ANALISIS DE LAS CORRIENTES DE CORTOCIRCUITO. Generalidades: Determinar las corrientes de cortocircuito es tan importante como determinar las corrientes de carga de la instalación. La importancia radica en la adecuada elección del equipamiento de maniobra, protección, cables, etc. de la misma, ya que los dispositivos particularmente, no solo deben soportar las corrientes de carga, y eventualmente de corto, sino que deben ser capaces de abrir esta última. Esta corriente no tiene nada que ver con la carga salvo en el caso que se presenten grandes motores en la instalación. En síntesis, la corriente de cortocircuito depende de la capacidad de las fuentes de suministro de energía, y se verá limitada únicamente por las impedancias interpuestas entre el punto del fallo y la fuente. Definiciones Básicas: Se habla de 3 corrientes de corto: I”k, I`k, e Ik, denominadas corriente subtransitoria, transitoria y permanente, respectivamente. La I”k y la I`k, son caso de estudio para situaciones cercanas al generador o generadores (no para el caso de las instalaciones industriales), y decrecen a medida que aumenta la reactancia del generador durante el proceso de cortocircuito. Otra corriente a definir es la “Is”, o corriente de choque o impulso, que es el instante de la corriente después de producirse el corto, y se indica como valor de cresta, variando según el momento en que se produce la falla. Is = x . √2 . I”k Importancia de éstas corrientes: Las I”k e I`k, son importantes para conocer los esfuerzos térmicos en barras, conductores, transformadores, etc., en aquellos casos que están cercanos a los generadores (por Ej, en una Central Eléctrica). Con Ik, se determina la capacidad de desconexión o ruptura de los interruptores, fusibles y también el esfuerzo en los conductores y aisladores especialmente. Elegir un interruptor adecuado a una corriente de 20 kA, significará que el mismo sea capaz de despejar dicha corriente, o en su defecto (según Merlin-Gerin), el 80 % de la misma. La Is es especialmente útil para calcular el esfuerzo, entre otras cosas, en los aisladores de las barras de tableros, en especial en el tablero principal. Dado que la fuerza entre los conductores (barras en tal caso) está representada por la expresión: F (N) = 0,2 . Is2 [kA] . L [cm] a [cm] Donde: F, en Newton es la fuerza entre los conductores, que posteriormente se aplicará al dimensionamiento de los aisladores correspondientes (lo que se realiza juntamente con el cálculo de barras). 0,2 es un factor. Is, es la corriente de choque descripta. L, es la longitud entre los apoyos de las barras. a, es la distancia entre los centros de las mismas. Finalmente definiremos la Id, como la corriente de paso de un fusible, o de cualquier otro dispositivo de actuación rápida, como la corriente limitadora del corto. Si tratamos un sistema de barras o cables, con fusibles, en lugar de interruptores, el mismo no deberá verificarse a la Is, sino a la Id, dado que los fusibles limitan la corriente, haciendo que la energía calórica generada sea considerablemente menor (dicho fenómeno se aprecia perfectamente en las curvas características de los fusibles, provistas por los fabricantes respectivos). Como el cálcuo de la Icc, reviste cierta complejidad, la Norma VDE 0102 da los siguientes coeficientes: X, (Cappa), como multiplicador entre la corriente de choque y el valor de cresta del corto: √2 . I”k, depende de la R y X del circuito. Dicho valor dado que depende del factor de potencia del circuito en estado de corto, dependerá por lo tanto del cociente R/X. Fuentes de Corrientes de Cortocircuito: Son básicamente 3: Generadores, motores asincrónicos, motores a inducción, y obviamente la red de suministro de la energía eléctrica (que prácticamente la consideramos infinita). En el caso de motores de potencias muy elevadas, la VDE da la siguiente premisa: Si las sumatorias de las In de todos los motores presentes en la instalación en estudio, es mayor o igual al 1 % de la “Ik”, calculada sin motores, implica que habrá que considerar el aporte de las masas rotantes de los mismos a la falla, y recalcular la misma. Lo cual tiene cierta lógica, puesto que en los motores de gran potencia, ante la presencia de un corto, la tensión en bornes se va a 0, pero las masas rotantes de gran tamaño, no se detienen inmediatamente, por ende mientras dura el proceso de detención de la máquina, ésta se manifiesta como un “generador” en la instalación, por ello debe considerarse su aporte a la corriente de cortocircuito, que se está calculando. Componentes de la Corriente de Cortocircuito: La Ik asimétrica está compuesta por la suma de una componente simétrica de alterna, y una componente de corriente continua, que desvía a la primera del eje de absisas. La magnitud de esta componente de continua depende del instante en que se produzca el cortocircuito, y tendrá el mismo valor que la componente simétrica en dicho instante. El factor m tiene en cuenta el calentamiento producido por dicha componente de continua. Esta componente de continua se genera en el circuito de corriente alterna, sin la presencia de fuentes, salvo que R = 0, cosa imposible en la práctica. Tal componente irá decreciendo a medida que transcurre el corto, disipándose la energía en forma de (I2.R), a través de las resistencias del circuito. Una vez concluido este proceso, la corriente asimétrica se convierte en simétrica. En los catálogos actuales, los fabricantes de interruptores definen dos capacidades de ruptura en gral.: 1) Capacidad de ruptura Icu: Capacidad última de ruptura, abre el corto y no sirve más. 2) Capacidad de ruptura de servicio Ics: Abre el corto y puede seguir operando. Al hacer la elección y el pedido del aparato, debe tenerse en cuenta claramente de que se está hablando, pro ej. Intermatic define “Capacidad de ruptura = 16 kA”, pero según la IEC 108, se está refiriendo a la capacidad última de ruptura. Merlin Gerin, en cambio define lo siguiente: “Capacidad última 16 kA, y capacidad de servicio = 50 % de la última”. La mayoría de las marcas del mundo utilizan este tipo de definición, aunque casi todos los fabricantes poseen aparatos cuyas capacidades últimas y de servicio son iguales, pero obviamente el costo de los mismos es mayor. Lo propio ocurre con los interruptores de MT. Consideraciones previas al cálculo de cortocircuito: Es fundamental la definición y elaboración del diagrama unifilar de la instalación, donde se destacarán los puntos donde se requiere conocer el valor del cortocircuito. En dicho esquema deberá apreciarse exactamente lo siguiente: 1) Las fuentes de aporte al corto, sea una red de potencia infinita o finita, un generador, un motor sincrónico, asincrónico, etc. 2) Las impedancias limitadoras de la corriente de corto, sea una impedancia de red, de generador, de cables, de transformadores, etc. 3) Los elementos de maniobra y protección intercalados en el sistema: Fusibles, interruptores de media y baja tensión, etc. Normalmente el corto trifásico es el de mayor intensidad, pero en rigor de verdad, deberían calcularse todos los cortocircuitos posibles de presentarse en la instalación, y en todas las ramas del unifilar / instalación, para luego dimensionar el equipamiento adecuado al mayor nivel de corto calculado, es decir, la peor condición (que generalmente es el corto trifásico). Los otros son el corto monofásico, que también es imprescindible calcular, para el dimensionamiento del sistema de puesta a tierra (vital en cualquier instalación), el bifásico, bifásico a tierra, etc. El cálculo se puede simplificar utilizando el método denominado “por unidad” o “tanto por uno”, en donde se aplican los valores en forma adimensional (dividéndolos por una base de igual unidad), o simplemente aplicando los valores nominales, en cuyo caso se deberá prestar especial atención a las operaciones puesto que todas las magnitudes son vectoriales / fasoriales, obviamente con módulo, dirección y sentido, lo que hará menester la utilización del álgebra vectorial. En un ítem aparte se podrán consultar las ecuaciones de “base”, para efectuar el cálculo simplificado en “tanto por uno”, y alcanzar una idea de las magnitudes que se manejan ante este fenómeno eléctrico, en el caso de requerirlas en valores nominales, bastará con multiplicarlas por las bases adoptadas al comienzo de dicho cálculo. La bibliografía disponible para este caso es la siguiente: Manuales de Siemens, Merlin Gerin, Cálculo de Cortocircuito de Roeper, Norma VDE 0102 y apuntes de la Cátedra de Instalaciones Eléctricas de la UTN FRGP. Motivos para conocer las corrientes de cortocircuito: 1º) Para verificar térmicamente toda la instalación. 2º) Para verificar electrodinámicamente ciertas partes de la instalación. 3º) Para verificar que los interruptores sean capaces de abrir la eventual corriente de corto Ik, presente en la instalación. Estos son 3 objetivos fundamentales del cálculo de cortocircuito. 1º) Efectos Térmicos: En cables, interruptores, transformadores de todo tipo (intensidad, etc.) y cualquier otro equipo presente en la instalación. 2º) Efectos Electrodinámicos: Generalmente se plantea solo en el sistema de barras del o los tableros ppales., no obstante si se tienen cables unipolares de secciones considerables, por ende por los que circulen corrientes importantes, y hay un cortocircuito, en función de los sentidos de las corrientes que los atraviesan en el instante de producirse la falla, los cables darán un “latigazo”, que puede provocar deterioros importantes, por ello es menester la verificación térmica de los mismos al cortocircuito. El fundamento de hacer al menos la verificación en las barras es que, justamente las mismas sufrirán ese mismo “latigazo”, lo que puede romper o fisurar los aisladores-soportes de las mismas, de allí la importancia de conocer la fuerza entre conductores. 3º) Verificación de Interruptores: Como se dijo, debe garantizarse que los mismos sean capaces de abrir o despejar la falla a la corriente de cortocircuito, ya que de lo contrario no solo se destruyen, sino que la instalación sufrirá severos daños. Capacidades de los Interruptores: Hay dos o tres capacidades mínimas de los interruptores, según las Normas. El tema es ¿Qué conviene que ocurra con el interruptor después de su actuación ante un corto?: a) Qué explote?, lo cual no sirve. b) Qué abra el corto y luego se destruya?. Al menos es mejor que el caso anterior pues salva la instalación. c) Qué abra el corto y siga en servicio? (al menos por dos o tres cortos más), dado su elevado costo sería lo ideal, sería lo más lógico y deseable.