Estudio de cortocircuito y coordinación de protecciones, parte 1

El cortocircuito, la pesadilla de todo ingeniero o técnico en electricidad, causa de muchas perdidas humanas y materiales, un fenómeno violento y sumamente complejo, encerrado en un aura de misterio y mitos. En esta oportunidad vamos a iniciar una serie de post dedicados a este interesante e importante tema.

Primero vamos a definir para fines de este articulo el concepto de cortocircuito como una conexión anormal y no deseada entre dos o mas puntos de distinto potencial en un sistema eléctrico.

Esta conexión puede ser por medio un elemento de muy baja impedancia (si la impedancia es cero se llama cortocircuito franco) o a través de un elemento que presenta una impedancia considerable.

La energía del sistema es un factor primordial durante la ocurrencia del cortocircuito, ya que no es lo mismo (en peligrosidad y efectos especiales) un cortocircuito en una batería de 1,5 V que en las barras de 24kV en una subestación.

El tiempo es la otra variable a considerar, al igual en una descarga atmosférica, los cortocircuitos introducen un aumento desproporcional de corriente al sistema, pero difiere en cuanto a la duración, ésta va a depender de muchos factores como: la magnitud de la corriente, acción de los elementos de protección, características de la fuente, o simplemente cuanto tardan en achicharrarse todos los elementos que originaron el corto.

Iniciemos pues nuestro estudio viendo primero los distintos tipos de cortocircuitos.

Características de los cortocircuitos

Origen

• De origen mecánico:  rotura de conductores, conexión eléctrica accidental entre dos conductores producida por un objeto conductor extraño, como herramientas o animales.
• Por sobretensiones: internas de los equipos o producidas por eventos atmosféricos.
• Fallas de aislamiento: causado por la degradación del aislante por el calor, la humedad o ambientes corrosivos.

Localización

• Dentro de equipos o estructuras.
• En el exterior o lugares abiertos.

Tipos de cortocircuitos

• De corriente directa (serán tratados a parte en otros post, mientras me da tiempo de estudiar XD)
• De corriente alterna

Los cortocircuitos en corriente alterna  se clasifican en:

Trifásicos:  son los únicos cortocircuitos que se comportan como sistemas equilibrados, ya que todas las fases están afectadas por igual. Las tensiones en el punto de cortocircuito, tanto si el cortocircuito se cierra a través de tierra como si está aislado de ella, son nulas, presentando las intensidades igual módulo pero con argumentos desfasados 120º.
Es uno de los cortocircuitos más violentos y de obligado cálculo.

Línea a Línea: en la literatura lo llaman bifásico pero no me gusta usar ese termino, generalmente las corrientes iniciales simétricas de cortocircuito son menores que las del fallo trifásico, aunque si el cortocircuito se produce en las inmediaciones de máquinas síncronas o asíncronas de cierta potencia, las corrientes de esta falta pueden llegar a presentar valores incluso mayores que las del cortocircuito trifásico.

Línea-Línea a Tierra: Dispone de las mismas características que el cortocircuito bifásico sin contacto a tierra, pero en este caso, con pérdida de energía hacia tierra.

Línea a Tierra: Este es el cortocircuito más frecuente y violento, produciéndose con mayor frecuencia en redes rígidamente puestas a tierra, o mediante impedancias de bajo valor. Su cálculo es importante, tanto por lo elevado de sus corrientes como por su conexión a tierra, lo que permite calcular las fugas a tierra, las tensiones de contacto o de paso.

Doble contacto a tierra: En redes con neutro aislado o puesta a tierra con impedancias de gran valor, puede aparecer el doble contacto a tierra. Este cortocircuito presenta valores de corriente inferiores al resto de los cortocircuitos. Si consideramos que es poco frecuente y la complejidad que representa su cálculo, se comprenderá que sea el más escasamente analizado, de hecho investigando para este articulo es donde me he enterado que se calcula :P

Efectos sobre el sistema eléctrico:

Como mencionamos en líneas anteriores, el cortocircuito puede llegar a a ser sumamente destructivo, una energía incontrolada provoca severo estrés tanto mecánico como térmico en el sistema, también se emiten pulsos electromagnéticos, radiación no ionizante, ruido, en fin… una transformación tras otra de energía.

Dependiendo de la localización y severidad del corto, éste pudiera ocasionar:

• Baja tensión
• Sobre tensión (sobretodo en fallas asimétricas, LT,LL,LLT)
• Inversiones del flujo de potencia (los motores aportar corriente en lugar de consumirla)
• Inestabilidad en generadores

En el sitio donde se produce el corto usualmente se concentra la mayor cantidad de daño, pero también pudiera afectar a los demás elementos de sistema eléctrico, estamos hablando entonces de una falla “pasante” pues no se ha producido en el equipo pero su magnitud si que pasa a través de este.

 

En el video de abajo vamos un ejemplo de barras “bailarinas” sometidas a 42kA, que bien pudiera producirse por una falla pasante por ejemplo, a causa de un cortocircuito en un alimentador.

Cortocircuito de 42kA, efecto sobre barras.

En el próximo post seguiremos profundizando sobre este interesante tema.