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CONDUCTORES ELÉCTRICOS Y CÁLCULO DE CORTO CTO.
Qué es el corto circuito y su importancia en el sistema eléctrico. La planificación, el diseño y la operación de los sistemas eléctricos, requiere de minuciosos estudios para evaluar su comportamiento, confiabilidad y seguridad. Estudios típicos que se realizan son los flujos de potencia, estabilidad, coordinación de protecciones, cálculo de corto circuito, etc. Un buen diseño debe estar basado en un cuidadoso estudio que se incluye la selección de voltaje, tamaño del equipamiento y selección apropiada de las protecciones. La mayoría de los estudios necesitan de un complejo y detallado modelo que represente al sistema eléctrico, generalmente establecido en la etapa de proyecto. Los estudios de corto circuito son típicos ejemplos de éstos, siendo esencial para la selección de equipos y el ajuste de sus respectivas protecciones. Las dimensiones de una instalación eléctrica y de los materiales que se instalan, así como la determinación de las protecciones de las personas y bienes, precisan el cálculo de las corrientes de cortocircuito en cualquier punto de la red. Un estudio de corto circuito tiene la finalidad de proporcionar información sobre corrientes y voltajes en un sistema eléctrico durante condiciones de falla. Cálculo de la sección de los conductores. Para determinar la sección de las líneas eléctricas disponemos principalmente de dos métodos: Calcular la sección por el método de las caídas de tensión permitidas por el REBT. Calcular la sección por la capacidad térmica que poseen los conductores en función del sistema de canalización adoptado y del tipo de aislamiento. Objetivo de un estudio de corto circuito. El objetivo del estudio de corto circuito es calcular el valor máximo de la corriente y su comportamiento durante el tiempo que permanece el mismo. Esto permite determinar el valor de la corriente que debe interrumpirse y conocer el esfuerzo al que son sometidos los equipos durante el tiempo transcurrido desde que se presenta la falla hasta que se interrumpe la circulación de la corriente.
Importancia del estudio de corto circuito. Un aspecto importante a considerar en la operación y planificación de los sistemas eléctricos es su comportamiento en condiciones normales, sin embargo también es relevante observarlo en el estado transitorio; es decir, ante una contingencia. Esta condición transitoria en las instalaciones se debe a distintas causas y una gran variedad de ellas está fuera del control humano. Ante ello los equipos y/o sistemas pueden sufrir daños severos temporales o permanentes en condiciones de falla. Por lo tanto, es necesario definir equipos y esquemas de protección adecuados al momento de diseñar las instalaciones, de tal forma que se asegure el correcto desempeño de la red eléctrica, apoyada por los dispositivos de monitoreo, detección y señalización. Debido a lo indicado, se hace indispensable realizar estudios de corto circuito para determinar los niveles de corriente ante fallas, las cuales permiten obtener información necesaria para seleccionar correctamente la capacidad de los equipos en función de los requerimientos mínimos que deben cumplir y así soportar los efectos de las contingencias. Sin embargo, la presencia de fallas es una situación indeseable en un sistema eléctrico, pero lamentablemente no se pueden prever pues se presentan eventualmente teniendo diversos orígenes, por lo que ante estas condiciones, se debe estar en posibilidad de conocer las magnitudes de las corrientes de corto circuito en todos los puntos de la red. En general, se puede mencionar que un estudio de corto circuito sirve para: Determinar las capacidades interruptivas de los elementos de protección como son interruptores, fusibles, entre otros. Realizar la coordinación de los dispositivos de protección contra las corrientes de corto circuito. Permite realizar estudios térmicos y dinámicos que consideren los efectos de las corrientes de corto circuito en algunos elementos de las instalaciones como son: sistemas de barras, tableros, cables, etc. Obtener los equivalentes de Thevenin y su utilización con otros estudios del sistema, como son los de estabilidad angular en los sistemas de potencia y ubicación de compensación reactiva en derivación, entre otros. Calcular las mallas de puesta a tierra, seleccionar conductores alimentadores.
comerciales podemos mencionar las debidas a la ruptura o debilitamiento del aislamiento de conductores y/o equipos y los producidos por agentes ambientales, así como contacto accidental de conductores en líneas áreas por efecto del viento o por movimiento de los postes a causa de temblores o accidentes automovilísticos, o bien simplemente son errores de conexión. En virtud de que el corto circuito trae consigo un incremento súbito del valor de la corriente, se produce también un incremento inmediato del campo magnético asociado a esa corriente, hay que recordar que el campo magnético es directamente proporcional a la corriente eléctrica. Típicamente se producen “chispas” y fusión de los conductores en el lugar en que estos se unieron para provocar la falla por corto circuito. En otras palabras, el corto circuito sublima a los cables, es decir pasa de ser sólido a gas sin ser líquido, debido a una emisión descontrolada de electrones, los cuales tienden a salir y por lo tanto aparenta que explota o que saca esas “chispas”, o sea se presenta un arco eléctrico. También se puede desprender material de los conductores a causa de la corriente tan intensa. Estos elementos pueden causar a su vez que se produzca fuego en materiales consumibles o explosiones en atmósferas peligrosas. Además, los aislamientos de los conductores se calientan rápidamente y también pueden incendiarse. Características del corto circuito: asimetría. Una corriente en régimen normal es una onda senoidal a 60 [Hz] y de amplitud constante, pero cuando sucede un corto circuito, la onda de corriente sigue siendo senoidal con la misma frecuencia pero va decreciendo exponencialmente desde un valor inicial máximo hasta su valor en régimen estacionario, ya que el corto circuito es esencialmente de carácter transitorio. Cálculo de la corriente de corto circuito trifásica en el sistema eléctrico. En una instalación eléctrica de tiendas de autoservicio, es muy común encontrarse con una gama variada de interruptores, algunos de diferente marca que otros, de diferente capacidad nominal y diferente capacidad nominal interruptiva, etc. Por tal motivo, es muy común también encontrarse con errores de selección; pero ¿qué tanto puede afectar una selección inadecuada? La respuesta es similar ya que se pone en peligro a las personas, entonces a continuación, se muestra un pequeño desarrollo de un cálculo de corto circuito trifásico típico. Se realiza un análisis de la falla trifásica, porque además de estar indicada en el PEC-2005 en su artículo 6.2 inciso VI, los interruptores trifásicos soportan mejor una falla monofásica o bifásica, debido a que los esfuerzos mecánicos y la ionización son menores cuando ocurre en una o dos fases; la falla trifásica por ser franca o equilibrada es mucho mayor que alguna otra. Para el cálculo de la corriente de corto circuito se utilizan las
expresiones producto del análisis de circuitos eléctricos, que son las mismas para los diferentes diagramas de impedancias y que corresponden a los diferentes instantes de análisis: en el primer ciclo (subtransitorio), en el instante en el que se lleva a cabo la interrupción (transitorio), o en cualquier otro momento en el cual actúen los relevadores de protección con retardo. El método de solución que se maneja es el de componentes simétricas, considerando la aportación de corto circuito por parte de la compañía suministradora. Como en el caso de un corto circuito trifásico simétrico, el sistema eléctrico queda balanceado, es posible trabajar utilizando el circuito equivalente por fase, con las aproximaciones usuales, aplicando Thevenin en el punto de falla (componentes simétricas). El método es cómodo para resolver problemas con pocos nodos; sin embargo, cuando se trata de sistemas de mayor tamaño, resulta poco práctico. Por otra parte, para calcular un corto circuito en otra barra es necesario hacer de nuevo todos las reducciones. Cuando se trata de sistemas de gran magnitud, los cálculos manuales resultan demasiado engorrosos y se debe recurrir al uso de los computadores digitales. El procedimiento de cálculo cumple con las normas: NOM- 001 - SEDE-2005. Instalaciones Eléctricas (Utilización). STD_141_1993_Red_Book_IEEE Recommended Practice for Electric Power Distribution for Industrial Plants. National Electrical Code 2008. El método de las componentes simétricas basa su procedimiento en encontrar valores en por unidad (PU) de las Impedancias de los elementos que conforman y que tiene aportación de corrientes de corto circuito al sistema, para finalmente obtener la impedancia equivalente de Thevenin y posteriormente evaluar con la ecuación correspondiente a la corriente de secuencia positiva, que en realidad es la corriente de falla. Una vez encontrada, se realiza el producto de la corriente base con la corriente de secuencia, para así obtener la corriente trifásica en el punto de análisis.
En la ecuación anterior podemos sustituir la resistencia R por: La siguiente tabla indica las temperaturas límites de utilización de los distintos aislamientos: Tipo de aislamiento Servicio permanente Cortocircuito (duración máxima 5 s) Policloruro de vinilo (PVC)
Polietileno reticulado (XLPE), Etileno propileno (EPR), Goma butílica
Fuente: Norma UNE 20- 460 - 90, parte 4- 43 El valor de k depende únicamente del conductor y del aislante. En lugar de k' suele emplearse su inversa, k:
Quedando la siguiente expresión para el cálculo de la sección: Que en la mayoría de manuales se encuentra de la forma: Los valores de k, según el tipo de conductor y aislamiento de los cables, son: k Aislante/conductor 115 PVC sobre Cu 74 PVC sobre Al 135 XLPE o EPR sobre Cu 87 XLPE o EPR sobre Al Cálculo de la sección mínima para soportar Cortocircuto. Las líneas eléctricas deben dimensionarse para poder soportar las corrientes que se producirán ante un cortocircuito durante el tiempo en que tarden en cortar los dispositivos de protección. Las corrientes elevadas de cortocircuito producen un calentamiento elevado del cable por efecto Joule y además pueden aumentar las fuerzas entre conductores debido a los campos magnéticos que generan. Consideraremos siempre un circuito trifásico para los cálculos por tanto de la formula de la potencia. Scc = √3 UL x Icc ——- Icc = Scc / √3 x UL Siendo. Icc Intensidad de cortocircuito.
