Consecuencias de los efectos térmicos y electrodinámicos de los cortocircuitos en redes eléctricas

 

Cuando ocurre un cortocircuito en una canalización eléctrica, circula por ella una corriente mucho mayor que la corriente nominal (de 10 a 100 veces su valor). Esto da como resultado un sobrecalentamiento de los cables que puede dañar el material aislante. Por lo tanto, la corriente debe interrumpirse mediante un interruptor automático o un fusible en un tiempo suficiente t_s para que la temperatura del cable no alcance un valor crítico.

Las pérdidas térmicas por unidad de longitud son proporcionales al cuadrado de la corriente:

En monofásico:

R_L : Resistencia por unidad de longitud del cable

Si la corriente no es sinusoidal, la energía almacenada en el cable es:

t_s: tiempo de disparo del aparato de corte

Si tomamos como valor aproximado de una corriente sinusoidal de cortocircuito I_sc, entonces:

I_sc: valor eficaz de la corriente de cortocircuito

En la práctica, la energía que se puede almacenar en el cable depende de la sección del conductor, del material del alma y de la temperatura máxima admisible  del material aislante.

Se define un coeficiente k, función del material del alma y el tipo de material aislante, en BT (ver Tabla 1) pudiéndose aplicar también en MT de la siguiente manera:

Con:

I_sc: corriente de cortocircuito en Amperios

t_s: tiempo de disparo del aparato de corte en segundos

S : sección del conductor en mm²

Tabla 1: Valor del coeficiente k según IEC 60364-4-43

Ejemplo 1

Tomemos un cable de cobre con aislamiento PR de 120 mm² protegido por un interruptor automático provisto de un relé de disparo magnético retardado regulable entre 0,1 y 0,2 segundos. La corriente de cortocircuito en los terminales aguas abajo del interruptor automático es de 45 kA.

El tiempo máximo durante el cual el cable puede soportar una corriente de cortocircuito es:

Por tanto, el tiempo de retardo del interruptor automático debe ajustarse a 0,1 segundos.

Ejemplo 2

Consideremos una instalación con una corriente de cortocircuito de 55.000 A aguas abajo del transformador de alimentación. Se quiere instalar un interruptor automático con un relé de disparo magnético ajustado a 0,2 segundos (de acuerdo con los requisitos de carga, por ejemplo, de un motor).

Se quiere instalar un cable de aluminio con aislamiento de PVC. El área mínima de la sección transversal del cable debe ser:

Por tanto, debe utilizarse un conductor con sección transversal de 400 mm².

Efectos electrodinámicos

El valor de cresta máximo de la corriente es el origen de fuerzas electrodinámicas máximas observadas en los equipos de las redes eléctricas.

Estas fuerzas provienen de efectos electromagnéticos conocidos como "fuerzas de Laplace".

Por ejemplo, la fuerza por unidad de longitud generada por dos conductores paralelos a través de los cuales circula una corriente I idéntica es (ver Figura 1):

F: en daN/m

I: en amperios

D: distancia en metros entre los dos conductores        

Figura 1: Efecto por unidad de longitud generado por dos conductores paralelos atravesados por una corriente idéntica I 

Las fuerzas son atractivas si ambas corrientes circulan en la misma dirección y repulsivas si lo hacen en caso inverso.

En régimen senoidal, el material debe dimensionarse en relación con el valor de cresta de la corriente de cortocircuito. Esto es de 1,6 a 2,5 veces mayor que el valor de la corriente de cortocircuito en régimen permanente.

Ejemplo

Consideremos dos barras de un cuadro de baja tensión, separadas 10 cm, sobre una longitud de 30 cm y a través de las cuales circula en el mismo sentido una corriente de cortocircuito idéntica I_sc = 100 kA. 100 kA es el valor de cresta de la corriente de cortocircuito y corresponde, por ejemplo, a una corriente de cortocircuito en régimen permanente de 50 kA para un coeficiente K = 2 (ver anexo).

La fuerza de atracción máxima aplicada a cada barra cuando ocurre un cortocircuito es:

Si los tramos de barra están sujetos por dos soportes, uno a cada lado del bus, la fuerza aplicada a cada soporte y al sistema de conexión del bus será de 300 daN.

Las consecuencias posibles serán la deformación o la rotura de las piezas.

Efecto sobre los dispositivos de maniobra (disyuntores, interruptores o contactores)

Los contactos separables de los dispositivos de corte tienden a abrirse bajo el efecto de esta fuerza electrodinámica denominada repulsiva. Por eso es necesario definir la capacidad de cortocircuito de los interruptores automáticos o seccionadores.

Para una instalación alimentada por una red de distribución, el valor de cresta de la corriente de cortocircuito es igual a K multiplicado por el valor de la corriente de cortocircuito en régimen permanente con 1,41 < K < 2,83 (ver anexo).

El disyuntor o seccionador debe ser capaz de soportar este pico de corriente, que se produce cuando el dispositivo se cierra durante un cortocircuito trifásico simétrico franco.

Interruptores automáticos de baja tensión

En baja tensión, la norma IEC 60947-2, apartado 8.3.2.2.4 establece que los equipos deben tener una relación n entre el poder de cierre en cortocircuito y el poder nominal de corte en cortocircuito, en función del poder nominal de corte en cortocircuito para un cos φ especificado por la norma                              

ver tabla 2.

Tabla 2: Relación n entre el poder de cierre y el poder de corte

(según la norma IEC 60947-2) 

Disyuntores de alta tensión

Para alta tensión, la norma IEC 62271-100, sección 4.103 estipula un poder de cierre igual al menos a 2,5 veces el poder nominal de corte en cortocircuito; en una red en la que el coeficiente K es superior a 2,5 (poco común), será necesario instalar un disyuntor con un poder de corte superior a

I_sc : corriente de cortocircuito máxima   

Nota: El poder de cierre en cortocircuito también se conoce como resistencia electrodinámica.

 

Anexo 

Es interesante definir K característica de la relación R/X, relación de la corriente de cresta transitoria con la corriente en régimen permanente (ver Tabla 3 y Figura 2). En las redes de Alta Tensión, la resistencia (R) es más pequeña que (X) la impedancia.

Generalmente la relación R/X es:

•  entre 0,05 y 0,3 en Alta Tensión
• entre 0,3 y 0,6 en Baja tensión

Tabla 3: Valores de K, relación entre la corriente de cresta transitoria y la corriente en régimen permanente, en función de R/X

Figura 2: Evolución de K, relación entre la corriente de cresta transitoria y la corriente en régimen permanente, en función de R/X

 

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