Articulo Normas ANSI y IEC (FINAL)

Comparaciones entre las normas ANSI e IEC ara el cálculo de cortocircuitos

A continuación se presenta una serie de normas establecidas por dos institutos encargados de la normalización y estandarización del cálculo de cortocircuitos.

Cálculos basados en ANSI La ANSI provee en sus estándares un método para el cálculo de cortocircuito conocido como “El método de las impedancias”,para el cual se requiere separar las soluciones de la red para lo siguiente: 1. La impedancia de la red de baja tensión. 2. La impedancia de media y alta tensión para la red instantánea. 3. La impedancia de media y alta tensión para la red de interrupción. Estas redes son diferentes entre sí y se muestra adelante las diferencias entre tales. El estándar de baja tensión requiere que todas las máquinas, incluyendo todos los tamaños de motores de inducción, seanincluidas como parte de la red de impedancia. Para este estándar las impedancias subtransitorias de la maquina son usadas por todas las maquinas. Para la red de baja tensión, las corrientes simétricas son calculadas

para la comparación con las distintas clasificaciones de los equipos. Si la relación X/R en la ubicación del cortocircuito excede un valor del 6,6 entonces se aplican factores multiplicativos a la corriente simétrica para llegar a un número que puede ser comparado con el valor probado de los breakers de baja tensión. Cabe destacar además que existen factores adicionales que pueden ser comparados directamente con los valores calculados antes de compararlos con los valores del equipo. La norma ANSI C37.010 requiere el uso de factores multiplicativos para la reactancia subtransitoria. 1.2 para motores de inducción de 50 a 1000hp en 1800rpm o menos y para motores de inducción de 50 a 250hp en 3600rpm. Esta norma también nos indica que se pueden despreciar los motores que tengan una potencia menor de 50hp así como todos los motores monofásicos.Se usan estas impedancias para representar las maquinas, la red instantánea es usada para calcular el cierre y bloqueo del servicio de todos los breakers de alta tensión en una base de corriente simétrica. Este valor de cierre y bloqueo es calculado como un valor rms de una corriente asimétrica y depende de la relación X/R en el punto de cortocircuito. Esta misma norma requiere el uso de varios factores multiplicativos para las redes de resistencias y reactancias. 1.5 para motores de inducción sobre los 1000hp en 1800rpm o menos y

para motores de inducción de 50 a 250hp en 3600rpm.

ciclos o en algún otro valor de retardo.

Se utiliza además un factor multiplicativo de3,0 para el resto de motores de inducción y 1,5 para el resto de motores de síncronos. Las corrientes se calculan en valores eficaces usando una red con máquinas representadas por las impedancias mencionadas anteriormente; tales corrientes, junto con los valores separados de las redes reducidas de X/R, y varias curvas contenidas en el estándar, son utilizadas para llegar a los valores de las corrientes de interrupción.

Una vez modificados los valores de las contribuciones de impedancia para simular las redes equivalentes de interrupción y momentánea se calcula una corriente rms la cual es usada para calcular los valores los valores de los equipos de interrupción y momentáneos.

El estándar C 37.101 recomienda el uso de redes de resistencia y reactancia separadas para la determinación de las relaciones X/R usadas para el cálculo de las corrientes de interrupción y momentánea. Aunado a esto se establece algunas reglas empíricas para la generación local y remota. Los decrementos de ac/dc o decrementos dc solo son determinados del estado local/remoto de los generadores y el valor de X/R es calculado por las técnicas de reducción por las redes separadas. Durante todo el tiempo, los multiplicadores de las impedancias para los motores de inducción y las maquinas síncronas permanecen fijos para los cálculos de los servicios de interrupción. Este equipo se asume que tieneel mismo cálculo de la impedancia para los interruptores de apertura en dos

Generalizando la metodología de solución se aprecia la implementación de tres tipos de impedancias diferentes: la de baja tensión, la de cierre y bloqueo y la de interrupción. Estas redes de impedancia son usadas para obtener las corrientes totales en la ubicación del cortocircuito; tales corrientes totales se modifican sobre una base global para obtener las corrientes de cortocircuito que fluyen en distintos momentos. Los valores de interrupción aplicados por ANSI merecen una mejor examinación debido a que los valores para el equipamiento de interrupción es determinado mediante la aplicación de factores multiplicativos tomados de gráficos presentados en el estándar para calcular las corrientes rms de interrupción. Además es interesante notar que a medida que se incrementa el tiempo de disparo de los breakers, los estándares ANSI requieren un nivel de interrupción más alto para dichobreaker.

Calculos de corriente basados en IEC Para cada ubicación de cortocircuito en la red, la norma IEC 909 calcula una corrienterms de cortocircuito simétrica total inicial, así como la corriente rms de cortocircuito simétrica inicial en una máquina síncrona en cada fuente de contribución. La red incluye todas las fuentes de contribución y estascorrientesrms de cortocircuito simétricas iniciales en una máquina síncrona cobran importancia debido a que forma la base de la determinación de: 1. La corriente de cortocircuito pico instantánea. 2. La componente de caída dc (no periódica) de la corriente de cortocircuito. 3. La corriente de ruptura simétrica rms de cortocircuito. 4. La corriente de ruptura asimétrica rms de cortocircuito. 5. La corriente de cortocircuito simetricarms en estado estable para cada fuente de contribución. El procedimiento de la norma IEC 909 requiere el cálculo de las componentes de las corrientes de cortocircuito de las fuentes de contribución para cada una de las corrientes descritas anteriormente y usar estas componentes para derivar los totales de la ubicación de cortocircuito. Para aplicar este equipo, es necesario saber cómo estas corrientes, es necesario saber cómo estas corrientes están distribuidas a través de la red. Por

ende, es necesario buscar cada corriente de las fuentes contribuyentes a través de la red hacia la localización del cortocircuito. Estas corrientes de contribución individual por parte de las fuentes están cada una en función de las características de la máquina, el nivel de R/X que cada fuente contribuyente ve en la localización del cortocircuito, el tiempo mínimo de despeje para la operación del breaker, la corriente simétrica de cortocircuito inicial, el tipo de excitación, y la determinación sobre si las corrientes fluyen a través de una red mallada o no mallada y si la contribución está cerca o lejos del cortocircuito. Los procedimientos de la IEC 909 tratan cada uno de los factores arriba mencionados diferentemente para cada fuente contribuyente.

En referencia a lo anteriormente presentado se aprecia que el estándar ANSI no trata de modelar la precarga de los generadores o las tasas de decaimiento variables de cada motor y generadorindividualmente, así como tampoco intenta tomar en cuenta la lejanía de los motores de inducción o de los motores síncronos durante el cálculo de las corrientes de interrupción. Los motores son representados por las impedancias fijas como previamente se describió. Para los generadores, ANSI establece que si

la localización del cortocircuito está a más de dos transformadores o si la reactancia de transferencia entre el generador y el cortocircuito es mayor que 1.5 veces la reactancia subtransitoria del generador, la generación se considera remota. De otra manera, la generación se considera local. Por su parte, el estándar IEC 909 examina la magnitud de las corrientes de cortocircuito rms simétricas inicial en las maquinas síncronas que fluyen para cada fuente contribuyente por separado hacia la localización del cortocircuito. Para calcular las corrientes de ruptura y los motores son considerados que están cerca si la suma de todas las corrientes de cortocircuito rms simétricas inicial de los motores excede el 5% de la corriente de cortocircuito simétrica total sin motores. De otra forma, todos los motores son considerados que están lejos. Los motores asíncronos cuyos terminales estén cortocircuitados son tratados como un caso especial. Las maquinas síncronas son consideradas cercanas si su corriente de cortocircuito rms simétrica inicial es más grande que 2 veces su corriente nominal De otra forma, las maquinas síncronas se consideran lejanas. Cada motor o generador es tratado individualmente por la aplicación de factores de caída. Para máquinas síncronas, estos factores son una función de los tiempos de despeje mínimo de los breakers y el porcentaje de la corriente de

cortocircuito de la maquina que contribuye al valor nominal de la corriente de la maquina. Para referirse a los factores de caída más rápidos de maquinas asíncronas, es usado un factor de caída adicional que está en función de la potencia por par de polos nominal activa de la máquina.

Una de las principales aplicaciones, usando tanto normas IEC como ANSI, del estudio de fallas de cortocircuito, es la selección de interruptores de circuito (ICs) en los sistemas eléctricos industriales y los sistemas de potencia. Estos ICs protegen al sistema y a los equipos de las corrientes que ocurren sobre el sistema durante fallas de cortocircuito. Por esto, uno de los puntos más importantes en el estudio de fallas es la determinación de las máximas corrientes de cortocircuito que el IC deberá conducir e interrumpir. El problema de aplicación es, por lo tanto, el calcular el valor pico de la corriente en el inicio del cortocircuito y la corriente total en el instante de separación de los contactos para las peores condiciones de cortocircuito a las cuales el IC deberá estar sujeto y seleccionar un IC que deberá soportar estos esfuerzos. Es necesario pues, desarrollar una serie de ecuaciones que permitan, tanto para IEC como para el ANSI/IEEE, el cálculo preciso de algunos valores de la corriente en

determinados instantes de la onda de cortocircuito. Para esto, las siguientes definiciones se usaran posteriormente:

Im= Im: Valor máximo de la componente de CA. ICA: Valor eficaz (rms) de la componente de CA.

Los estándares IEC hacen un efecto mayor en la distinción entre las corrientes de cortocircuito que fluyen a través de redes malladas y no malladas. Cuando las contribuciones son suplidas a través de una red no mallada solamente, las contribuciones son simplemente añadidas (escalar o vectorialmente) para determinar el total de corriente de cortocircuito.

ICDmax: Im Esto se debe a que el valor máximo posible de la componente de CD es igual al valor máximo de la componente de CA. Tomando el valor eficaz (rms) de la componente CA:

ICA=

√

Im=√ ICA Entonces:

ICDmax=√ ICA ANSI no hace referencia directa entre los cálculos para redes radiales y redes en anillo. Este estándar por otro lado establece el uso de redes R y X separadas para el cálculo de la relación X/R ya que tiende a corregir múltiples efectos por constantes de tiempo múltiples y niveles de caída asociados debido a corrientes de cortocircuito que pasan a través de múltiples caminos hacia la localización del cortocircuito

En referencia a los argumentos planteados anteriormente, es aparente que los procesos de cálculo de cada estándar requieren la implementación de las contribuciones de la fuente en diferentes categorías. Estas categorías incluyen motores de inducción o asíncronos, motores síncronos, generadores o generadores síncronos, y alimentadores de servicios públicos o de red. La data requerida para representar estos tipos de contribución varía ligeramente entre los estándares ANSI y IEC 909; por ejemplo: Para motores asíncronos, ANSI requiere información en rpm y hp para determinar los factores multiplicativos de la reactancia subtransitoria. Por su parte, IEC 909 requiere información en porcentajes reales de potencia por par de polos para determinar porcentajes de caída.

Para maquinas síncronas, IEC 909 requiere información adicional dada en niveles reales de factor de potencia de manera que se pueda calcular el factor de corrección para maquinas síncronas (factor kg) usado para tomar en cuenta las condiciones iniciales de carga de la maquina. IEC 909 también requiere información adicional en el tipo de excitación y Xdsat (el reciproco de la proporción de cortocircuito) para calcular la corriente de estado estable IKG. El estándar IEC 909 define un tipo contribución adicional que no está directamente encontrado en el estándar ANSI. El estándar de la IEC 909 contiene procedimientos separados para cálculos de cortocircuito, dependiendo en si la localización del cortocircuito es entre el generador y el transformador o si es en el lado de la carga del transformador.