Cálculo de Cortocircuitos y Juegos de Barras

DEPARTAMENTO DE CAPACITACIÓN LEGRAND CHILE

Av. Vicuña Mackenna #1292 Ñuñoa Santiago de Chile

Cálculo de cortocircuitos y juegos de barras

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Introducción

¼ Toda red o sistema eléctrico está expuesto a defectos causados por diferentes motivos. ¼ Entre los más destructivos se encuentran los cortocircuitos. ¼ El adecuado estudio del cortocircuito y sus efectos puede hacer que la red dimensionada sea capaz de resistir sin sufrir daños durante un tiempo específico. CÁLCULO DE CORTOCIRCUITOS Y JUEGOS DE BARRAS

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Contenidos

Anormalidades en las instalaciones eléctricas El cortocircuito Cálculo de niveles de cortocircuito Cálculo y selección de juegos de barras Aplicaciones

CÁLCULO DE CORTOCIRCUITOS Y JUEGOS DE BARRAS

Generalidades

¾

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Toda red eléctrica puede presentar dos estados operativos: Estados operativos de las instalaciones eléctricas

I Anormalidades en las instalaciones eléctricas

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Estado normal

¾

Condición que establece que los parámetros eléctricos se encuentran dentro de los límites permisibles. I Anormalidades en las instalaciones eléctricas

La alimentación

La distribución

Los equipos

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La alimentación Ej.: MT-12 kV:11,28 a 12,72 kV BT-380 V:351,5 a 408,5 V BT-220 V:203,5 a 236,5 V

I Anormalidades en las instalaciones eléctricas

± 6,0%

± 7,5%

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La distribución E L1

Vp < 3%

TG

Vp < 5%

I Anormalidades en las instalaciones eléctricas

L2 Vp < 3%

TD

TD

circuitos CÁLCULO DE CORTOCIRCUITOS Y JUEGOS DE BARRAS

Los equipos

¾

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No existe un valor prefijado de tensión, pero se acepta en el caso de equipo electrónico sensible no menos de 200 V. I Anormalidades en las instalaciones eléctricas

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Estado anormal

¾

Condición que establece que los parámetros eléctricos se encuentran fuera de los límites permisibles durante un tiempo determinado. I

anormalidades

Anormalidades en las instalaciones eléctricas

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Perturbaciones

¾

Alteración de las características ideales (originales) de la energía eléctrica, provocada por su transporte, distribución y utilización.

¾

Pueden ser transitorias o permanentes y sus efectos pueden llegar a ser perceptibles sobre equipos e instalaciones.

¾

Las tradicionales:

Ref: GDP pág. 17

I Anormalidades en las instalaciones eléctricas

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Perturbaciones

¾

Otra perturbación hoy en día bastante común es la distorsión por contenido armónico dada la gran presencia de equipo electrónico de características no lineales en las redes.

I Anormalidades en las instalaciones eléctricas

Ref: GDP pág. 22

CÁLCULO DE CORTOCIRCUITOS Y JUEGOS DE BARRAS

Perturbaciones

¾

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En una carga lineal, la forma de onda de la corriente es igual a la de la tensión. I Anormalidades en las instalaciones eléctricas

CÁLCULO DE CORTOCIRCUITOS Y JUEGOS DE BARRAS

Perturbaciones

¾

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En una carga no-lineal, la forma de onda de la corriente no es igual a la de la tensión. I Anormalidades en las instalaciones eléctricas

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Perturbaciones

¾

Fourier permite separar una señal distorsionada en sus componentes armónicas I Anormalidades en las instalaciones eléctricas

Ref: GDP pág. 22

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Perturbaciones

¾

Cada armónica tiene un nombre, una frecuencia y una secuencia. Nombre

Frecuencia

Secuencia

1° Armónico

50 Hz

Positiva

3° Armónico

150 Hz

Cero

I

5° Armónico

250 Hz

Negativa

Anormalidades en las instalaciones eléctricas

7° Armónico

350 Hz

Positiva

9° Armónico

450 Hz

Cero

11° Armónico

550 Hz

Negativa

13° Armónico

650 Hz

Positiva

15° Armónico

750 Hz

Cero

17° Armónico

850 Hz

Negativa

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Fallas

¾

Condición que pone en peligro ya sea la instalación o a sus usuarios.

I Anormalidades en las instalaciones eléctricas

sobrecargas

cortocircuitos

aislamiento

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Generalidades

¾

Defecto de baja impedancia entre dos puntos de potencial diferente.

I

220 V

¾

Anormalidades en las instalaciones eléctricas

Características: Creación de un arco eléctrico Esfuerzos electrodinámicos Esfuerzos térmicos CÁLCULO DE CORTOCIRCUITOS Y JUEGOS DE BARRAS

Tipos de cortocircuitos

¾

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Existen los trifásicos, bifásicos y monofásicos.

I Anormalidades en las instalaciones eléctricas

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Señales de cortocircuito

¾

La forma de la señal de cortocircuito depende principalmente del momento de ocurrencia de la falla.

I Anormalidades en las instalaciones eléctricas

falla simétrica

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Señales de cortocircuito

¾

La forma de la señal de cortocircuito depende principalmente del momento de ocurrencia de la falla.

I Anormalidades en las instalaciones eléctricas

falla asimétrica

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Generalidades

¾

Para la determinación de los niveles de cortocircuito de una red se deben calcular las impedancias de fallas en cada punto.

fuente

L1

L2

L3

Z1

Z2

Z3

Icc1

Icc2

Icc3

↓

↓

↓

Z1

Z1 + Z2

Z1 + Z2 + Z3

I

Carga

Anormalidades en las instalaciones eléctricas

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Amplitud de la corriente de cortocircuito

ƒ

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El Corto circuito real (sin protección de un aparato limitador), el valor máximo de la corriente peak se desarrolla durante el primer semiperiodo del cortocircuito (1er peak asimétrico).

Iccpeak(Ipk)= n·Icceficaz presunta

Ref: GDP pág. 364

I Anormalidades en las instalaciones eléctricas

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Métodos de Cálculo

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ƒExisten dos métodos que permiten conocer las corrientes ante fallas de cortocircuitos. Procedimiento de cálculo según ANSI. El procedimiento para calcular las corrientes de cortocircuito en un sistema de distribución consta de los siguientes pasos: ƒDisponer del diagrama del sistema: el diagrama unilineal con todas las fuentes y todas las impedancias del circuito. ƒConvertir impedancias: valores en p.u del diagrama en estudio. ƒCombinar impedancias: reducción del diagrama de impedancias para calcular la impedancia equivalente. ƒCalcular la corriente de cortocircuito: el paso final es el cálculo de la corriente de cortocircuito, las impedancias de las máquinas rotatorias usadas en el circuito dependen del estudio en cuestión

I Anormalidades en las instalaciones eléctricas

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Métodos de Cálculo ƒExisten dos métodos que permiten conocer las corrientes ante fallas de cortocircuitos. Procedimiento de cálculo según IEC. Considera redes radiales (casos usuales en sistemas de distribución industrial) y en anillo. El valor de la corriente de cortocircuito es la suma de la componente simétrica AC y la componente transitoria DC. En particular, la norma IEC 909 define el cálculo de las siguientes corrientes: ƒ IK” : Corriente inicial simétrica RMS. ƒ ip : Valor peak. ƒ Ib :Corriente de cortocircuito simétrica de interrupción en un instante tm, para separación del contacto del interruptor. ƒ Ib sym : Corriente asimétrica de interrupción RMS. ƒ IK : Corriente en régimen permanente de cortocircuito RMS.

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I Anormalidades en las instalaciones eléctricas

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Métodos de Cálculo ƒExisten dos métodos que permiten conocer las corrientes ante fallas de cortocircuitos. Corrientes ANSI

Corrientes IEC

Momentáneas

Inicial IK”

Reconexión

Máximo ( Ip )

Interrupción

Apertura ( Ib )

Ajuste dispositivos

Estado estacionario ( IK )

I Anormalidades en las instalaciones eléctricas

La norma ANSI está orientada para la selección de interruptores, mientras que la norma IEC da una guía general de cálculo de las corrientes de cortocircuito. En general hay en IEC más detalles para el cálculo que en ANSI; cualquiera de estas normas o la vinculación entre ellas dan excelentes resultados a la hora de utilizarlas para el cálculo de corrientes de cortocircuito. CÁLCULO DE CORTOCIRCUITOS Y JUEGOS DE BARRAS

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Modelamiento Para Calcular los Corto Circuitos, se deben modelar los Elementos del Sistema: Componente

Símbolo

Modelo

R •Sistema (Distribuidora) •Maquinas Rotatorias

~

X

~ I

Transformador

Líneas

Cargas o Consumos

P + jQ

Rt

Xt

RL

XL

Anormalidades en las instalaciones eléctricas

P + jQ

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Modelamiento fuente

fuente/carga

fuente I

carga

Anormalidades en las instalaciones eléctricas

carga

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Método de composición

ƒPara determinar los niveles de cortocircuito existe este método, que genera una evaluación rápida de acuerdo a lo propuesto por la UTE 15-105; “el método de composición”.

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I Anormalidades en las instalaciones eléctricas

Ref: GDP pág. 246

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Método de las impedancias

( m ×U n ) =

2

ZQ

S KQ

RQ = 0.1× X Q X Q = 0.995 × Z Q

Sistema

Datos:

I Anormalidades en las instalaciones eléctricas

m : Factor de Carga, tomado igual a 1,05 Un : Tensión de la red interior en BT (V) SKQ: Potencia de cortocircuito del sistema (kVA) RQ : Resistencia del sistema (expresarla en mΩ) XQ : Reactancia del sistema (expresarla en mΩ) Ref: GDP pág. 240

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Método de las impedancias

( m ×U n ) =

2

Z Tr

STr

U cc × 100

X Tr = 0.95 × Z Tr RTr = 0.31× Z Tr

Transformador I

Datos: m

: Factor de Carga, tomado igual a 1,05

Anormalidades en las instalaciones eléctricas

Un : Tensión de la red interior (V) STr : Potencia nominal del transformador (kVA) ZTr : Impedancia del transformador (mΩ)) Ucc : Reactancia porcentual del transformador (%) RTr : Resistencia del transformador (expresarla en mΩ) XTr : Reactancia del transformador (expresarla en mΩ) Ref: GDP pág. 241

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Método de las impedancias

⎛ ⎞ L ⎟⎟ RC = ρ 0 ×10 × ⎜⎜ ⎝ nPh × S Ph ⎠ 3

⎛ L ⎞ ⎟⎟ X C = λ × ⎜⎜ ⎝ nPh ⎠

Líneas

Datos:

I Anormalidades en las instalaciones eléctricas

ρ0 : Resistividad del conductor ( Ω·mm2/mts ) nPh : Número de Conductores en Paralelo por fase SPh : Sección del Conductor en (mm2) λ

: Reactancia Lineal del Conductor en (mΩ/mts)

RL : Resistencia de la línea (expresarla en mΩ) XL : Reactancia de la línea (expresarla en mΩ) Ref: GDP pág. 245

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Método de las impedancias

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Corriente de cortocircuito (Trifásica) Cmáx × m × ETh Icc = 3 × Zcc

I Anormalidades en las instalaciones eléctricas

Datos: Cmax : Factor de Tensión Corto Ctos máximos 1,05 m

: Factor de Carga, tomado igual a 1,05

ETh

: Tensión de Thevenin vista desde la fuente (V)

Zcc

: Impedancia de cortocircuito en el punto de falla vista desde la fuente (mΩ)

Icc

: Corriente de cortocircuito (kA) Ref: GDP pág. 244

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Generalidades ƒLa protección y el control de los circuitos de utilización son las funciones básicas de un tablero; no obstante, antes de ellas existe una función quizás más discreta pero no menos indispensable: la repartición.

I Anormalidades en las instalaciones eléctricas

Ref: GDP pág. 356

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El dimensionamiento de los juegos de barras

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ƒEl juego de barras es la auténtica “columna vertebral” de todo conjunto de distribución. barras de distribución

barras flexibles

I Anormalidades en las instalaciones eléctricas

barras de transferencia

barras de derivación Ref: Cat. pág. 136

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El dimensionamiento de los juegos de barras

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ƒLa sección necesaria de las barras se determina en función de la corriente de utilización y el IP del tablero de acuerdo a la IEC 60947-1.

I Anormalidades en las instalaciones eléctricas

Ie : Corriente asignada de empleo, a utilizar en carcasas con ventilación natural o en tableros con IP < 30 (T° ambiente interno < 25 °C). Ithe: Corriente térmica bajo carcasa correspondiente a las condiciones de instalación más severas. Las envolventes estancas no permiten una renovación natural del aire, el IP> 30 (T° ambiente interno < 50 °C). Ref: GDP pág. 358

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El dimensionamiento de los juegos de barras

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Sinergía del Sistema XL3 ƒFacilitar y libertad en la elección del sistema de repartición estándar u optimizada:

I

ESTANDAR

Anormalidades en las instalaciones eléctricas

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El dimensionamiento de los juegos de barras

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Sinergía del Sistema XL3 ƒFacilitar y libertad en la elección del sistema de repartición estándar u optimizada:

I

OPTIMIZADA

Anormalidades en las instalaciones eléctricas

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El dimensionamiento de los juegos de barras

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ƒDe acuerdo a la Nch 4/2003: 6.2.2.1.- Los conductores de alimentación que lleguen a un tablero deberán hacerlo a puentes de conexión o barras metálicas de distribución desde donde se harán las derivaciones para la conexión de los dispositivos de comando o protección constitutivos del tablero. No se aceptará el cableado de un tablero con conexiones hechas de dispositivo a dispositivo. 6.2.2.2.- Las barras de distribución se deberán montar rígidamente soportadas en las cajas, gabinetes o armarios; estos soportes deberán ser aislantes. 6.2.2.3.- La cantidad y dimensiones de los soportes de barras se fijarán de acuerdo al cálculo de esfuerzos dinámicos que se originen en la más alta corriente de cortocircuito estimada para el tablero y teniendo en consideración la presencia de armónicas de corriente o tensión que puedan originar resonancias mecánicas de las barras. Ref: www.sec.cl

I Anormalidades en las instalaciones eléctricas

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El dimensionamiento de los juegos de barras

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ƒDe acuerdo a la Nch 4/2003: 6.2.2.4.- Tanto las barras como los conductores del cableado interno de los tableros deberán cumplir el código de colores indicado en 8.0.4.15. 6.2.2.5.- La capacidad de transporte de corriente de las barras de distribución de un tablero se fijará de acuerdo a la tabla Nº 6.4. 8.2.2.12.- Todo el sistema de barras de distribución desnudas deberá quedar protegido por una cubierta removible y mecánicamente resistente. En caso que esta cubierta sea de un material conductor, deberá conectarse a tierra cada una de las secciones que la formen. Se recomienda que esta cubierta esté formada por una rejilla o que tenga perforaciones que faciliten la ventilación de las barras sin afectar la seguridad del conjunto

Ref: www.sec.cl

I Anormalidades en las instalaciones eléctricas

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El dimensionamiento de los juegos de barras

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ƒCurva de limitación de corriente: ƒEntregan el valor máximo de las corrientes limitadas por los interruptores. Permiten determinar: ƒSi la corriente limitada es aceptada por el aparato aguas abajo. ƒLos efectos electrodinámicos (por ejemplo en las barras).

Ref: GDP pág. 365

I Anormalidades en las instalaciones eléctricas

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El dimensionamiento de los juegos de barras

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ƒCurva de limitación de esfuerzo térmico:

na o Z

rm Té

a ic

Curva ET cable

na o Z

tic é n ag M

ƒEntregan la imagen de la energía (A2s) que soporta el interruptor en función de la corriente de cortocircuito presumible. ƒPermiten comprobar el comportamiento de los cables protegidos por el aparato ante los esfuerzo térmicos. Ref: GDP pág. 224.

I Anormalidades en las instalaciones eléctricas

a

Ref: GDP pág. 259

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El dimensionamiento de los juegos de barras ƒLos esfuerzos electrodinámicos que se ejercen entre conductores, y más concretamente en los juego de barras, se deben a la interacción de los campos magnéticos producidos por el paso de la corriente. ƒDichos esfuerzos son proporcionales al cuadrado de la intensidad peak de la corriente (Ipk), que se puede expresar en A o en kA.

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I Anormalidades en las instalaciones eléctricas

Representación esquemática en un punto del espacio (ley de Biot y Savart) Ref: GDP pág. 363

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El dimensionamiento de los juegos de barras

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ƒPara determinar la distancia de separación entre soportes en los juegos de barra, entregamos las tablas ya calculadas de separación de los soportes:

I Anormalidades en las instalaciones eléctricas

D (mm)

Ref: GDP pág. 366

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El dimensionamiento de los juegos de barras

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ƒLa Repartición: Los repartidores Legrand están diseñados para presentar una resistencia al esfuerzo térmico al menos tan elevada como la del conductor de la sección correspondiente a la corriente nominal, de modo que generalmente no se necesita ninguna otra comprobación.

I Anormalidades en las instalaciones eléctricas

La comprobación de la Ipk no es necesaria si el repartidor está protegido por un aparato de la misma intensidad nominal. Se debe realizar si el aparato situado antes es de un calibre superior a la intensidad del repartidor. Ref: GDP pág. 379

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