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martes, 6 de marzo de 2018

Redes de Baja Tensión: Cálculo de corrientes de cortocircuito (Parte 1ª)





Generalidades

En este post se considera el caso de un circuito de forma radial, alimentado por corriente alterna trifásica.

Nota.- En el caso de corriente continua, o alterna monofásica, el razonamiento sería paralelo con las correspondientes correcciones.

Intensidades a considerar

La corriente que se alcanzará en caso de cortocircuito es indefinida, puesto que su valor depende básicamente de parámetros aleatorios, como son:

·         La impedancia de contacto en el punto de cortocircuito.
·         El instante dentro la evolución oscilatoria propia de la corriente alterna.

Por otra parte, multitud de otros pequeños factores nos son desconocidos, o son variables y difíciles o laboriosos de calcular.

Lo que se hace en la práctica consiste en calcular los valores extremos. Como que en un circuito en corto, en general predominan los cables y conductores, es decir, su resistencia R y reactancia X, el cortocircuito se considera como la conexión de una impedancia inductiva de valor muy bajo.
Las intensidades a considerar son:

·         I"K: Valor eficaz de la corriente simétrica is. Es de interés a efectos térmicos
·          Ip: Valor cresta de la corriente asimétrica ia. Es de interés a efectos dinámicos.

Usualmente el valor que se calcula es I"K.
Este valor se calcula para el:

·         Cortocircuito máximo

                El que se origina en el principio de una línea.


·         Cortocircuito mínimo

                El que tiene lugar al final de una línea.


Ambos valores son de interés para evaluar la eficacia de las protecciones.

La corriente simétrica is sufre una ligera amortiguación debida al calentamiento del circuito. Esta amortización, en general no toma en cuenta. Solo se considera cuando se calcula el valor I"Kmin. Para el cálculo de I"K max se considera las resistencias de los materiales a 20 ºC. Para el cálculo de I"Kmin se consideran los materiales a la temperatura  ϴe alcanzada al final del cortocircuito.

Cortocircuito lejano

Usualmente se considera el cortocircuito como lo que se denomina cortocircuito lejano. Esto supone que:

·   La potencia de alimentación de la red es tan alta que prácticamente la podemos considerar infinita o que no se ve afectada por el cortocircuito.
·        En el cortocircuito no existe inductancias saturables.
·    La corriente simétrica IK se mantiene prácticamente constante en toda la duración del cortocircuito, e igual al valor inical I"K 
·       El factor de asimetría χ es inferior a 2.


Si lo que interesa es la intensidad de cresta Ip, su valor es:


El factor de asimetría  χ  es función de la relación R/X y para inductancias no saturables vale:


Cortocircuito próximo


Un cortocircuito se considera cortocircuito próximo cuando su magnitud es comparable con la potencia de la fuente de alimentación, usualmente un generador, de manera que este se ve afectado por el cortocircuito.

·         La corriente inicial de cortocircuito produce una saturación magnética en el hierro del generador se traduce en un incremento de la asimetría (componente subtransitoria), de manera que el factor de asimetría puede ser χ  > 2, y por tanto:

la real potencia local desarrollada sería mucho menor.


NOTA:

Calcular con precisión, aunque solo sea los valores extremos Ip e I"k  de las corrientes de cortocircuito sigue siendo una tarea prácticamente imposible pues varios factores siguen siendo inciertos. Por ello se han desarrollado diferentes métodos simplificados que, en la práctica se han mostrado prudentes y suficientemente precisos. Uno de estos métodos es el que propone la norma IEC 781 (UNE 21240).

La Norma CEI 781: “Guía de aplicación para el cálculo de las corrientes de cortocircuito en las redes radiales de baja tensión”.

Esta norma ha sido redactada a partir de la norma:

IEC 909, actualmente IEC 60909 “Cálculo de las corrientes de cortocircuito en las redes trifásicas de corriente alterna” y constituye una aplicación de la misma a los circuitos radiales a baja tensión.

En lo que sigue se hace un resumen de la CEI 781.

El método consiste simplemente en:

·         Definir el tipo de cortocircuito a considerar.
·         Determinar la tensión equivalente a la alimentación.
·         Evaluar la impedancia conjunta que interviene en el cortocircuito.
·         Calcular las corrientes de cortocircuito.

Simplificaciones e hipótesis de cálculo

·        El cortocircuito es alejado (en sentido eléctrico) de todo generador y es alimentado en un solo punto por una red de alimentación.
·         La red de baja tensión considerada no es mallada.
·   La tensión de alimentación y las impedancias de los diferentes materiales eléctricos que constituyen el circuito se suponen constantes.
·         Las resistencias de contacto y las impedancias de defecto no se toman en cuenta.
·         El cortocircuito, cuando es polifásico, es simultáneo en todas las fases.
·        No se considera el caso de un cortocircuito por defecto interno en un cable en paralelo con otros cables.
·         No se produce modificación alguna del circuito en toda la duración del cortocircuito. Por ejemplo si el en cortocircuito es trifásico, las 3 fases permanecen implicadas durante todo el cortocircuito.
·    Las capacidades de las líneas y las admitancias paralelas de los elementos pasivos son despreciables.
·         No se consideran los defectos a tierra simultáneas en diferentes puntos.
·         Se cumplen las condiciones para poder despreciar la influencia de los motores.
·         En los transformadores con tomas, estas se suponen en la posición principal.
·         Las impedancias de cortocircuito, directa e inversa son iguales:   Z1 = Z2

Tipos de cortocircuito

Los tipos de cortocircuitos tratados son:


Tensión equivalente

Es la tensión activa de una fuente ideal que, aplicada al punto emplazamiento del cortocircuito F proporcionaría la corriente de cortocircuito simétrica inicial I"K

En un sistema trifásico, la tensión equivalente por fase, valor eficaz, es:

siendo:   

C, un factor de tensión
Un, tensión nominal entre fases (valor eficaz)

El factor de tensión C a aplicar es:


Impedancia de cortocircuito: Alimentación en alta tensión


De unas barras Q en alta tensión pende un transformador T que, en baja tensión alimenta unas barras A.

Si conocemos el valor inicial de la corriente de cortocircuito I"KQ a nivel de barras Q, el valor absoluto de la impedancia directa de cortocircuito ZQ de la red en el punto Q será:


Si el dato conocido es la potencia aparente de cortocircuito S"KQ y su tensión correspondiente UQ:


Los valores de  I"KQ, UQ y S"KQ  pueden solicitarse a la Compañía distribuidora de electricidad, así como los correspondientes valores RQ y XQ.

Si los valores RQ y XQ correspondientes a ZQ no son conocidos, pueden sustituirse por:


Los valores ZQ, RQ y XQ, calculadas en alta tensión deberán sustituirse por sus equivalentes en baja tensión. Ello se consigue dividiéndolos por tr², siendo tr la relación entre las tensiones alta UHV  y baja ULV. Es decir:


Impedancia de cortocircuito: Transformadores

La impedancia directa de cortocircuito Z (1) de un transformador de dos arrollamientos


se calcula a partir de las características nominales o asignadas que figuran en la placa de características, así:


siendo:

I rTLV    Corriente asignada del lado de baja tensión (BT).
P krT     Pérdidas totales en el transformador bajo la corriente asignada.
R TLV   Resistencia del transformador vista desde la BT.
S rT      Potencia aparente (VA) asignada del transformador.
U krT    Tensión de cortocircuito asignada, en %.
U RtT    Caída de tensión resistiva asignada, en%.
UTLV    Tensión asignada del transformador, lado de BT.
XTLV    Reactancia del transformador desde el lado de BT.
ZTLV    Impedancia del transformador desde el lado de BT.

La impedancia homopolar de cortocircuito Z(0) de un transformador se puede obtener del fabricante.

Impedancia de cortocircuito: Líneas aéreas y cables

Las impedancias Z(1)L y Z(0)L de las líneas y de los cables pueden ser extraídas de manuales o de los catálogos de los fabricantes.

La impedancia directa de cortocircuito Z(1)L viene determinada por:

·         La resistencia por unidad de longitud  R'L.
·         La inductancia por unidad de longitud X'L, multiplicadas por la longitud l de la línea o del cable, así:



La resistencia R'L por unidad de longitud, a 20 ºC, puede obtenerse también a partir de:

·         La sección nominal:


·         La resistividad:


del conductor:



El valor de la resistividad  ρ  en Ω mm2/m es:



Para el cálculo de la corriente de cortocircuito simétrica máxima  I"kmax se toma el valor de la resistencia a 20ºC, RL20. Para el cálculo de la corriente mínima I"kmin se toma el valor de la resistencia R   a la temperatura notablemente más elevada ϴ:


La temperatura ϴ puede ser la máxima que puede soportar el cable, ya sea de forma permanente o durante un tiempo limitado, o un valor intermedio. Suele ser influida por el material aislante del cable.

La impedancia homopolar de cortocircuito Z(0)L depende del camino de retorno de la corriente. Puede determinarse por:

Puede determinarse por:

·         Las relaciones R(0)L /RL  y  X(0)L /XL.
·         Por mediciones.
·         Por cálculo.

Otras impedancias

En el cálculo de la corriente de cortocircuito simétrica mínima I"kmin puede ser necesario tener en cuenta las impedancias de otros elementos, tales como barras, transformadores de intensidad, interruptores, etc.



Continua en: Redes de Baja Tensión: Cálculo de corrientes de cortocircuito (y Parte 2ª)
http://imseingenieria.blogspot.com/2018/03/redes-de-baja-tension-calculo-de_7.html




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