Cálculo de fallas de cortocircuito (Método del Bus infinito o punto a punto)

 Saludos.

Espero se encuentren muy bien estimados lectores, A continuación les comparto una entrada de mi blog Tecnología Eléctrica.

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1.- Introducción a los cortocircuitos: (Comprensión de las corrientes de falla y la seguridad eléctrica)

Una corriente de falla es un flujo de corriente alto, involuntario e incontrolado a través de un sistema eléctrico. Las corrientes de falla se originan por cortocircuitos de muy baja impedancia. Estos pueden ser cortocircuitos a tierra o entre fases. El alto flujo de corriente resultante puede provocar sobrecalentamiento de equipos y conductores, exceso de fuerzas y, en ocasiones, incluso arcos eléctricos, explosiones y explosiones graves. La seguridad eléctrica es fundamental para prevenir y mitigar estos peligros.

Figura N° 1: Generadores aportando energía a una barra.

Tomado de: https://www.allumiax.com/blog/short-circuit-current-calculations-infinite-bus-method

Las corrientes de falla pueden deberse a diversos factores, como la caída de rayos, animales, suciedad y escombros, herramientas caídas, corrosión, degradación del aislamiento y errores humanos. El impacto de una corriente de falla puede ser grave, pudiendo dañar las infraestructuras eléctricas y poner en peligro la seguridad de sistemas eléctricos críticos.

Los cálculos de la corriente de falla se basan en la Ley de Ohm, según la cual la corriente (I) es igual al voltaje (V) dividido por la resistencia (R). La fórmula es I = V/R. Cuando hay un cortocircuito, la resistencia se vuelve muy pequeña, lo que significa que la corriente se vuelve muy grande.

Si la resistencia fuera cero, la corriente de falla calculada tendería a infinito. Sin embargo, incluso el cable de cobre tiene cierta resistencia; no es un conductor perfecto. Para determinar la corriente de falla es necesario conocer la resistencia total desde la fuente de alimentación hasta el punto de falla.

Por lo tanto, en este tipo de falla a estudiar hoy día “El cortocircuito” es esencialmente una condición anormal dentro de un sistema eléctrico en la que una gran cantidad de corriente fluye a través del circuito. “Un cortocircuito suele ocurrir como resultado de una falla en un sistema eléctrico. La falla puede ser la rotura y caída de un conductor a tierra, o el contacto entre dos o más conductores eléctricos”

Estas fallas dan lugar a la “formación de una ruta de baja resistencia para la corriente”. Esto se conoce como cortocircuito.

Impacto de la corriente de cortocircuito

Un cortocircuito se acompaña de un flujo de corriente extremadamente alto, conocido como corriente de cortocircuito.  La alta magnitud de esta corriente hace que el entorno de trabajo sea extremadamente peligroso.

El calor excesivo generado por la alta corriente provoca que los conductores se quemen o se incendien. Estas corrientes no solo dañan equipos como generadores, motores y otros aparatos eléctricos, sino que también pueden quemar los devanados del motor.

Otro efecto peligroso de los cortocircuitos son los arcos eléctricos que destruyen el equipo y pueden resultar letales para las personas y los equipos circundantes.

Clasificación o Tipos de cortocircuitos.

En las redes eléctricas, los cortocircuitos pueden clasificarse principalmente en: “trifásicos, bifásicos, monofásicos a tierra y bifásicos a tierra” Estos cortocircuitos se caracterizan por la magnitud de la corriente que generan y el tipo de contacto entre las fases y la tierra.

Figura N° 2: Tipos de cortocircuitos.

Tomado de: https://www.tuveras.com/lineas/cortocircuito/cortocircuito.htm

Debido a esto, es necesario realizar cálculos de cortocircuito para estar preparados ante un evento desafortunado de cortocircuito y con esto se puede tener un conocimiento adecuado de la corriente de cortocircuito que ayuda a determinar la protección de un sistema antes de que ocurra un incidente. Por ello, los cálculos de cortocircuito son obligatorios, así como realizar el mantenimiento eléctrico preventivo recomendad según la NFPA (NFPA 70B, capítulo 9) o según la norma del país donde este la instalación.

Importancia del resultado obtenido del cálculo de cortocircuito para su aplicación.

Los estudios de corto circuito son importantes para el cumplimiento de la seguridad eléctrica y selección de las protecciones, además de evitar sobrecostos.

Al calcular la corriente de falla máxima de Icc, se puede:

1.                      Determinar los niveles de energía incidente en varios puntos del sistema eléctrico.

2.                    Establecer distancias adecuadas entre los límites de arco eléctrico.

3.                    Seleccionar el equipo de protección personal (EPP) requerido para los trabajadores.

4.                    Diseñar protecciones más precisas.

5.                    Seleccionar interruptores y dispositivos de protección adecuados.

 Diferentes métodos de cálculo de fallas:

A continuación, se nombran diversos métodos de cálculos para cortocircuito en redes eléctricas.

·         Calculo e cortocircuito con ayuda de las componentes simétricas

·         Método de los MVA

·         Método de impedancias

·         Método IEEE 1584

·         Método de redes de secuencia

·         Método del bus infinito o punto a punto.

2. Método del bus infinito ("infinite bus method") o Punto a punto 

Principios fundamentales:

En el mundo de la electricidad, el cálculo preciso de las corrientes de falla es crucial para garantizar la seguridad y la confiabilidad de los sistemas eléctricos. Un método común para determinar la corriente de falla de los transformadores es el Método de la Barra Infinita. En esta clase, desarrollaremos el Método de la Barra Infinita, cómo funciona y su importancia en los estudios de arco eléctrico y el cumplimiento de la seguridad eléctrica.

Este es un método simplificado para calcular la aproximación de la corriente de falla de cortocircuito máxima ya que calcula la corriente máxima o la peor posible que entrega el transformador propagándose al sistema eléctrico en caso de cortocircuito. Obteniendo el valor máximo de Icc porque la fuente y cualquier otra impedancia se ignoran o se consideran iguales a cero, excepto la impedancia del transformador.

La impedancia del transformador juega un papel vital en el cálculo de Icc ya que limita la Icc máximo permisible que se puede transferir al lado de baja tensión del Tx´s.

En otras palabras, el Método de Barra Infinita considera el peor escenario posible, donde el transformador puede suministrar una corriente de falla ilimitada. Sin embargo, no considera la impedancia real de la fuente, que puede afectar significativamente la magnitud de la corriente de falla en sistemas reales.

Procedimiento y ecuaciones básicas:

Los transformadores trifásicos contienen datos valiosos en su placa característica, como la potencia nominal en kVA, el voltaje primario y secundario y el porcentaje de impedancia. Con estos datos mínimos, se puede calcular la corriente de cortocircuito en el peor de los casos a través de un transformador. El cálculo proporcionará la corriente de cortocircuito simétrica RMS trifásica en el bus secundario del transformador. Este proceso solo tiene tres sencillos pasos:

1.         Obtener los datos de la placa de identificación del transformador:

·         Potencia nominal en kVA

·         Voltajes primarios y secundarios

·         Porcentaje de impedancia (Z%) 

2.        Calcular los amperios de carga completa (FLA) en el lado secundario:

·         FLA secundaria = kVA / (Voltaje de línea secundaria * √3) 

3.        Calcule la corriente máxima de cortocircuito en el lado secundario utilizando la fórmula del bus infinito:

Corriente CC = (FLA * 100) / Z%

Análisis de un caso práctico real con datos de una red eléctrica.

Acá un ejemplo del cálculo usando la siguiente placa característica:

1.          Al transformador donde se va a realizar el estudio se deben anotar sus datos característicos:

·         Potencia nominal en kVA: 1250 kVA.

·         Voltajes:  primario 25000V y secundarios 416Y/240V

·         Porcentaje de impedancia (Z%= 5.6%)

Imagen N° 1 (Placa característica)

Tomado de: https://daelim-electric.com/es/transformador-de-mina-de-carbon/

Paso 2 – Calcular la corriente nominal secundaria a plena carga del transformador:

·         FLA secundaria = 1250 kVA / 0,416 kVL-L x √3)

·         FLA secundaria = 1723.35 A

Paso 3 – Calcular la corriente de cortocircuito en el bus secundario del transformador.

·         Corriente CC secundario = 1723.35 Amperios x 100 / 5.6%

·         Corriente CC secundario = 30.774.11 A

Todas las variables enumeradas anteriormente son:

·         FLA secundaria = Amperios secundarios de carga completa

·         kVL-L = Voltaje secundario en kV de línea a línea

·         kVA3phase = Transformador trifásico kVA

·         Raíz cuadrada de tres = (1,73)

·         % Z = Porcentaje de impedancia del transformador

·         Corriente de CC secundaria = Amperios de cortocircuito en el bus secundario

Desventajas del método:

·         No proporciona información detallada sobre la evolución de la tensión durante el cortocircuito.

·         Puede no ser preciso en sistemas con una alta proporción de carga no lineal o en situaciones donde la caída de tensión es significativa.

·         La corriente de cortocircuito real en un sistema de potencia puede ser menor que la calculada por este método, ya que no considera la impedancia real de la fuente de alimentación.

·         En sistemas con fuentes de alimentación más débiles, la corriente de cortocircuito puede ser significativamente menor que la calculada por este método.

·         No tiene en cuenta las fluctuaciones de voltaje y corriente durante una falla, lo que puede afectar la respuesta de los equipos de protección.

·         El método de cálculo de bus infinito generalmente NO es adecuado para su uso en estudios de arco eléctrico, ya que una corriente de cortocircuito menor podría provocar que el dispositivo de protección contra sobrecorriente tarde más en funcionar, lo que resulta en una mayor exposición a la energía durante la falla y genera una sobreestimación de los niveles de energía incidente y requisitos de EPP potencialmente excesivos.

·         El método supone una fuente de voltaje ideal con impedancia cero, lo que puede no ser siempre el caso en escenarios del mundo real.

·         No tiene en cuenta los efectos de la impedancia del cable u otros componentes del sistema que puedan limitar la corriente de falla.

·         El efecto de la corriente aportada por algún motor que esté conectado.

Comparación de Métodos de Cálculo de Corriente de Cortocircuito en Redes Eléctricas.

Tabla N°1: Comparación de métodos de cálculos. 

Método	Aplicación	Precisión	Complejidad
Simétrica	Diseño de equipos de protección. Dimensionamiento de conductores. Análisis de sistemas desequilibrados. Estudios de falla. Planificación de sistemas eléctricos.	Muy alta	Alta
MVA	Diseño de Sistemas Eléctricos de grandes redes Análisis de Fallas Calibración de Protección	Media-Alta	Baja
Impedancias (P.U)	Análisis de sistemas eléctricos en baja tensión Diseño de interruptores y sistemas de protección Análisis de la estabilidad del sistema Pruebas de cortocircuito en transformadores	Media	Baja
Bus infinito o Punto a punto	Diseño de sistemas de protección (interruptores, fusibles, etc.) Análisis de sistemas eléctricos (Dist. y transmisión) Optimización de sistemas Cumplimiento normativo	Media	Media
IEEE 1584	Calcular la energía incidente de un arco eléctrico (computarizado)	Muy alta	Alta
Redes de secuencia	Análisis de fallas trifásicas desequilibradas Selección de dispositivos de protección Diseño de sistemas eléctricos Estudios de estabilidad transitoria	Alta	Alta
IEC 60909	Cálculo de la tensión equivalente Determinación de la impedancia equivalente Cálculo de corrientes de cortocircuito Análisis de fallas Selección de equipos	Muy alta	Alta

Meléndez, M (2025)

Impacto ambiental de fallas de cortocircuito.

Los cortocircuitos en las redes eléctricas pueden causar un impacto ambiental significativo debido a algunos de los equipos que la componen como es el caso del transformador que este puede liberar de sustancias contaminantes, como el aceite dieléctrico como el bifenilos policlorados (PCB), es una sustancia altamente tóxicas y dañinas para el ecosistema, representando un riesgo de contaminación de las aguas subterráneas, así como el suelo donde caigan ya que las fugas de hidrocarburos de un transformador pueden contaminar el agua de drenaje que será absorbida por la tierra.  

Imagen N° 2 Incendio de un transformador

       Tomado de: https://www.akhelec.es/son-los-transformadores-electricos-un-peligro-de-incendio/

En ese mismo orden de ideas, se puede tener la posibilidad de incendios que contaminan el aire además del suelo y el agua. Ya que el fuego, como se sabe libera humo y cenizas contaminantes a la atmósfera, contribuyendo a la contaminación del aire y afectando la salud humana.

Asimismo, el agua de lluvia que caiga sobre el transformador también se cargará con hidrocarburos y correrá el riesgo de contaminar gravemente el suelo.

Además, el sobrecalentamiento y las fallas pueden aumentar el consumo de energía y contribuir a las emisiones de gases de efecto invernadero.

Preguntas abiertas:

🎯 ¿Cuándo se debe utilizar el método de bus infinito para el cálculo de la corriente de falla del transformador?

🎯 ¿Se puede utilizar el método de bus infinito para todos los tipos de transformadores?

🎯 ¿Cómo se compara el método de bus infinito con otros métodos de cálculo de corriente de falla?

🎯 ¿Existe una forma sencilla de calcular corrientes de cortocircuito sin un programa informático?

🎯 ¿Cómo funciona el Método del Bus Infinito?

🎯 ¿Por qué es importante manejar el método de cálculo Bus infinito?

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Paginas consultadas:

https://www.allumiax.com/blog/short-circuit-current-calculations-infinite-bus-method

https://www.70econsultants.com/understanding-infinite-bus-method-transformer-fault-current-calculation/

https://brainfiller.com/es/technical-articles/short-circuit-calculations-infinite-bus-method/

https://electricaplicada.com/calculo-de-cortocircuito-metodo-basico/#ejemplo

https://es.scribd.com/presentation/732558107/Metodo-Bus-Infinito-y-MVA

https://www.youtube.com/watch?v=yAnLSMHIRlI

https://www.youtube.com/watch?v=N7CMKLrbctI#:~:text=This%20content%20isn't%20available,de%20%23alta%20~%23tensi%C3%B3n.

https://proincr.com/impacto-ambiental-transformadores/#:~:text=2.,a%20las%20emisiones%20de%20carbono.

https://www.akhelec.es/anticipese-y-gestione-los-riesgos-asociados-los-transformadores-electricos-utilizando-un-cubeto-de-retencion-de-transformadores/#:~:text=Las%20fugas%20de%20hidrocarburos%20de,de%20contaminar%20gravemente%20el%20suelo

Los circuitos eléctricos en las Ingenierías: Un Enlace entre la electricidad y otras ingenierías…

Caso Ingeniería Biomédica.

Introducción

En la actualidad sin un circuito eléctrico en buen funcionamiento, no seria posible tener electricidad y realizar diversas actividades dependientes de esa forma de energía, ya que estos son la base para la transmisión, distribución y utilización de la electricidad en la cotidianidad. Ellos permiten que la circulación de corriente eléctrica sea controlada, posibilitando el funcionamiento de lámparas, electrodomésticos, dispositivos electrónicos, sistemas de comunicación, equipos médicos, entre otros. Por ende, la comprensión de como esos circuitos operan es fundamental para cualquier profesional o entusiasta del sector.

Figura N°1 Anotaciones en pizarrón de circuitos eléctricos.

  Meléndez (2025) (Generada con CANVA IA)

Los circuitos eléctricos no son más que el camino cerrado que permite la circulación de corriente eléctrica y está compuesto por elementos activos (fuentes de energía, otros) y pasivos (resistores, bobinas, condensadores) y los elementos conectores como el conductor.  

Para poder resolver, analizar y diseñar circuitos eléctricos los circuitos eléctricos. Las leyes y los diferentes teoremas permiten simplificar circuitos complejos en circuitos equivalentes más simples. Facilitando mucho el análisis de circuitos.

·      Permiten predecir cómo responderá un circuito a diversas condiciones, como cambios de voltaje o corriente.

·      Gracias a los teoremas y leyes se pueden optimizar los sistemas eléctricos, por ejemplo, minimizando el consumo de energía o maximizando la eficiencia.

·       Son un elemento fundamental de la educación para diversas ingenierías y se utilizan en la investigación científica.

Cada una de las disciplinas requiere el uso de modelos matemáticos y principios eléctricos para optimizar proceso especifico que desea mejorar, así como el rendimiento de dispositivos o garantizar el correcto funcionamiento de sistemas interconectados. En esta entrada, se explorará cómo los teoremas y leyes eléctricas pueden ser aplicadas en distintas ramas de la ingeniería, con ejemplos específicos en cada campo.

Para el caso específico de la ingeniería Biomédica las aplicaciones de conocimientos eléctricos son importantes a la hora de desarrollar, reparar, mantener los dispositivos que sean de utilidad para los diagnósticos médicos, como: sistemas de imagen, toma de valores, técnicas de tratamiento u otros. Ya que esta disciplina combina los conocimientos de diversas ingenierías con la biología y la medicina, lo que permite innovar en el campo de la salud. Tal como se puede ver a continuación en un estudio del comportamiento eléctrico del cuerpo humano.  

Aplicación de los circuitos eléctricos.

Biomédica

Todas las actividades físicas conscientes e inconscientes son controladas por el sistema nervioso, él está formado por billones de células nerviosas teniendo como principal de ellas la neurona, que captan la información próxima del interior y el exterior del cuerpo humano.

Las células nerviosas juntamente con las musculares, tienen dos propiedades fisiológicas características que son la excitabilidad y la conductibilidad, o sea, la capacidad de reaccionar a un estímulo dado y transmitir ese estímulo en forma de impulsos electroquímicos a lo largo de sus membranas.  Las membranas de las células nerviosas sostienen propiedades eléctricas que son dadas a través del acuerdo molecular de sus componentes. Esas propiedades establecen la secuencia de las alteraciones de voltaje producidas por el flujo de corriente a través de las membranas y sensibilizan la capacidad de células, eléctricamente excitables, en la conducción de las informaciones. Por este hecho, la membrana de las neuronas es capaz de ser comparada a un circuito eléctrico que cubre varias unidades repetidas [1].

Figura N°2 Toma de señales del cuerpo humano

Tomado de: https://medios.unne.edu.ar/2022/07/12/primeros-pasos-en-el-manejo-de-dispositivos-electronicos-a-partir-de-senales-musculares/

Prácticamente toda la actividad fisiológica del cuerpo humano necesita ser ejecutada por informaciones (orden y comandos) que son transmitidas por las neuronas. Esto genera una enorme complexidad resultante de la interacción de billones de neuronas actuando de modo no-linear, utilizando un proceso altamente elaborado llamado de sinapsis, que son intercambios de elementos químicos entre las neuronas. Tal complejidad se mantiene prácticamente inalterada cuando se estudia una neurona aislada, entonces existen millares de canales en la membrana neuronal, llamadas canales iónicos, por donde viajan los iones ejecutando leyes no-lineares, inviabilizando un simple análisis.

Ante estos motivos, se torna un trabajo arduo concebir modelos matemáticos significativamente satisfactorios cuando se refiere a la actividad eléctrica de todo el sistema nervioso o de apenas una única neurona.  A pesar de, la idealización y el perfeccionamiento de los modelos matemáticos, inicialmente simplificados, se torna de fundamental importancia y necesidad, con respecto a la comprensión de los principales mecanismos de generación y transmisión de señales eléctricas y sus implicaciones fisiológicas [2].

El modelo desarrollado por Hodkin-Huxley básicamente establece que el flujo de corriente total a través de la membrana es el resultado de las contribuciones individuales de tres diferentes corrientes iónicas:

·         Corriente de potasio.

·         Corriente de sodio

·         Corriente iónica de filtración.

Que es dada por el flujo de otros iones como los iones cloruro y bicarbonato. Esa corriente de membrana depende de la capacitancia de la membrana plasmática y de la resistencia de los canales iónicos. Un circuito básico para la membrana puede ser visto en la siguiente figura.

Figura N°3 Modelo eléctrico de la membrana neuronal.

[3]

Ese circuito es apropiado para sistemas simples de membrana como el del axón gigante del calamar u otras membranas axónicas, donde apenas uno o dos canales iónicos de voltaje dependientes son vistos.  En el modelo tiene un capacitor C, para representar la capacitancia de la membrana, una conductancia de sodio gNa, conductancia de potasio gK, y una conductancia de filtración gCl. El potencial de membrana V es el potencial en el interior de la célula menos el potencial del exterior de la célula, y puede existir una corriente (I_ext) inyectada en el interior de la célula por un electrodo o próxima de otras partes de la célula. De acuerdo con las convenciones usuales, las corrientes son positivas en el sentido externo.  Esta investigación consultada se justifica como necesaria, para la necesidad del desarrollo y aplicaciones de métodos que simulen el comportamiento caótico en la neurona biológica, a través del modelo neuronal de Hindmarsh e Rose [3].

A partir de esto la aplicación de las investigaciones en la ingeniería biomédica, como disciplina interdisciplinaria, combina los principios de la ingeniería y la medicina para desarrollar tecnologías que mejoren el diagnóstico, tratamiento y monitoreo de pacientes. Dentro de este campo, el estudio de circuitos eléctricos juega un papel fundamental, especialmente en el diseño de dispositivos médicos que trabajan con señales fisiológicas, como se pudo ver en esa investigación.

En este orden de ideas uno de los principales retos en la ingeniería biomédica es la correcta adquisición y procesamiento de señales fisiológicas. Estas señales suelen tener baja amplitud y alta sensibilidad al ruido, lo que exige circuitos de acondicionamiento eficientes. Aquí es donde los teoremas circuitales ayudan a optimizar el diseño de los circuitos.

Los teoremas circuitales, como el de Thévenin, Norton y Superposición, permiten simplificar y analizar redes eléctricas complejas, facilitando la optimización de sistemas biomédicos. Estos teoremas son fundamentales en el diseño y funcionamiento de dispositivos:

·         Monitores de electrocardiografía (ECG).

·         Sensores de presión arterial

·         Equipos de estimulación neuronal.

·         Desfibriladores.

·         Marcapasos.

·         Otros

Por ejemplo, el teorema de Thévenin permite simplificar una red de sensores médicos en una única fuente de voltaje equivalente con una impedancia en serie, facilitando su análisis y conexión con otros dispositivos. Esto es especialmente útil en circuitos que manejan biosensores, donde minimizar la interferencia y la pérdida de señal es esencial.

A medida que la tecnología médica avanza, la combinación de conocimientos en circuitos eléctricos y biomedicina seguirá impulsando innovaciones en la atención médica, ofreciendo soluciones más eficientes y seguras para el monitoreo y diagnóstico de los pacientes. Pero la aplicación de los teoremas circuitales no queda acá y como se puede indagar en próximas entradas con otras carreras.

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REFERENCIAS

[1] Butera, R, Rinzel J, Smith J.; Models of respiratory rhythm generation in the pre-Botzinger Complex. I. Bursting Pacemaker Neurons. Journal of Neurophysiology; v. 82, 1999. 

[2] Hodgkin, A. L., Huxley, A. F.; A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve. J Physiol. 1952

[3] Hindmarsh, J. L., Rose, R. M.; A model of neuronal bursting using three coupled first order differential equations. Proceedings of the Royal Society B, 1984.

[4] Svoboda y Dorf, Introduction to Electric Circuits. United States of America.  2014.

Paginas Consultadas:

https://www.researchgate.net/publication/372325559_Bioengenharia_O_estudo_da_dinamica_nao_linear_de_um_sistema_neuronal

https://www.fiec.espol.edu.ec/archive/es/fiecriteria-n-2-la-ingenieria-biomedica-su-importancia-en-el-mundo-atual#:~:text=Son%20importantes%20en%20las%20industrias,Hartford.