Corrientes inducidas en canalizaciones metálicas: un riesgo eléctrico que debe considerarse desde el diseño
En instalaciones eléctricas de media tensión, seleccionar correctamente el calibre del conductor, el aislamiento y las protecciones no es suficiente. La disposición física de los conductores dentro de las canalizaciones también forma parte del diseño eléctrico y puede afectar directamente la seguridad y confiabilidad de la instalación.
Un ejemplo particularmente importante ocurre cuando los conductores monopolares de un sistema trifásico de corriente alterna se instalan individualmente dentro de tuberías metálicas ferrosas. Esta configuración puede producir corrientes inducidas, pérdidas magnéticas y calentamiento en las canalizaciones, incluso cuando la corriente de operación del circuito aparentemente es reducida.
Un caso práctico: circuito de 34.5 kV
Consideremos un sistema BESS conectado a un transformador trifásico de 1,500 kVA, 480 V / 34.5 kV, cuyo devanado de media tensión alimenta un circuito mediante cables monopolares de aluminio calibre 1/0 AWG, aislamiento XLPE clase 35 kV y pantalla metálica.
A plena carga, la corriente en el lado de 34.5 kV es aproximadamente:
I = 25.1 A por fase
En la instalación analizada se colocó cada fase dentro de una tubería conduit de acero galvanizado de 3 pulgadas, formando tres canalizaciones paralelas en arreglo coplanar, con aproximadamente 3 cm de separación libre entre tubos.
A primera vista, 25 A podría parecer una corriente demasiado pequeña para generar un problema térmico relevante. Sin embargo, electromagnéticamente la situación es diferente.
Figura 1. Comparación entre una instalación incorrecta con una fase por tubería ferrosa y alternativas de instalación que minimizan el calentamiento por inducción.
¿Por qué se producen corrientes inducidas?
Cuando una corriente alterna circula por un conductor genera un campo magnético variable a su alrededor.
En un sistema trifásico balanceado:
IA + IB + IC = 0
Cuando los tres conductores de fase se encuentran agrupados adecuadamente, sus campos magnéticos tienden a compensarse.
El problema aparece cuando cada conductor está encerrado individualmente por una tubería de acero. Desde el punto de vista magnético, cada canalización rodea solamente la corriente de una fase. El flujo magnético alterno atraviesa entonces el material ferroso y produce fenómenos como:
- corrientes de Foucault en la pared metálica;
- pérdidas por histéresis y magnetización del acero;
- corrientes circulantes a través de tuberías, coples y sistemas de unión;
- calentamiento localizado en accesorios y placas metálicas;
- incremento de las pérdidas eléctricas del sistema.
Para el caso analizado, considerando 25.1 A por fase, tuberías de 3 pulgadas y una separación de aproximadamente 3 cm, el campo magnético calculado en las zonas próximas a las canalizaciones puede alcanzar aproximadamente 0.17 mT.
Dependiendo de la permeabilidad magnética real del acero, la longitud de las canalizaciones y principalmente de cómo se encuentren interconectadas y puestas a tierra, pueden presentarse corrientes longitudinales inducidas del orden de varios amperes. En el análisis preliminar realizado para esta configuración se obtuvo un rango aproximado de 3 a 10 A por tubería.
Estos valores son estimaciones de ingeniería; la magnitud real debe verificarse considerando la geometría completa, las propiedades del acero, la conexión de las pantallas de los cables y las condiciones de unión equipotencial.
¿Qué establece la NOM-001-SEDE-2012?
La NOM-001-SEDE-2012, en su artículo 300-20(a), establece que cuando conductores de corriente alterna se instalan dentro de envolventes o canalizaciones metálicas ferrosas, los conductores deben agruparse de manera que se evite el calentamiento por inducción del metal circundante. Para ello deben mantenerse juntos los conductores de fase y los conductores asociados del circuito.
Para instalaciones de más de 600 V, el artículo 300-35 refuerza este criterio indicando que las canalizaciones metálicas y sus conductores asociados deben disponerse de manera que se evite su calentamiento por inducción, remitiendo a las disposiciones aplicables del artículo 300-20.
Por ello, instalar:
Fase A → tubo de acero 1
Fase B → tubo de acero 2
Fase C → tubo de acero 3
no representa una solución adecuada cuando cada conductor queda individualmente rodeado por material ferroso.
La separación de 3 cm entre las tuberías no corrige el problema, porque la cancelación de las corrientes trifásicas no ocurre dentro de cada canalización.
Riesgos eléctricos y operativos
El principal riesgo es el calentamiento no previsto de elementos metálicos.
Los puntos particularmente sensibles incluyen:
- coples;
- contratuercas;
- curvas;
- placas de entrada;
- soportes metálicos;
- gabinetes;
- conexiones equipotenciales.
Con el tiempo, una temperatura elevada puede acelerar el envejecimiento del aislamiento, deteriorar conexiones, incrementar pérdidas y reducir la confiabilidad de la instalación.
El fenómeno puede intensificarse durante condiciones de sobrecarga, falla eléctrica o presencia de armónicas. Esto último merece especial atención cuando el circuito se encuentra asociado a sistemas BESS, inversores, PCS u otros equipos electrónicos de potencia.
¿Cómo debe diseñarse correctamente?
Existen diferentes soluciones dependiendo de las características del proyecto.
Una alternativa es instalar todos los conductores del circuito dentro de una misma canalización metálica, incluyendo las tres fases y los conductores asociados requeridos. De esta manera, la suma vectorial de las corrientes dentro de la canalización se aproxima a cero y se reduce considerablemente el flujo magnético neto que atraviesa el acero.
Naturalmente, deben verificarse previamente el porcentaje de ocupación, diámetro exterior de los cables, radios de curvatura, capacidad térmica y condiciones de jalado.
Cuando por las dimensiones de los cables se requieren canalizaciones independientes, una solución particularmente conveniente consiste en utilizar ductos no metálicos o materiales no magnéticos aprobados para la aplicación, manteniendo las fases próximas entre sí y con una disposición geométrica controlada.
También deben revisarse las entradas a transformadores, celdas y gabinetes. El artículo 300-20 contempla medidas específicas para evitar que conductores individuales atraviesen material magnético formando circuitos cerrados alrededor de una sola fase.
La ingeniería eléctrica también es geometría
Este caso demuestra un principio importante: un proyecto eléctrico no termina cuando se determina el calibre del cable y la protección del circuito.
La geometría de instalación modifica el comportamiento electromagnético del sistema.
Una canalización aparentemente convencional puede convertirse en una fuente de pérdidas y calentamiento si los conductores de corriente alterna no se disponen correctamente.
En sistemas de media tensión, generación distribuida y almacenamiento de energía, estos detalles deben evaluarse desde la etapa de ingeniería y verificarse durante la construcción.
Cumplir la NOM-001-SEDE-2012 no sólo evita observaciones normativas. Protege los equipos, reduce riesgos y aumenta la confiabilidad de la inversión.
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