Previsión de cargas y cálculo de circuitos

10.8 Previsión de cargas y cálculo de circuitos

La previsión de cargas constituye el análisis cuantitativo de la potencia total que consumirá la instalación de alumbrado exterior, siendo base para dimensionamiento de acometida, protecciones, conductores y equipos asociados. El cálculo de circuitos establece la estructura de ramificación de la energía eléctrica desde la acometida general hasta los puntos terminales de iluminación, respetando límites de potencia máxima por rama, caída de tensión admisible, y criterios de seguridad. Para técnicos responsables de gestión del montaje y mantenimiento de redes eléctricas de baja tensión, estos cálculos son competencia crítica que determinan la capacidad de la instalación, su eficiencia energética, y su conformidad con normativa técnica española (REBT, ITC-BT-34).

Cálculo de potencia total de alumbrado exterior

La potencia total de una instalación de alumbrado exterior se calcula sumando la potencia de cada luminaria más los equipos auxiliares (reactancias en luminarias de descarga, drivers en luminarias LED, fotocélulas, reloj astronómico). Una luminaria de 150W consume 150W en el elemento luminoso; si es de descarga (sodio vapor alta presión, vapor de mercurio), requiere reactancia que consume 10-15W adicionales, resultando potencia total 165-175W. Luminarias LED de 150W equivalente (sustitución de luminarias de descarga) consumen típicamente 50-80W (eficiencia significativamente mayor), incluyendo driver incorporado.

En un proyecto típico de alumbrado exterior:

Potencia total estimada: 4,14 kW. Este valor es fundamental para determinar: calibre de magnetotérmico de acometida (mínimo 20A para 4,14 kW en monofásica, o 6A por fase en trifásica de 230/400V), sección de conductor de acometida (mínimo 10 mm² para 20A según tabla ITC-BT-07 del REBT), potencia contratada con compañía distribuidora (mínimo 5,75 kVA considerando factor de potencia 0,8 típico en alumbrado).

Factor de demanda y simultaneidad

En teoría, todas las luminarias se encienden simultáneamente al atardecer, por lo que potencia máxima instantánea es la potencia total calculada (4,14 kW en el ejemplo). Sin embargo, para instalaciones muy grandes con cientos de luminarias, puede aplicarse factor de demanda que reconoce que estadísticamente no todas están siempre en uso simultáneamente. El REBT permite aplicar factores de demanda solo en instalaciones de uso público con gestión centralizada: factor de 1 (100%) durante horas de máxima ocupación, factor de 0,7 durante horas de baja ocupación. Este factor reduce la potencia de cálculo, permitiendo optimización económica de equipos de protección y acometida.

En alumbrado exterior privado (polígonos industriales, aparcamientos privados), debe emplearse potencia máxima calculada sin factor de demanda, porque todas las luminarias están diseñadas para encenderse simultáneamente según el horario programado. El factor de potencia (cos φ) en luminarias LED modernos es cercano a 1 (0,95-0,99); en luminarias de descarga antigua era 0,85-0,90. Un factor de potencia de 0,85 significa que la potencia reactiva es significativa: para potencia activa de 4 kW a cos φ 0,85, la potencia aparente es 4/0,85 = 4,7 kVA, requiriendo mayor capacidad de contratación con distribuidora.

Cálculo de intensidad en acometida y ramas

La intensidad de corriente en acometida y ramas se calcula mediante la ley de Ohm: I = P / (V × cos φ), donde P es potencia (W), V es tensión (V), cos φ es factor de potencia. Para la acometida de 230V monofásica con P = 4.140W y cos φ = 0,95:

I = 4.140 / (230 × 0,95) = 19 A

Se selecciona magnetotérmico de acometida de 20A (próximo valor normalizado superior a 19A). Para una rama de 8 luminarias LED de 70W cada una (total 560W, cos φ = 0,98):

I = 560 / (230 × 0,98) = 2,5 A

Se selecciona magnetotérmico de rama de 10A (valor seguro, considerando que 2,5A × 4 = 10A permite hasta 4 ramas de similar potencia). Si circuito tiene 40 luminarias de 100W (4.000W total), intensidad es:

I = 4.000 / (230 × 0,95) = 18,3 A

Requiere magnetotérmico de 20A y se separa en 3 sub-ramas de 16A cada una (máximo ~2.600W por rama). Este desglose asegura que ningún magnetotérmico experimenta sobrecarga.

Cálculo de caída de tensión en conductores

La caída de tensión en un circuito se calcula mediante la fórmula: V = 2 × L × I × ρ / S, donde L es longitud del circuito en metros, I es intensidad en amperios, ρ es resistividad del material (cobre: 0,0175 Ω·mm²/m), S es sección del conductor en mm². La caída de tensión admisible en alumbrado exterior es máximo 3% de tensión nominal (6,9V en circuito de 230V).

Ejemplo: circuito de 100 luminarias LED de 150W equivalente a 70W real, distancia media de recorrido 200 metros, intensidad estimada 30A (cálculo conservador). Para mantener caída de tensión bajo 3%:

6,9 = 2 × 200 × 30 × 0,0175 / S

S = 12.000 × 0,0175 / 6,9 = 30 mm²

Se selecciona conductor de 35 mm² (próximo valor normalizado superior) para asegurar caída bajo 3%. Si se usara 10 mm² (opción más económica), caída sería 9,8%, generando voltaje en luminaria de 230 - 22,6 = 207,4V, valor bajo que reduce intensidad luminosa (ineficiencia energética) y puede dañar equipos sensibles (LED drivers, fotocélulas).

Ejemplo integrado de cálculo de circuitos

Proyecto de alumbrado exterior para avenida de 500 metros con 10 luminarias de 150W LED (70W real cada una) espaciadas cada 50 metros. Potencia total: 10 × 70 = 700W. Factor de potencia: 0,96. Intensidad: 700/(230×0,96) = 3,2A. Magnetotérmico seleccionado: 10A (seguridad). Configuración de cableado: conductor único de ida y vuelta (sistema monofásico de 2 hilos + tierra) desde cuadro principal. Longitud máxima de circuito: 500m (ida) = 500m de cálculo de caída. Caída permitida: 6,9V máximo. Sección requerida: 2 × 500 × 3,2 × 0,0175 / 6,9 = 8,1 mm². Se selecciona conductor 10 mm² (próximo normalizado), que genera caída: 2 × 500 × 3,2 × 0,0175 / 10 = 5,6V (2,4% de 230V, dentro de límite). Si la avenida estuviera a 1.000 metros de distancia del cuadro principal, la sección requerida sería 16 mm² para mantener caída bajo 3%, con impacto económico significativo. Esta es razón por la que circuitos largos requieren secciones mayores, incrementando coste de material.

Protecciones contra sobrecarga y cortocircuito

El magnetotérmico de rama protege contra dos riesgos: sobrecarga (corriente superior a la nominal pero no catastrófica, típicamente 1,45 veces intensidad nominal) y cortocircuito (corriente muy superior, centenares de amperios). Calibre de magnetotérmico debe ser: mayor que intensidad máxima de servicio normal, menor que intensidad que causa daño a conductores por calor. Conductores de cobre soportan 3 segundos a 5 veces su intensidad nominal antes de sufrir daño térmico. Un magnetotérmico de 16A con poder de corte 10 kA (valor típico) tolera cortocircuitos hasta 10.000A sin dañarse, protegiendo circuito.

Protección diferencial (interruptor diferencial de 30mA) está en acometida general (40A/30mA típicamente) para protección contra contactos indirectos (electrocución por contacto con estructura metálica energizada accidentalmente). Este dispositivo abre el circuito si detecta fugas de corriente a tierra mayores a 30mA, ofreciendo protección individual frente a riesgo eléctrico.

Ideas clave

• La previsión de cargas calcula potencia total sumando potencia de cada luminaria más equipos auxiliares; luminarias LED modernas consumen 30-60% menos que luminarias de descarga equivalentes.
• Potencia total determina calibre de acometida, sección de conductor principal, y potencia contratada con distribuidora: 4 kW requiere acometida 20A monofásica, conductor 10 mm² mínimo.
• Intensidad en cada rama se calcula por ley de Ohm considerando factor de potencia (típicamente 0,95-0,99 en LED), limitando carga máxima por magnetotérmico a valores normalizados (10A, 16A, 20A).
• Caída de tensión en conductores se limita a máximo 3% de tensión nominal (6,9V en circuito 230V); secciones mayores requieren longitud de circuito aumentadas, con impacto económico directo.
• Configuración de circuitos ramifica la potencia desde acometida general en múltiples sub-circuitos por criterios de funcionalidad, control independiente, y limitación de caída de tensión.
• Protecciones (magnetotérmicos de rama, diferencial de entrada) debe seleccionarse considerando intensidad máxima de servicio, capacidad de cortocircuito del equipo, y requisitos de seguridad contra electrocución.