CALCULO DE CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO 3.1.- INTRODUCCION La planificación, el diseño y la operación de los sistemas eléctricos de potencia, requiere de acuciosos estudios para evaluar su comportamiento, confiabilidad y seguridad. Estudios típicos que se realizan son: flujos de potencia, estabilidad, coordinación de protecciones, cálculo de cortocircuito, etc. Un buen diseño debe estar basado en un cuidadoso estudio en que se incluye la selección de voltaje, adecuado tamaño del equipamiento y selección apropiada de protecciones. La mayoría de los estudios necesita de un complejo y detallado modelo que represente al sistema de potencia, generalmente establecido en la etapa de proyecto. Los estudios de cortocircuito son típicos ejemplos de éstos, siendo esencial para la selección de equipos, y el ajuste de sus respectivas protecciones. La duración del cortocircuito es el tiempo en segundos o ciclos durante el cual, la corriente de cortocircuito circula por el sistema. El fuerte incremento de calor generado por po r tal magnitud de corriente, puede destruir o envejecer los aislantes del sistema eléctrico, por lo tanto, es de vital importancia reducir este tiempo a l mínimo mediante el uso de las protecciones adecuadas. Los resultados obtenidos del cálculo de cortocircuito son: La corriente en los diferentes componentes del sistema. Las tensiones después de la falla en todas las barras del sistema eléctrico. En el cálculo de cortocircuito es conveniente efectuar las siguientes aproximaciones: El generador se modela por una fuente de tensión de valor 1.0 en p.u, en serie con su impedancia. Todos los cálculos se realizan en por unidad. Las cargas se representan por su impedancia equivalente, independiente de la tensión. El sistema eléctrico se analiza como si estuviera en régimen estable.
3.2.- TIPOS DE CORTOCIRCUITOS. Un cortocircuito se manifiesta por la disminución repentina d e la impedancia de un circuito determinado, lo que produce un aumento de la corriente. En sistemas eléctricos trifásicos se pueden producir distintos tipos de fallas, las c uales son: Simétrica Trifásica. Falla Monofásica a tierra. Asimétrica Bifásica. Bifásica a tierra. Cada una de estas fallas genera una corriente de amplitud definida y características
v2.3
MÉTODO DE SOLUCIÓN: PUNTO A PUNTO
El método de punto-a-punto se basa en que que la corriente de corto circuito va disminuyendo paulatinamente a partir de la fuente, por lo que haciendo algunas consideraciones y sumando las contribuciones de motores a la corriente de corto circuito en la fuente, se puede hacer el cálculo punto a punto. La corriente de corto circuito de un punto es igual a la corriente del punto anterior multiplicada por un factor M Iccn = Icc(n-1) * Mn donde, para fallas trifásicas
Mn =
(C*R*V) ( C * R * V + 1,73 L * Icc(n-1) )
para fallas monofásicas L-L
Mn =
para fallas monofásicas L-N/G
Mn =
(C*R*V) ( C * R * V + 2 L * Icc(n-1) ) ( C * R * V L-N ) ( C * R * V L-N + 2 L * I cc(n-1) )
siendo, C - Factor de impedancia de cables en canalización. Ver tabla tabla.. R - Número de cables en paralelo por fase. Sin unidades V - Voltaje de línea a línea. Volts. VL-N - Voltaje de línea a línea. Volts. L - Longitud de los cables entre buses. metros.
2.4 MÉTODO DE SOLUCIÓN: POR UNIDAD Notas de curso - Autor desconocido Ejemplos de cálculos: • •
Pozo de agua potable Planta de bombeo de agua potable con motores grandes
2.5 MÉTODO DE SOLUCIÓN: POR KVA
El método por kVA tiene las ventajas de no requerir una base especial y, que al hacerlo una vez, queda calculado para todos los puntos. Está basado en calcular la potencia de corto circuito en kVA desde la red hasta el último usuario de la energía. Y, tiene la ventaja que considera también la potencia de corto circuito de
las otras fuentes, tales como generadores auxiliares y motores. Por lo que en la referencia Electrical Construction & Maintenance [2.5.1 2.5.1]] se dice que tiene una exactitud de 95%. Se basa en obtener los "kVA equivalentes" de cada componente, y sumarlos en serie o paralelos para obtener para cada punto la potencia en kVA de corto circuito que cada fuente contribuye. Los "kVA equivalentes" de los componentes pasivos como son los cables, es la potencia en kVA que sería entregada en un corto circuito en sus terminales, si en el otro extremo se encontrara una fuente infinita de kVA al voltaje del sistema. Y, por otro lado, los "kVA equivalentes" de los componentes activos como son todas las fuentes, es la potencia en kVA que sería entregada en un corto circuito en sus terminales, si en el otro extremo se encontrara una fuente constante de voltaje. Los "kVA equivalentes" de cada componente son fáciles de recordar: Red - La capacidad de corto circuito en kVA Generadores - kVAG / X" Transformadores - kVAT / Z (p.u.) Reactores - 1000 kV2 / Z (ohm) Cables - 1000 kV2 / Z (ohm) Motores - kVAM / X", si X" (El no. de veces la corriente nominal, que es la de rotor bloqueado) es conocida; en otros casos: Motores > 50 HP - 6 kVAM Motores < 50 HP - 5 kVAM considerando que 1 kVA M = 1 HP; kVA G es la potencia del generador en KVA; y, que kVAT para transformadores OA/FA es la potencia en kVA en OA porque la Z está dada por norma para OA. • • • • • •
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Una vez encontrada para cada punto la potencia de cortocircuito, se calcula la corriente de cortocircuito con la tensión del mismo punto.
I cc=
kVAcc (1,73 * kVL-L)
Ejemplos: Motor conectado a la red, sin considerar cables. Motores conectados a la red, considerando cables. Motores y un generador conectado a la red, considerando cables. • • •
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CORTO CIRCUITO Y COORDINACIÓN DE
PROTECCIONES - TEORÍA, MÉTODOS DE SOLUCIÓN y EJEMPLOS •
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6 PREGUNTAS FRECUENTES
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6.1 CORTO CIRCUITO. 6.1.1 ¿Y, si no se conoce el corto circuito en la acometida de la compañía suministradora? suministradora?
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R: Se pudiera calcular con la distancia a la subestación, la impedancia de los cables según la construcción (aérea o subterránea) y la impedancia y la capacidad en kVA del transformador de la compañía. En el caso de subestaciones de CFE, este último dato se toma del letrero de datos de la misma subestación para la potencia en kVA con enfriamiento OA y, la impedancia se considerará de 0,20, que es un valor promedio de los transformadores de las subestaciones de distribución con 13,8 kV en el secundario.
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Otra solución ha sido usar como potencia de cortocircuito 100 MVA en acometidas en 13,2 kV, y 200 MVA en 23 kV.
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6.1.2 ¿Porqué no se considera en los cálculos de cortocircuito la corriente proveniente de la descarga de los capacitores de corrección del factor de potencia?
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R: Por el tiempo tan pequeño (microsegundos) en que se descargan los capacitores comparados con el tiempo de un ciclo en 60 Hz (16 667 microsegundos), de acuerdo con la ecuación
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Ejemplo:
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Un banco de 10 MVA @ 13,8 kV ubicado en una subestación donde se presenta una falla a 30 m entre cables de 500 kCM (C = 140 uF, R = 0,006 ohm) el tiempo (RC) en alcanzar el 36,8 % de la corriente inicial de descarga es de 0,84 microsegundos [2.3 [2.3]]
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6.1.3 ¿Qué método de cálculo se puede usar para cumplir con el PEC de la NOM-001-SEDE-2005 [1.5 [1.5]? ]?
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R: El Procedimiento no especifica alguno, ni existe normatividad mexicana al respecto, aunque por formar México parte del IEC legalmente sería aplicable esa normatividad, pero se desconoce en nuestro país.
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Falla monofásica mon ofásica y falla f alla de dos do s fases a tierra tier ra.
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En todos los casos, la existencia misma de un sistema de puesta a tierra depende del sistema de la compañía suministradora y de la corriente o potencia de cortocircuito monofásica a tierra que entregue en la acometida. La corriente de una falla de dos fases a tierra es menor a la de una fase a tierra ya que la corriente del conductor con mayor tensión se dividirá entre el otro conductor y la tierra.
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Falla Fall a trifás tri fásica ica .
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En general podemos decir que para subestaciones pequeñas el método de bus infinito junto con el método punto a punto son suficientes para revisar la selección de protecciones como de cables. Y, en subestaciones medianas con aportación de motores y topología sencilla, el método por unidad puede ser apropiado. En cambio donde hay transformadores y una topología complicada, el método por KVA puede ser la solución.
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Los métodos ANSI/IEEE e IEC60609 se recomiendan donde la selección de las capacidades de los interruptores es muy importante para la protección del sistema completo.
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Por último, los métodos basados en programas computacionales donde se usan todos los parámetros de cada una de las máquinas eléctricas son indispensables donde por los métodos anteriores anter iores se tiene la duda en la selección o ajuste de equipos.
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6.2 COORDINACIÓN DE PROTECCIONES. PROTECCIONES. • •
6.2.1 ¿Se pueden coordinar selectivamente los interruptores de caja moldeada?
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R: Por lo general con equipos tradicionales la respuesta es negativa. La curva tiempo-corriente de estos dispositivos es muy ancha, lo que implica que pueden abrir bajo falla con muy distintas corrientes. El único ajuste que algunos de ellos tienen es el disparo instantáneo.
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Utilizando los nuevos equipos con ajustes de tipo electrónico, sí se pudiera obtener una coordinación selectiva.
