Capacidad de corriente de una barra colectora: tabla para cobre y aluminio

La capacidad de corriente de una barra colectora no es un número único impreso en una ficha técnica. Para una barra de cobre en condiciones normales de aparamenta, el valor de trabajo ronda los 2 a 4 A por mm² de sección, y la dispersión dentro de esa banda proviene de la instalación, no del metal. A 3 A/mm², una barra de cobre de 50 × 10 mm conduce unos 1 500 A. Esa misma barra, dentro de una envolvente cerrada a 55 °C de ambiente, montada en paralelo con una segunda y alimentada a 50 Hz, conduce bastante menos.

Esta página da el cálculo, una tabla que se lee directamente para secciones normalizadas y los cuatro efectos que alejan el resultado real de la tabla. Está escrita para quien tiene que firmar el plano: el fabricante de cuadros, el integrador de paquetes de baterías, el ingeniero que sustituye una barra que se decoloró en las conexiones.

Un aviso antes de los números. Todos los valores siguientes son estimaciones de diseño derivadas de una densidad de corriente declarada. No son una característica certificada por ensayo para un producto concreto y no sustituyen a la tabla de intensidad que su proveedor publique para la barra, el recubrimiento, el aislamiento y el montaje exactos que usted compra.

La respuesta corta: amperios por milímetro cuadrado

La densidad de corriente es el punto de partida honesto, porque sobrevive a un cambio de sección. Elija una densidad, multiplique por la sección y tendrá una primera estimación en una línea:

I ≈ J × S, donde J es la densidad de corriente en A/mm² y S la sección de la barra en mm² (ancho × espesor).

Dos casos resueltos muestran el rango:

• Una barra de cobre de 20 × 5 mm. Sección 100 mm². A 3 A/mm² conduce unos 300 A. A 4 A/mm² conduce unos 400 A, y ese valor alto solo es realista en un tramo corto, bien ventilado, con barra desnuda y ambiente fresco.
• Una barra de cobre de 100 × 10 mm. Sección 1 000 mm². La aritmética dice 3 000 A a 3 A/mm². La realidad dice otra cosa: rara vez se pide a una sola barra de esa sección que transporte más de unos 1 600 A en un cuadro real, porque el calor tiene que salir por una superficie que creció mucho menos que el metal del interior.

Ese segundo caso explica por qué la regla práctica necesita un artículo entero detrás. La densidad no es una constante del cobre: baja cuando la barra se hace más gruesa, cuando el cuadro se cierra y cuando sube la temperatura ambiente.

Los tres límites que fijan el valor real

Una barra queda corta o sobredimensionada frente a tres límites distintos. Solo el primero suele gobernar, pero no se puede saber sin haber comprobado los tres.

• Calentamiento. Es normalmente el límite determinante. Las barras de cobre desnudas en aparamenta se diseñan habitualmente para un calentamiento de 60 a 70 K sobre el ambiente, y las barras aisladas quedan sujetas a la clase térmica de su aislamiento, típicamente 90 a 105 °C para los materiales usados en barras. La barra debe alcanzar el equilibrio térmico por debajo de ese techo a plena carga, en la envolvente donde realmente está montada.
• Caída de tensión. En una barra de un metro a 400 V la caída casi nunca es determinante. Lo es en tramos largos, en enlaces de batería de baja tensión que llevan cientos de amperios y en sistemas de 12 o 24 V donde una décima de voltio importa. La comprobación es la misma que para un cable: resistividad, longitud, corriente y caída tolerable.
• Aguante a cortocircuito. Un defecto no atiende a su intensidad permanente. La barra debe soportar la corriente de defecto durante el tiempo de despeje sin recocerse, y la conexión debe soportar los esfuerzos electromagnéticos. Este límite fija una sección mínima, y en cuadros con alta corriente de defecto suele ser lo que dimensiona la barra, no la corriente de carga.

Si dimensiona solo por corriente permanente, tarde o temprano encontrará un cuadro donde la barra está térmicamente bien y mecánicamente escasa.

Tabla de cobre a 2, 3 y 4 A/mm²

La tabla siguiente cubre secciones rectangulares normalizadas en milímetros. Cada columna de corriente se calcula como sección × la densidad del encabezado, de modo que cualquier fila se puede comprobar con una calculadora.

Lea la columna de 4 A/mm² con desconfianza por encima de unos 250 mm². Esa densidad describe una barra corta, desnuda y bien ventilada. Las filas desde 400 mm² están para que la aritmética sea visible, no porque una sola barra de ese tamaño vaya a dar esa cifra en un armario cerrado. Para esas secciones, tome 2 a 2,5 A/mm² como valor de proyecto, o pase a barras en paralelo como se describe más abajo.

Aluminio: la misma corriente en una barra más grande

El aluminio conduce aproximadamente el 61 % del cobre en volumen. Para la misma corriente y el mismo calentamiento, una barra de aluminio necesita cerca de 1,6 veces la sección de la de cobre; pero como su densidad es aproximadamente un tercio, la barra resultante pesa alrededor de la mitad. Ahí está todo el interés del aluminio: almacenamiento de energía, campos fotovoltaicos y cualquier conjunto donde el peso o el coste por amperio importen más que el volumen.

Aplicando el factor del 61 % a la tabla anterior a 3 A/mm² se obtiene la columna de aluminio siguiente. Son valores de proyecto para barra desnuda al aire, no características de catálogo:

Dos diferencias prácticas importan más que la aritmética. El aluminio forma un óxido aislante en minutos al aire, así que toda conexión necesita lijado y pasta inhibidora de óxido, o una placa de contacto de cobre o estaño. Y su dilatación térmica es mayor que la del cobre: por eso las uniones atornilladas de aluminio requieren arandelas de resorte o un intervalo de retorque en el plan de mantenimiento. Una unión de aluminio bien apretada en la instalación es la conexión floja clásica dos años después.

Por qué dos barras en paralelo no son el doble

Duplicar la sección añadiendo una segunda barra idéntica no duplica la capacidad. Tres efectos se comen la ganancia:

• Las superficies interiores quedan tapadas. Dos barras próximas ofrecen menos superficie de refrigeración que dos separadas, y el hueco entre ellas es una mala chimenea. Los factores de derrateo publicados para un par de barras suelen quedar entre 0,8 y 0,9 de la suma aritmética, y peor cuando el hueco es menor que el espesor de la barra.
• La corriente no se reparte por igual. En alterna, el efecto de proximidad empuja la corriente hacia las caras exteriores, de modo que las dos barras no comparten la carga por igual. La conexión y la barra que llevan la mayor parte se calientan más de lo que sugiere la media.
• Las uniones se multiplican. Cada barra adicional añade dos interfaces atornilladas. El sobrecalentamiento suele empezar ahí, no en el centro de la barra.

Regla práctica: separe las barras paralelas al menos un espesor de barra, aplique un derrateo de unos 0,85 a la suma y considere que por encima de unos 1 600 A una sola barra deja de ser la respuesta sensata. Por encima, la ventilación forzada, un perfil más ancho u otro sistema de conductores suele salir más barato que una cuarta barra.

Alterna y continua no son el mismo problema

En continua la corriente usa toda la sección, y la tabla anterior vale lo que valga el diseño térmico que hay detrás. A 50 o 60 Hz la corriente se concentra cerca de la superficie. La profundidad a la que la densidad de corriente ha caído a cerca del 37 % de su valor superficial es la profundidad de penetración; para el cobre es aproximadamente 9,3 mm a 50 Hz y 8,5 mm a 60 Hz. Para el aluminio, unos 12 mm a 50 Hz.

Compárelo con el espesor de la barra. Una barra de 5 o 10 mm es más delgada que la profundidad de penetración, así que toda la sección sigue trabajando y la penalización en alterna es pequeña. Una de 20 o 30 mm ya no: el centro de la barra conduce poco mientras sigue aportando peso, coste e inercia térmica. Por eso las grandes intensidades en alterna se construyen con varias barras delgadas en lugar de una gruesa, y por eso una barra gruesa puede parecer generosa en un plano y aun así calentarse.

La misma física explica un fallo de campo frecuente: una barra especificada para un enlace de batería en continua se reutiliza en una salida de alterna con la misma corriente nominal, y la unión se calienta más de lo previsto porque la corriente ya no se reparte como suponía el cálculo en continua.

Temperatura ambiente y derrateo dentro del cuadro

La tabla supone aire libre a un ambiente de referencia. Meta esa misma barra en un armario cerrado sobre una azotea en verano y el calentamiento admisible se reduce, porque la temperatura techo la fija el aislamiento y el punto de partida ha subido.

La corrección es una relación, no una tabla de números mágicos. Si una barra se diseña para un calentamiento de 65 K desde 40 °C de ambiente, y el armario funciona en realidad a 55 °C, el calentamiento admisible pasa a 50 K. La disipación de una barra varía aproximadamente con la diferencia respecto al ambiente, así que la corriente admisible varía aproximadamente con la raíz cuadrada de la relación de calentamientos: √(50/65) ≈ 0,88, es decir, alrededor de un 12 % menos de corriente para la misma barra.

Es una aproximación de ingeniería y lo asume. Indica la dirección y el orden de magnitud del derrateo, que es lo que se necesita para decidir si el diseño tiene margen. No sustituye a un ensayo de calentamiento ni cubre un armario donde la barra es la fuente de calor de todo lo que está encima.

Efectos de envolvente que hay que sumar: ausencia total de ventilación, polvo o pelusa sobre las barras, tendido en canaleta con otros conductores cargados y aporte solar sobre una envolvente exterior. Cada uno de estos factores ha provocado más barras sobrecalentadas en campo que una densidad de corriente mal elegida.

Aguante a cortocircuito: el límite que nadie comprueba

Capacidad permanente y capacidad de defecto son dos cálculos separados, y una barra que pasa el primero puede fallar el segundo. La comprobación adiabática pregunta si la barra puede absorber la energía del defecto sin que su temperatura supere el límite que permite el material.

La forma clásica es S = I × √t / k, donde S es la sección necesaria en mm², I la corriente de defecto en amperios, t el tiempo de despeje en segundos y k una constante de material y aislamiento tomada de la norma que se aplique. Para cobre con aislamiento XLPE, la IEC 60364-5-54 da k = 143. Invirtiendo en una barra de cobre de 200 mm² con 0,1 s de despeje se obtiene un aguante de unos 90 kA; con 1 s de despeje, solo unos 29 kA.

Dos consecuencias. Primera, el tiempo de despeje domina: una barra cómoda detrás de un fusible rápido no lo es automáticamente detrás de uno lento. Segunda, el lado mecánico debe comprobarse por separado: el esfuerzo electromagnético de pico entre barras paralelas durante un defecto y la resistencia de los soportes. Una barra puede pasar la comprobación térmica y aun así salir arrancada de sus aisladores.

Cómo se verifica realmente una barra (IEC 61439)

En un conjunto cubierto por la IEC 61439, la corriente que puede transportar una barra no se establece solo por cálculo. El calentamiento se verifica por ensayo sobre un montaje representativo o por comparación con un diseño de referencia ya verificado según las reglas de la norma. Por eso dos proveedores pueden anunciar valores distintos para barras geométricamente idénticas: lo que cambia es la envolvente, el montaje, el recubrimiento y la evidencia de ensayo detrás de la cifra.

Para un comprador, eso cambia la pregunta. No pida solo una intensidad. Pida la intensidad con sus condiciones: temperatura ambiente, tipo de envolvente, orientación de montaje, número de barras por fase y si el valor es verificado por ensayo de tipo o calculado. Una intensidad sin condiciones es una cifra comercial, y será el origen de la discusión cuando el cuadro caliente en su primer verano.

Qué poner en el plano antes de pedir precio

Especifique estos ocho puntos y la conversación comercial se acorta:

• Corriente permanente por fase, y si esa cifra ya incluye reserva para ampliación.
• Tensión y frecuencia del sistema, más la corriente de defecto y el tiempo de despeje para la comprobación de aguante.
• Sección y material, como ancho × espesor en milímetros, con cobre o aluminio indicado explícitamente en lugar de dejarlo al proveedor.
• Recubrimiento — desnudo, estañado, plateado o niquelado — y si se aplica solo a la zona de conexión o a toda la barra.
• Aislamiento, si lo hay: recubrimiento epoxi, funda termorretráctil o barra laminada con dieléctrico especificado.
• Conformado y taladros, en plano: radio de curvatura, diámetro y paso de los taladros, y qué cara debe quedar plana.
• Condiciones de ambiente y envolvente: interior o exterior, ventilación y temperatura máxima que verá el armario.
• Cantidad y embalaje, ya que la mayoría de los pedidos de barras son de proyecto con una lista de curvados y no una referencia de catálogo.

Un plano con estos ocho puntos se cotiza sin una ronda de preguntas, y las discrepancias en la recepción se vuelven raras porque las condiciones viajaron con la cifra.

Barras rígidas de la gama YOMIN

YOMIN suministra barras colectoras en los formatos que fabricantes de cuadros e integradores de paquetes compran habitualmente: barra rígida de cobre o aluminio, aislada o desnuda, fabricada según plano. Dos artículos cubren la mayoría de las consultas que siguen a este artículo:

La barra colectora plana de cobre para alta corriente, aislada (referencia ym-0443) es una barra rígida de cobre o aluminio con aislamiento, ofrecida desde un mínimo de 50 piezas y destinada a instalaciones fijas, paquetes de baterías y aparamenta.

La barra colectora rígida de cobre personalizada por el fabricante (referencia ym-0458) es la versión según plano para instalaciones fijas, paquetes de baterías y aparamenta, desde 100 piezas.

Esos son el material, el tipo y las cantidades publicadas para esos artículos. La intensidad no se publica como cifra única, y es deliberado: depende de las condiciones de su envolvente. Envíe el plano, la corriente por fase, el ambiente y la corriente de defecto, y la intensidad se cotiza para esa configuración y no para una página de catálogo. La gama completa está en barras rígidas y barras de aluminio; para el equilibrio entre materiales con más detalle, vea la guía de barras de cobre y los fundamentos de diseño de barras.

Preguntas frecuentes

¿Cuántos amperios soporta una barra colectora de cobre por mm²?

Como valor de proyecto, 2 a 4 A/mm², con 3 A/mm² como punto medio razonable para una barra al aire libre y 2 a 2,5 A/mm² para una barra en armario cerrado o por encima de 400 mm². Es una estimación de diseño: la intensidad utilizable depende del ambiente, la envolvente, el montaje y el aislamiento, y debe venir de la tabla del proveedor o de un ensayo de calentamiento.

¿Basta una barra de cobre de 50 × 10 mm para 1 500 A?

Sobre el papel sí: 500 mm² a 3 A/mm² son 1 500 A. En su cuadro depende del ambiente y de la envolvente. Un armario cerrado a 55 °C, o dos barras en paralelo con poco hueco, bajan la cifra utilizable muy por debajo de 1 500 A. Compruebe el derrateo antes de fijar el plano.

¿Cuánta corriente lleva una barra de aluminio frente al cobre?

Alrededor del 61 % de la cifra del cobre para la misma sección, porque el aluminio conduce aproximadamente el 61 % en volumen. Para igualar una barra de cobre se necesita cerca de 1,6 veces la sección, con un peso aún próximo a la mitad. La preparación de la conexión importa más con aluminio por la capa de óxido.

¿Por qué mi barra se calienta en las conexiones y no en el centro?

Porque el problema suele ser la resistencia de la unión, no la de la barra. Tornillos poco apretados, superficie de aluminio sin preparar, recubrimientos incompatibles o una unión aflojada por ciclos térmicos añaden resistencia en un punto donde hay muy poca superficie para disipar calor. Mida la temperatura en la unión bajo carga y compárela con la del centro de la barra.

¿Hay que comprobar el aguante a cortocircuito además de la corriente permanente?

Sí. Son dos límites distintos. La corriente permanente fija la temperatura de servicio; la corriente de defecto fija la sección mínima y la robustez de los soportes. Una barra dimensionada solo por corriente de carga puede pasar la comprobación térmica en un defecto y aun así salir arrancada de sus aisladores, o recocerse en la unión.