Este documento presenta conceptos generales sobre análisis de cortocircuitos en instalaciones eléctricas. Explica que un cortocircuito ocurre cuando una fuente suministra energía a una carga de impedancia cero, causando una corriente excesivamente alta. También describe los tipos de cortocircuito, los elementos que alimentan y se oponen a una falla, y la importancia de calcular las corrientes de cortocircuito para elegir dispositivos de protección adecuados que puedan interrumpir las condiciones

1. INSTITUTO TECNOLOGICO DE COSTA RICA
Escuela de Ingeniería Electromecánica
INSTALACIONES ELECTRICAS
ANALISIS DE CORTOCIRCUITOS
Parte I
Conceptos generales
Ing. Carlos Solís Arias (MBA)
2010
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2. CORTOCIRCUITO (Falla no deseada)
Un cortocircuito es un evento en el cual una
fuente suministra energía a una carga de
impedancia cero.
E Icc
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3. ¿QUE ES LO QUE SUCEDE?
El voltaje tiende a cero en el punto de falla,
porque la impedancia es cero, pero la fuente
sigue en su voltaje pleno alimentando la falla.
La corriente de falla tiende a infinito. En la
práctica la corriente es muy alta y está
limitada por las condiciones físicas
presentes. En circuitos industriales llega a
valores de los miles de amperios. (KA).
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4. ORIGEN DE LAS FALLAS
Factores mecánicos:
Rotura de conductores
Caída de objetos metálicos en barras
Sobretensiones:
Origen interno o atmosférico
Pérdidas de aislamiento por humedad,
calor o envejecimiento
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5. CONSECUENCIAS DE UN CORTOCIRCUITO
Presencia de un arco que provoque:
Degradación de los aislamientos
Conductores fundidos
Inicio de un incendio
Efectos dinámicos:
Deformación de barras
Ruptura de aislantes y dispositivos
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6. CONSECUENCIAS DE UN CORTOCIRCUITO
Para los circuitos próximos:
Bajonazos de voltaje en un tiempo dado
Desconexiones abruptas de algunas
secciones
Inestabilidad dinámica con pérdidas de
sincronismo
Perturbaciones en los sistemas de control
e instrumentación de tipo electrónico
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7. RESUMEN CONSECUENCIAS
(depende del nivel de voltaje de la fuente)
Energía liberada violentamente:
Gran cantidad de corriente desbordada
Gran cantidad de luz enceguecedora
Gran cantidad de calor quemante
Esfuerzos dinámicos violentos
Piezas quebradas / fracturadas
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8. TIPOS DE CORTOCIRCUITO
FALLA TRIFASICA TOTAL FALLA BIFASICA TOTAL
L1 L1
| |
L2 L2
L3 L3
Ik" Ik"
T T
FALLA BI o TRIFASICA A TIERRA FALLA MONOFASICA A TIERRA
L1 L1
| |
L2 L2
L3 L3
Ik"
T Ik" T
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9. ¿POR QUE DEBEMOS CALCULAR LAS
CORRIENTES DE CORTOCIRCUITO?
La Icc máxima la ocupamos para:
Determinar el poder de corte de los
interruptores automáticos
El poder de cierre de los dispositivos de
maniobra
Las necesidad electrodinámicas de conductores
y componentes
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10. ¿POR QUE DEBEMOS CALCULAR LAS
CORRIENTES DE CORTOCIRCUITO?
La Icc mínima la ocupamos para:
Elegir la curva de disparo de los interruptores
automáticos
Protección a los conductores involucrados
dentro de sus características de fábrica
Protección al personal que se sustenta en la
operación de interruptores o de fusibles.
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11. ELEMENTOS QUE ALIMENTAN LA FALLA
Los elementos activos:
El proveedor de servicio eléctrico suponiendo fuente infinita.
Generador propio que esté conectado en ese momento.
(alternadores)
Motores sincrónicos (aporte breve)
Condensadores (aporte breve)
Influye el tiempo que está presente la falla
La fortaleza de la misma.
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12. ELEMENTOS QUE SE OPONEN A LA FALLA
Los elementos pasivos
Motores de inducción (jaula ardilla, rotor devanado)
Cargas resistivas (hornos, alumbrado, artefactos)
Los conductores (cables, barras, conexiones)
Los dispositivos (disyuntores, fusibles, cuchillas)
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13. ¿COMO PROTEGEMOS EL CIRCUITO?
Se busca que haya un dispositivo que abra
en forma adecuada la alimentación
proveniente de la fuente que suple la falla.
Este dispositivo será de tal capacidad que
pueda interrumpir las condiciones severas de
la falla, sin dañarse.
Una vez eliminado el problema del
cortocircuito, el dispositivo continuará en
servicio normalmente.
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14. DISPOSITIVOS ADECUADOS ANTE UNA FALLA
Cable. Debe soportar la carga térmica en caso de una falla.
Las protecciones tienen que actuar antes que este se dañe.
Tiene una curva característica I²t.
Fusible En este caso el fusible se usa solo una vez, porque
se quema, pero el portafusible debe usarse muchas veces.
Tiene una curva de fusión.
Disyuntor El dispositivo se puede usar muchas veces, una
vez quitada la falla. Tiene que soportar la falla actual y las
siguientes. Tiene una curva de disparo. Si es termomagnético
tendrá dos regiones: una para protección de sobrecarga y otra para
región de cortocircuito.
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15. CARACTERISTICAS TERMICAS
DEL CONDUCTOR
Esta curva se le llama
“I²t” 1 2
Depende del t
Cuadrado de la
corriente
El tiempo de
aplicación I²t = K²S²
-5 s
La temperatura
ambiente
Del área transversal I1 < I2 I
conductora
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16. EL DISYUNTOR
DIAGRAMA DE CURVAS DE PROTECCION POR DISYUNTOR TERMOMAGNETICO
Corriente de funcionamiento
t Características del cable I²t
Sobre carga
temporal Curva de disparo del disyuntor
I
Ib Ir Iz Icc PdC
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17. EL FUSIBLE
DIAGRAMA DE CURVAS DE PROTECCION POR FUSIBLE
Corriente de funcionamiento
t Características del cable I²t
Sobre carga
temporal Curva de fusión del fusible
I
Ib Ir Iz
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18. PRESENTACION REAL
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19. INFORMACION DE FABRICANTE
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20. INTERVALOS DE LA CAPACIDAD INTERRUPTIVA
Generalmente la capacidad interruptiva de un dispositivo tiene
que ver con la robustez del mismo, tanto en sus componentes
internos de desconexión, como en la estructura exterior.
Normalmente a nivel residencial los dispositivos tienen una
capacidad interruptiva que oscila entre los 10,000 y 20,000
amperios simétricos.
Comercialmente anda entre 20,000 y 30,000 amperios
simétricos
Para industria mediana y pesada los valores típicos andan
alrededor de 40,000 y 50,000 A. Pero pueden darse situaciones
especiales (que las aclara el estudio) que implique usar
aparatos de 100,000 Amperios o más.
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21. DATOS BASICOS
- La empresa de suministro eléctrico debe
tener documentado la capacidad de
cortocircuito que suministra en los principales
puntos de su red.
- Puede darse este dato en KVA, MVA o bien
en KA o MA de “cortocircuito”
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22. INTENSIDAD DE CORRIENTE
DURANTE EL CORTOCIRCUITO
Modelo simplificado
Vs= Fuente de corriente alterna
Zcc= Impedancia equivalente (R + j X)
aguas arriba del corto
Impedancia equiavalente aguas arriba del cortocircuito
ZL= Impedancia de la carga A
Icc= Corriente cortocircuito Zcc Disyuntor
= Ängulo del factor de potencia
Icc Carga
α = Ängulo en que aparece la falla Vs ZL
respecto a una referencia
Fuente
Cortocircuito
Zcc = R + jX B
Cos( ) = R / √ (R² + X²)
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23. FALLA ALEJADA DE LA FUENTE
Las fallas alejadas de la fuente son las más comunes
La fuente es del tipo sinuosoidal: v(t) = Vm sen ( ω t + α )
La intensidad de corriente de falla tiene dos componentes:
Una de tipo alterno senoidal Ia = Im sen ( ω t + α )
- (R/L) t
Una de tipo unidireccional Ic = Im sen α (e)
Por tanto la corriente total es la sumatoria Ia + Ic
-(R/L) t
Icc = Im [ sen ( ω t + α )+ sen α (e) ]
Ver la figura siguiente
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24. ONDAS RESULTANTES
FALLA ALEJADA DE LA FUENTE
ia = I sen (ωt + α ) ic = - I sen (α ) e - (R/L) t
t
t
( /ω)
i = ia + ic
Momento del corto
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25. CASO SIMETRICO Y ASIMETRICO
Replanteando la ecuación y considerando un ángulo de
desfase entre voltaje y corriente
Im = Vm / (√ R² + X² ) luego la corriente de cortocircuito permanente es:
- (R/L) t
Icc =Vm / Z [ sen (ωt + α - ) - sen (α – ) e ]
Componente senoidal desfasada Componente unidreccional
Se dan dos casos en la corriente de cortocircuito:
REGIMEN SIMETRICO cuando α = = π/2
REGIMEN ASIMETRICO cuando α = 0
Ver figura
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26. FALLA ALEJADA DE LA FUENTE
CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO ALEJADO DE LA FUENTE * CASO SIMETRICO
I
(KA)
t(mseg)
CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO ALEJADO DE LA FUENTE * CASO ASIMETRICO
Ip
I
(KA)
t(mseg)
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27. CALCULO DEL PODER DE CIERRE
DE LOS INTERRUPTORES
Ip = K √ 2 Ia
Ip = Capacidad de cierre (A)
Ia = Corriente simétrica de corto (A)
K = Constante que depende de la
la relación R/X ( K va de 1 a 2 )
√2 = Raíz cuadrada de 2 = 1.41
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28. FALLA CERCANA A LA FUENTE
En este caso la impedancia del alternador involucrado afecta
directamente la corriente provocando una amortiguación, en
vista que la reactancia varía en el tiempo a partir de la falla.
La reactancia interna de la máquina pasa por tres etapas
claramente definidas:
Subtransitoria X” : En los primeros 10 a 20 milisegundos
Transitoria X’: Va de los 20 a 500 milisegundos
Permanente ( o sincrónica) X : Después de los 500
milisegundos hasta que se despeja la falla.
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29. COMPORTAMIENTO DE LAS REACTANCIAS
DEL GENERADOR
REACTANCIA SUBTRANSITORIA X"
COMPONENTE EXPONENCIAL DECRECIENTE
REACTANCIA TRANSITORIA X'
x
REACTANCIA PERMANENTE X
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30. COMPORTAMIENTO DE LAS REACTANCIAS
DEL GENERADOR
RESULTANTE DE LAS CUATRO COMPONENTES SUMADAS
Subtransitoria X" Transitoria X' Permanente X
Subtransitoria X" Transitoria X' Permanente X
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31. CORRIENTE DE FALLA CERCANA A LA
FUENTE
Los valores de reactancia mencionados se comportan así:
X” < X’ < X de modo que la corriente de falla empieza a
disminuir pues va aumentando la reactancia.
Se dan cuatro fases de la corriente de falla:
Ik”: Alterna subtransitoria (debido a X”)
Ik’ : Alterna transitoria (debido a X´)
Ik : Alterna permanente (debido a X)
Ic : Continua (debido a la componente unidireccional)
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32. FALLA CERCANA A LA FUENTE
CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO CERCANA A LA FUENTE * CASO SIMETRICO
I
(KA)
t(mseg)
Subtransitoria X" Transitoria X' Permanente X
CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO CERCANA A LA FUENTE * CASO ASIMETRICO
I
(KA)
t(mseg)
Subtransitoria X" Transitoria X' Permanente X
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33. COMENTARIOS
En media y baja tensión es normal considerar la
corriente de apertura dentro de la región transitoria
( la del medio)
Esa corriente se denomina Ib de cortocircuito la
cual corresponde al tiempo de corte efectivo de la
falla.
El tiempo de corte efectivo corresponde a la suma
del tiempo del relé de protección más el tiempo que
duran abriendo los contactos del interruptor
respectivo.
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