/R ≈ 5–10): usar factor 1.1–1.2 como precaución
05Pantallas en paralelo y distribución de corriente
- Tres cables unipolares con pantallas unidas en ambos extremos: La corriente de falla se distribuye entre las tres pantallas según sus impedancias. Para cables idénticos en disposición trébol simétrica, la distribución es aproximadamente igual en las tres pantallas. En formación plana, la pantalla del cable central lleva menos corriente por la mayor inducción mutua.
- Esquema single-point bonding: Con pantalla puesta a tierra solo en un extremo, durante un cortocircuito la corriente de falla no puede retornar por la pantalla (circuito abierto). Toda la corriente debe retornar por el suelo o por cables de tierra independientes. Este esquema tiene implicancias importantes para el diseño de protecciones y la tensión inducida en el extremo abierto durante la falla.
- Conductor de protección de tierra independiente (CPT): En circuitos con pantalla de cross-bonding, se suele instalar un conductor de tierra independiente (earth continuity conductor, ECC) de sección IEC 60949 para asegurar un retorno de baja impedancia para la corriente de falla, sin depender de la continuidad de la pantalla segmentada.
06Sección mínima de pantalla en práctica de proyecto
En la práctica, la sección resultante del cálculo se redondea al valor normalizado inmediatamente superior de la serie de pantallas disponibles del fabricante (típicamente 16, 25, 35, 50, 70, 95 mm²). Para cables de AT de largo recorrido, la sección de pantalla puede resultar mayor que la requerida por ampacidad en régimen normal, siendo el cortocircuito el criterio dimensionante.
07Verificación de terminaciones y empalmes
08Relación con la protección del cable
El tiempo de despeje del cortocircuito que se usa en el cálculo IEC 60949 debe ser el tiempo máximo en la peor condición de operación del sistema de protecciones — no el tiempo nominal de ajuste, sino el tiempo con la protección de respaldo actuando (fault clearing time con la protección primaria fuera de servicio). Esta consideración puede hacer que el tiempo de diseño sea 5–10 veces mayor que el tiempo normal de despeje, lo que exige secciones de pantalla significativamente mayores.
09Procedimiento de cálculo resumido
📋 Proceso IEC 60949 — sección mínima de pantalla
- Obtener I_cc máximo en el punto de instalación del cable (del estudio de cortocircuito, peor caso).
- Determinar el tiempo de despeje máximo: t = t_relé + t_interruptor. Usar tiempo de respaldo si aplica.
- Calcular S_min = I_cc × √t / K. Aplicar factor de asimetría si X/R > 5 y t < 0.3 s.
- Seleccionar la sección de pantalla normalizada inmediatamente superior a S_min.
- Verificar que todos los accesorios (terminaciones, empalmes, conectores de earth) tengan la misma capacidad I²t.
- Documentar en la memoria de cálculo el I_cc de diseño y el tiempo de despeje asumido.
Referencias
- IEC 60949:1988 — Calculation of thermally permissible short-circuit currents, taking into account non-adiabatic heating effects
- IEC 60986:2000 — Short-circuit temperature limits of electric cables with rated voltages from 6 kV to 30 kV
- CIGRE WG B1.30 — TB 283: Earth potential rise and screening factor of cables with metallic sheaths
- IEC 60840:2020 — Cables over 30 kV up to 150 kV — Annex on short-circuit ratings of metallic sheaths