CORTO CIRCUITO Y COORDINACIÓN DE PROTECCIONES - TEORÍA, MÉTODOS DE SOLUCIÓN y EJEMPLOS -
1.2 TIPOS DE CORTO CIRCUITO
Un corto circuito es una conexión de baja resistencia establecida intencionalmente o por accidente entre dos puntos de un circuito eléctrico. Esa conexión causa una corriente excesiva que quema, sobrecalienta, mueve, expande, etc. causando daños a personas y equipos.La máxima corriente de corto circuito depende directamente del tamaño y capacidad de la fuente, y por otro lado de las impedancias del sistema incluyendo la falla.
Las fuentes de la corriente de corto circuito son:
El sistema eléctrico nacional.
Generadores
Motores síncronos
Motores de inducción – los cuatro primeros ciclos después de la falla -
La fuente de corriente proveniente del sistema eléctrico nacional se modela como una impedancia (Equivalente de Thevenin) constante, ya que por su magnitud, la corriente se mantiene constante durante todo el periodo de falla.
En la siguiente gráfica se muestran los primeros ciclos después de un cortocircuito para las diferentes fuentes, si fuera simétrica la forma de onda.
La asimetría de la onda resultante del corto circuito depende de la relación reactancia a resistencia (X/R) del circuito hacia la fuente, y también del punto en la onda senoidal donde la falla se presenta. Nota: Recordar que en un sistema trifásico, las ondas tienen un defasamiento de 120 grados entre ellas.
Cuando se requiere conocer la corriente asimétrica subtransitoria se pueden utilizar los coeficientes de acuerdo con la relación X/R de la Zeq en el punto de lafalla. (ver cc50equipos para mayor información),
Por simplificación de una fórmula compleja, variable en el tiempo, en los métodos tradicionales norteamericanos y ANSI solamente se considera la reactancia en tres tiempos: Reactancia Subtransitoria X”, Reactancia transitoria X', y reactancia síncrona X. La primera reactancia es la que tienen los primeros ciclos después de la falla, seguida por la transitoria, y a su vez, por la síncrona o estacionaria, que no es usada para los cálculos.
La corriente de corto circuito es diferente en cada punto del sistema eléctrico. Es más grande en las fuentes y más pequeño en la carga. La corriente depende de la impedancia del circuito. A mayor impedancia del circuito, menor corriente de corto circuito. Y, la impedancia depende del material del conductor, del material y del largo de la canalización.
Los cortocircuitos pueden ser: sólido, a tierra o de arqueo. En el primer caso, se tiene una falla entre los tres cables de un sistema trifásico con una conexión de impedancia cero, por lo que se obtiene la condición de corriente máxima. En el segundo, un conductor vivo toca alguna pieza metálica conectada a tierra. Y, en la falla por arqueo, el corto circuito resulta entre dos conductores cercanos pero no en contacto.
En análisis de circuitos todas las fallas posibles son sujetas de estudio, pero por la normativa mexicana, se calculan al menos las corrientes de cortocircuito de una falla trifásica, de una falla de una fase a tierra, y de dos fases a tierra.
Los cálculos de corriente de corto circuito trifásico se requieren para la adecuada selección de la capacidad interruptiva de las protecciones de la instalación [1.5]
1.2.2.1 FALLA TRIFÁSICA POR MÉTODO DE COMPONENTES
La corriente de una falla trifásica sólida es igual a:
(1.2.2)
donde E es la tensión eléctrica de fase en el punto de falla (Línea-Tierra) y Z es la impedancia compleja de secuencia positiva en el punto de falla.
1.2.3 FALLA MONOFÁSICA A TIERRA.
Los cálculos de corriente de falla de una fase a tierra se requieren para el diseño de la malla de tierra de la subestación eléctrica [1.5].
1.2.3.1 FALLA MONOFÁSICA A TIERRA PORMÉTODO DE COMPONENTES
La corriente de una falla monofásica sólida es igual a:
(1.2.3)
donde Z1 es la impedancia de secuencia positiva, Z2 la impedancia de secuencia negativa, Z0 la impedancia de secuencia cero, y E es la tensión eléctrica de fase en el punto de falla (Línea-Tierra).
Cuando no se hace el cálculo por componentes simétricas, se puede considerar para la mayoría de los casos que esta corriente tiene el mismo valor de la corriente de falla trifásica, ya que su valor puede variar desde 0,25 a 1,25 la corriente de falla trifásica [2.1].
El valor de la corriente del corto circuito bifásico se emplea para calcular los esfuerzos electrodinámicos en las barras de las subestaciones y también en los estudios de coordinación de protecciones cuando se están comparando valores mínimos de falla en los puntos del sistema.
1.2.4.1 FALLA ENTRE DOS FASES PORMÉTODO DE COMPONENTES
La corriente de una falla bifásica sólida es igual a:
donde Z1 es la impedancia de secuencia positiva, Z2 la impedancia de secuencia negativa, Z0 la impedancia de secuencia cero, y E es la tensión eléctrica de fase en el punto de falla (Línea-Tierra).
Como los valores de impedancia generalmente son iguales, la ecuación de falla bifásica se reduce a:
Como se puede observar al comparar con la ecuación (1.2.2), la falla bifásica en el caso más común de impedancias iguales es menor (86.6%) que la falla trifásica. Con este valor (86.6 % de la falla trifásica), obtenemos la falla bifásica, poniendo solo dichas ecuaciones como referencia.
1.2.5 FALLA DE DOS FASES A TIERRA.
Los cálculos de corriente de falla de dos fases a tierra los pide el Procedimiento de Evaluación de la Conformidad (PEC) de la NOM-001-SEDE-2005 para el diseño de la malla de tierra de la subestación eléctrica [1.5].
1.2.5.1 FALLA DE DOS FASES A TIERRA PORMÉTODO DE COMPONENTES
La corriente de una falla bifásica a tierra es igual a:
Al observar esta ecuación notamos que solamente en sistemas trifásicos con cargas o generación desbalanceada la ecuación es diferente de cero, pero nunca mayor a la corriente de falla monofásica a tierra. En los casos más comunes de sistemas trifásicos con cargas trifásicas balanceadas su valor es CERO.
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