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