Medición de disyuntores/interruptores para trazas calefactoras autorregulables Introducción

Característica de resistencia

Resistencia efectiva (ohmios/m)

Pico 5,0

Equilibrio térmico de la tubería

Máximo Operación 1,0

Equilibrio térmico/eléctrico del cable calefactor

1

10 100 1.000 Tiempo de registro (segundos)

10.000

Fig. 2: Respuesta de la corriente de arranque de la traza autorregulable

Debido a que la traza calefactora autorregulable tiene una característica de resistencia PTC (coeficiente positivo de temperatura), la resistencia aumenta con la temperatura. Un ejemplo de la resistencia efectiva de una traza calefactora como función de la temperatura de la traza (no de la tubería) se muestra en la Figura 1. Este ejemplo es para una traza calefactora de protección contra congelamiento. 5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 -30 -20

10,0

Tensión nominal

El tamaño del disyuntor/interruptor para las trazas S/R se puede determinar con bastante facilidad usando los datos de las descripciones técnicas o el software de diseño del circuito de trazado calefactor CompuTrace®. Sin embargo, en ocasiones un ingeniero o diseñador pregunta «¿Cuál es la base técnica de los datos de medición y los valores de diseño resultantes?». Este ThermoTip tiene por objetivo demostrarle la base técnica sobre la cual se lleva a cabo la medición del disyuntor/interruptor. Los factores clave a la hora de medir correctamente son: (1) la temperatura de arranque especificada, (2) el tipo de disyuntor/interruptor y la calificación de corriente admisible, (3) la característica de arranque específica de la traza S/R y (4) la longitud total del trazado calefactor conectado al disyuntor/interruptor.

La respuesta de la corriente de arranque puede ser descripta por tres valores de corriente.

Pico – la corriente que se produce después de la energización cuando la temperatura de la traza es la misma que la temperatura de la tubería (durante el arranque del sistema) Corriente máxima – el nivel de corriente después de que la traza calefactora haya alcanzado su temperatura de equilibrio por encima de la temperatura de la tubería (por lo general, 300 segundos después de la energización) Corriente de operación – el nivel de corriente cuando la tubería haya alcanzado su temperatura de operación o la temperatura de mantenimiento del diseño (varias horas después de la energización, según el tamaño de la tubería y el líquido contenido) La temperatura de la traza y de la tubería en estos tres niveles de corriente se muestran en la Figura 3.

-10

0

10 20 30 40 Temperatura en °C

50

60

70

80

Fig.1: Resistencia efectiva vs. temperatura de la traza Nótese que la resistencia de esta traza calefactora de protección contra congelamiento crece gradualmente de -20 °C a 30 °C. El rango de temperatura operativo típico de la traza se encuentra entre 40 °C y 60 °C. Después de los 60 °C, la traza calefactora empieza a demostrar un crecimiento significativo de la resistencia a medida que se acerca a la temperatura de «cierre», cerca los 80 °C.

Característica de corriente de arranque Este cambio en la resistencia con la temperatura de la traza produce la característica de corriente de arranque de una traza S/R. En la Figura 2 se muestra un ejemplo de la característica de corriente de arranque de la traza S/R.

Tcalefactor = -20° C R = 240 Ω/m

Tcalefactor = +44° C R = 660 Ω/m

Tcalefactor = +59° C R = 1500 Ω/m

Tlíquido = -20° C

Tlíquido = -20° C

Tlíquido = +5° C

A la hora = 0+ (energización)

A la hora = 300 segundos

A la hora = 4 horas

Fig. 3b

Fig. 3c

Fig. 3a

Temperatura de la tubería y la traza durante el arranque La Fig. 3(a) muestra la tubería y la traza en el momento de la energización. La tubería y la traza están a la misma temperatura de -20 °C. En este ejemplo, la resistencia de la traza es de 240 W/m. La corriente para esta resistencia es la corriente PICO.

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1

Medición de disyuntores/interruptores para trazas calefactoras autorregulables

La Fig. 3(c) muestra la tubería a una temperatura de operación de 5 °C. Para alcanzar esta temperatura de la tubería se necesitaron probablemente varias horas, según el tamaño de la tubería. La temperatura de la traza ahora es de 59 ºC y tiene una resistencia de 1500 W/m. La corriente de este nivel de resistencia es la corriente de OPERACIÓN.

1000

Disparo mín.

100

Tiempo en segundos

La Fig. 3(b) muestra la tubería y la traza después de 300 segundos. En este momento, la tubería no cambió de temperatura pero el trazado calefactor ha llegado a la temperatura de equilibrio de 44° C por encima de la temperatura de -20 °C de la tubería. La resistencia de la traza a 44 °C es 660 W/m. Esto genera la corriente MÁXIMA.

10

1

0

0

1

10

100

Múltiplos de corriente nominal

5: Curva disparo para disyuntor típicotípico Fig. 5:FigCurva dededisparo para disyuntor de América del Norte de América del Norte Maximum Amps - at 100% Loading

Tiempo = 4 horas

1000

Disparo mín.

Tiempo = 300 s

Disparo máx.

100

10 20 30 40 Temperatura en °C

50

60

70

80

Fig.4: Resistencia efectiva vs. temperatura y tiempo de la traza

Tiempo en segundos

Resistencia efectiva (ohmios/m)

Para este ejemplo, la resistencia efectiva de la traza se muestra tanto como una función del tiempo de arranque como una temperatura de la traza en la Figura 4. 5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 Tiempo = 0 1000 500 0 -30 -20 -10 0

Disparo máx.

Esta es la base para la respuesta de corriente de arranque típica que se muestra en la Figura 2. Al medir el disyuntor/interruptor, la respuesta de corriente de arranque de la traza no debe cruzarse con la curva de disparo (mínima) del disyuntor/interruptor.

10

1

0

Características del disyuntor/interruptor

Nótese que para este disyuntor/interruptor típico de América del Norte, la curva de disparo mínima permite una corriente pico equivalente a 10 veces la calificación CB. Esto quiere decir que para un disyuntor de 20 A, se permitiría una corriente pico de 200 A y no se dispararía el disyuntor. No obstante, después de 10 segundos la corriente de carga debe estar por debajo de 2,1 veces la calificación CB o, en el caso de un disyuntor de 20 A, 42 A. Las características de disparo de un disyuntor/interruptor no son todas iguales. Otras dos características de disparo comunes para un disyuntor/ interruptor internacional son de Tipo C y Tipo B. Las curvas de disparo para estos tipos de disyuntores/interruptores se muestran en la Figura 6(a) y 6(b).

1

10

100

Múltiplos de corriente nominal

Fig 6a: Typical European Type C Breaker Trip Curve

Fig. 6a: Curva de Maximum disparoAmps para- atdisyuntor típico IEC Tipo C 100% Loading 1000

Disparo mín.

Disparo máx.

100

Tiempo en segundos

Las curvas de disparo del disyuntor/interruptor por lo general se muestran en gráficos logarítmicos con múltiplos de corriente nominal como una función del tiempo. A 1.000 segundos, el múltiplo de corriente nominal está en o cerca de la unidad. En la figura 5 se muestra un ejemplo de una curva de respuesta de un disyuntor/interruptor típico de América del Norte.

0

10

1

0

0

1

10

100

Múltiplos de corriente nominal

Fig 6b: Typical European Type B Breaker Trip Curve

Fig. 6b: Curva deMaximum disparoAmps para- atdisyuntor típico IEC Tipo B 100% Loading

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Medición de disyuntores/interruptores para trazas calefactoras autorregulables En vez de una corriente pico inferior permitida, la curva de respuesta Tipo C internacional de la Figura 6(a) es bastante similar a aquella típica del disyuntor/interruptor para América del Norte. La corriente pico permitida para el disyuntor/interruptor Tipo B es mucho más baja, con un factor de multiplicación de 2,0. Por lo tanto, al medir la carga de calor de S/R para un disyuntor/interruptor, es importante especificar la clase o el tipo de disyuntor, además de su calificación de corriente admisible.

Hay casos en donde la corriente máxima de la traza y la calificación del disyuntor son iguales y la corriente de arranque de la traza se cruza con la curva de disparo del disyuntor. Se muestran ejemplos en la Figura 8(a) y 8(b). Para el ejemplo del disyuntor QO, la intersección ocurrió en los primeros 10 segundos. Para el disyuntor Tipo B, la intersección ocurrió en el momento 0+ con corriente pico.

1000

El proceso de medición del disyuntor/interruptor

Disparo mín. Disparo máx. Traza

100 Tiempo en segundos

Tal como se explicó anteriormente, la corriente admisible del disyuntor/interruptor debe ser medida para que la respuesta de la corriente de arranque de la traza esté por debajo de la curva de corriente de disparo mínima. O bien, como alternativa para un disyuntor/interruptor especificado, la longitud del cable debe ser tal que la respuesta de la corriente de la traza resultante esté por debajo de la curva de disparo. Para muchas opciones de traza S/R, si el valor de la corriente máxima (corriente a 300 segundos) es igual o inferior a la calificación del disyuntor/interruptor, la respuesta de la corriente de arranque de la traza está por debajo de la curva de disparo del disyuntor (no hay intersección). En la Figura 7 se muestra un ejemplo. Nótese que la curva de arranque de la traza está por debajo de la curva de disparo del disyuntor en todos los puntos. Este podría ser un caso donde la corriente máxima de la traza S/R a 300 segundos está apenas por debajo de 20 A y la calificación del disyuntor está a 20 A.

10

1 0

1 10 Múltiplos de corriente nominal

100

Fig 8a: Typical QO GFI Breaker Trip Curve

Fig. 8a: Curva de disparo para disyuntor típico de América del Norte

1000 Disparo mín.

1000

Disparo máx.

Disparo mín.

Traza

Disparo máx. Traza

100

Tiempo en segundos

Tiempo en segundos

100

10

10

1

1 0

1 10 Múltiplos de corriente nominal

100

Fig 7: Typical QO GFI Breaker Trip Curve de disparo paraAmps disyuntor de América Maximum - 100% típico Loading

Fig. 7: Curva Máximo de amperios - con carga al 100%

0

del Norte

0

1 10 Múltiplos de corriente nominal

100

Fig 8b: Typical European Type B Breaker Trip Curve

Fig. 8b: Curva de disparo para disyuntor típico IEC Tipo B

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Medición de disyuntores/interruptores para trazas calefactoras autorregulables Para evitar que se dispare el disyuntor, ambas curvas de corriente de arranque deben ser desplazadas hacia la izquierda para que no haya intersección. Este desplazamiento se puede cuantificar como un porcentaje de la calificación del disyuntor. El valor del porcentaje resultante se usa para disminuir la calificación de corriente admisible efectiva del disyuntor o la longitud del circuito al 100 % de carga. Esto se muestra en la Figura 9(a) y 9(b). 1000

Para evitar una intersección, la curva de arranque de la traza debía ser desplazada hacia la izquierda al 80% de la calificación del disyuntor en la Figura 9(a) y al 70% de la calificación del disyuntor en la Figura 9(b). Para el ejemplo del disyuntor de América del Norte, la intersección ocurrió en los primeros 10 segundos. Para el disyuntor IEC Tipo B, la intersección ocurrió en el momento 0+ con corriente pico. Si ambos disyuntores de estos ejemplos tuvieran una calificación de 20 A, la corriente máxima permitida sería de 16 A y 14 A, respectivamente, no de 20 A. Por lo tanto, la pregunta ahora es «¿Cómo se establece la corriente máxima?». Anteriormente, la corriente máxima se definió de la siguiente manera:

Disparo mín. Disparo máx. Traza

Corriente máxima – el nivel de corriente después de que el trazado calefactor haya alcanzado su temperatura de equilibrio por encima de la temperatura de la tubería (por lo general, 300 segundos después de la energización)

Tiempo en segundos

100

Esta es la corriente de estado constante para el cable S/R a la temperatura de arranque especificada, en el extremo superior o máximo de la tolerancia de potencia de salida de fabricación. Consulte la línea superior indicada como Máx. en la Figura 10 para ver un ejemplo.

10

80 1 10 Múltiplos de corriente nominal

70

100

Fig 9a: Typical QO GFI Breaker Trip Curve

Fig. 9a: Curva de disparo paraAmps disyuntor típico de América del Norte Maximum - 80% Loading Máximo de amperios - con carga al 80% 1000 Disparo mín. Disparo máx. Traza

Potencia de salida (W/m)

1 0

60 50

Valor para arranque a -20° C Máx. Mín.

40 30 20 10

100

Tiempo en segundos

0 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 Temperatura de la tubería en °C

60 70

10

Fig. 10: Potencia de salida máx./mín. como función de la temperatura de la tubería 1

0

0

1 10 Múltiplos de corriente nominal

100

Fig 9b: Typical European Type B Breaker Trip Curve

Fig. 9b: Curva deMaximum disparoAmps para- 70% disyuntor Loadingtípico IEC Tipo B Máximo de amperios - con carga al 70%

La curva de potencia de salida mínima, la línea inferior indicada como Mín., se usa en los diseños para compensar la pérdida de calor de la tubería. Con la característica de pendiente autorregulable, cuanto menor sea la temperatura de la tubería, mayor será la potencia y la corriente resultante. Es por ello que se muestran los datos del tamaño del disyuntor/interruptor para diversas temperaturas de arranque. Para ser conservadores, se usa la tolerancia o curva de potencia de salida máxima para el valor de corriente máxima en la medición del tamaño del disyuntor/interruptor.

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Medición de disyuntores/interruptores para trazas calefactoras autorregulables Este es un ejemplo de medición de un disyuntor/interruptor usando los pasos básicos explicados anteriormente. Dados:

• Un voltaje operativo de 240 VCA • Un disyuntor/interruptor de América del Norte especificado con una calificación de 20 A



• Una temperatura de arranque de -20 ºC



• Una traza S/R con protección contra congelamiento con 33 W/m a 10 ºC (un cable tipo 10-2)

¿Cuál es la longitud máxima de la traza que se puede aplicar al disyuntor/ interruptor de América del Norte especificado en las condiciones anteriores? Paso 1 - Cuando la respuesta de tensión nominal del S/R 10-2 se aplica a la curva de disparo mínima del disyuntor/interruptor de América del Norte, se determina que el factor de carga o compensación es del 80%. (Ver Fig. 9a) Paso 2 - La corriente admisible especificada para el disyuntor/interruptor de América del Norte es de 20 A. La corriente admisible efectiva para evitar que se dispare con un factor de carga del 80% es 16 A. Paso 3 - Para un arranque a -20 °C, la potencia de salida máxima del cable calefactor S/R 10-2 es 57 W/m. A 240 VCA, la corriente máxima correspondiente es 0,24 A/m. Ver Fig. 10. Paso 4 - Al dividir la corriente máxima de 0,24 A/m entre la corriente admisible efectiva de 20 A y el disyuntor/interruptor de América del Norte de 16 A, la longitud resultante es 67 m. Esa es la longitud máxima del cable S/R 10-2 que se puede aplicar al disyuntor/interruptor de América del Norte de 20 A para un arranque a -20° C.

Resumen La medición de un disyuntor/interruptor con una traza S/R depende de una variedad de factores: (1) temperatura de arranque, (2) característica de corriente de arranque de la traza, (3) tipo de disyuntor/interruptor y (4) corriente admisible del disyuntor/interruptor. Este ThermoTip ha demostrado cómo medir un disyuntor/interruptor o cómo establecer una longitud de circuito máxima para un determinado disyuntor/interruptor. Aunque este proceso pueda parecer algo complejo, el programa de diseño CompuTrace® de Thermon® lleva a cabo estos pasos básicos rápida y fácilmente, conforme a los valores ingresados por el usuario para el tipo de disyuntor/interruptor y la calificación de corriente admisible en la pestaña SETTINGS (CONFIGURACIÓN) del programa. Nótese que la corriente máxima de salida en CompuTrace® no debería ser usada para medir disyuntores/interruptores. Las tablas de medición del disyuntor/interruptor que se encuentran en las descripciones técnicas de Thermon® para trazas autorregulables también se basan en estos pasos básicos. En conclusión, use el programa de diseño CompuTrace® de Thermon® o las descripciones técnicas de la traza para determinar las longitudes máximas del circuito de trazas.

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