seguridad, operacion y mantenimiento de interruptores de potencia.pdf

7/24/2019 Seguridad, operacion y mantenimiento de Interruptores de Potencia.pdf

1/398

Seguridad, operacin y mantenimiento de

Interruptores dePotencia(Versin 1, Abril de 2009)

Andrs Granero


2/398

Seguridad, Operacin y Mantenimiento de Interruptores de Potencia

NDICE

CAPTULO 1

1 Caractersticas de la aparamenta de maniobra 51.1 Caractersticas de una red de distribucin de A.T.. 51.2 Efectos de la corriente nominal en los interruptores 131.3 Corrientes de cortocircuito 151.4 Efectos de las sobreintensidades y cortocircuitos en los interruptores 221.5 Clculo de la corriente de cortocircuito 231.6 Clculo de potencias y corrientes de cortocircuito por el mtodo porcentual 291.7 Clculo de la potencia de cortocircuito en sistemas de AT 321.8 El arco elctrico 381.9 Principios de extincin del arco 411.10 Cambio de rgimen de un circuito 44

1.11 El corte de corrientes de carga y de cortocircuito 471.12 Sobretensiones debidas a la maniobra de transformadores 63

CAPITULO 2

2 Las tcnicas de corte en Alta Tensin 682.1 Historia. 682.2 Las tcnicas de corte 692.3 Procedimientos de extincin del arco elctrico 702.3.1 Parachispas o apagachispas 702.3.2 Desconexin del arco por ruptura mecnica brusca 712.3.3 Extincin del arco por soplado magntico 722.3.4 Dispositivo de electrodos 772.3.5 Extincin del arco por soplado de aire 782.3.6 Extincin del arco elctrico en aceite 82

2.3.7 Extincin del arco en hexafluoruro de azufre 862.3.8 La ruptura en el vaco 952.3.9 Ruptura esttica 1002.4 Conclusin 101

CAPITULO 3

3. Funciones y aplicaciones de la aparamenta de maniobra 1033.1 Generalidades. 1033.2 Definiciones: 1063.3 Aparamenta de maniobra abierta 1073.3.1 Seccionadores. 1073.3.2 Seccionadores de puesta a tierra 1183.3.3 Interruptores-seccionadores 1203.3.4 Fusibles de Media Tensin 131

3.3.5 Interruptores automticos 1413.4. Comparativo de las distintas tcnicas de corte 1533.5 Aparamenta de maniobra cerrada en envolvente metlica 156


3/398

3.5.1 Tipos de aparamenta de MT 1563.5.1.1 Celdas modulares 1563.5.1.2 Celdas compactas o RMU 1643.6 Proteccin de circuitos 1693.7 Enclavamientos y operaciones condicionadas 170

CAPITULO 4

4. Interruptores de Baja tensin 1744.1 El interruptor automtico BT 1744.2 Sus funciones. 1754.3 Tecnologa 1764.4 Particularidades de los interruptores automticos BT 1814.5 Los parmetros del corte o ruptura 1864.6 Las exigencias de la distribucin elctrica en B.T. 1874.7 Coordinacin entre interruptores 1954.7.1 La filiacin, efecto cascada o proteccin de acompaamiento 1954.7.2 La selectividad 1964.7.3 La limitacin 1984.8 Tcnicas de selectividad 2054.8.1 Selectividad amperimtrica 2054.8.2 Selectividad cronomtrica 2064.8.3 Selectividad lgica o Zona selectiva lgica (ZSI) 2074.9 Las reglas de selectividad 2084.9 Tecnologa de los polos 2114.10 Reglas generales de la selectividad (en distribucin) 2184.11 La aparamenta de proteccin contra las sobreintensidades 2274.11.1 Los fusibles 2274.11.2 Rels de control de las sobreintensidades 231

CAPITULO 5

5. Mantenimiento e inspeccin de Aparamenta 2455.1 Mantenimiento, inspeccin y puesta en marcha de C.Ts y Subestaciones. 2455.2 Tcnicas operativas de mantenimiento predictivo 2535.3 Operaciones y procedimientos para el mantenimiento en funcin de losdiferentes elementos componentes de los C.C.T.T y Subestaciones 259

5.3.1. Operaciones bsicas 2595.4.Disyuntores de Media Tensin (interruptores automticos) 2635.4.1 Pruebas funcionales 2635.4.2 Localizacin de averas en Disyuntores (interruptores automticos) 2805.5 Puesta en servicio y mantenimiento de interruptores de Baja Tensin 284

CAPITULO 6

6. Seguridad, trabajos y maniobras en instalaciones de AT y BT 2886.1. Definiciones. 2886.2. Prescripciones generales. 2896.3. Instalaciones de baja tensin. 2906.4. Instalaciones de alta tensin. 2936.5. Canalizaciones elctricas subterrneas. 3016.6 Normas complementarias relativas a los centros de transformacin

y subestaciones. 3046.7. Trabajos en bateras de condensadores estticos y acumuladores. 3066.8. Empleo y conservacin del material de seguridad. 307


4/398

6.9. Normas diversas. 3116.10. Trabajos no elctricos en la proximidad de instalaciones en tensin. 313

CAPITULO 7

7. Maniobras en Lneas, Transformadores y Barras 3157.1 Vocabulario 3157.2 Orden de operacin en los aparatos de corte.. 3217.3. Enclavamientos y bloqueos en los aparatos de corte. 323

7.4 Realizacin de maniobras. 3257.4.1 Maniobras de explotacin en lneas. 3267.4.2 Maniobras para trabajos en lneas. 3327.4.3 Maniobras en transformadores. 3357.4.4 Maniobras en barras. 341

CAPITULO 8

8. Mantenimiento correct ivo de interruptores de potencia 3448.1 Interruptores de pequeo volumen de aceite. 3448.1.1 Interruptores automticos A.E.G., tipo EKU. 3478.1.2 Interruptor automtico LESA GARDY. TIPO T.30. 3588.1.3 Interruptores automticos ISODEL HIP-300 3638.1.4 Interruptores automticos ISODEL HPF-307g 3718.2 Interruptor en hexafluoruro de azufre SF6 3808.2.1 Interruptor FLUARC FB4 MERLIN GERIN 380

BIBLIOGRAFA 399


5/398

Operacin y Mantenimiento deInterruptores de Potencia

5

1. Caractersticas de la aparamenta de maniobra

Actualmente no existe ningn acuerdo internacional sobre los lmites precisos para definir la altatensin; aunque en Espaa se considera alta tensin (AT) a toda tensin nominal superior a 1 kV.RAT ITC 01.El trmino Media Tensin (MT) se aplica para tensiones entre 1 kV y 36 kV; (52 y 72 kV) aunqueno es una definicin normalizada.En este texto, denominaremos sistemas de distribucin de media tensin aquellos que necesitanuna etapa de transformacin reductora de tensin para poder alimentar redes de baja tensin, ya

que por motivos econmicos y tcnicos, la tensin nominal de estos sistemas supera en rarasocasiones los 36 kV.Sin embargo, en la prctica se acostumbra a clasificar los distintos niveles de tensin de la formasiguiente:

- B.T.: hasta 1000 V en c.a. y 1500 V en c.c- M.T.: de 3 a 36 kV ( 52 y 72,5 kV)- A.T.: de 45 a 220 kV ( 80 a 220 kV)- M.A.T.: de 250 a 800 kV.

1.1 Caractersticas de una red de distribucin de A.T.

Los sistemas de distribucin en AT son por lo general trifsicos con 3 conductores de fase y sinconductor de neutro, a menos que se indique lo contrario.A continuacin se detallan algunas definiciones relacionadas con la tensin y basadas en el RAT:


6/398


6

Tensin de servicio: Es el valor de la tensin realmente existente en un punto cualquiera de unainstalacin en un momento determinado.Tensin ms elevada de una red trifsica: Es el valor ms elevado de la tensin entre fases, quepuede presentarse en un instante y en un punto cualquiera de la red, en las condiciones normales

de explotacin. Este valor no tiene en cuenta las variaciones transitorias (por ejemplo, maniobrasen la red) ni las variaciones temporales de tensin debidas a condiciones anormales de la red (porejemplo, averas o desconexiones bruscas de cargas importantes).Tensin ms elevada para el material (Um): Es el valor ms elevado de la tensin entre fasespara el que material (aparamenta, transformador, etc.), est especificado en lo que respecta a suaislamiento, as como a otras caractersticas relacionadas con esta tensin en las normaspropuestas para cada material.Tambin se le llama tensin nominal para el material.Tensin nominal: Valor convencional de la tensin con la que se denomina un sistema oinstalacin y para el que ha sido previsto su funcionamiento y aislamiento.La tensin nominal expresada en kilovoltios, se designa por Un.Tensin nominal de una red trifsica: Es el valor de la tensin entre fases por el cual sedenomina la red, y a la cual se refieren ciertas caractersticas de servicio de la red.Tensin nominal para el material: Es la tensin ms elevada para el material (aparamenta,transformador, etc.) asignada por el fabricante.

Tensin soportada: Es el valor de la tensin especificada, que un aislamiento debe soportar sinperforacin ni contorneamiento, en condiciones de ensayo preestablecidas.


7/398


7

Tensin soportada nominal a los impulsos tipo maniobra o tipo rayo: Es el valor de cresta dela tensin soportada a los impulsos tipo maniobra o tipo rayo prescrita para un material, al cualcaracteriza el aislamiento de este material en lo relativo a los ensayos de tensin soportada.Tensin soportada nominal a frecuencia industrial: Es el valor eficaz ms elevado de unatensin alterna sinusoidal a frecuencia industrial, que el material considerado debe ser capaz desoportar sin perforacin ni contorneamiento durante los ensayos realizados en las condicionesespecificadas.Aparamenta

En la aparamenta de alta tensin se emplea, segn la norma UNE-EN 60694, el concepto de valor asignado , que es un valor que queda fijado, por lo general por parte del fabricante, paraunas condiciones de funcionamiento especficas de un componente, dispositivo o equipo:Tensin asignada (Ur): La tensin asignada seala el lmite superior de la tensin ms alta de lared para la que est prevista la aparamenta. Los valores normalizados coinciden con los de latensin ms elevada para el material que se ha definido anteriormente.Nivel de aislamiento asignado se define por los valores de tensin soportada asignada:De corta duracin a frecuencia industrial.

Con impulso tipo rayo (onda normalizada 1,2/50 s).Los aparatos que son seccionadores, es decir, queaseguran una distancia de seccionamiento, debensatisfacer un nivel de aislamiento superior en posicinabierto (en la distancia de seccionamiento).La Instruccin Tcnica Complementaria RAT 12Aislamiento puntualiza que el nivel de aislamiento de

los equipos que se emplean en las instalaciones de AltaTensin debe adaptarse a los valores normalizadosindicados en la norma UNE 21062 salvo casosespeciales debidamente justificados por el proyectistade la instalacin.En la misma normativa se dan los valores de los niveles

de aislamiento nominales de los aparatos de A.T. reunidos en tres grupos: Grupo A. Tensin mayor de 1 kV y menor de 52 kV. Grupo B. Tensin igual o mayor de 52 kV y menor de 300 kV. Grupo C. Tensin igual o mayor de 300 kV.

Niveles de aislamiento nominales para materiales del Grupo A.

TABLA 1

TENSIN MSELEVADA PARA EL

MATERIAL (Um)

TENSIN SOPORTADANOMINAL A LOS

IMPULSOS TIPO RAYO

TENSIN SOPORTADANOMINAL DE CORTA

DURACIN AFRECUENCIAINDUSTRIAL

kV eficacesLista 1 Lista 2

kV crestakV eficaces

3,67,212

17,524

36

2040607595

145

40607595

125

170

1020283850

70


8/398


8

La lista 1 se utilizar en las instalaciones con el neutro a tierra, bien directamente o a travs de unaimpedancia de pequeo valor, y cuando el neutro este puesto a tierra a travs de una bobina deextincin o en redes equipadas con una proteccin suficiente contra las sobretensiones (vaseUNE 21-062 Coordinacin de aislamiento).La lista 2 se utilizar en los dems casos o cuando sea necesario un alto grado de seguridad. Estees el caso de redes extensas de cables en las que puede ser necesario el empleo de pararrayoscapaces de descargar la capacidad de los cables.

Niveles de aislamiento nominales para materiales del Grupo B.

TABLA 2

Esta tabla asocia uno o ms niveles de aislamiento recomendados a cada valor de Um.No se utilizarn tensiones de ensayo intermedias. El nivel ms elevado es el conveniente en redesprovistas de bobina de extincin o en las que el coeficiente de puesta a tierra sea superior a 1,4.

En este grupo, la eleccin del material es funcin primordial de las sobretensiones de maniobraque se esperan de la red y el nivel de aislamiento del material se caracteriza por las tensionessoportadas a los impulsos tipo maniobra y tipo rayo.En una misma red pueden coexistir varios niveles de aislamiento, correspondientes a instalacionessituadas en diferentes lugares de la red o a diferentes materiales pertenecientes a una mismainstalacin.


9/398


9

Niveles de aislamiento nominales para materiales del Grupo C.

TABLA 3

TransformadoresLa Tabla 4, se ha obtenido de la UNE-EN 60076.El significado de las listas 1 y 2 es el mismo que para la tabla de aparamenta, es decir, la eleccindepende del grado de exposicin a las descargas, etc.

Otros componentesEs evidente que el nivel del aislamiento de otros componentes de AT (p. ej., porcelana o aislantesde cristal, cables de AT, transformadores de medida y proteccin, etc.), debe ser compatible con elde la aparamenta y transformadores a los cuales van asociados. Los ensayos a realizar en estoscomponentes se facilitan en las normas correspondientes.Las normas nacionales (UNE) se armonizan con las normas europeas (EN) e internacionales (IEC).

Nota general:Las normas IEC estn pensadas para su aplicacin internacional y por consiguiente incluyen unaamplia gama de niveles de tensiones y corrientes.Reflejan las distintas prcticas adoptadas en pases de diferentes requisitos meteorolgicos,geogrficos y econmicos.


10/398


10

Tabla 4: Niveles de aislamiento asignados para transformadores.

Correccin de altitud

Segn la disposicin a la intemperie o la proteccin contra ella del trayecto de aislamientocontemplado en un aparato elctrico, se habla de aislamiento exterior o interior.La resistencia elctrica de la envolvente exterior depende de las caractersticas del aire libre querodea a esta envolvente (densidad del aire, humedad, etc.).

Con mayor altura sobre el nivel del mar disminuye la densidad del aire y con ello su resistenciaelctrica, debindose considerar esto al dimensionar el aislamiento de equipos de emplazamientosuperior a 1000 metros sobre el nivel del mar. La correccin mediante un factor de altitud se refierebien a la tensin nominal o bien al poder de aislamiento del aparato en cuestin.

Procedimiento de correccin

Mtodo 1: Conociendo la altitud del emplazamiento se obtiene de la figura 1.1 el factorcorrespondiente de altitud k. Luego se dividen por el factor k los valores de las tensiones deensayo alternas y de choque, que corresponden a la tensin nominal del aparato. Las nuevastensiones de ensayo valen para los ensayos en laboratorios de alta tensin situados a menos de1000 metros sobre el nivel del mar, y determinan el dimensionamiento del aislamiento.

Mtodo 2: Obtenido el factor de altitud k correspondiente, se divide la tensin nominal de la redrespectiva por este factor, resultando la nueva tensin nominal que determina el aparato que debe

elegirse.

Ejemplo:

Altitud de emplazamiento 3000 m.Factor de correccin obtenido k = 0,8;tensin nominal de la red 24 kV.

Tensiones de ensayo:

Tensin de choque Us = 125 kV; valorefectivo de la tensin alterna de ensayoUp = 50 kV.El nivel de aislamiento requerido parauna altitud de emplazamiento de 3000

m. Sobre el nivel del mar es, por lotanto:Fig. 1.1:Curva para determinar el factor de altitud k,partiendo de la altitud H (segn IEC 71 A).


11/398


11

Tensin de choque: kVkV

Us 1578,0

125==

Tensin alterna de ensayo: kVkV

Up 5,628,0

50==

Por consiguiente el aislamiento de los aparatos respectivos debe resistir una tensin de choque de157 kV y una tensin alterna de ensayo de 62,5 kV, siempre que estos ensayos se realicen enlaboratorios situados a menos de 1000 m sobre el nivel del mar.

Tensin nominal:

Obtenido el factor de altitud k = 0,8 se divide la tensin nominal de la red respectiva (24 kV) poreste factor, resultando la nueva tensin nominal, determinante para la eleccin del aparato:

kVkV

UH 308,0

24==

Los aparatos para emplazamientos a 3000 m. De altitud deben haber sido dimensionados para Um= 36 kV.

Intensidad nominalLa intensidad nominal o asignada se define como el valor eficaz de la corriente que se puedetransportar continuamente a la frecuencia nominal con un aumento de temperatura que no supere

el especificado por la norma del producto correspondiente. Los requisitos de intensidad nominalpara los aparatos se deciden en la etapa de diseo de la subestacin o centro de transformacin.La especificacin de intensidad asignada ms comn para la aparamenta elctrica de MT es de400 o 630 A.En las reas industriales y distritos urbanos de gran densidad de carga, los circuitos de 630 A sona veces necesarios, mientras que en las subestaciones de alimentacin de gran potencia quealimentan las redes de MT, la aparamenta de 800A - 1250A - 1600A - 2000A - 2500A - 3150A -4000A - 5000A 6300 Ase prescribe para los circuitos de entrada, juego de barras y acoplamientode barras. Los transformadores de MT/BT con una intensidad de servicio de hasta 60 A aprox., sepueden proteger con fusibles combinados con interruptor. Para intensidades de servicio superiores,la combinacin de interruptor-fusible no tiene el rendimiento necesario.No existen tablas de especificaciones de corriente normal recomendadas por IEC para lacombinacin en estos casos. La especificacin real la proporciona el fabricante del interruptor-fusible, de acuerdo con las caractersticas del fusible del transformador, tales como:Intensidad en servicio normal.

Mxima intensidad admitida y su duracin. Pico mximo y duracin de la intensidad magnetizante de entrada de puesta en tensin deltransformador.Posicin del cambiador de tomas del transformador tal y como se indica en el ejemplo del anexoA de la IEC 62271-105.En un esquema de estas caractersticas, el interruptor de corte en carga debe estar diseadoadecuadamente para abrir automticamente, p. ej., por rels, a niveles de corriente de defectobajos que deben cubrir (con un margen adecuado) la corriente de corte mnima especificada de losfusibles de AT. De esta forma, los valores de la corriente de defecto que superan la capacidad decorte del interruptor de carga se eliminarn por los fusibles, mientras que los valores de la corrientede defectos bajos, que los fusibles no pueden eliminar correctamente, se eliminan por el interruptorde corte de carga dirigido por el rel.


12/398


12

Intensidad admisible de corta duracin asignada

Es el valor eficaz de la corriente que puede soportar un aparato mecnico de conexin en posicinde cierre, durante un corto periodo especificado y en las condiciones prescritas de empleo yfuncionamiento.Valores normales:6,3KA - 8KA - 10KA - 12,5KA - 16KA - 20KA - 25KA - 31,5KA - 40KA - 50KA - 63KA - 80KA -100KA

Nota: El valor elegido de entre los anteriores, debe ser compatible con cualquier otra caractersticade cortocircuito asignada al aparato mecnico de conexin.

Valor de cresta de la intensidad admisible asignada de corta duracin

Es el valor de cresta de la intensidad de la primera onda de la corriente de corta duracin admisibleque un aparato mecnico de conexin puede soportar en las condiciones prescritas de empleo yfuncionamiento.El valor normal de cresta de la intensidad admisible es igual a 2,5 veces el valor de la intensidad decorta duracin admisible.

Duracin admisible asignada de la intensidad de cortocircuito

Es el intervalo de tiempo durante el cual un aparato mecnico de conexin puede, en posicin decierre, soportar la intensidad asignada de corta duracin admisible.

El valor normal de la duracin de cortocircuito asignada es de 1s.Si es necesario un valor superior a 1s, se recomienda el valor de 3s.

Influencia de la temperatura ambiente en la corr iente nominal

Las especificaciones de intensidad asignada se definen para todos los aparatos elctricos; loslmites superiores se deciden en funcin del aumento de temperatura aceptable causado por la I2R(vatios) disipados en los conductores (donde I = intensidad eficaz en amperios y R = la resistenciadel conductor en ohmios), junto con el calor producido por la histresis magntica y las prdidas decorriente de Foucault en motores, transformadores, etc., y las prdidas dielctricas en cables ycondensadores, cuando proceda.Un aumento de temperatura superior a la temperatura ambiente depende principalmente de lavelocidad con la que se elimina el calor. Por ejemplo, las grandes corrientes pueden atravesar losdevanados de motores elctricos sin que stos se sobrecalienten, simplemente porque unventilador de refrigeracin fijado al eje del motor elimina el calor a la misma velocidad a la que se

genera, por lo que la temperatura alcanza un valor estable por debajo de la que podra daar elaislamiento y quemar el motor.Los transformadores de refrigeracin de aire o aceite se encuentran entre los ejemplos msconocidos de estas tcnicas de refrigeracin forzada.Los valores de intensidad asignada recomendados por la IEC se basan en temperaturas ambientescomunes en climas templados a altitudes que no superan los 1.000 metros, de forma que loselementos que dependen de la refrigeracin natural por radiacin y conveccin de aire sesobrecalientan si funcionan a la intensidad asignada en un clima tropical o a altitudes superiores alos 1.000 metros.En tales casos, se debe reducir el valor nominal/asignado del equipo, es decir, se debe asignar unvalor inferior de intensidad asignada.El caso del transformador se trata en la norma UNE-EN 60076-2. En el caso de lostransformadores con refrigeracin forzada, suele ser suficiente contar con pantallas solares yaumentar las superficies del radiador de refrigeracin del aceite, la cantidad del aceite derefrigeracin, la potencia de las bombas de circulacin de aceite y el tamao de los ventiladores decirculacin de aire, para mantener la especificacin original de las normas.Para la aparamenta elctrica, se debe consultar al fabricante acerca de la reduccin de intensidadasignada que se debe aplicar de acuerdo con las condiciones de funcionamiento reales.


13/398


13

1.2 Efectos de la corriente nominal en los in terruptores

Todo circuito elctrico recorrido por una corriente elctrica es un foco de desprendimiento de calor[efecto trmico]. Bajo esta influencia se calientan los elementos activos de los interruptores,establecindose el rgimen de equilibrio cuando la cantidad de calor cedido al exterior es igual a lasuma de prdidas en el interior de los mismos.

El valor de las prdidas Por efecto Joule se determina mediante la frmula:

Q = 0,24 R . I2. t

de donde Q = cantidad de calor expresado en caloras.R = resistencia en ohmios.I = intensidad de la corriente en amperios.t = tiempos en segundos.

La temperatura mxima alcanzada no debe sobrepasar unos limites bien definidos, pues de otromodo se producirla:

a) La oxidacin de los contactos.b) La destruccin de los elementos aislantes.c) Modificaciones de la elasticidad de muelles y resortes.

En resumen, se incrementaran las prdidas de energa por el aumento de la resistencia R.

La resistencia interna R de un interruptor es la suma de dos resistencias parciales:a) Resistencia propia de las piezas conductoras.b) Resistencia de los contactos.

Fig. 1.2 : Efecto de la corriente nominal sobre un interruptor.


14/398


14

Resistencia de las piezas conductoras

La resistencia propia de las piezas conductoras es funcin de la resistividad del metal empleado,de la longitud y de su seccin segn la frmula:

s

lR =

donde: R = resistencia en ohmios.= coeficiente de resistividad en ohmios por mm2/m.l = longitud en metros.s = seccin en mm

Resistencia de contacto

Se llama resistencia de contacto a la resistencia que presenta la superficie comn a dos elementosconsecutivos de un mismo polo. El paso de la corriente a travs de esta superficie viene siempre

acompaado de una cada de tensindebida a la resistencia de contacto.Esta resistencia es relativamente elevadacon relacin a la resistencia propia de laspiezas conductoras y es la principal causadel calentamiento en la polos de losinterruptores. El contacto se puede producir entre partesfijas (6 con 11 y 3 con 12. Figura 1.3 ) yentre partes mviles (6 con 4 y 4 con 3.Figura 1.3 ).La cada de tensin y por tanto laresistencia de los contactos es funcin dela. superficie de los mismos. de lanaturaleza del metal y de la presinejercida sobre las superficies.La resistencia total de un interruptor, seobtiene midiendo en los bornes del mismo(11 y 12. Figura 1.3 ) con un medidor depequeas resistencias especifico (equiposde inyeccin de alto valor de intensidad).En el capitulo de pruebas podemos ver unejemplo de esta medicin.Esta resistencia debe ser tanto msreducida cuanto ms elevada sea laintensidad, a fin de que las prdidas semantengan dentro de unos limitesaceptables.Dada la necesidad prioritaria de garantizarel suministro de energa elctrica, se han

introducido distintas tcnicas para la deteccin de puntos calientes, las cuales nos permiten revisarlos elementos de la instalacin con sta en servicio (ver figura 1.4 Medida con Pirmetro ptico).

Fig. 1.3 : Seccin de un polo de interruptorde pequeo volumen de aceite, para 52 kV.


15/398


15

1.3 Corriente de cortocircuito

Los valores asignados del poder de corte en cortocircuito de los interruptores automticos seindican normalmente en kiloamperios (kA).Estos valores se refieren a una condicin de cortocircuito trifsico y se expresan como el valoreficaz (en kA) del componente peridico (CA) de cortocircuito en corriente en cada una de las tresfases.Para los interruptores automticos de los niveles de tensin nominal considerados en estedocumento, la Tabla 5 proporciona las especificaciones estndar del poder de corte decortocircuito.

Tabla 5: Valores del poder de corte asignados en cortocircuito.

Caracterizacin

Existen 2 tipos de equipos de aparamenta elctrica en funcin de su comportamiento cuando seproduce un defecto.

Equipo pasivoEsta categora incluye todos los equipos que, debido a su funcin, deben tener la capacidad desoportar tanto la corriente normal como la corriente de cortocircuito.Equipos pasivos son: cables, lneas, barras conductoras, seccionadores, interruptores,transformadores, reactancias serie, condensadores y transformadores de medida y proteccin.

Para estos equipos, la capacidad para soportar un cortocircuito sin sufrir daos se define comosigue:

Fig.1.4 : Deteccin por radiacin de calentamientosanormales en un interruptor.


16/398


16

La resistencia trmica (lmite trmico) que refleja la disipacin de calor mxima permitida vienedefinida por la corriente admisible asignada de corta duracin , que es el valor eficaz de lacorriente (en kA) que el equipo (en posicin cerrado para la aparamenta de maniobra) es capaz desoportar durante un breve intervalo de tiempo que debe ser definido entre 1 y 3 s (el valorpreferente suele ser 1 s).La resistencia electrodinmica (lmite dinmico) refleja la resistencia mecnica de los conductores(fuerzas de atraccin o repulsin) debida al paso de una fuerte intensidad. Esta resistencia vienedefinida por el valor de cresta de la corriente admisible asignada que es el valor de cresta (en

kA cresta) de la corriente asociado a la primera onda de la corriente admisible de corta duracinque el equipo (en posicin cerrado para la aparamenta de maniobra) es capaz de soportar.

Equipo activoEsta categora incluye los equipos diseados para eliminar las corrientes de cortocircuito, p. ej.,interruptores automticos y fusibles. Esta propiedad se expresa mediante el poder de corteasignado y, si fuera necesario, el poder de cierre cuando se produce un defecto al cerrar unaparato.

Poder de corte y poder de cierrePara abrir una corriente determinada, siempre se establece un arco elctrico cuyos efectostrmicos es necesario eliminar.Mientras que en el corte estn presentes los efectos trmicos, en el cierre lo estn los efectoselectrodinmicos de la corriente, al cebarse el arco, que impide o distorsiona la conexin, por loque sta deber ser lo ms rpida posible mediante elementos (resortes) adecuados al afecto.

Poder de corte asignado en cortocircuito (ver Figura 1.5):El poder de corte asignado en cortocircuito es el valor ms elevado de la corriente (en kA eficaces)que la aparamenta de corte debe poder cortar bajo su tensin asignada.

Fig. 1.5: Poder de corte asignado de un interruptor automticocortando un cortocircuito segn IEC 60056.

Se caracteriza por dos valores: El valor eficaz de su componente peridico (CA), denominado de forma abreviada: poder de

corte asignado en cortocircuito. El porcentaje del componente aperidico (CC) correspondiente a la duracin de apertura del

interruptor automtico (ver Tabla 5).


17/398


17

Segn la IEC, un interruptor automtico debe poder cortar el valor eficaz del componente peridicodel cortocircuito (su poder de corte asignado) con un porcentaje de asimetra definido por unascurvas determinadas.El poder de corte depende de otros factores, a saber: Tensin. Relacin R/X del circuito interrumpido. Frecuencia natural del sistema de alimentacin. Secuencia o ciclo de maniobra asignado en cortocircuito:

A - C/A - C/A (A = A = apertura, C = cierre). Estado del dispositivo tras los ensayos.La capacidad de corte es una caracterstica relativamente complicada para definirla y por lo tantono es de extraar que al mismo dispositivo se le puedan asignar diferentes capacidades de corteen funcin de la norma que lo define(1).Poder de cierre en cortocircuito:El poder de cierre es el valor mximo de la corriente de cortocircuito (en valor de cresta expresadoen kA cresta) que la aparamenta de corte es capaz de establecer y de mantener en unainstalacin. Debe ser superior o igual al valor de cresta de la intensidad de corta duracinasignada.As, por ejemplo, segn la norma IEC 62271-100, un interruptor automtico utilizado en un sistemade 50 Hz debe poder soportar una corriente de cresta establecida igual a 2,5 veces el poder decorte (2,6 veces para sistemas de 60 Hz).La capacidad de cierre tambin es necesaria para interruptores y en algunas ocasiones para

desconectores, incluso si estos dispositivos no

pueden eliminar el defecto.Mxima intensidad de corte limitada:Algunos dispositivos tienen la capacidad de limitarla corriente de defecto que se va a interrumpir (p.ej., los fusibles limitadores de corriente).La mxima intensidad de corte limitada dependedel valor eficaz de la intensidad que se hubiesealcanzado en consumir del dispositivo limitador.

Sobreintensidades y cortocircuitos

Las sobreintensidades ms importantes quepueden producirse en un sistema elctrico son lasdebidas a cortocircuitos, o sea disminucionesbruscas de impedancia en un determinado circuito,

motivadas normalmente por fallos en elaislamiento.Habitualmente representan intensidades muysuperiores a las de servicio.Teniendo en cuenta que los efectos trmicos ydinmicos de la corriente aumentancuadrticamente con el valor de la misma, secomprende que la determinacin de la magnitudde las corrientes de cortocircuito es esencial parala eleccin y previsin de los aparatos de maniobray de los elementos de paso de corriente (cables,barras, etc.).Todo aparato de maniobra, debe de poder soportarla mxima corriente de cortocircuito que puedapresentarse en el punto de la red donde se

encuentra instalado.A continuacin se expondrn, a ttulo de resumen, los conceptos principales que afectan a laaparamenta de maniobra.

Fig. 1.6 : Presentacin grfica de los dos casosextremos de una corriente de cortocircuito,simtrica y asimtrica.


18/398


18

Curso temporal i = f(t) de la corriente de cortocircuito.

Segn sea el valor de la tensin (senoidal) en el momento de producirse el cortocircuito, el cursode la intensidad puede ser simtrico respecto al eje de abscisas (cuando la tensin es mxima) obien inicialmente asimtrico respecto a dicho eje (cuando la tensin es nula) Figura 1.6 . Enadelante, slo se considerar este ltimo caso por ser el ms desfavorable.

Fig.1.7: Contribucin a la corriente total de cortocircuitoIcc (e) de:a) la reactancia subtransitoria c) la reactancia permanenteb) la reactancia transitoria d) la componente unidireccional


19/398


19

El cortocircuito puede producirse en un punto elctricamente cercano al generador(o generadores) o en un punto lejano a los mismos.

Se entiende por cortocircuito cercano al generador, cuando la corriente inicial (subtransitoria) decortocircuito tripolar es igual o superior al doble de la corriente nominal del generador.Cortocircuito lejano es aquel cuyo valor inicial, en caso de cortocircuito trifsico, no alcanza eldoble de la intensidad nominal del alternador.

Cuando el cortocircuito es cercano, o sea est directamente alimentado por el alternador,lacorriente sigue un curso temporal amortiguado, o sea, empieza con un valor inicialdenominado subtransitorio que se va reduciendo hasta el valor final permanente pasandopor un valor intermedio denominado transitorio Figura. 1.7.

Cuando el cortocircuito se produce en un punto suficientemente lejano (elctricamente) delos generadores, la corriente inicial no se amortigua. Se trata pues de un cortocircuito noamortiguado.

Este caso se da frecuentemente en sistemas de MT alimentados por transformadores AT/MT,cuando la potencia de alimentacin de la red AT es suficientemente grande en comparacin con lade los transformadores AT/MT que alimentan la red MT.

En las figuras 1.8 y 1.9 se representan el curso de la corriente de cortocircuito asimtrico yamortiguado y la de cortocircuito asimtrico pero no amortiguado. Se indican tambin los valorescaractersticos de la corriente de cortocircuito.Se observa pues que la corriente inicialmente asimtrica de cortocircuito (amortiguado o no) estformada por una componente unidireccional aperidica (llamada tambin de corriente continua) yotra componente alterna senoidal de frecuencia igual a la de servicio. La componente

unidireccional decrece en forma exponencial a partir del momento inicial hasta hacerse

Fig.: 1.8 a) Cortocircuito amortiguado (cortocircuito cercano al generador). b) Cortocircuito no amortiguado

(cortocircuito lejano del generador).


20/398


20

prcticamente cero al cabo de un cierto tiempo. Subsiste pues slo la componente senoidal queentretanto queda simetrizada respecto al eje de referencia.En los cortocircuitos amortiguados la componente alterna tambin decrece desde un valor inicial(llamado subtransitorio) hasta el final (permanente) pasando por un intermedio (transitorio). Estadisminucin sigue tambin una ley exponencial (vase la curva envolvente de los mximos de lacomponente senoidal -figura 1.9).

En los cortocircuitos lejanos a la fuente esta componente senoidal no se amortigua.A los efectos del clculo de cortocircuitos y sus efectos dinmicos y trmicos los valores msimportantes son:Is: corriente de choque de cortocircuito. Es el valor mximo instantneo de la corriente, despus deocurrirel cortocircuito. Se expresa por su valor de cresta.I''K: corriente alterna subtransitoria de cortocircuito. Es el valor eficaz de lacorriente alterna decortocircuito en el instante en que este ocurre.

Fig. 1.5 : Factor c

Fig. 1.9 :Detalles


21/398


21

Su magnitud depende esencialmentede las impedancias de la red, en eltrayecto del cortocircuito, y de lareactancia inicial X''K (reactanciasubtransitoria longitudinal) de losgeneradores. La relacin entre I''K e I''s es

kIIs = 2 .El factor c depende de la proporcinde resistencia R y de reactancia X enla impedancia del trayecto delcortocircuito (impedancia decortocircuito Z) y puede tomarse dela curva representada en la figura1.10.En los sistemas de MT la relacinR/X acostumbra a ser inferior a 0,1,por tanto es usual tomar para elvalor 1,8. Con ello la frmula anteriorresulta:

kIkIIs = 5,254,2

El valor IS (corriente de choque de cortocircuito) es el utilizado para el clculo de los efectosdinmicos (mecnicos) del cortocircuito. El valor I''K (corriente alterna subtransitoria decortocircuito) es el valor base, para el clculo de los efectos trmicos del cortocircuito. (Tambininterviene el citado factor ).

Fig. 1.11: Porcentaje de la componente aperidica de funcin de , en circuitos conconstante de tiempo X/R =40 ms

Fig. 1.10:Factor c


22/398


22

1.4 Efectos de las sobreintensidades y cortocircuitos en los interruptores

El paso de una sobreintensidad produce dos efectos distintos:a) Efectos electrodinmicos.b) Efectos trmicos.

Las caractersticas que indican la capacidad de los interruptores ante los efectos de unasobreintensidad se identifican por medio de la intensidad nominal admisible de corta duracin y del

valor de cresta de la intensidad nominal admisible.

Efectos electrodinmicos

Estos pueden ser lo suficientemente elevados como para deformar y averiar los aparatos yprovocar la apertura de los contactos.

Todo conductor recorrido por una corriente elctrica y situado en un cuerpo magntico est sujetoa una fuerza proporcional a la intensidad de la corriente que lo recorre y al valor del campomagntico.

Estos esfuerzos que se miden en Kg., pueden dar lugar a un esfuerzo de repulsin si las corrientesque recorren los conductores son de sentido contrario y a un esfuerzo de atraccin cuando tenganel mismo. En algunos contactos se aprovecha este esfuerzo para reforzar la presin de losmismos cuando tiene lugar una sobreintensidad o cortocircuito (ver Figura:1.12).

Efectos trmicos

Pueden producir tales deterioros en las piezas conductoras como para provocar la soldadura de loscontactos.La duracin de una sobreintensidad admisible en un interruptor. es funcin de las temperaturaslimites admisibles que pueden soportar en funcionamiento normal sin sufrir deterioros nideformaciones excesivas.El dimensionamiento de las partes conductoras, lo determinan los esfuerzos electrodinmicos ytrmicos.

Fig.1.12 : Aprovechamiento de las fuerzaselectrodinmicas F.


23/398


23

1.5 Clculo de la corriente de cortocircuito

Las reglas para calcular las corrientes de cortocircuito en las instalaciones elctricas se indican enla norma IEC 60909.El clculo de las corrientes de cortocircuito en varios puntos de un sistema de alta tensin puedeconvertirse rpidamente en una tarea difcil si la instalacin es complicada.

La utilizacin de software especializado acelera los clculos.Esta norma general, aplicable a todos los sistemas radiales y mallados, de 50 o 60 Hz y hasta 550kV, es extremadamente precisa y conservadora.Se puede utilizar para tratar diferentes tipos de cortocircuitos (simtricos o asimtricos) que sepueden producir en una instalacin elctrica: Cortocircuito trifsico (las tres fases), que por lo general es el que genera las corrientes mselevadas.Cortocircuito bifsico (entre dos fases), con corrientes inferiores a los defectos trifsicos.Cortocircuito de dos fases a tierra (entre dos fases y la tierra).Cortocircuito de fase a tierra (entre una fase y la tierra), el tipo ms comn (el 80% de los casos).Cuando se produce un defecto, la corriente de cortocircuito transitoria es funcin del tiempo eincluye dos componentes (ver la Figura 1.13). Un componente de CA, que se reduce hasta un valor constante (rgimen permanente),provocado por las diferentes mquinas giratorias y en funcin de la combinacin de sus constantesde tiempo.

Un componente de CC, que se reduce a cero, provocado por el inicio del cortocircuito y que esfuncin de las impedancias del circuito.Desde el punto de vista prctico, se deben definir los valores de cortocircuito que resultan tilespara seleccionar los equipos de una instalacin y sus protecciones:

Fig. 1.13: Representacin grfica de los parmetros de un cortocircuito segn IEC 60909.

Simplificaciones de clculoA fin de facilitar el clculo de las corrientes de cortocircuito y hacerlo menos laborioso, es usualadmitir ciertas hiptesis simplificativas.En el clculo de cortocircuitos en sistemas de MT y AT, la principal simplificacin consiste endespreciar los valores de resistencia hmica R frente a los de la reactancia X, o sea considerar Z

X.


24/398


24

Esta simplificacin est admitida por las normas para MT y AT (no as para BT). En efecto, segnlo antes indicado, en los sistemas MT la relacin R/X suele ser del orden de 0,1 menos, o sea X 10 R.Asimismo es usual considerar:

impedancia de falta (punto de contacto, o arco de cortocircuito) nula, o sea, supuesto dedefecto totalmente franco,

prescindir de las corrientes de carga previas al cortocircuito (salvo casos especiales),

impedancias (reactancias) de red constantes (independientes de la corriente).

Segn se ha visto, la impedancia inversa Z2 slo difiere de la impedancia directa Z1 en losalternadores de polos salientes. En transformadores, reactancias, lneas y cables, no haydiferencia entre ambas.En alternadores de rotor cilndrico, se ha dicho que la impedancia inversa Z2es de igual valor quela reactancia inicial (subtransitoria longitudinal) X''d.Precisamente, para el clculo de la corriente de cortocircuito en generadores, se toma dichareactancia inicial X''d, pues por ser menor que la transitoria X'd y la permanente Xd, es la quearroja una intensidad mayor.Por tanto, si, segn lo indicado, se desprecia la resistencia R, puede igualarse X2 = X1= X, entransformadores, reactancias, lneas y cables, respectivamente; y X2= X''d en generadores de rotorcilndrico.Esto representa pues otra interesante simplificacin en el clculo del cortocircuito.Incluso, es usual considerar tambin X2= X''d en los alternadores de polos salientes, prescindiendo

de la diferencia entre ambos.Obsrvese que todas las simplificaciones indicadas conducen a operar con valores de impedanciaalgo menores que los reales, por lo cual, las intensidades resultantes de estos clculossimplificados, son algo mayores que los que se obtendran con un clculo ms riguroso (y mslaborioso).Esta diferencia en ms, viene a representar un margen de seguridad por mayor cobertura en eldimensionado de los elementos, que, hasta cierto punto, puede ser incluso deseable.

Frmulas de clculo

En la Tabla 6 siguiente figuran agrupadas en 2 columnas, las frmulas de la intensidadcorrespondiente a los diversos casos de cortocircuito (se prescinde del caso de doble contacto atierra).En la primera columna estn las frmulas completas sin simplificaciones. Las frmulas de lasegunda columna son ya con las simplificaciones explicadas (Z2= Z1= Z y Z = X). Estas ltimas

son las usualmente utilizadas.Por otra parte, en las 2 columnas se considera nula la impedancia de falta (o sea, suposicin dedefecto totalmente franco).Hay an una tercera columna con la relacin comparativa entre el cortocircuito tripolar y losrestantes casos. De estas relaciones se desprende:

la corriente de cortocircuito bipolar sin contacto a tierra es siempre menor que la deltripolar. Basta pues considerar el cortocircuito tripolar, para los efectos trmicos ydinmicos de la corriente.

en el cortocircuito bipolar con contacto a tierra, hay que distinguir entre la corriente por losconductores defectuosos I''K2PE, y la corriente por el conductor de tierra, y por la tierraI''K2PE.

Para Z0/Z = 1, ambas corrientes son iguales entre s, e iguales a la del cortocircuito tripolar (I''K3P).

Para Z0/Z > 1, estas corrientes son menores que las del cortocircuito tripolar.


25/398


25

Para Z0/Z < 1, las corrientes resultantes son mayores que la del cortocircuito tripolar; y de entreellas, la corriente por los conductos defectuosos es superior a la del conductor de tierra, y por latierra, o sea I''K2PE> I''KE2PE.

En el cortocircito unipolar, se tiene:- para Z0/Z =1, la corriente del cortocircuito unipolar es igual a la del tripolar.- para Z0/Z >1, resulta I''K1PE< I''K3P.- para Z0/Z I''K3P.

Obsrvese pues, que para la evaluacin comparativa de las corrientes de cortocircuito, es decisoriala relacin Z0/Z (X0/X) entre la impedancia (reactancia) homopolar, y la directa.En este sentido, en el valor de la impedancia homopolar Z0, tiene un peso preponderante elsumando de la impedancia entre el punto neutro y tierra ZE, pues segn lo indicado Z0= ZA+ 3ZE,llamando ZA a la impedancia homopolar del resto del circuito (transformador, lnea, generador,etc.).Por tanto, la forma de conexin a tierra del neutro de los transformadores y de los alternadoresdetermina bsicamente el valor de la corriente de cortocircuito unipolar o bipolar a tierra, frente a lade cortocircuito tripolar.En realidad, an en el caso de neutro aislado, la impedancia Z0no es infinita, puesto que siempreexiste una capacidad C entre conductores y tierra y entre los arrollamientos de transformadores yalternadores y masa (tierra).Las capacidades a tierra de las tres fases (supuestas prcticamente iguales) forman una estrellade reactancias capacitivas con su punto neutro a tierra. Se trata normalmente de impedancias de

valor elevado, de forma que en estos casos Z0/Z >> 1.Resumen

Salvo en los casos de neutro rgidamente puesto a tierra en que Z0/Z < 1, la corriente decortocircuito de mayor valor es la correspondiente al cortocircuito tripolar, y basta calcular sta parael dimensionado de los aparatos de maniobra del sistema.Como excepcin, puede darse el caso de puesta a tierra a travs de una bobina de reactancia X Lde valor tal que, con la reactancia capacitiva XC (negativa respecto a XL) d una reactanciahomopolar resultante X0< X, o bien d una X0negativa (capacitiva) de valor tal que 2X - X0< 3X(en valores absolutos), en este caso la corriente del cortocircuito unipolar ser mayor que la deltripolar, o tambin si X - 2X0< 3X (en valores absolutos), en cuyo caso podra ser la corriente delcortocircuito bipolar con contacto a tierra mayor que la del tripolar.Ahora bien, se trata de una combinacin de valores de XLy XCpoco frecuente.

Contribucin a la corriente de cortocircuitoAl calcular la corriente de cortocircuito, hay que tener en cuenta que, adems de los generadores(directamente o a travs de los transformadores), ciertos receptores pueden tambin aportarcorriente de cortocircuito al punto de defecto, o sea que se comportan en aquel momento comogeneradores. Estos receptores son: los motores sncronos y los compensadores sncronos que se comportan como alternadoressncronos y por tanto se consideran como tales en los clculos.


26/398


26

Tabla 6 con frmulas de clculo.


27/398


27

Motores asncronos trifsicos

Los motores asncronos de tensiones nominales superiores a 1 kV aportan un incremento decorriente de cortocircuito alterna subtransitoria I''K y de corriente de choque IS, cuando se trata decortocircuitostripolares y bipolares (sin circuito a tierra). Cuando se trata de cortocircuitos unipolares, puededespreciarse la aportacin de los motores asncronos.

El valor de la corriente I''K que aportan los motores asncronos se calcula con las frmulasespecificadas anteriormente para el cortocircuito tripolar y el bipolar sin contacto a tierra, tomandocomo impedancia (reactancia) del motor ZMXM:

AR

n

MI

UX

=

3

siendo:Un = la tensin nominal del motor,IAR= la corriente de arranque directo del motor, o sea a tensin nominal y rotor en cortocircuito.

Fig.1.14: Motores asncronos trifsicos en los cortocircuitos.


28/398


28

Como es sabido, la corriente de arranque directo de los motores asncronos, acostumbra a valer de5 a 7 veces el valor de su corriente nominal.Si se tuviera que calcular la aportacin al cortocircuito bipolar (normalmente no es necesario, pueses inferior al tripolar) puede tomarse para la reactancia inversa X2= X1= XM.La aportacin de corriente de choque ISse calcula tambin segn lo antes indicado: ''

KS II = 2

Para el factor se toman los siguientes valores (motores de tensin nominal superior a 1 kV):= 1,65 para motores de potencia superior a 1 MW por par de polos,= 1,75 para motores de potencia inferior a 1 MW por par de polos.Para motores de tensin menor de 1 kV (motores de BT) cuando haya que tenerlos en cuenta aestos efectos de cortocircuito, se tomar = 1,4.Obsrvese pues que la velocidad del motor tiene influencia sobre la aportacin de corriente decortocircuito de choque S.Segn las normas alemanas VDE-0102, cuando los motores asncronos estn conectados alsistema afectado de cortocircuito, a travs de transformadores de potencia ( figura 1.14), podrdejarse de tener en cuenta su aportacin de corriente de cortocircuito, cuando:

Siendo:

PN.mot = suma de la potencia nominal en MW de todos los motores de tensin superior a 1 kV ylos de BT que segn la figura deban tenerse en cuenta tambin.

SNT = suma de la potencia nominal de todos los transformadores que alimentan los citadosmotores.

S''K = potencia de cortocircuito inicial del sistema afectado por el cortocircuito (sin contar laaportacin de los motores asncronos al cortocircuito).

KK IUS = 3

siendo U la tensin de servicio.

Conceptos complementarios.

Factor 1,1

Obsrvese que en las frmulas de clculo de la corriente de cortocircuito, la tensin nominal Uviene multiplicada por 1,1. Significa pues que se calcula con una tensin 10% mayor que lanominal.Es por lo siguiente: Por una parte en el momento del cortocircuito, la tensin que acta sobre el circuito en corto, esla fuerza electromotriz subtransitoria E del alternador, la cual es igual a la tensin en bornes delalternador UG, ms la cada de tensin interna debida a la reactancia inicial (subtransitoria) X''dosea:


29/398


29

en donde son:I = la corriente de carga del alternador,= el ngulo de desfase entre UGe I(depende del grado de excitacin del alternador).

Por otra parte, hay que tener en cuenta que la tensin nominal del alternador es habitualmente un5% superior a la tensin nominal de la red UN.Las normas indican que, por el conjunto de los dos conceptos, basta multiplicar por 1,1 la tensinnominal de la red UNsin necesidad de ms clculos (salvo casos especiales).

Potencia de cortocircuito

La potencia inicial alterna (subtransitoria) de cortocircuito S''Ko ms comnmente denominada, por

brevedad, potencia de cortocircuito es KK IUS = 3 siendo U la tensin de servicio de lared. Expresa pues en forma de una potencia (normalmente en MVA) la magnitud del cortocircuito.La comparacin de esta potencia de cortocircuito con la potencia o potencias nominales delsistema permite formarse rpidamente una idea de la magnitud del mismo.Es una forma de evaluar los cortocircuitos muy extendida pues es prctica.Por otra parte, es la base para el clculo de cortocircuitos, por el mtodo porcentual, tambin muyutilizado por su sencillez.

Corriente alterna de desconexin IaEs el valor eficaz de la corriente alterna que pasa por el interruptor en el instante que se separanpor primera vez los contactos.Puede suceder que en aquel momento la componente unidireccional (componente de corrientecontinua) no se haya an anulado del todo, por lo que deber tenerse en cuenta.En general Iaser menor que la corriente inicial de cortocircuito I''Kpues los interruptores tienen untiempo propio de actuacin (retardo de actuacin) por lo que en el momento de la separacin decontactos la corriente inicial I''Kha tenido tiempo de amortiguarse en una cuanta, que depende delcitado tiempo retardo, del tipo de cortocircuito (tripolar o bipolar) y de la relacin entre I''K e IK(intensidad nominal del alternador).

1.6 Clculo de potencias y corrientes de cortoc ircui to por el mtodo porcentual

Tensin e impedancia de cortocircuitoSupngase un transformador con sus bornes de salida (secundario) cerrados en cortocircuito.Si en estas condiciones se aplica al primario una tensin de valor tal que haga circular por eltransformador una corriente igual a la nominal del mismo, a esta tensin se la denomina tensinde cortocircuito (Ucc) de aquel transformador (figura 1.15).El esquema equivalente puede verse en la figura 1.16.Por tanto, la relacin entre esta tensin de cortocircuito y la intensidad nominal es una impedanciaque se denomina impedancia de cortocircuito:

ZccIn

Ucc=

Esta impedancia de cortocircuito es pues una caracterstica constructiva de aquel transformador.Evidentemente, si ahora a este transformador, con su salida secundaria cerrada en cortocircuito, sele aplica la tensin nominal primaria Un, se producir una corriente de cortocircuito, Icc que referida

a la intensidad nominal In, valdr:


30/398


30

InUcc

Un

Zcc

UnIcc ==

La tensin de cortocircuito suele expresarse en tanto por ciento o en p.u. de la nominal.Supngase un generador sncrono (alternador) que est funcionando en vaco con su f.e.m.nominal, En, en bornes.Si en aquel momento se produce un cortocircuito totalmente franco en sus bornes de salida, seproducir una corriente de cortocircuito cuyo valor inicial se denomina, corriente inicial decortocircuito I''cc (subtransitoria).La relacin entre la tensin nominal Eny la corriente de cortocircuito I''cc, es evidentemente, unaimpedancia, que se denomina impedancia inicial (subtransitoria) de cortocircuito:

ccI

EccZ n

=

Esta impedancia Z''cc es pues tambin una caracterstica constructiva de aquella mquina.Al producto de la intensidad nominal In por la impedancia inicial de cortocircuito Z''cc se ledenomina tensin de cortocircuito inicial:U''cc = In . Z''cc Suele expresarse tambin en tanto por ciento o en p.u. de la nominal.Supngase ahora un cable o una lnea a la que se le ha asignado una intensidad nominal de pasoIn.

Si esta lnea se cierra en cortocircuito por uno de sus extremos y se le aplica por el otro extremouna tensin de valor tal que haga circular la intensidad nominal, a dicha tensin se la llama

tensin de cortocircuito: Ucc. La relacin Zcc

In

Ucc= es la impedancia de cortocircuito de

aquel tramo de cable o lnea. Es tambin una caracterstica constructiva (figura 1.17).

Fig.1.15: Tensin de cortocircuito

Fig.1.16:Tensin de cortocircuito


31/398


31

La potencia de cortocircuito Scc es el producto de la intensidad de cortocircuito Icc por la tensin

nominal (tensin de servicio) y el factor de fases ( 3 en los sistemas trifsicos). As, en un

sistema trifsico, se tiene: IccUScc = 3 , que se expresa, como potencia aparente, en kVA oen MVA.Segn indicado, U''cc = In . Z''cc, siendo Zcc una caracterstica constructiva.Por tanto, el valor de Ucc es funcin del de In.En efecto, sea, por ejemplo, un transformador de una potencia nominal Sn y por tanto una

intensidad nominalU

SnIn

=

3. Su tensin de cortocircuito ser:

Supngase que se dota a este transformador de una ventilacin adicional de forma que se lepuede atribuir ahora un 30% ms de potencia, sin que sobrepase el calentamiento admisible.Su potencia nominal y su intensidad nominal pasan a ser:

SSn 3,1= y InIn 3,1=

Pero su impedancia de cortocircuito Zcc sigue siendo la misma ya que su parte activa (ncleo

magntico y arrollamientos no ha variado).La tensin de cortocircuito ser pues ahora:

es decir, tambin un 30% mayor.En general pues, si una tensin de cortocircuito Ucc correspondiente a una intensidad o potencianominales In o Sn, tiene que referirse a otro valor de corriente o potencia nominal I'n o S'n, elnuevo valor U'cc de aquella tensin de cortocircuito, ser:

es decir, la tensin de cortocircuito de una mquina o elemento, de impedancia de cortocircuito Zccdeterminada, vara proporcionalmente a la potencia o intensidad nominal atribuida a aquellamquina o elemento.

Fig 1.17: Tensin de cortocircuito de una

lnea


32/398


32

1.7 Clculo de la potencia de cortoc ircuito en sistemas de AT

Datos de partida: Transformadores:- potencia nominal (MWA).- tensin de cortocircuito en % o en p.u. Generadores:

- potencia nominal (MVA).- tensin de cortocircuito inicial subtransitoria (en % o en p.u.). Cables- reactancia por Km. Es un dato que figura en los catlogos.

Lneas Areas:- puede calcularse a base de una reactancia de 0,33 a 0,45 ohm/km.

En el clculo de las corrientes y potencias de cortocircuito en sistemas de media tensin, sedesprecia el valor de la resistencia hmica Rcc, de forma que se hace Zcc Xcc; por tanto Ucc UX, ya que UX = In Xcc.

Marcha de clculo:Se calculan todas las tensiones de cortocircuito UX, referidas a una sola potencia comn o dereferencia, que puede ser la de una de las mquinas del sistema o bien otra potencia cualquiera,

por ejemplo 10 MVA o 100 MVA, etc.Cada transformador, generador o lnea queda sustituido en el esquema por Ux, ya referida a lapotencia comn. Se tiene as un esquema de reactancias, expresadas por su valor de tensin dereactancia, que estn conectadas en serie y/o en paralelo segn sea en cada caso la configuracin(esquema unifilar) del sistema.Se calcula la tensin de reactancia resultante, en la forma habitual, sumando las que estn enserie y componiendo las que estn en paralelo (inversa de la suma de inversas).Con la tensin de reactancia total resultante Uxr y la potencia comn de referencia Sr, se calcula:

1,1100

=xr

ccX

SrS

si Uxr est en % o bien,

xr

ccUSrS

1,1

=

si Urs est dada en tanto por uno (p.u.).El valor de la intensidad de cortocircuito ser, en valor eficaz,

Un

SccIcc

=

3

Siendo Un la tensin de servicio en aquel punto del sistema trifsico.El valor inicial de la intensidad de cortocircuito, expresado en valor cresta, ser:

IccIIs cc = 54,228,1

El valor I''cc en valor eficaz es el utilizado para el clculo de los efectos trmicos del cortocircuito.


33/398


33

El valor Is = 2,5 I''cc es el utilizado para el clculo de los efectos dinmicos (mecnicos) delcortocircuito.

Ejemplo 1: Sistema formado por una lnea de llegada a 132 kV y un transformador 15 MVA,132/25 kV, Ucc= 8%

Calcular Scc en la salida a 25 kV.Pueden suceder dos casos:

A) que se desconozca la potencia de cortocircuito que tiene el sistema de 132 kV en elpunto de acometida a este transformador (figura 1.18), B) que este valor sea conocido.

- En el primer caso puede considerarse potencia infinita, o sea, Ux = 0.Por tanto el clculo se reduce a:

- En el segundo caso:La potencia de cortocircuito en el punto de acometida 132 kV es, por ejemplo 3000 MVA. Secalcula la Ux equivalente, referida a la potencia del transformador. En efecto (figura 1.19) :

UxSnScc

110=

Por tanto:

Scc

ScXcc = 100

En el presente caso:

%5,03000

15100 ==Ux

El esquema es pues el de la figura 1.20.

Obsrvese que, cuando la potencia de cortocircuito en el punto de acometida es grande respecto ala potencia de transformador, la diferencia en el resultado respecto a considerar potencia infinita,

es relativamente pequea.


34/398


34

Ejemplo 2: Calcular la corriente de cortocircuito en los siguientes puntos del esquema de lafigura 1.21

Datos

- Punto A con el interruptor D cerrado y abierto- Punto B con los interruptores D y DM abiertos- Punto C con el interruptor D cerrado- Aportacin a la corriente de cortocircuito en el punto B cuando el motor de 3 MW est

funcionando (int. MD cerrado).

ResolucinSe ha elegido 10 MVA como potencia de referencia y se calculan todas las tensiones porcentualesde cortocircuito referidas a dicha potencia. Se anotan en el esquema de reactancias:

- Red 132 kV - Se conoce la potencia de cortocircuito Scc (dato) y debe calcularse sutensin de cortocircuito referida a 10 MVA.

Fig.1.18: Ejemplo 1, caso A

Fig.1.19: Ejemplo 1, caso B

Fig.1.20: Ux%


35/398


35

- Transformadores:

- Transformador T-1

- Transformador T-2

- Tensin de cortocircuito resultante de los dos transformadores acoplados en paralelo(AP) o sea, con interruptor D cerrado.

- Transformador T-3

Transformador T-4

Lneas de cable L-1 y L-2 Se considera una reactancia X de 0,12 /Km

Intensidad correspondiente a la potencia de referencia 10000 kVA y tensin 21 kV.

- Lnea L-1

- Lnea L-2


36/398


36

Clculos finales:

- Punto A interruptor D cerrado

- Punto A interruptor D abierto

- Punto B Interruptor D abierto

- Punto C Interruptor D cerrado


37/398


37

Fig.1.21: Esquema ejemplo 2


38/398


38

Aportacin del motor 3 MW a la corriente de cortocircuito calculada en el punto B cuando elinterruptor DM est cerrado (motor funcionando).Lo que aporta el motor al punto de cortocircuito es su corriente de arranque (dato de catlogo o delfabricante). Si no se conoce, la norma CEI-909 indica tomar 5 veces su intensidad nominal Iar = 5In.Esta corriente se amortigua, con relativa rapidez, en forma aproximadamente exponencial deconstante de tiempo aprox. 7 a 8 ms. Su duracin es pues del orden de 30 ms.

En consecuencia solamente incrementa el efecto mecnico de la corriente de cortocircuito. Sesuma pues a la corriente inicial cresta sI del cortocircuito asimtrico. Su aportacin es pues:

crestaarcM AII = 2 . Segn CEI-909 se toma para el correspondiente a R/X = 0,42 o seaaprox. 1,33 (ver curva figura n 3).

En el presente caso, resulta en total una intensidad: AIs 1893333,13605215548 =+=

1.8 El arco elctrico

En la apertura de un circuito por el que circula una corriente se constata que entre las piezas quese separan (contactos) se produce una chispa o un arco.La aparicin de un arco, en general, puede observarse por dos procesos distintos:

- Elevando suficientemente la diferencia de potencial entre dos conductores.- Separando los contactos que mantenan la continuidad del circuito.

1 proceso:

Con la ayuda de un generador de tensin variable se puede establecer una diferencia de potencialentre dos conductores metlicos o electrodos muy prximos. Observando los fenmenos que seproducen al elevar progresivamente la tensin, se puede apreciar que para una determinadaseparacin entre electrodos y un cierto valor de la tensin se originan efluvios. Es caracterstica

de este fenmeno el ruido en los aisladoresde una lnea de alta tensin en da de niebla yuna dbil luminosidad limitada a la zona querodea los contactos.Aumentando progresivamente la tensin, elfenmeno mencionado anteriormentedegenera y aparecen unos destellos chispasentre los electrodos, siguiendo un trazado

ms o menos sinuoso. Este fenmenopersistir mientras la intensidad de lacorriente no sobrepase cierto valor.Si se continua aumentando la tensin y, portanto, la corriente, el metal de los electrodosse pone incandescente y una columnagaseosa luminosa o arco elctrico aparece siguiendo un trazado rectilneo entrelos electrodos.Esta secuencia de fenmenos se obtieneexclusivamente utilizando material apropiadoque nos permita especialmente controlar laintensidad de la corriente. En la prctica, laspotencias elctricas existentes consiguen laaparicin instantnea del arco elctrico.

Fig. 1.22: Formacin del arco elctrico por separacinde contactos


39/398


39

2 Proceso:Supongamos que una corriente elctrica continua recorre un circuito elctrico cerrado por loscontactos C1 y C2 (Figura.1.22)Si se separan ligeramente los contactos C1 y C2, se inicia entre ellos la formacin de un arcoelctrico, la corriente sigue circulando mientras el arco no desaparece. Puesto que el sentido de lacorriente va del electrodo C1 hacia el electrodo C2, el electrodo C1 es positivo y se denominanodo, mientras que el electrodo C2 o ctodo, es negativo; las superficies de contacto del arco yde los electrodos se encuentran en estado incandescente; la del ctodo est prcticamente fija, la

del nodo se desplaza desordenadamente.Mediciones de temperatura del arco permiten trazar la curva de la Figura 1.22 .en la que seobservan temperaturas mximas que varan entre 5000 y 8000 C, cuando se trata de electrodosmetlicos, la temperatura de los contactos alcanza de 2000 a 3000 C, mientras que, cuando sonde carbn, su temperatura se eleva de 3000 a 4000 C. El arco elctrico transforma la energaelctrica en calor. Por El cebado de un arco va siempre acompaado por un sonido caracterstico:una especie de detonacin seca o crujido ms o menos ruidoso originados por la fortsimadilatacin de los gases que rodean los electrodos, como consecuencia de su calentamiento.

Efectos del arco elctrico

La elevacin de temperatura que, como consecuencia del arco, se alcanza en los contactos de losaparatos de corte, puede oxidar estos contactos y deformarlos. Esta deformacin puede originar uncierre defectuoso del aparato, con un aumento de resistencia y grandes riesgos de calentamientoque incluso pueden provocar la soldadura entre contactos.

Segn como este fabricado el aparato de desconexin, el calentamiento creado por el arcoelctrico puede provocar la modificacin de las propiedades de las piezas y metales de los queesta fabricado: el cobre se endurece en fro y pierde sus propiedades de conductor as como suelasticidad; los aislantes envejecen por fatiga trmica alternada e incluso se carbonizan.Por lo tanto, en los aparatos de corte es indispensable:

- Separar los rganos o piezas de contacto que aseguren la continuidad del circuito de losdestinados especficamente al corte del arco en el disparo del aparato (parachispas,apagachispas).

- Asegurar un enfriamiento eficaz de las piezas que cortan el arco. Puede esto conseguirseaumentando la velocidad de apertura y la inercia calorfica de los contactos.

En la Figura 1.23 se exponen los efectos y consecuencias producidas por un arco elctricoparasitario en el personal operario y en las instalaciones. Los efectos producidos por el arcoparasitario estarn en funcin de la potencia de dicho arco elctrico. Esta ltima ser el producto

obtenido de la corriente del arco elctrico, de la tensin y del tiempo acumulado. Las instalacionesdebern ser dimensionadas de acuerdo con este clculo previo.


40/398


40

Fig. 1.23 :Efectos y consecuencias de un arco elctrico

Fig. 1.24:Riesgos debidos a los efectos de un cortocircuito


41/398


41

En una instalacin prefabricada resistente al arco interno, no deben:

1 Abrirse puertas que estn correctamente cerradas o bien enclavadas.2 Salir proyectadas piezas (vlvulas de expansin, ventanillas, etc.)3 Producirse en las paredes de cierre exteriores perforaciones, astillamientos o desgarros

causados por el arco.4 Inflamarse los indicadores verticales a causa del escape de gases calientes.

5 Inflamarse los indicadores horizontales.6 Quedar sin efectividad ninguna puesta a tierra.

Los cortocircuitos con arco elctrico pueden ser provocados por sobretensiones, por un aislamientodefectuoso, por aparatos de mando averiados, o por una manipulacin inadecuada.Una vez el arco se enciende calienta el aire ambiente de forma explosiva, debido a su elevadsimatemperatura. Esto producir en un volumen cerrado referido a una celda o bien a una cmara deun interruptor un aumento de presin. Este aumento de la presin llegara hasta los lmites decarga mecnica de la celda, si esta no estuviese equipada con las correspondientes vlvulas deexpansin. Estas se abren despus de aproximadamente 5 ... 6 ms descendiendo a continuacinde forma paulatina la presin.

1.9 Principios de extinc in del arco

La atmsfera del arco

En la Figura1.22se haba establecido el arco tras separar los contactos C1 y C2, crendose ciertatensin entre dichos electrodos, siendo necesario separarlos a una determinada distancia para queel arco elctrico se interrumpa. El medio Inter.-electrodospresenta cierta resistencia al paso delarco. Para conseguir la extincin, la cada de tensin en el arco deber ser superior a la tensin dealimentacin.Puede llevarse a cabo la misma prueba en un medio distinto del aire, como, por ejemplo, en aceiteo en agua. En estas condiciones, la separacin entre electrodos, para obtener la interrupcin delarco, presenta un valor inferior para una misma tensin de alimentacin.Se emplea la palabra ionizada para calificar la mezcla de gas procedente del medio ambiente conlos vapores producidos por la volatilizacin de los electrodos.Por consiguiente, si se desea conseguir, en los aparatos de corte, una extincin rpida del arco, esnecesario renovar la atmsfera existente entre contactos.Por ello y para que las posibilidades de desconexin del dispositivo no se vean reducidas, serecomienda no volver a conectar de inmediato ciertos disyuntores que acaban de eliminar un

defecto importante.

Electrodos

La temperatura de los electrodos representa asimismoun importante papel en el buen mantenimiento delarco.Los aparatos de desconexin estn diseados demanera tal que se pueda conseguir un enrgicoenfriamiento de los contactos en el momento de ladesconexin, o bien que las masas metlicasexistentes sean suficientemente importantes comopara que su inercia calorfica retrase el momento enque los electrodos alcancen la incandescencia.Puede obtenerse el mismo fin aumentando la

velocidad de separacin de los contactos, es decir, disminuyendo la duracin del arco elctrico

Fig. 1.25


42/398


42

Arco

Supongamos que se establece un arco elctrico entre el nodo A (+) y el ctodo C (-). Si seaproxima al arco un electrodo E unido elctricamente al nodo A. Se podr desplazar laextremidad positiva del arco del electrodo A al electrodo C por medio de un imn..Esta propiedad del arco es utilizada en ciertos aparatos de desconexin, en los que la separacinde los electrodos E y C es superior a la de los electrodos A C. Este alargamiento del arco es el

que permite obtener la extincin (Figura 1.25)Principios de extincin dadas las caractersticas del circuito

a) Circuito que no presenta autoinduccin (self induccin).

Supongamos un circuito elctrico de acuerdo al esquema que se representa en la Figura 1.26 ;una fuente S alimenta a un arco elctrico a travs de las resistencias R1 y R2, encontrndose loselectrodos A y C separados por la distancia d. Siendo la fuerza electromotriz de la fuente igual a Ey teniendo una resistencia interna R, es posible aplicar al circuito la ley de Ohm:

dUIRRRE +++= )( 21

en la que Ud constituye el valor de la tensin del arco para una separacin d de los electrodos.

Se demuestra experimentalmente que la tensin Udaumenta a medida que lo hace la separacind; sin embargo y para una separacin casi igual a 0, el valor de la tensin necesaria de arco debeser, por lo menos, de 30 V. Cualquiera que sea el valor de I de la corriente cortada, es imposiblecebar el arco con valores inferiores a la mencionada tensin. Si la tensin es de 110 V, no puededarse el cebado con una intensidad de corriente inferior a 0,5 A.Asi pues, se puede llevar a cabo la apertura de un circuito elctrico cuya tensin sea superior a 30V y ello sin cebado de arco abriendo simultneamente varios contactos dispuestos en serie.El esquema de la Figura 1.27 consta de tres contactos que se abren simultneamente, y permiteabrir sin cebado un circuito elctrico recorrido por una corriente cualquiera y que presenta unadiferencia de potencial de 30 V x 3 = 90 V en los bornes extremos de los contactos. Este principioha sido aplicado en ciertos disyuntores.

Fig. 1.26


43/398


43

b) Circuito que presenta autoinduccin (Self induccin):

Tomemos el circuito representado en la Figura 1.28 que consta de una bobina de resistenciadespreciable cuyo coeficiente de autoinduccin es L.Cuando el interruptor K est cerrado, el circuito alimentado bajo la tensin U se ve recorrido por

una corrienteR

UI= .

La corriente I crea en la bobina un flujo constante igual a : = LI.Al abrirse el interruptor K, dicho flujo pasa del valor LI a un valor nulo cuando se corta el circuito.La variacin de flujo en la bobina origina una fuerza electromotriz de induccin cuya accin seopone a la variacin que la origina. El valor de la fuerza electromotriz es funcin de la velocidad devariacin del flujo; es decir, de la velocidad de apertura del interruptor K. Por ello, puede ser muyelevado, viniendo a aadirse a la tensin de alimentacin del circuito, circunstancia que convierte

la extincin del arco en algo muy difcil y que, adems, provoca el riesgo de que el aislamiento delos elementos constitutivos del circuito se vea daado.

Para evitar este grave inconveniente, se conectan en serie una resistencia R y un interruptor K alas bornas de la bobina, tal como se muestra en el esquema de la Figura 1.29. Antes de

Fig. 1.27

Fig. 1.28

Fig. 1.29


44/398


44

procederse a la apertura del interruptor K, se cierra el interruptor K, dejando que las tensionesaparezcan en los bornes de la bobina. Esta disposicin se utiliza muy especialmente en loscircuitos de excitacin de los alternadores.

Circuito recorrido por una corriente alterna

Cuando el circuito de un arco elctrico se ve recorrido por una corriente alterna, los electrodos seconvierten sucesivamente en nodos y ctodos. Puesto que la estabilidad del arco elctrico

depende de la incandescencia del ctodo, es , a su vez, funcin, en corriente alterna, de laimportancia de la inercia calorfica de los electrodos, lo que puede evidenciarse utilizandosucesivamente electrodos de carbn, y electrodos metlicos. Resultar, por lo tanto, que es msfcil cortar una corriente alterna.La corriente alterna se anula dos veces por periodo, es decir, 100 veces por segundo. La duracindel periodo es de 1/50 de segundo, pasando la corriente de su valor mximo a 0 en de periodo,

lo que equivale a:200

1

450

1=

de segundo.

Si fuese posible el manejo de contactos en tiempos inferiores a dicho valor, como, por ejemplo, endiez milsimas de segundo, se podra llevar a cabo la apertura de circuitos en el preciso momentoen que la corriente tuviese el valor cero. Por desgracia, el tiempo de corte de la corriente de losaparatos de desconexin ms rpidos es, aproximadamente, de algunas centsimas de segundo.Por otra parte, todos los circuitos industriales alternos presentan induccin: siendo la tensin iguala: u = Um sen t, y la corriente a:i = Im sen(t-), siendo el ngulo de desplazamiento defase de la corriente respecto a la tensin.Cuando es nulo, la corriente se encuentra en fase con la tensin, siendo el circuito solamenteresistivo. La desconexin del arco es fcil puesto que tensin y corriente se anulan al mismotiempo.En cambio, cuando no es nulo, el circuito es inductivo, con lo que la tensin y corriente no seanulan simultneamente (Figura 1.30), siendo entonces ms difcil la extincin del arco.

1.10 Cambio de rgimen de un circu ito

Todos los elementos y aparatos que componen cualquier circuito elctrico de potencia, tienen enmayor o menor medida una cierta resistencia hmica (R), una capacidad (C) y una inductancia (L),pues se trata de unas caractersticas constructivas, en cierta forma inevitables.El paso de una corriente elctrica por el circuito hace que en la resistencia se produzca un calorpor efecto Joule (I2R) por tanto, una energa elctrica que sale del circuito (se pierde) convertidaen calor.

Desde este punto de vista, la resistencia se denomina elemento pasivo.En la capacidad C se almacena una energa W = 1/2 Cu2 y en la inductancia L se almacenatambin una energa W = 1/2 L i2.Por tanto en un circuito de tensin y corriente alternas estas energas almacenadas fluctan entreun mximo, correspondiente a Umx e Imx, respectivamente, y cero, para valor nulo de u o i.Estos parmetros constructivos de resistencia, capacidad e inductancia componen, en funcin dela frecuencia, la impedancia Z del circuito.En rgimen permanente, los valores de tensin, intensidad e impedancia en las diversas partes deun circuito estn relacionados de acuerdo con las leyes de Ohm y Kirchhoff.Cuando se produce un cambio brusco en los valores de las impedancias, las corrientes y tambinciertas tensiones del circuito varan de valor hasta alcanzar un nuevo estado de rgimen quecumpla con las citadas leyes.Ahora bien, este cambio de un rgimen permanente a otro, se produce a travs de un perodotransitorio normalmente de muy corta duracin (del orden de microsegundos), durante el cual,pueden producirse sobretensiones y/o sobrecorrientes que en ciertos casos pueden llegar a ser

peligrosos para los elementos del circuito.


45/398


45

En efecto, al producirse este cambio brusco en la configuracin del circuito, las energasalmacenadas en aquel momento en las inductancias L y capacidades C, se redistribuyen paraadaptarse a la nueva configuracin ya que las corrientes y las tensiones parciales tambin han

variado.Esta redistribucin no puede producirse instantneamente (en tiempo cero):- La variacin de la energa almacenada en el campo magntico 1/2 Li2requiere un cambio

en el valor de la corriente. Este cambio provoca como es sabido una fuerza contraelectro-motriz e=L di dt.

- Por tanto una variacin instantnea (t = 0) requerira una tensin infinita para producirla.- Anlogamente, la variacin de la energa almacenada en el campo elctrico 1/2 Cu2exige

un cambio en la tensin u en bornes del condensador para la cual se cumple i=C du dtPor tanto una variacin instantnea (t = 0) de la tensin requerira una corriente de valor infinito.En consecuencia estas variaciones de corrientes, tensiones y energas, dan lugar al perodotransitorio antes indicado.

Cambio de rgimen en el interruptorCuando un interruptor intercalado en un circuito abre o cierra, provoca un cambio brusco en laconfiguracin del circuito pues, o bien deja fuera de circuito una parte del mismo (apertura), o bien

aade una nueva porcin (cierre). Hay pues una variacin brusca de R, L y C, y por tanto unfenmeno transitorio.

Fig. 1.30


46/398


46

Tambin se provoca un cambio brusco en la configuracin del circuito cuando se produce uncortocircuito en algn punto del mismo.La figura 1.31lo pone de manifiesto.

Al producirse un cortocircuito en el punto P, quedan bruscamente fuera de circuito(cortocircuitados) R3, L3, C3 y Z.Como es sabido, un cortocircuito es habitualmente una situacin anormal no deseada, puesprovoca o bien una sobreintensidad peligrosa, o bien una corriente de recorrido anormal, o ambascosas a la vez. Tambin puede provocar sobretensiones (por ejemplo, en cortocircuitos fase-tierraen redes trifsicas con el neutro aislado o conectado a tierra a travs de impedancia elevada).Por tanto normalmente, cuando se produce un cortocircuito, se ordena la apertura de un interruptorde forma que deje fuera de circuito la parte del mismo afectada por el cortocircuito. As en la figura1.31, se hara desconectar el interruptor D.Ahora bien, esta apertura del interruptor representa un nuevo cambio brusco en el circuito pues seelimina una parte del mismo. En el de la figura 1.32, seran R2, L2 y C2.

Es evidente pues que en la apertura de uninterruptor sea por maniobra normal, pero en mayormedida en caso de cortocircuito se produce unfenmeno transitorio que en muchos casos da lugara sobretensiones en los bornes del interruptor ytambin en otras partes del circuito.Estas sobretensiones son en general msimportantes en las aperturas de cortocircuitos queen las de maniobra normal, pero por ejemplo en ladesconexin normal de bateras de condensadorespueden ser tambin peligrosas.Por tanto un interruptor adecuadamente diseado,especialmente si es para media o alta tensin (MT oAT), debe ser capaz de soportar y dominar estas

sobretensiones, provocadas por su propia accin de apertura.

El fenmeno en MT y ATEn los sistemas de media y alta tensin, por la naturaleza constructiva de sus elementos(transformadores, generadores, lneas, cables, etc.), la resistencia hmica R es muy pequeafrente a la reactancia inductiva XL (L), de forma que la impedancia Z es aproximadamente igual ala reactancia XL (Z X).Por lo tanto, en caso de cortocircuito, la corriente que se origina (corriente de cortocircuito), estprcticamente desfasada 90 en atraso respecto a la tensin. Como se ver, esto hace que suinterrupcin sea ms difcil.

Fig.1.31:Apertura del interruptor.

Fig.1.32: Circuito bsico monofsico.


47/398


47

No obstante, si bien a estos efectos la resistencia R es despreciable, en otros aspectos juega unpapel importante. Concretamente por su caracterstica de elemento pasivo disipador de energaproduce un efecto amortiguador de las sobretensiones tanto en su valor (V o kV) como en su cursotemporal.

1.11 El corte de corrientes de carga y de cortocircui to

Principio del corte

Un aparato de corte ideal sera un aparato capaz de interrumpir la intensidad instantneamente. Nohay ningn aparato mecnico que sea capaz de cortar la corriente sin la ayuda del arco elctrico,que disipa la energa electromagntica del circuito elctrico, limita las sobretensiones, pero retardael corte total de la corriente.

El interruptor ideal

En teora, poder interrumpir instantneamente una corriente es ser capaz de pasar directamentedel estado conductor al estado aislante. La resistencia de este interruptor ideal debe pasar puesinmediatamente de cero a infinito (figura 1.33) .

Este aparato debera ser capaz de:

- absorber toda la energa electromagnticaacumulada en el circuito antes del corte, o sea, en

caso de cortocircuito, 2

2

1LI dada la naturaleza

inductiva de las redes.- soportar la sobretensin (L di/dt) que aparecera en

sus bornes y que tendra un valor infinito si el pasoaislante-conductor se hiciese en un tiempoinfinitamente pequeo, lo que llevaraindudablemente a la descarga dielctrica.

Imaginando que estas dificultades se eliminan por medio deuna sincronizacin perfecta entre el paso natural por cero dela corriente y la transicin aislante-conductor del aparato,

todava hay que superar otro fenmeno tambin muydelicado: el de la tensin transitoria de restablecimiento(TTR).En efecto, inmediatamente despus de la interrupcin de lacorriente, la tensin (de restablecimiento) en los bornes delinterruptor alcanza la tensin de red, que es mxima en este

instante, para los circuitos inductivos. Esto ocurre sin una discontinuidad brutal por la presencia decapacidades parsitas en la red. En este instante se establece un rgimen transitorio que permiteel ajuste de la tensin a la de la red. Esta tensin, llamad

seguridad, operacion y mantenimiento de interruptores de potencia.pdf

Documents