INTRODUCCION A LOS CORTOCIRCUITOS

INTRODUCCIÓN.

Es de suma importancia conocer la magnitud de las corrientes que atraviesan los conductores en nuestras instalaciones, ya que el flujo de cargas en estos trae consigo calentamientos que a en ciertos casos pueden ser dañinos. Un conductor podría estar cargado debajo de su capacidad nominal lo cual no representa peligro incluso estando cargado con su capacidad nominal o bien podría estar sobrecargado, condición para la cual podría trabajar durante algún periodo de tiempo sin que produzca daños. A lo anterior normalmente se suma la condición de cortocircuito que es la más severa y podría producir daños de diversa índole si no se la limita; algunos ejemplos de lo que podría causar una corriente de cortocircuito: fundir aislaciones, producir deformaciones por la intensidad de las fuerzas involucradas, producir incendio (las causas más señaladas cuando se producen incendios son los cortocircuitos). Es por tal motivo que se hace importante limitar estas corrientes en las instalaciones mediante el uso de los respectivos breakers y conocer la forma de calcular las mismas, pues en el mercado se pueden encontrar breakers de diferente capacidad de ruptura.

En el presente artículo se hace una primera introducción a lo que son dichas corrientes de cortocircuito.

LA NATURALEZA DE LOS CORTOCIRCUITOS.

Los sistemas eléctricos deben ser diseñados para soportar condiciones extremas impuestas durante su funcionamiento. Una condición extrema es la ocurrencia de fallas que pueden ser producidas por: presencia de animales en el equipo, malas conexiones que causan calentamiento extremo, fuentes de voltaje, deterioro de la aislación con el tiempo, esfuerzos electromecánicos aplicados al equipo, acumulación de humedad en combinación con sales, introducción de elementos metálicos en los equipos o la red y así sucesivamente una cadena de varios hechos e incluso los “desconocidos”.

TIPOS DE FALLAS EN SISTEMAS TRIFASICOS.

El esquema de conexión más conocido, comprensible y fácil de describir es el estrella con neutro a tierra; la figura 1 muestra los tipos de falla típicos en un sistema trifásico así conectado. Esas fallas pueden ser: (A) falla fase a tierra, (B) falla fase a fase, (C) falla fase-fase a tierra, (D) Falla trifásica, (E) Falla trifásica a tierra. R, S, T son las fases del sistema.

LOS QUE APORTAN A UN CORTOCIRCUITO /1/.

Un sistema eléctrico de distribución de energía, puede tener 4 fuentes básicas de fuentes que pueden aportar a las corrientes de cortocircuito:

1. Generadores. Los generadores están impulsados por turbinas, motores diesel, rodetes de agua u otros tipos de primo-motores. Cuando ocurre un cortocircuito en el circuito energizado por un generador, éste continúa produciendo tensión eléctrica debido a que el campo magnético que produce el sistema de excitación aún se mantiene y el primo-motor continúa impulsando al generador a una velocidad cercana a la normal. Esa tensión eléctrica produce una elevada corriente que fluye desde el generador hacia el punto de cortocircuito. Este flujo de corriente de cortocircuito es limitado únicamente por la impedancia propia del generador y del circuito entre el generador y el punto de cortocircuito; nótese que si el cortocircuito se da en bornes del generador, la corriente es únicamente limitada por la impedancia propia del generador.
2. Motores síncronos. La forma de construcción es similar a la de varios generadores, por lo tanto este motor posee un bobinado de campo magnético excitado por corriente continua y un bobinado estatorico por la cual circula corriente alterna. Normalmente los motores síncronos toman energía de la red de distribución y la convierten en energía mecánica. Durante un cortocircuito, la tensión eléctrica del sistema es reducida a un valor muy bajo; consecuentemente el motor deja de proporcionar energía mecánica a su carga mecánica y la velocidad empieza a bajar lentamente. Sin embargo así como en un generador el primo-motor continua impulsando al generador; en el motor la inercia de la carga mecánica continúa impulsando al motor. Por el principio de reversibilidad en máquinas eléctricas, el motor síncrono se convierte en generador y entrega corriente de cortocircuito durante algunos ciclos luego de haber ocurrido la falla. La magnitud de corriente de cortocircuito producida por el motor depende de la impedancia del motor síncrono y la impedancia del sistema hacia el punto donde se produjo el cortocircuito.
3. Motores de Inducción. La inercia de la carga mecánica de un motor de inducción tiene el mismo efecto sobre un motor de inducción como en un motor síncrono; es decir continúa haciendo girar al motor luego de ocurrido un cortocircuito. Existe una gran diferencia y es que el motor de inducción no posee bobinado de campo; a pesar de ello, existe un flujo en el motor de inducción durante operación normal el cual actúa de modo similar al flujo de campo en un motor de inducción.El flujo del rotor en un motor de inducción permanece normal hasta que es des energizada desde su fuente externa. Sin embargo si la fuente externa fuese súbitamente removida, como cuando ocurre en un cortocircuito en el sistema, el flujo en el rotor no cambiará (a cero) instantáneamente.Debido al flujo que no cae instantáneamente y al momento de inercia de las masas rotantes acopladas al motor, se genera una tensión eléctrica en los arrollamientos del estator. Esto causa una elevada corriente que fluye hacia el punto de cortocircuito. La corriente de cortocircuito desaparece totalmente en alrededor de 4 a 5 ciclos puesto que no existe una corriente de campo que mantenga el campo magnético rotorico como en el caso de un motor síncrono.El flujo es lo suficiente largo en duración como para producir una corriente de cortocircuito que afecte el valor de servicio de algún circuit breaker con disparo en uno o dos ciclos luego de producido un cortocircuito. Por lo tanto la corriente de cortocircuito debe ser tomada en cuenta en ciertos cálculos.La magnitud de la corriente de cortocircuito producida por un motor de inducción depende de la impedancia del sistema hasta el punto donde se produjo el cortocircuito. La impedancia de la máquina en el momento del cortocircuito está en correspondencia cercana con la impedancia de rotor detenido. Luego el valor inical de la corriente de cortocircuito es aproximadamente igual a la corriente de arranque o de rotor bloqueado en el motor.
4. Sistemas de distribución (transformadores). Los transformadores generalmente son considerados como fuentes de corriente de cortocircuito; sin embargo, estrictamente hablando no es lo correcto debido a que el transformador simplemente entrega la corriente de cortocircuito desde los sistemas de generación. Los transformadores simplemente cambian el nivel de tensión y la magnitud de las corrientes pero nunca llegan a generar. La corriente de cortocircuito en el lado secundario der un transformador está determinada por su tensión secundaria, su impedancia de cortocircuito, la impedancia de los generadores, la impedancia del sistema entre generador-transformador y finalmente la impedancia desde el secundario del transformador hasta el punto de cortocircuito.

LA IMPEDANCIA DE LAS MAQUINAS ROTATORIAS /1/.

La impedancia de la maquinaria rotatoria consiste de una resistencia muy baja, que normalmente se la considera nula y una reactancia. Dicha reactancia no es tan simple como la de un transformador o una pieza de cable y varía con el tiempo. La figura 2 muestra un trazo de lo que representa una corriente de cortocircuito y está realizado solo con fines de explicación introductoria. La corriente inicia con una gran magnitud y disminuye a un valor de régimen permanente después de que haya pasado cierto tiempo desde el inicio del cortocircuito, en la figura 2 no se está mostrando el periodo transitorio por completo. Asumiendo que la tensión del campo de excitación y la velocidad se han mantenido relativamente constantes dentro del intervalo de tiempo considerado, para explicar el cambio en la magnitud de la corriente se dirá que la magnitud de la reactancia de la máquina ha cambiado luego de iniciado el cortocircuito.

Una expresión que describa a la reactancia en cualquier instante, es muy complicada. Para simplificar el asunto, se asigna a los generadores y motores tres valores de reactancia que se establecieron con el propósito de cálculo de la corriente de cortocircuito en instantes específicos. Estas reactancias se denominan subtransitoria, transitoria y síncrona.

1. Reactancia subtransitoria x”_d . Es la reactancia aparente del arrollamiento del estator en el instante en que ocurre el cortocircuito y determina el flujo de corriente durante los primeros ciclos luego de ocurrido el cortocircuito (duración aprox. 0.1 seg.)
2. Reactancia transitoria x’_d . Es la reactancia que determina el flujo de corriente durante el período después de que la reactancia subtransitoria haya pasado. La reactancia transitoria dura desde medio segundo o más según el diseño de la máquina (duración aprox. entre 0.5 a 2 seg).
3. Reactancia síncrona x_d. Es la reactancia que determina el flujo de corriente cuando se haya alcanzado una condición de régimen permanente. No es efectiva sino hasta varios segundos después de que el cortocircuito haya ocurrido; por lo tanto generalmente no es empleada en cálculo de cortocircuitos.

Un motor síncrono tiene el mismo tipo de reactancia que un generador pero de diferente valor. Los motores de inducción no tienen bobinados de campo pero las barras de la jaula de ardilla del rotor actúan como un bobinado de amortiguación en un generador; luego los motores de inducción se dice que solamente poseen el valor de reactancia subtransitoria.

CORRIENTES SIMETRICAS Y ASIMETRICAS.

Se llaman corrientes simétricas, si la envolvente que une los picos de una onda senoidal es simétrica respecto al eje del tiempo. La corriente será asimétrica si dicha envolvente no es simétrica respecto del eje del tiempo, la figura 1 muestra este hecho.

LAS ONDAS DE CORTOCIRCUITO.

Los sistemas eléctricos transportan energía en base a una tensión senoidal, razón por la cual los futuros análisis se realizan en base a esta forma de onda. Una onda de cortocircuito es como la que se muestra en la figura 2.

Sin dar mucha vuelta sobre el tema y remitiéndolos a leer la referencia /1/, diremos que las ondas de cortocircuito generalmente son asimétricas y que la forma depende de los elementos conectados entre el generador y el punto de cortocircuito además del instante en que se inicia el cortocircuito en la onda de tensión. La figura 3 muestra como se descompone la onda de cortocircuito en una componente DC y una AC.

Bibliografía.

/1/ Short Circuit Current Calculations For Industrial and Comercial Power Systems, General Electrical Distribution and Control GET-3550F 0489 BLC.