DC Fuse Sizing: Guía paso a paso con calculadora y ejemplos

Introducción: El alto coste de un cálculo ‘lo suficientemente ajustado

Un instalador solar experimentado, llamémosle Dave, se enfrentaba a una pesadilla recurrente. En un sistema comercial sobre tejado de 100 kW que había terminado tres meses antes, los fusibles se fundían en días perfectamente soleados. El cliente perdía producción y el equipo de Dave perdía tiempo y dinero en llamadas al servicio técnico para sustituir fusibles de 20 A. El diagnóstico inicial fue un lote defectuoso de fusibles. Pero después de la tercera llamada, el verdadero problema quedó claro. El sistema se había diseñado con nuevos paneles de alta eficiencia de 550 W con una corriente de cortocircuito (Isc) de 13,9 A. El ingeniero jefe de Dave, siguiendo sus viejas costumbres, había dimensionado los fusibles de las cadenas utilizando un simple multiplicador de 1,25 veces, llegando a 17,4 A y redondeando a un fusible estándar de 20 A.

Lo que se perdió fue el cálculo completo, exigido por el código, que tiene en cuenta la carga continua. y picos de irradiación solar en el mundo real, condiciones en las que los paneles bañados por el sol pueden generar temporalmente una potencia muy superior a la nominal. En esas tardes frescas y brillantes, la corriente del conjunto superó ligeramente los 20 A durante el tiempo suficiente para fatigar los fusibles. La solución consistió en volver a fundir completamente las cajas combinadoras a 25 A. fusibles, Pero el daño ya estaba hecho: un cliente frustrado, márgenes de beneficio erosionados y una lección duramente aprendida.

“Por los pelos” es una frase peligrosa en el diseño eléctrico. En el mundo de los sistemas de corriente continua (CC) de alta potencia -desde parques solares a gran escala hasta sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS) y cargadores rápidos de vehículos eléctricos (VE)-, el dimensionamiento preciso y conforme a los códigos de los fusibles no es una recomendación, sino un pilar innegociable de la seguridad, la fiabilidad y la viabilidad financiera. Esta guía proporciona una metodología profesional paso a paso para hacerlo bien en todo momento.

Parte 1: Los fundamentos - Por qué la fusión de CC exige más respeto

Antes de entrar en los cálculos, es fundamental entender por qué la protección de sobreintensidad de CC es fundamentalmente más difícil que su homóloga de CA. La diferencia radica en la física de un arco eléctrico.

En un circuito de corriente alterna, la corriente pasa naturalmente por el cero 100 ó 120 veces cada segundo. Este paso por cero ofrece una oportunidad momentánea para que se extinga un arco, el puente de plasma que se forma cuando se funde un elemento fusible. Los fusibles de CA están diseñados para aprovechar este interruptor de “apagado” recurrente.

DC es implacable. No tiene paso por cero. Cuando se abre un fusible de CC, se establece un arco continuo de alta energía. Este arco es esencialmente un chorro de plasma con temperaturas superiores a 10.000°C. Para extinguirlo, un fusible de CC debe ser lo suficientemente robusto como para estirar el arco hasta que su demanda de tensión supere la tensión del sistema y, simultáneamente, absorber una enorme energía térmica para enfriar el plasma. Por eso, los fusibles gPV (fotovoltaicos) y otros fusibles de corriente continua suelen contener un relleno especializado de arena de cuarzo, que se funde en una sustancia similar al vidrio llamada fulgurita, sofocando el arco.

Utilizar un fusible de CA en una aplicación de CC es un error catastrófico. Es probable que no elimine un fallo, lo que provocaría un arco sostenido, una posible explosión del cuerpo del fusible y un riesgo de incendio significativo. Para especificar correctamente un fusible de CC, debe dominar cuatro parámetros clave:

• Tensión nominal (VCC): La tensión nominal del fusible debe ser igual o superior a la tensión continua máxima del sistema. Esto incluye tener en cuenta la tensión de circuito abierto (Voc) a las temperaturas más frías previstas para los paneles solares.
• Corriente continua nominal (amperios): Es el valor que figura en la placa de características del fusible (por ejemplo, “15A”). Indica la cantidad de corriente que el fusible puede soportar indefinidamente sin degradarse. Es no la corriente a la que se fundirá inmediatamente.
• Capacidad de interrupción (kA): También conocida como capacidad de ruptura, es la máxima corriente de fallo que el fusible puede interrumpir con seguridad sin romperse. Para un banco de baterías, la corriente de cortocircuito prevista puede ser de miles de amperios. La capacidad de interrupción del fusible debe superar este valor.
• Velocidad del fusible (curva tiempo-corriente): Define la rapidez con la que se abre un fusible a diferentes niveles de sobreintensidad. Los fusibles no son simples dispositivos de encendido y apagado. Un fusible semiconductor “ultrarrápido” puede abrirse en milisegundos para proteger componentes electrónicos sensibles, mientras que un fusible de “retardo” soportará las corrientes de arranque temporales de los motores sin quemarse. Para las aplicaciones solares, los fusibles con clasificación gPV se diseñan con una curva específica que tolera los picos de irradiancia pero protege contra las peligrosas corrientes inversas.

Parte 2: Descifrando las fórmulas básicas: NEC vs. IEC

El “multiplicador 1,56” es la piedra angular del dimensionamiento de fusibles de CC en Norteamérica, pero muchos profesionales lo aplican erróneamente o no entienden su origen. No es un número arbitrario; es un factor de seguridad derivado directamente del Código Eléctrico Nacional (NEC).

Explicación del multiplicador NEC 1,56

El factor 1,56 procede de la aplicación consecutiva de dos multiplicadores 125% distintos, tal y como establece el artículo 690 del NEC para los sistemas solares fotovoltaicos.

1. 125% para la corriente máxima (NEC 690.8(A)(1)): Este primer paso consiste en calcular la “corriente máxima del circuito”. El código reconoce que, en determinadas condiciones (por ejemplo, días fríos y soleados con luz reflejada o “efecto de borde de nube”), los paneles solares pueden producir más que su corriente nominal de cortocircuito (Isc). Este multiplicador establece un valor de referencia para el dimensionamiento del conductor y del dispositivo de protección contra sobrecorriente (OCPD).
   • Corriente máxima = Isc × 1,25
2. 125% para servicio continuo (NEC 690.9(B)): El segundo paso trata esta “corriente máxima” como una carga continua. Una carga continua es aquella que puede funcionar durante tres horas o más, lo que es habitual en un campo solar. El NEC exige que la protección de sobreintensidad para cargas continuas se dimensione a 125% de dicha carga.
   • Capacidad mínima del fusible = Corriente máxima × 1,25

La combinación de estos dos pasos nos da la imagen completa:

Capacidad mínima del fusible = (Isc × 1,25) × 1,25 = Isc × 1,5625

A efectos prácticos, se redondea a 1.56. Una vez calculada esta puntuación mínima, deberá redondear siempre arriba al siguiente tamaño de fusible estándar (por ejemplo, 10A, 15A, 20A, 25A, 30A).

Comparación con el planteamiento de la CEI

Mientras que el NEC proporciona un multiplicador claro y preceptivo, la norma internacional IEC 62548 ofrece un rango más flexible. La norma IEC establece que el valor nominal del fusible (I_n) debe situarse entre la corriente de diseño (I_B) y la ampacidad del cable (I_z), siguiendo la regla I_B ≤ I_n ≤ I_z.

Para la protección de cadenas fotovoltaicas, la norma IEC 62548 recomienda dimensionar el fusible entre 1,5 y 2,4 veces la Isc del módulo.

• Dimensionamiento de fusibles IEC: Capacidad mínima del fusible = Isc × (1,5 a 2,4)

Esta gama permite a los diseñadores optimizar la protección en función de las condiciones ambientales locales, la temperatura y las características específicas del módulo. Sin embargo, para proyectos bajo jurisdicción NEC, el El multiplicador de 1,56 es obligatorio.

Parte 3: Calculadora de tallas paso a paso

Piense que no se trata de una herramienta automatizada, sino de un proceso manual de seis pasos que garantiza que se tienen en cuenta todas las variables críticas. Seguir este flujo de trabajo evitará errores y conducirá a un diseño seguro, fiable y conforme al código.

Paso 1: Determinar la corriente máxima de diseño
Identifica la corriente continua máxima que soportará el circuito.

• Para cadenas solares: Utiliza la corriente de cortocircuito (Isc) del panel.
• Para bancos de baterías: Utilice la corriente continua máxima de entrada de CC del inversor.
• Para cargas de CC (como cargadores de VE): Utilice el valor nominal máximo de corriente continua de la placa del equipo.

Paso 2: Aplicar factores de reducción de temperatura
Los fusibles están diseñados para una temperatura ambiente determinada (normalmente 25 °C o 40 °C). Si se instalan en un entorno más caluroso, como una caja de conexiones en un tejado expuesta al sol, su capacidad efectiva de transporte de corriente se reduce. Debe consultar las curvas o tablas de reducción de potencia en la hoja de datos del fabricante del fusible. Por ejemplo, un fusible de 20 A en un entorno de 65 °C sólo puede tener una capacidad efectiva de 17,4 A. Es posible que tenga que seleccionar un fusible más grande para compensar.

Paso 3: Aplicar el multiplicador del código correspondiente
Aplique el factor de seguridad requerido según el código vigente.

• Para energía solar conforme a NEC: Multiplique el Isc por 1,56.
• Para otras cargas continuas de CC según NEC: Multiplique la corriente máxima de diseño por 1,25.
• Para proyectos IEC: Utilice un multiplicador entre 1,5 y 2,4, según convenga para el diseño.

Paso 4: Seleccione el siguiente tamaño de fusible estándar
Después de aplicar los multiplicadores, tendrás un valor mínimo de fusible requerido. Debe seleccionar el siguiente estándar tamaño de fusible disponible en el mercado que sea igual o superior a su valor calculado. Por ejemplo, si el cálculo arroja un valor nominal mínimo de 22,54 A, debe seleccionar un fusible de 25 A.

Paso 5: Verificar la protección de conductores y equipos
El fusible tiene dos funciones: proteger el cable y proteger el equipo.

• Protección de cables: El valor nominal del fusible no debe superar la ampacidad del cable conectado. Un fusible de 30 A en un cable clasificado para sólo 20 A es un peligro de incendio.
• Protección del equipo: El valor nominal del fusible no debe superar el valor nominal máximo de OCPD especificado por el fabricante del equipo. Los paneles solares, por ejemplo, tienen un “valor máximo de fusible en serie” en su hoja de datos (normalmente de 15 A a 30 A). Si se supera, se anula la garantía y se pueden producir daños en el módulo.

Paso 6: Comprobar la capacidad de interrupción (kA)
Por último, compruebe que la capacidad de interrupción del fusible (kA) es superior a la corriente de cortocircuito disponible en ese punto del sistema. Esto es especialmente importante en los sistemas de baterías, que pueden generar grandes corrientes de fallo. Una estimación rápida de la corriente de cortocircuito potencial de una batería (I_sc) es la siguiente I_sc = Tensión de la batería / Resistencia total del bucle. Si la I_sc calculada es de 16.000A (16kA), un fusible con una capacidad de interrupción de 10kA es inadecuado y podría fallar violentamente.

Parte 4: Ejemplos de aplicación con cálculos

Apliquemos este proceso de seis pasos a tres aplicaciones habituales de CC de alta potencia.

A. Sistemas fotovoltaicos solares (fusión de cadenas y combinadores)

Para instalaciones solares con tres o más cadenas en paralelo, NEC 690.9(A) exige que cada cadena tenga un fusible individual. De este modo se evita que un fallo en una cadena genere una corriente inversa masiva en las cadenas sanas.

Escenario: Diseño de la fusión de cadenas para un sistema comercial sobre tejado con paneles de 450 W.

• Ficha técnica del panel Isc: 12.8A
• Panel “Capacidad máxima de fusibles en serie”: 25A
• Cable: 10 AWG PV Wire (nominal para 40A)
• Temperatura ambiente en la caja del combinador 50°C
• Reducción de potencia del fabricante del fusible a 50°C: 0.92

Cálculo:

1. Corriente máxima de diseño: La base es el panel Isc: 12.8A.
2. Reducción de temperatura: Tenemos que encontrar un tamaño de fusible que, después de de reducción de potencia, sigue cumpliendo los requisitos del código. Aplicaremos el factor de reducción más tarde durante la verificación.
3. Multiplicador de códigos (NEC):
   • Potencia mínima requerida = 12,8 A × 1,56 = 19,97 A
4. Seleccione el tamaño de fusible estándar: La siguiente talla estándar a partir de 19.97A es 20A.
5. Verifique la protección:
   • Comprobación de temperatura: Ahora, veamos si el fusible de 20A es suficiente a 50°C.
     • Capacidad efectiva del fusible = 20A × 0,92 (factor de reducción) = 18,4A
     • Esto es menos de nuestro mínimo requerido de 19,97A. El fusible de 20 A es demasiado pequeño y provocará disparos molestos.
   • Selección revisada: Debemos elegir la siguiente talla superior: a Fusible 25A.
     • Capacidad efectiva del fusible = 25A × 0,92 = 23A
     • Esto es superior a 19,97 A, por lo que un fusible de 25 A es correcto para este entorno de alta temperatura.
   • Protección de cables: El valor nominal del fusible de 25A está muy por debajo de la ampacidad de 40A del cable 10 AWG. ✓
   • Protección del equipo: El valor nominal del fusible de 25 A es igual al “Valor nominal máximo del fusible en serie” del panel de 25 A. ✓
6. Compruebe la capacidad de interrupción: Para los fallos a nivel de cadena, la intensidad de fallo disponible es la suma de las Isc de las otras cadenas paralelas. Si hay 10 cadenas en total, la intensidad de fallo máxima sería 9 hilos × 12,8A ≈ 115A. Los fusibles gPV estándar tienen una capacidad de interrupción de 10kA o superior, que es más que suficiente. ✓

Selección final: Fusible de 25A, 1000VDC con clasificación gPV.

B. Sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS)

Los fusibles de un gran banco de baterías de iones de litio protegen principalmente contra un cortocircuito catastrófico. El fusible debe ser capaz de interrumpir decenas de miles de amperios.

Escenario: Seleccione el fusible principal de CC para un banco de baterías LiFePO4 de 48 V y 400 Ah conectado a un inversor/cargador de 5.000 W.

• Corriente CC continua máxima del inversor: 125 A
• Eficiencia del inversor: 95%
• Tensión mínima de funcionamiento de la batería: 44 V
• Corriente de cortocircuito prevista calculada (a partir de las especificaciones de la batería y la resistencia del cable): 18.000A (18kA)
• Cable: 2/0 AWG (clasificado para 190A)

Cálculo:

1. Corriente máxima de diseño: Debemos calcular el consumo máximo de corriente del inversor con la tensión más baja de la batería, que es donde la corriente es mayor.
   • Consumo máximo = 5000 W / 0,95 (eficiencia) = 5263 W
   • Corriente CC máxima = 5263W / 44V (baja tensión) = 119,6A
2. Reducción de temperatura: Supongamos que el fusible se encuentra en un entorno interior controlado (25 °C), por lo que no es necesario reducir la potencia.
3. Multiplicador de códigos (NEC): Se trata de una carga continua, por lo que utilizamos el multiplicador 1,25x.
   • Potencia mínima requerida = 119,6 A × 1,25 = 149,5 A
4. Seleccione el tamaño de fusible estándar: El siguiente tamaño estándar es 150A.
5. Verifique la protección:
   • Protección de cables: El valor nominal del fusible de 150A está por debajo de la ampacidad de 190A del cable 2/0. ✓
   • Protección del equipo: El fusible de 150A protegerá el inversor, que está diseñado para una corriente continua máxima de 125A. ✓
6. Compruebe la capacidad de interrupción: La corriente de defecto prevista es de 18 kA. Necesitamos un fusible con una capacidad de interrupción superior. Los fusibles estándar ANL o MEGA suelen tener capacidades de sólo 2-6kA y no son adecuados. Debemos utilizar un fusible de alta capacidad de interrupción, como un Fusible Clase T. Los fusibles de Clase T tienen capacidades de interrupción de 20 kA a 200 kA. Un fusible de Clase T de 20kA sería una elección segura.

Selección final: 150A, fusible de clase T (≥20kA de capacidad de interrupción).

C. Cargadores rápidos de CC (EVSE)

Los cargadores rápidos de CC son únicos porque contienen componentes electrónicos de potencia sensibles (IGBT o MOSFET de SiC) que pueden destruirse por sobrecorriente en microsegundos. En este caso, la protección no consiste tanto en evitar que se incendien los cables como en salvar los caros módulos semiconductores. Esto requiere fusibles ultrarrápidos.

Escenario: Dimensiona el fusible de salida de CC para un módulo de potencia de 50 kW en un cargador rápido de CC de 150 kW.

• Potencia del módulo: 50 kW
• Rango de tensión de salida de CC: 200-1000 VCC
• Resistencia del módulo IGBT (I²t): 50.000 A²s
• Posible cortocircuito del bus de CC: 50 kA

Cálculo:

1. Corriente máxima de diseño: La corriente es mayor con la tensión más baja. Suponiendo que el cargador pueda suministrar 50 kW en todo su rango de tensión:
   • Corriente máxima = 50.000 W / 200 V = 250 A
2. Reducción de temperatura: Estos módulos están refrigerados por ventilador, pero por motivos de fiabilidad, utilizaremos las indicaciones del fabricante, que normalmente sugiere dimensionar el valor nominal de los fusibles entre 1,2 y 1,5 veces la carga continua. Nosotros utilizaremos un factor de 1,4x.
3. Código multiplicador: El factor de dimensionamiento 1,4x del fabricante tiene en cuenta todos los márgenes de seguridad necesarios.
   • Fusible nominal = 250A × 1,4 = 350A
4. Seleccione el tamaño de fusible estándar: A 350A fusible semiconductor es un tamaño estándar.
5. Verifique la protección: En este caso, la verificación más importante es la clasificación I²t (energía de paso). La I²t de despeje total del fusible debe ser menos que la capacidad de resistencia del IGBT.
   • La consulta de una hoja de datos de un fusible ultrarrápido de 350 A y 1000 VCC muestra una I²t de despeje de ~38.000 A²s a 1000 V.
   • 38.000 A²s < 50.000 A²s. El fusible protegerá el IGBT. ✓
6. Compruebe la capacidad de interrupción: La corriente de defecto disponible es de 50 kA. Existen fusibles semiconductores de alta velocidad con capacidades de interrupción de 50kA, 100kA o más. Debemos seleccionar uno clasificado para al menos 50 kA.

Selección final: Fusible (semiconductor) de 350 A, 1000 VCC con capacidad de interrupción ≥50 kA e I²t < 50.000 A²s.

Parte 5: Errores comunes y cómo evitarlos

Incluso con un proceso sólido, los errores comunes pueden comprometer la seguridad y fiabilidad de un sistema. He aquí un resumen de los errores más frecuentes y cómo prevenirlos.

Conclusión y llamada a la acción

El dimensionamiento preciso de los fusibles de CC es un sistema, no una cifra. Es un proceso metódico que equilibra los requisitos del código, las realidades medioambientales y las necesidades de protección específicas de cada componente de la cadena, desde el conductor hasta la propia fuente de alimentación. Desde el multiplicador 1,56x de la energía solar hasta la capacidad de interrupción crítica de las baterías y los tiempos de respuesta de microsegundos necesarios para los cargadores de vehículos eléctricos, acertar es el sello distintivo de un verdadero profesional de la electricidad. Es la diferencia entre un sistema simplemente instalado y otro diseñado para ofrecer décadas de rendimiento seguro y fiable.

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Descargo de responsabilidad: La información facilitada en este artículo sólo tiene fines educativos. Los trabajos eléctricos son peligrosos y sólo deben ser realizados por profesionales cualificados. Consulte siempre la última versión del Código Eléctrico Nacional (NEC), las normas IEC pertinentes, los códigos locales aplicados por la Autoridad Competente (AHJ) y las especificaciones del fabricante del equipo antes de diseñar o instalar cualquier sistema eléctrico.