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INSTITUTO TECNOLOGICO DE COSTA RICA
Escuela de Ingeniería Electromecánica
INSTALACIONES ELECTRICAS
ANALISIS DE CORTOCIRCUITOSParte I
Conceptos generales
Ing. Carlos Solís Arias (MBA)
2010
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CORTOCIRCUITO (Falla no deseada)
� Un cortocircuito es un evento en el cual una fuente suministra energía a una carga de impedancia cero.
� E Icc
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¿QUE ES LO QUE SUCEDE?
� El voltaje tiende a cero en el punto de falla, porque la impedancia es cero, pero la fuente sigue en su voltaje pleno alimentando la falla.
� La corriente de falla tiende a infinito. En la práctica la corriente es muy alta y estálimitada por las condiciones físicas presentes. En circuitos industriales llega a valores de los miles de amperios. (KA).
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ORIGEN DE LAS FALLAS
�Factores mecánicos: � Rotura de conductores
� Caída de objetos metálicos en barras
�Sobretensiones: � Origen interno o atmosférico
� Pérdidas de aislamiento por humedad, calor o envejecimiento
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CONSECUENCIAS DE UN CORTOCIRCUITO
�Presencia de un arco que provoque: � Degradación de los aislamientos
� Conductores fundidos
� Inicio de un incendio
�Efectos dinámicos: � Deformación de barras
� Ruptura de aislantes y dispositivos
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CONSECUENCIAS DE UN CORTOCIRCUITO
�Para los circuitos próximos: � Bajonazos de voltaje en un tiempo dado
� Desconexiones abruptas de algunas secciones
� Inestabilidad dinámica con pérdidas de sincronismo
� Perturbaciones en los sistemas de control e instrumentación de tipo electrónico
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RESUMEN CONSECUENCIAS(depende del nivel de voltaje de la fuente)
� Energía liberada violentamente:
� Gran cantidad de corriente desbordada
� Gran cantidad de luz enceguecedora
� Gran cantidad de calor quemante
� Esfuerzos dinámicos violentos
� Piezas quebradas / fracturadas
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TIPOS DE CORTOCIRCUITO
L1
L2
L3
Ik"
T
FALLA TRIFASICA TOTAL
|
L1
L2
L3
Ik"
T
FALLA BIFASICA TOTAL
|||
L1
L2
L3
T Ik"
FALLA BI o TRIFASICA A TIERRA
||||
L1
L2
L3
Ik"
T
FALLA MONOFASICA A TIERRA
|||||
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¿POR QUE DEBEMOS CALCULAR LAS CORRIENTES DE CORTOCIRCUITO?
� La Icc máxima la ocupamos para:
� Determinar el poder de corte de los interruptores automáticos
� El poder de cierre de los dispositivos de maniobra
� Las necesidad electrodinámicas de conductores y componentes
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¿POR QUE DEBEMOS CALCULAR LAS CORRIENTES DE CORTOCIRCUITO?
� La Icc mínima la ocupamos para:
� Elegir la curva de disparo de los interruptores automáticos
� Protección a los conductores involucrados dentro de sus características de fábrica
� Protección al personal que se sustenta en la operación de interruptores o de fusibles.
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ELEMENTOS QUE ALIMENTAN LA FALLA
� Los elementos activos:
� El proveedor de servicio eléctrico suponiendo fuente infinita.
� Generador propio que esté conectado en ese momento. (alternadores)
� Motores sincrónicos (aporte breve)
� Condensadores (aporte breve)
� Influye el tiempo que está presente la falla
� La fortaleza de la misma.
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ELEMENTOS QUE SE OPONEN A LA FALLA
� Los elementos pasivos
� Motores de inducción (jaula ardilla, rotor devanado)
� Cargas resistivas (hornos, alumbrado, artefactos)
� Los conductores (cables, barras, conexiones)
� Los dispositivos (disyuntores, fusibles, cuchillas)
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¿COMO PROTEGEMOS EL CIRCUITO?
� Se busca que haya un dispositivo que abra
en forma adecuada la alimentación proveniente de la fuente que suple la falla.
� Este dispositivo será de tal capacidad que pueda interrumpir las condiciones severas de la falla, sin dañarse.
� Una vez eliminado el problema del cortocircuito, el dispositivo continuará en servicio normalmente.
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DISPOSITIVOS ADECUADOS ANTE UNA FALLA
� Cable. Debe soportar la carga térmica en caso de una falla. Las protecciones tienen que actuar antes que este se dañe. Tiene una curva característica I²t.
� Fusible En este caso el fusible se usa solo una vez, porque se quema, pero el portafusible debe usarse muchas veces. Tiene una curva de fusión.
� Disyuntor El dispositivo se puede usar muchas veces, una vez quitada la falla. Tiene que soportar la falla actual y las siguientes. Tiene una curva de disparo. Si es termomagnéticotendrá dos regiones: una para protección de sobrecarga y otra para región de cortocircuito.
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CARACTERISTICAS TERMICAS DEL CONDUCTOR
� Esta curva se le llama “I²t”
� Depende del
� Cuadrado de la corriente
� El tiempo de aplicación
� La temperatura ambiente
� Del área transversal conductora
1 2
t
I²t = K²S²
-5 s
I1 < I2 I
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EL DISYUNTOR
Corriente de funcionamiento
t Características del cable I²t
Sobre carga
temporal Curva de disparo del disyuntor
I
Ib Ir Iz Icc PdC
DIAGRAMA DE CURVAS DE PROTECCION POR DISYUNTOR TERMOMAGNETICO
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EL FUSIBLE
Corriente de funcionamiento
t Características del cable I²t
Sobre carga
temporal Curva de fusión del fusible
I
Ib Ir Iz
DIAGRAMA DE CURVAS DE PROTECCION POR FUSIBLE
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PRESENTACION REAL
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INFORMACION DE FABRICANTE
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INTERVALOS DE LA CAPACIDAD INTERRUPTIVA
� Generalmente la capacidad interruptiva de un dispositivo tiene que ver con la robustez del mismo, tanto en sus componentes internos de desconexión, como en la estructura exterior.
� Normalmente a nivel residencial los dispositivos tienen una capacidad interruptiva que oscila entre los 10,000 y 20,000 amperios simétricos.
� Comercialmente anda entre 20,000 y 30,000 amperios simétricos
� Para industria mediana y pesada los valores típicos andan alrededor de 40,000 y 50,000 A. Pero pueden darse situaciones especiales (que las aclara el estudio) que implique usar aparatos de 100,000 Amperios o más.
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DATOS BASICOS
- La empresa de suministro eléctrico debe tener documentado la capacidad de cortocircuito que suministra en los principales puntos de su red.
- Puede darse este dato en KVA, MVA o bien en KA o MA de “cortocircuito”
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INTENSIDAD DE CORRIENTE DURANTE EL CORTOCIRCUITO
� Modelo simplificado
� Vs= Fuente de corriente alterna
� Zcc= Impedancia equivalente (R + j X) aguas arriba del corto
� ZL= Impedancia de la carga
� Icc= Corriente cortocircuito
� Ɵ = Ängulo del factor de potencia
� α = Ängulo en que aparece la falla respecto a una referencia
� Zcc = R + jX
� Cos(Ɵ) = R / √ (R² + X²)
Impedancia equiavalente aguas arriba del cortocircuito
A
Zcc Disyuntor
Icc Carga
Vs ZL
Fuente
Cortocircuito
B
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FALLA ALEJADA DE LA FUENTE
� Las fallas alejadas de la fuente son las más comunes
� La fuente es del tipo sinuosoidal: v(t) = Vm sen ( ω t + α )
� La intensidad de corriente de falla tiene dos componentes:
� Una de tipo alterno senoidal Ia = Im sen ( ω t + α )- (R/L) t
� Una de tipo unidireccional Ic = Im sen α (e)
� Por tanto la corriente total es la sumatoria Ia + Ic
-(R/L) t
� Icc = Im [ sen ( ω t + α )+ sen α (e) ]
� Ver la figura siguiente
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ONDAS RESULTANTES FALLA ALEJADA DE LA FUENTE
ia = I sen (ωt + α ) ic = - I sen (α ) e - (R/L) t
t
t(Ɵ/ω)
i = ia + icMomento del corto
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CASO SIMETRICO Y ASIMETRICO
� Replanteando la ecuación y considerando un ángulo de desfase Ɵ entre voltaje y corriente
� Im = Vm / (√ R² + X² ) luego la corriente de cortocircuito permanente es:
- (R/L) t
Icc =Vm / Z [ sen (ωt + α - Ɵ) - sen (α – Ɵ) e ]
� Componente senoidal desfasada Componente unidreccional
� Se dan dos casos en la corriente de cortocircuito:
� REGIMEN SIMETRICO cuando α = Ɵ = π/2
� REGIMEN ASIMETRICO cuando α = 0
� Ver figura
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FALLA ALEJADA DE LA FUENTE CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO ALEJADO DE LA FUENTE * CASO SIMETRICO
I(KA)
t(mseg)
CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO ALEJADO DE LA FUENTE * CASO ASIMETRICO
Ip
I(KA)
t(mseg)
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CALCULO DEL PODER DE CIERRE DE LOS INTERRUPTORES
� Ip = K √ 2 Ia
� Ip = Capacidad de cierre (A)
� Ia = Corriente simétrica de corto (A)
� K = Constante que depende de la
� la relación R/X ( K va de 1 a 2 )
� √ 2 = Raíz cuadrada de 2 = 1.41
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FALLA CERCANA A LA FUENTE
� En este caso la impedancia del alternador involucrado afecta directamente la corriente provocando una amortiguación, en vista que la reactancia varía en el tiempo a partir de la falla.
� La reactancia interna de la máquina pasa por tres etapas claramente definidas:
� Subtransitoria X” : En los primeros 10 a 20 milisegundos
� Transitoria X’: Va de los 20 a 500 milisegundos
� Permanente ( o sincrónica) X : Después de los 500 milisegundos hasta que se despeja la falla.
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COMPORTAMIENTO DE LAS REACTANCIASDEL GENERADOR
� x
REACTANCIA SUBTRANSITORIA X"
REACTANCIA TRANSITORIA X'
REACTANCIA PERMANENTE X
COMPONENTE EXPONENCIAL DECRECIENTE
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COMPORTAMIENTO DE LAS REACTANCIASDEL GENERADOR
Permanente X
Subtransitoria X" Transitoria X' Permanente X
Subtransitoria X" Transitoria X'
RESULTANTE DE LAS CUATRO COMPONENTES SUMADAS
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CORRIENTE DE FALLA CERCANA A LA FUENTE
� Los valores de reactancia mencionados se comportan así:
� X” < X’ < X de modo que la corriente de falla empieza a disminuir pues va aumentando la reactancia.
� Se dan cuatro fases de la corriente de falla:
� Ik”: Alterna subtransitoria (debido a X”)
� Ik’ : Alterna transitoria (debido a X´)
� Ik : Alterna permanente (debido a X)
� Ic : Continua (debido a la componente unidireccional)
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FALLA CERCANA A LA FUENTE
I(KA)
t(mseg)
Subtransitoria X" Transitoria X' Permanente X
I(KA)
t(mseg)
Subtransitoria X" Transitoria X' Permanente X
CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO CERCANA A LA FUENTE * CASO SIMETRICO
CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO CERCANA A LA FUENTE * CASO ASIMETRICO
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COMENTARIOS
� En media y baja tensión es normal considerar la corriente de apertura dentro de la región transitoria ( la del medio)
� Esa corriente se denomina Ib de cortocircuito la cual corresponde al tiempo de corte efectivo de la falla.
� El tiempo de corte efectivo corresponde a la suma del tiempo del relé de protección más el tiempo que duran abriendo los contactos del interruptor respectivo.