UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAOUNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO 2015
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAOMAQUINAS ELECTRICAS IIIAplicacin del corto circuito bajo norma VDE e IECFACULTAD DE INGENIERA ELCTRICA Y ELECTRNICAESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERA ELCTRICAPROFESOR: MURILLO MANRIQUE HUBERINTEGRANTES:AGUIRRE SALVADOR MONICA MABEL 092554I CHUQUIVAL RAMREZ JOSE ENRIQUE 1113120495ESCOBAR CHAMORRO JOSE ALEJANDRO 050533CTAMARIZ BRONCANO CHRISTIAM 092538CESPINOZA DIAZ SAMUEL REYES 070550KCUYUBAMBA CHAVARRIA ANGEL 070538K.GRUPO 82015
INDICE PAG
1. INTRODUCCIN..2
2. RESUMEN.....3
3. FUNDAMENTO TERICO.....................................4
4. TIPOS Y CAUSA DE FALLAS.......4
5. FUENTES DE APORTACION DE CORRIENTES DE CORTOCIRCUITO ...8
6. NORMATIVIDAD11
7. NORMA VDE.......11
8. NORMA IEC.17
9. LAS CARACTERSTICAS DE LOS APARATOS SON FIJADAS POR LA NORMA IEC 60947.19
10. CARACTERISTICAS ELECTRICAS BAJO NORMA IEC 60947-2...20
11. APLICACIONES DE LAS NORMAS IEC Y VDE 22
12. LA FUNCIN INTERRUPCIN ....24
13. LA FUNCIN PROTECCIN..26
14. APLICACIONES CON SOFTWARE28
15. CONCLUSIONES32
16. BIBLIOGRAFA .32
I. INTRODUCCION
Los cortocircuitos no son frecuentes y, cuando se producen, apenas duran unas dcimas de segundo pero sus consecuencias son tan graves e imprevisibles que obligan a un constante estudio y mejora de los dispositivos de proteccin.
La mayor parte de las normas de proteccin de las instalaciones elctricas nos indican que no solo deben considerarse las corrientes y tensiones debidas a las de servicio, sino tambin las debidas a sobrecargas producidas por los cortocircuitos. Las corrientes de cortocircuito presentan valores mayores a los nominales, provocando sobrecargas trmicas y electrodinmicas elevadas aparte las corrientes de cortocircuito que circulan por tierra pueden ser causa de tensiones e interferencias inadmisibles. Pero no solo son importantes las corrientes mximas de cortocircuito si no tambin las corrientes mnimas de cortocircuito ya que estas en definitiva son las que permiten dimensionar los dispositivos de proteccin de las redes.
Este comportamiento de los cortocircuitos se hace especialmente peligroso en contacto con las personas pudiendo ocasionar lesiones de gravedad y causar daos en los instrumentos o mquinas de las instalaciones afectadas, es por tanto de suma importancia conocer los valores que en un punto determinado del cortocircuito puedan adoptar las corrientes mximas y mnimas de cortocircuito ya que solo de esta forma ser posible proteger eficazmente a las instalaciones de tan graves consecuencias.
II. RESUMEN
Un aspecto importante a considerar en la operacin y planificacin de los sistemas elctricos es su comportamiento en condiciones normales, sin embargo tambin es relevante observarlo en el estado transitorio; es decir, ante una contingencia. Esta condicin transitoria en las instalaciones se debe a distintas causas y una gran variedad de ellas est fuera del control humano.
Ante ello los equipos y/o sistemas pueden sufrir daos severos temporales o permanentes en condiciones de falla. Por lo tanto, es necesario definir equipos y esquemas de proteccin adecuados al momento de disear las instalaciones guindonos de las normas competentes tales sean las normas VDE e IEC, de tal forma que se asegure el correcto desempeo de la red elctrica, apoyada por los dispositivos de monitoreo, deteccin y sealizacin. Debido a lo indicado, se hace indispensable realizar estudios de corto circuito para determinar los niveles de corriente ante fallas, las cuales permiten obtener informacin necesaria para seleccionar correctamente la capacidad de los equipos en funcin de los requerimientos mnimos que deben cumplir y as soportar los efectos de las contingencias. Sin embargo, la presencia de fallas es una situacin indeseable en un sistema elctrico, pero lamentablemente no se pueden prever pues se presentan eventualmente teniendo diversos orgenes, 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 proteccin como son interruptores, fusibles, entre otros.
Realizar la coordinacin de los dispositivos de proteccin contra las corrientes de cortocircuito.
Permite realizar estudios trmicos y dinmicos 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 utilizacin con otros estudios del sistema, como son los de estabilidad angular en los sistemas de potencia y ubicacin de compensacin reactiva en derivacin, entre otros.
III. FUNDAMENTO TEORICO
Un aspecto importante a considerar en la operacin y planeacin de los Sistemas Elctricos de Potencia es su comportamiento en condiciones transitorias y un caso de inters especial lo representa el comportamiento en condiciones de cortocircuito. La condicin normal de un sistema elctrico es sin falla, no obstante no es posible evitar la presencia de fallas en las instalaciones por distintas causas, muchas de ellas fuera del control humano. Un sistema elctrico en condiciones de falla puede sufrir daos que en ocasiones son graves, por lo que es necesario disear las instalaciones en tal forma que contengan los elementos de proteccin adecuados.
Los estudios de cortocircuito son necesarios en los sistemas elctricos porque proporcionan la informacin que sirve de base para la seleccin de los interruptores, el ajuste y la coordinacin de protecciones considerando desde luego los efectos trmicos y dinmicos del cortocircuito que puedan ser soportados por los elementos del sistema elctrico. Las fuentes que aportan corriente de cortocircuito estn representadas por la alimentacin del sistema, por las mquinas de respaldo y generacin complementaria. Tambin contribuyen al cortocircuito los motores sncronos, convertidores sncronos y motores de induccin. Los datos bsicos requeridos para el clculo son las impedancias de cada uno de los elementos del sistema elctrico, encargados de limitar la corriente de cortocircuito, desde la alimentacin hasta el punto en que se calcula la falla, referidas a una base comn.
TIPOS Y CAUSA DE FALLAS
Una falla en un circuito elctrico es cualquier evento que interfiere con el flujo normal de corriente.
En los sistemas de distribucin, pueden presentarse principalmente dos tipos de falla segn su naturaleza.
Fallas de naturaleza transitoria
Son aquellas donde la perdida de aislamiento de los elementos del sistema sometidos a tensin elctrica, es momentnea, es decir, que se trata de aislamientos del tipoautorestaurables. Algunos tipos de fallas transitorias incluyen contactos momentneos con ramas de rboles, flameo por contaminacin o arqueo del aislamiento por descargas atmosfricas, mezclndose en este ltimo caso las ondas de la sobre tensin de forma no sostenida con la corriente de frecuencia nominal.
Dado el corto tiempo de presencia de este fenmeno, incluso en algunas ocasiones los dispositivos de proteccin contra sobre corriente no llegan a operar dependiendo de la capacidad de auto-recuperacin del aislamiento, por lo que podra establecerse una auto-liberacin de la falla sin la accin de una proteccin .
Otros tipos de fallas, de las cuales resultan corrientes de frecuencia nominal pueden ser de naturaleza transitoria si la tensin del elemento fallado es interrumpida rpidamente por la accin de un dispositivo de proteccin y luego restablecida despus de que el aislamiento ha recuperado su capacidad dielctrica. Tales fallas pueden resultar de descargas atmosfricas con flameo de aislamiento, contacto de aves o animales, movimientos de conductores cercanos, etc.
Fallas de naturaleza permanente
Son aquellas donde la prdida de aislamiento del elemento fallado es permanente, al tratarse tanto de aislamientos del tipo no restaurables, como de aislamientos auto restaurables en donde su capacidad dielctrica es drsticamente reducida. Las fallas permanentes son aquellas que requieren reparacin, mantenimiento o reposicin del equipo antes de que la tensin elctrica pueda ser restablecida en el punto de falla. Su ocurrencia generalmente origina una prdida irreversible del aislamiento cuando ste es del tipo no restaurables. Si se trata de aislamientos del tipo auto restaurables, tales como el aire, la prdida del aislamiento es debida a contacto de elementos conductores, ya sea entre ellos o a tierra, provocado normalmente como consecuencia de fallas mecnicas o estructurales.
Un sistema elctrico a prueba de fallas no es prctico ni econmico. Los sistemas elctricos modernos que como prctica son construidos con altos niveles de aislamiento, tienen suficiente flexibilidad para que uno o ms de sus componentes puedan estar fuera de operacin afectando en forma mnima la continuidad del servicio. Adicionalmente a las deficiencias de aislamiento, las fallas pueden ser resultado de problemas elctricos, mecnicos y trmicos o de cualquier combinacin de stos.
Para asegurar una adecuada proteccin, las condiciones existentes en un sistema durante la ocurrencia de diversos tipos de fallas deben ser comprendidas claramente. Estas condiciones anormales proporcionarn los criterios de discriminacin para la operacin de los dispositivos de proteccin. La mayora de los tipos y causas de falla se encuentran listados en la tabla 1.
Tabla 1Tipos y causas de falla
PRINCIPALES TIPOS Y CAUSAS DE FALLA
TIPO
CAUSA
AISLAMIENTO
defectos o errores de diseo, fabricacin
inadecuada, instalacin inadecuada,
aislamiento envejecido, contaminacin
ELECTRICO
descargas atmosfricas, sobretensiones
transitorias por maniobra,
sobretensiones dinmicas
TERMICA
falla de enfriamiento, sobrecorriente,
sobretensin, temperatura ambiente
MECANICA
esfuerzos por sobrecorriente, sismo,
impactos por objetos ajenos, nieve o
viento
Los dispositivos de proteccin deben operar para los siguientes tipos de falla, conocidas como fallas paralelo (SHUNT), las cuales tienen la probabilidad de ocurrencia indicada en la tabla 2
Tabla 2 Probabilidad de ocurrencia para diferentes fallas
PRINCIPALES TIPOS DE FALLAS Y SU PROBABILIDAD DE OCURRENCIA
TIPO
PROBABILIDAD ( % )
MONOFASICA(fase a tierra)
85
BIFASICA A TIERRA(dos fases a tierra)
8
BIFASICA(entre dos fases)
5
TRIFASICA(entre las tres fases)
2
Con el fin de determinar las caractersticas de los elementos de proteccin y los estudios de esfuerzos electrodinmicos en una subestacin elctrica se realiza el estudio para fallas:
De lnea a tierra
Trifsica
El primer tipo de falla, por ser el de mayor probabilidad de ocurrir o presentarse con mayor frecuencia, representando la mnima corriente de cortocircuito ; y el segundo, porque a pesar de ser el menos probable, somete a los equipos a los esfuerzos ms severos, ya que representa la mxima corriente de cortocircuito.
Por todo lo anterior este trabajo se realiza tomando los casos extremos de ocurrencia de fallas, sin que esto quiera decir que el anlisis completo para un sistema no considere las dems ocurrencias de falla. Para fallas simultneas en dos partes de un sistema, generalmente es imposible para un dispositivo de proteccin el operar adecuadamente bajo todas las condiciones. Si ambas fallas simultneas estn dentro de la zona de operacin de la proteccin al menos uno de los elementos de deteccin de la misma operar adecuadamente, con la subsecuente operacin secuencial de todas protecciones que estn "viendo" las fallas. Cuando ambas fallas aparecen simultneamente dentro y fuera de la zona de cobertura de proteccin, algunos equipos presentan una dificultad para determinar si deben actuar o no. Afortunadamente las fallas simultneas no ocurren con frecuencia y no representa un caso significativo de operaciones incorrectas.
Efectos de las fallas
El SEP deber tener una adecuada proteccin, pues en caso contrario; pueden existir los efectos siguientes:
Una falla no solo puede producir interrupcin en una zona reducida, si no que puede llegar a interrupciones de mayor magnitud, como es la perdida de sincronismo, de estabilidad y por consiguiente, de no ser librada la falla, se tendrn enormes magnitudes de corriente en las fases restantes de las fuentes generadoras trayendo consigo una interrupcin general.
Puede destruir parte de las instalaciones y los equipos, resultando muy costoso su reemplazo o sustitucin.
Mal servicio al usuario, en el caso de la compaa suministradora, por variaciones en la frecuencia y cada de voltaje.
Perdida en la produccin, en el sector industrial, y por consiguiente perdidas econmicas.
Perdidas de materia prima
Perdidas por adecuacin y limpieza de equipo.
Perdidas humanas.
Angulo de falla
El factor de potencia o ngulo de una corriente de falla, est determinado para las fases falladas por la naturaleza de la fuente y la topologa de los circuitos conectados hasta la ubicacin misma de la falla; y para las fallas a tierra por el tipo de aterrizamiento del sistema.
La corriente tendr un ngulo de 80 a 85 atrs para una fase fallada cerca de las fuentes de generacin. El ngulo ser menor en el sistema dependiente de las lneas involucradas.
Los ngulos de falla tpicos para lneas areas con conductor desnudo son los siguientes:
7.2 a 23 KV: 20 a 45 atrs
23 a 69 KV: 45 a 75 atrs
69 a 230 KV: 60 a 80 atrs
230 KV y mayores: 75 a 85 atrs
En estos niveles de tensin, las corrientes para las fases falladas tendrn los ngulos mostrados donde la impedancia de lnea es la mayor.
Si predomina la impedancia de transformadores o generadores, los ngulos de las fallas sern mayores.
FUENTES DE APORTACION DE CORRIENTES DE CORTOCIRCUITO
Es importante para cualquier instalacin elctrica hacer el estudio de cortocircuito por lo que es necesario saber en principio que elementos intervienen y en qu forma. As como el nivel de influencia en cada caso.
Un sistema elctrico de potencia est constituido bsicamente por fuentes de energa, elementos de transformacin, lneas de transmisin y redes de distribucin, as como los elementos de consumo (cargas) que elctricamente hablando se pueden dividir en elementos activos (fuentes) y elementos pasivos (en general impedancias de distintos elementos) es decir, se consideran como fuentes suministradoras de corrientes de cortocircuito a:
Generadores.
Convertidores sncronos.
Motores sncronos.
Motores de induccin.
Son elementos pasivos o limitadores de corriente de cortocircuito:
Las impedancias de las mquinas rotatorias (generadores, convertidores sncronos, motores sncronos y de induccin.)
Las impedancias de las lneas de transmisin redes de distribucin, transformadores y en general todo tipo de reactores y resistencias limitadoras.
Efectos trmicos del cortocircuito
Una proteccin adecuada y selectiva elimina un cortocircuito en algunas dcimas de segundo, en cambio si la proteccin no es adecuada, las consecuencias trmicas de las corrientes de cortocircuito sobre el sistema se presentan cuando la energa trmica acumulada se difunde en todas las partes no metlicas y provoca daos severos. Tambin se puede presentar que a corrientes de cortocircuito muy elevadas se presentan altas temperaturas en un intervalo de tiempo tan corto que los medios refrigerantes y el aislamiento no alcanzan a absorber la temperatura que se presenta de improviso.
Los puntos ms fciles de ceder son las partes metlicas mecnicamente ms frgiles, donde el efecto trmico se asocia con el efecto dinmico producido por las corrientes de cortocircuito. En la figura se muestra la duracin de la vida til de los diferentes tipos de aislamientos con base a la temperatura que operan as como el material con que estos son elaborados.
Tabla 3 Clase, material y temperatura mxima de operacin de los diferentes tipos de aislamientos.
CLASE
MATERIAL
TEMPERATURA
MAXIMA C.
Y
PAPEL. ALGODON, MADERA, SEDA, GOMA.
95
A
MATERIALES ORGANICOS DE LA CLASE Y PERO SUMERGIDOS EN ACEITE.
105
E
ESMALTADOS POR HILOS.
120
B
FIBRA Y TEJIDOS DE VIDRIO, AGLOMERADOS DE MICA.
130
F
MATERIALES DE LA CLASE B IMPREGNADOS CON ELEMETOS DE ELEVADA ESTABILIDAD TRMICA (RESINAS SILICONADAS Y EPOXICAS)
155
H
IGUAL QUE LA CLASE F
165
Efectos dinmicos.
Los efectos dinmicos de las corrientes de cortocircuito son de doble naturaleza, porque estn relacionados con la dilatacin trmica de los materiales, y por las fuerzas de atraccin y repulsin que actan durante el fenmeno. Estos esfuerzos dinmicos provocan esfuerzos de tipo mecnico en las partes rgidas del sistema como las barras, tableros de fuerza, etc.
En el caso de los cables de potencia, cuando tienen aislamiento de polietileno, sufren deformacin por las bruscas elevaciones de temperatura. En el caso de los medios aislantes con diferente coeficiente de dilatacin, se tienen deformaciones de menor intensidad, por lo tanto, las deformaciones en los cables estn dados en funcin de sus caractersticas de elaboracin.
Mtodos de estudio de cortocircuito.
En estudios de sistemas elctricos complejos con un elevado nmero de elementos se requiere el uso de elementos digitales de clculo, pero es conveniente conocer la metodologa bsica para el estudio de cortocircuito, a fin de poder resolver problemas ms o menos simples y poder comprender la metodologa empleada en los mtodos computacionales, en este trabajo se expondrn nicamente los siguientes mtodos bsicos.
Componentes simtricas.
Bus infinito.
Mvas.
Mtodo porcentual (mtodo por unidad).
Mtodo por software.
La seleccin del mtodo que se utilizar para dicho estudio se efecta de acuerdo al grado de aproximacin que se requiera y dependiendo de la complejidad del sistema elctrico a analizar.
NORMATIVIDAD
NORMA VDE
Para el estudio de los cortocircuitos han de considerarse diferentes parmetros y magnitudes como son: las intensidades, las impedancias, las potencias o los tiempos de retardo en el disparo de los dispositivos de proteccin. Segn la Norma VDE 102, estos parmetros se definen y simbolizan de la siguiente forma:
Corriente instantnea total de cortocircuito .
Corriente instantnea simtrica de cortocircuito . Es la componente de la corriente instantnea total de cortocircuito que presenta la frecuencia de servicio.
Corriente aperidica de cortocircuito. Es la componente de la corriente instantnea total de cortocircuito que representa al efecto inductivo de la bobina (a mayor inductancia, mayor permanencia de esta corriente).
Corriente subtransitoria simtrica de cortocircuito. Valor eficaz de la corriente de cortocircuito en el instante de producirse la falta.
Corriente transitoria simtrica de cortocircuito . Valor eficaz de la corriente de cortocircuito cuando han transcurrido 0.1 segundos desde que se produjo el fallo.
Corriente permanente simtrica de cortocircuito . Valor eficaz de la corriente de cortocircuito que perdura despus de los fenmenos transitorios (normalmente el estado permanente aparece a partir de los 5 seg posteriores al cortocircuito).
En los cortocircuitos trifsicos prximos a generadores con excitacin constante, la corriente permanente de cortocircuito es menor que la corriente transitoria, y sta, a la vez, es menor que la corriente subtransitoria ( > > ).
En los cortocircuitos trifsicos alejados de los generadores, coinciden prcticamente las tres corrientes de cortocircuito ( = = ). Esto es debido a que con las distancias se amortiguan los efectos de la corriente aperidica de cortocircuito producidos por las bobinas.
Corriente mxima asimtrica de cortocircuito . Denominada tambin valor pico a pico, es el valor mximo que alcanza la corriente instantnea de cortocircuito al producirse el fallo.
Corriente simtrica de corte . Valor eficaz de la corriente simtrica de cortocircuito que circula por un interruptor en el momento que se inicia la separacin de los contactos (corriente de corte).
Impedancia directa . Impedancia equivalente de la red de secuencia directa vista desde el punto de cortocircuito.
Impedancia inversa . Impedancia equivalente de la red de secuencia inversa vista desde el punto de cortocircuito.
Impedancia homopolar . Impedancia equivalente de la red homopolar vista desde el punto de cortocircuito.
Fuerza electromotriz inicial subtransitoria. Valor eficaz de la fuerza electromotriz de una mquina sncrona en el instante de producirse el cortocircuito. Es un valor que debe expresarse como tensin entre fase y neutro.
Tensin de servici de la red . Valor medio de las tensiones de lnea con las que se explota la red en condiciones normales.
Tensin nominal de la red . Tensin de lnea con el que se designa la red.
Potencia aparente subtransitoria de cortocircuito . Es el valor de la potencia aparente de lnea considerando el rgimen subtransitorio.
Retardo mnimo de desconexin . Tiempo que transcurre desde que se produce el cortocircuito hasta que se desconectan los polos del interruptor. Es la suma del tiempo mnimo de actuacin del rel y de la apertura del mismo (sin tener en cuenta los retardos ajustables de forma voluntaria).
La Norma Alemana VDE 102 nos indica un mtodo para hallar las corrientes de cortocircuito
la Norma VDE nos propone un sistema alternativo, en el cual es suficiente con considerar en el punto de cortocircuito una nica fuente ficticia de energa con un valor de la fuerza electromotriz entre fase y neutro de:
La tensin (Un) es la tensin de lnea del punto de cortocircuito un instante antes de producirse el mismo, es decir, en rgimen permanente, y por tanto fcilmente calculable. El coeficiente (c) representa el paso de la tensin de lnea al valor de la fuerza electromotriz de la fuente ficticia (normalmente su valor es de c=1.1)
Las fuerzas electromotrices de los generadores, motores y las correspondientes a las acometidas se consideran nulas. Pero deben tenerse presentes sus impedancias, es decir, es muy importante detectar la presencia y localizacin de estas fuentes en la red general, ya que slo se tendrn en cuenta para el clculo de la impedancia equivalente de cortocircuito vista desde el punto de falta, los circuitos o ramas en los que exista una fuente generadora de energa.
No se consideran las susceptancias (capacidades transversales) ni las prdidas por conductancia de las lneas en los sistemas directo e inverso, as como tampoco las impedancias transversales debidas a motores; los motores se tratan como generadores. Por el contrario, todos estos parmetros transversales (excepto los debidos a motores) deben tenerse presentes en el clculo de la impedancia resultante en secuencia homopolar.
Para las redes trifsicas con tensiones nominales superiores a 1 kV se cumple tanto para los cortocircuitos prximos al generador como para los alejados de l:
Dnde:
Un = Tensin nominal (tensin de lnea) de la red en la que est situado el punto de cortocircuito (en kV)
c =1.1 = Diferencia entre la fuerza electromotriz y la tensin de la red
En las redes trifsicas con tensiones nominales inferiores a 1000 V y sin generadores de baja tensin se cumple:
Dnde:
UNT = Tensin nominal (tensin entre lneas) del lado de baja tensin de los transformadores que alimentan a la red (en kV)
c =1.0 Para el clculo de las mximas corrientes iniciales simtricas de cortocircuito
c =0.95 Para el clculo de las mnimas corrientes iniciales simtricas de cortocircuito
Se tiene que tener en cuenta adems las siguientes corrientes a calcular:
Corriente inicial de cortocircuito Ik
Valor eficaz inicial que toma la corriente de cortocircuito en el momento que se produce la falla (figura). La misma se puede calcular, para el caso de cortocircuito trifsico, reemplazando en Ztotal de la frmula , a Xg por X la cual se denomina reactancia subtransitoria del generador, y es la reactancia interna que presenta el mismo en el instante que se produce la falla. El valor de esta es bastante menor que la reactancia de la mquina en operacin normal. El valor de X es suministrado por el fabricante del generador. Luego se define como potencia inicial de cortocircuito:
Aclaracin: Las mquinas rotantes del sistema elctrico, generadores, motores sincrnicos o asincrnicos, etc.., presentan, ante la ocurrencia de un cortocircuito una reactancia variable en el tiempo (ver figura). Debido a fenmenos transitorios electromagnticos dentro de la mquina, al inicio de la falla la mquina presenta la reactancia subtransitoria X (aprox. 15% de la reactancia en operacin normal) y su presencia se debe exclusivamente a la jaula de amortiguamiento instalada en el rotor; luego de uno o dos ciclos y medio (aprox. 50 ms) presenta la reactancia transitoria X (aprox. entre 40% y 50% de la reactancia en operacin normal), cuya presencia y duracin se debe exclusivamente a los arrollamientos de excitacin, y finalmente, luego de aprox. 10 ciclos (200 ms) la mquina presenta nuevamente su reactancia de operacin normal Xd. Los componentes estticos ( no tienen elementos rotantes) de la red, trafos, lneas, reactores, etc.., no presentan estas variaciones de la impedancia durante los fenmenos transitorios.
Corriente de choque Is
Valor instantneo del primer mximo que alcanza la corriente de cortocircuito luego de que se produce la falla (figura). Como se trata del mximo valor posible instantneo que alcanzar la corriente de cortocircuito luego de producirse la falla, en ese instante estarn presentes los mximos esfuerzos mecnicos, proporcionales al cuadrado de esta corriente segn se vio en el punto 1. Por lo tanto, Is resulta un parmetro fundamental de diseo mecnico de los componentes de un sistema elctrico. Is se calcula a partir de la como:
Donde C se denomina factor de choque al cual la norma VDE102 recomienda tomar como 1.8 para redes de alta tensin y 1.6 para redes de distribucin en media tensin.
Variacin en el tiempo de la corriente de falla.
Corriente de apertura Ia
Valor eficaz de la corriente de falla en el momento que se produce la primera separacin de contactos del interruptor de potencia. Ia se calcula a partir de Ik como:
Donde el factor m se selecciona segn la norma VDE 102 en funcin de la relacin Ik/In del generador y el tiempo estimado de apertura del interruptor (ver figura).
Una vez calculada la corriente Ia se calcula la potencia ficticia de apertura como:
Con el valor de Sa calculado se puede verificar si el mismo supera la capacidad de apertura nominal de los interruptores asociados (tarea de verificacin) o seleccionar la potencia de corte para un interruptor a instalar (tarea de diseo). En el ejemplo tratado, los interruptores asociados a la barra fallada podran ser verificados siguiendo los pasos descriptos
Corriente de estado permanente Ik
Valor eficaz de la corriente de cortocircuito una vez extinguidos los procesos transitorios. Como se acot anteriormente, luego de transcurridos los procesos transitorios dentro de la mquina, la misma presenta nuevamente su reactancia de operacin normal Xd. Luego, Ik puede calcularse reemplazando en Ztotal Xg por Xd en la frmula . Ik es til para el diseo trmico de componentes. Durante los procesos transitorios, los cuales son normalmente de muy corta duracin, no existen problemas de disipacin trmica en los componentes; desde luego se espera que las protecciones acten en forma inmediata para despejar la falla.
Si por alguna razn las protecciones no actan, ya sea por falla del rel y/o del interruptor, el tiempo de despeje de la falla depender ahora de las protecciones de respaldo, normalmente temporizadas con un tiempo mayor que las protecciones principales (criterio de selectividad), al cabo del cual ya se estar nuevamente en rgimen permanente con la corriente Ik. La cuestin radica en calcular o definir cual es el tiempo mximo que puede estar presente Ik en los componentes que la transportan. Esto depender de cada componente; el componente ms dbil impondr en este sentido las limitaciones de tiempo y, por lo tanto, el ajuste de la temporizacin del disparo de los rels de respaldo.
NORMA IEC
El mtodo IEC de clculo de las corrientes de corto circuito utiliza una fuente de voltaje equivalente en el sitio de la falla y ser la nica fuente activa del sistema elctrico en el proceso de clculo. Todos los alimentadores de la red, mquinas sncronas y asncronas, transformadores, etc. Se representan con sus impedancias internas.
Tambin son necesarias las condiciones de operacin de la red elctrica y las cargas, la posicin del cambiador de taps de los transformadores, la excitacin de los generadores, etc.
Las corrientes de corto circuito de cualquier tipo de falla, son de magnitudes mayores a las nominales, por tanto, se generan grandes esfuerzos trmicos y dinmicos en todos los componentes de la red elctrica.
La norma IEC 60909 (2001) reconoce el clculo de cuatro corrientes de falla:
La corriente de corto circuito inicial Ik.
La corriente de corto circuito pico Ip.
La corriente de corto circuito de interrupcin Ib.
La corriente de falla en estado estacionario Ik.
La norma IEC 60909 (2001) proporciona una gua para calcular las corrientes de falla mximas y mnimas. Las primeras se comparan con los valores nominales de los interruptores, mientras que las ltimas para la coordinacin de los dispositivos de proteccin.
Beneficios
Para verificar la nominacin de los equipos de interrupcin existentes.
Para determinar los ajustes de los dispositivos de proteccin del sistema elctrico.
Para determinar los efectos de las corrientes de falla sobre los diferentes componentes del sistema tales como cables, lneas areas, buses, transformadores y reactores durante el tiempo que dura la falla.
Evaluar los efectos de las diferentes clases de corto circuito que pueden tener sobre el perfil de tensin en todo el sistema elctrico.
Conceptualizar, re-disear y corregir el arreglo del sistema elctrico, la puesta a tierra del neutro y de las partes metlicas no conductoras.
Sirve de base para el estudio de coordinacin de protecciones de sobrecorriente.
IEC 60909-0 Ed. 1.0: Short-circuit currents in three-phase a.c. systems Part 0: Calculation of currents
IEC/TR 60909-1 Ed. 2.0: Short-circuit currents in three-phase a.c. systems Part 1: Factors for the calculation of short-circuit currents according to IEC 60909-0
IEC/TR 60909-2 Ed. 1.0: Electrical equipment Data for short-circuit current calculations in accordance with IEC 909 (1988).
IEC 60909-3 Ed. 2.0: Short-circuit currents in three-phase a.c. systems Part 3: Currents during two separate simultaneous line-to-earth short circuits and partial short-circuit currents flowing through earth.
IEC/TR 60909-4 Ed. 1.0: Short-circuit currents in three-phase a.c. systems Part 4: Examples for the calculation of short-circuit currents.
IEC 60865 (VDE 0103) que se basa en el clculo de la corriente de cortocircuito trmicamente equivalente.
IEC 60909 (VDE 0102) se aplica a todas las redes, radiales o malladas, hasta 230 kV.
IEC 60781: Gua de aplicacin para el clculo de corrientes de cortocircuito en la redes BT radiales.
PROGRAMAS IEC 60609
DOCWin: Programa de ABB, de distribucin gratuita que incluye mdulo de coordinacin de protecciones.
.
Limitacin: Usa calibres de cables en mm2, y para la coordinacin de protecciones, nicamente tiene modelos de interruptores de la marca ABB.
ETAP: Programa modular que calcula cortocircuito y protecciones bajo normas IEC o ANSI/IEEE.
NEPLAN: Poderosa suite de programas de anlisis de sistemas representada en Europa por ABB y en Amrica por Gers. Utiliza los dos mtodos de solucin IEC y ANSI/IEEE. Posee una extensa biblioteca de curvas de protecciones.
Las caractersticas de los aparatos son fijadas por la norma IEC 60947
En estos casos los consumos de energa son importantes, y puede haber suministro en alta y/o media tensin.
En el sistema de baja tensin, la instalacin comienza en el tablero general de distribucin, que contiene los aparatos de corte y seccionamiento que alimentan a los tableros secundarios. En este mbito, los aparatos involucrados abarcan desde los interruptores termomagnticos y diferenciales del sistema, hasta los interruptores automticos de potencia del tipo masterpact de Merln Gerin, que permiten maniobrar hasta 6300A e interrumpir cortocircuitos de hasta 150KA en 415VCA
La norma IEC 60947-2
La evolucin de las medidas de seguridad y de la tecnologa ha conllevado un incremento significativo en las exigencias de los interruptores industriales. El cumplimiento de la norma IEC 947-2 renombrada IEC 60947-2 despus de 1997, puede considerarse como una seguridad total en el empleo de los interruptores. Esta norma ha sido aprobada en todos los pases.
La norma IEC 60947-2 es parte de una serie de normas que definen la prescripcin del producto elctrico de Baja Tensin:
Las reglas generales IEC 60947-1, agrupan las definiciones, las prescripciones y los tests comunes a todo el material elctrico industrial en baja tensin.
Las normas de productos IEC 60947-2 a 7, tratan las prescripciones y tests especficos del producto.
La norma IEC 60947-2 se aplica a los interruptores y a sus unidades de control. Las caractersticas de funcionamiento de los interruptores dependen de las unidades de control o de los rels que comandan la apertura en las condiciones definidas. Esta norma define las caractersticas esenciales de los interruptores industriales:
Su clasificacin: modo de empleo, aptitudes al seccionamiento.
Las caractersticas elctricas de regulacin.
Informacin del modo de empleo.
Las cotas de diseo.
La coordinacin entre protecciones industriales.
La norma establece as una serie de tests de conformidad que deben pasar los interruptores. Estos tests son muy completos y muy cercanos a las condiciones reales de trabajo. El cumplimiento de estos tests con la norma IEC 60947-2 es verificado por los laboratorios acreditados.
La norma IEC 60947-2 define dos categoras de interruptores:
Interruptores de categora A, para los cuales no hay retardo de disparo previsto. Estos generalmente son interruptores de caja moldeada, capaces de realizar una selectividad amperimtrica.
Interruptores de categora B, para los cuales, es viable realizar una selectividad cronomtrica, siendo posible retardar el disparo (hasta 1s) para todo cortocircuito de valor inferior a la intensidad Icw.
CARACTERISTICAS ELECTRICAS BAJO NORMA IEC 60947-2
Intensidad nominal (In) In (en A.) = intensidad ininterrumpida mxima soportada a temperatura ambiente sin sobrecalentamiento anormal. Ej. : 125 A a 40 C.
Intensidad de regulacin de sobrecarga ajustable (Ir) Ir (en A.) est en funcin de In. Ir caracteriza la proteccin contra las sobrecargas. Para el funcionamiento en sobrecarga, las intensidades convencionales de no disparo Ind y de disparo Id son:
Ind = 1,05 Ir
Id = 1,30 Ir
Id est dada por un tiempo convencional de disparo. Para una intensidad superior a Id, el disparo por defecto trmico se har segn la curva a tiempo inverso. Ir el nombre de Proteccin Largo Retardo (PLR).
Intensidad de regulacin de disparo corto retardo (Isd)
Isd est en funcin de Ir. Isd caracteriza la proteccin contra los cortocircuitos. La apertura del interruptor se hace segn la curva de disparo por corto retardo: con una temporizacin tsd, con I2t constante, o instantneamente (anloga a la proteccin instantnea). Isd recibe el nombre de Proteccin Corto Retardo o (PCR).
Intensidad de regulacin de disparo instantneo (Ii)
Ii (en kA) est en funcin de In. Ii caracteriza la proteccin contra los cortocircuitos para todas las categoras de interruptores. Para las sobre intensidades importantes (los corto circuitos) superiores al valor Ii, el interruptor debe cortar instantneamente la intensidad de defecto. Esta proteccin puede ser deshabilitada segn la tecnologa y el tipo de interruptor (en particular los interruptores de categora B)
Poder asignado de cierre en cortocircuito (Icm)
Icm (kA pico) es el valor mximo de intensidad de cortocircuito asimtrico que el interruptor puede establecer y cortar. Para un interruptor, el esfuerzo generado es mximo en un cierre por cortocircuito.
Poder asignado de corte ltimo (Icu)
Icu (kA) es el valor mximo de intensidad de cortocircuito que el interruptor puede cortar. Est verificado siguiendo una secuencia de ensayos normalizados. Despus de esta secuencia, el interruptor no puede ser peligroso. Esta caracterstica est definida por una tensin de empleo Ue determinada.
Poder asignado de corte en servicio (Ics)
Ics (kA) valor dado por el constructor. Se expresa en % de Icu. Esta relacin es muy importante ya que nos muestra la aptitud del interruptor a asegurar un normal servicio, despus de haber cortado tres veces la corriente de cortocircuito. Cuanto ms alto sea el valor Ics, ms efectivo ser.
Intensidad asignada de corta duracin admisible (Icw)
Definida por los interruptores de categora B.
Icw (kA) es la intensidad de cortocircuito mxima que puede soportar el interruptor durante una breve duracin (de 0,05 a 1 s) sin alteracin de sus caractersticas. Este valor se verifica durante la secuencia de ensayos normalizados.
Norma IEC61660-1
Esta norma describe la manera de calcular las corrientes de cortocircuito en instalaciones auxiliares DC en plantas y subestaciones de potencia. Las siguientes corrientes son calculadas
Corriente de corto circuito Ik(t=tD) en el tiempo predefinido tD.
Corriente de corto circuito Pico Ip.
Corriente de estado estable Ik.
El tiempo tD es un valor de entrada. Se asume que la red a ser calculada no est enmallada.
Los dispositivos a tenerse en cuenta son:
Rectificador
Batera
Capacitor
Motor DC
IV. APLICACIONES DE LAS NORMAS IEC Y VDE
RED TIPO IEC
Para los clculos de acuerdo a la norma IEC, es importante el tipo de fuente de alimentacin del cortocircuito:
Cortocircuito con Alimentacin Simple
El cortocircuito es alimentado solo por un equivalente de red, un generador o generadores idnticos operando en paralelo (figura 1) la corriente en el punto de falla corresponde a la corriente del elemento que alimenta la falla
Cortocircuito Alimentado desde Fuentes No Enmalladas:
El cortocircuito es alimentado en forma paralela por varios elementos activos (figura 2). La corriente en el punto de falla se calcula como la suma de las corrientes parciales. Los valores de las corrientes parciales son independientes unos de otros.
Cortocircuito alimentado desde fuentes no enmallanadas sobre una impedancia comn
El cortocircuito es alimentado por varios elementos activos sobre una impedancia comn (figura 3). la corriente en el punto de falla se calcula como la superposicin de las corrientes parciales
Cortocircuito en una Red Enmallada
El cortocircuito es alimentado por varios elementos activos en una red enmallada (figura 4). La corriente en el punto de falla se calcula como la superposicin de las corrientes parciales.
Figura1.Cortocircuito con Alimentacin Simple
Figura 2.Cortocircuito Alimentado desde Fuentes No Enmalladas
Figura 3. Cortocircuito Alimentado desde Fuentes No Enmalladas sobre una Impedancia Comn
Figura 4. Cortocircuito en una Red Enmallada
Para el clculo de la corriente de cortocircuito inicial Ik" y de la corriente pico Ip, los resultados son independientes del tipo de red.
IEC 60947
La norma IEC 60947-1 define claramente las caractersticas de los aparatos segn sus posibilidades de corte.
LA FUNCIN INTERRUPCIN
Seccionador
Cierra y abre sin carga, puede soportar un cortocircuito estando cerrado. Apto para el seccionamiento en posicin abierto.
Interruptor
Se lo denomina vulgarmente interruptor manual o seccionador bajo carga. Cierra y corta en carga y sobrecarga hasta 8 In. Soporta y cierra sobre cortocircuito pero no lo corta.
Interruptor seccionador
Interruptor que en posicin abierta satisface las condiciones especificadas para un seccionador. Es el caso de los interruptores Interpact y Vario.
Interruptor automtico
Interruptor que satisface las condiciones de un interruptor seccionador e interrumpe un cortocircuito. Es el caso de los interruptores Compact, Masterpact, C60, C120, NG125, GV2, GV7, entre otros.
LA FUNCIN PROTECCIN
Una elevacin de la corriente normal de carga es un sntoma de anomala en en circuito de acuerdo a su magnitud y a la rapidez de su crecimiento, se puede tratar de sobrecargas o cortocircuitos. Esta corriente de falla aguas debajo de aparato de maniobra, si no es cortada rpidamente, puede ocasionar daos irreparables en personas y bienes. Por ello es indispensable considerar ambos aspectos
Hoy los interruptores automticos evitan todos estos inconvenientes aportando una proteccin de mejor performance, invariable con el tiempo, flexible por su capacidad de adaptacin a nuevas cargas y que asegura la continuidad de servicio
El elemento de proteccin clsico para detectar fallas a tierra es el interruptor diferencial.
Para la correcta eleccin de un aparato que proteja sobrecargas y cortocircuitos es necesario contemplar dos aspectos:
El nivel de cortocircuito en el punto de su instalacin, lo que determinar el poder de corte del interruptor automtico
Caractersticas que asume la corriente de falla en funcin del tiempo lo que determinar el tipo de curvas de disparo del interruptor automtico.
Coordinacin para la proteccin de mquinas bajo norma IEC
La coordinacin de las protecciones consiste en asociar un dispositivo de proteccin contra los cortocircuitos (fusibles o disyuntor magntico) con un contactor y un dispositivo de proteccin contra las sobrecargas, con el fin de interrumpir las corrientes de sobrecarga (1 a 10 veces la corriente nominal del motor) o de cortocircuito (> 10 veces la corriente nominal) lo ms rpidamente posible y sin riesgo para las personas y las instalaciones.
La norma IEC 947 exige que la coordinacin sea ambivalente para:
Una corriente de cortocircuito asignada convencional Iq, que define el fabricante del material (por ejemplo 50 kA en 400 V para un arrancador con fusibles + contactor + rel trmico),
Una corriente de cortocircuito presumible r, que depende del calibre de empleo AC-3 del aparato, donde r < Iq (por ejemplo para 63 A, r = 3 kA). Coordinacin de tipo 1 y de tipo 2
Estos dos tipos de coordinacin se definen en la norma IEC 947-4. Indican el grado de deterioro tolerable para el aparellaje despus de un cortocircuito.
Coordinacin de tipo 1
Cuando se produce un cortocircuito, es necesario evitar que el material ocasione daos a las personas e instalaciones. Despus del cortocircuito, es posible que dicho material no pueda seguir funcionando a menos que se repare o se reemplacen ciertas piezas.
Coordinacin de tipo 2
Cuando se produce un cortocircuito, es necesario evitar que el material ocasione daos a las personas e instalaciones. Despus del cortocircuito, dicho material no debe presentar desperfectos o desajustes de ningn tipo. Slo se admite el riesgo de soldadura (1) de los contactos del contactor, a condicin de que puedan separarse fcilmente. Durante la prueba no se podr sustituir ninguna pieza, con excepcin de los fusibles, que deben ser sustituidos en su totalidad.
Coordinacin total
Segn la norma IEC 947-6-2, cuando se produce un cortocircuito debe evitarse que los aparatos que conforman el arrancador presenten daos o riesgo de soldadura. Esta nueva norma formaliza el concepto de continuidad de servicio
APLICACIONES CON SOFTWARE
Cortocircuito en DIGSILENT
V. CONCLUSIONES
El estudio de cortocircuito es fundamental para el buen funcionamiento de una instalacin elctrica, no solo nos dar una visin de que capacidad deben tener los equipos de proteccin, cuantos tipos hay, como elegirlos. Tampoco nos deja satisfechos el conocer los mtodos de solucin existentes. Ms que todo esto nos indica el grado de peligrosidad que presenta el sistema, esto envuelve tanto a equipos como a las personas. Si protegemos adecuadamente nuestro sistema evitaremos daos irreparables
Debido a que los cortocircuitos no pueden ser siempre prevenidos, solo se puede tratar de mitigar y para ciertos casos tratar de disminuir sus efectos potencialmente peligrosos. Lo primero que se quiere en el diseo de un sistema de potencia, es disminuir lo ms posible la ocurrencia de la falla.
VI. BIBLIOGRAFA
Libros
Power System Analysis John J. Grainger & William D. Stevenson, Jr - McGraw Hill
Proteccin de sistemas elctricos de potencia, Ramn M. Mujal, 2002
Manual electrotcnico, Telemecanique, Schneider
Murillo Manrique Huber. Diapositivas deClasede Mquinas Elctricas III. UNAC FIEE. 2010.
Webs consultadas
www.abb.com
www.schneider-electric.com
MAQUINAS ELECTRICAS III 2015V
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