ANTECEDENTES
Los cortocircuitos son ocurrencias normales en los sistemas eléctricos. Una gran cantidad de variables intervienen para que se forme un cortocircuito, entre ellas podemos citar a defectos en la instalación, mala selección de materiales, incorrecta protección de cables, mantenimiento defectuoso, sobrevoltajes, condiciones de humedad, procedimientos de trabajo inadecuados, y una larga lista de etcéteras.
Cuando ocurre un cortocircuito, la impedancia del circuito eléctrico disminuye a valores muy bajos, por lo que las corrientes relacionadas son sumamente altas. Estas corrientes tan altas provocan sobrecalentamiento excesivo en su camino, especialmente en los conductores eléctricos. Si éstas corrientes tan altas no se interrumpen de manera casi inmediata, provocarán daños irremediables y pueden iniciar incendios. Las pérdidas económicas por paros no-programados de producción y las pérdidas patrimoniales (valor económico, sentimental o histórico de los edificios) pueden ser enormes.
DEFINICIONES IMPORTANTES
- AMPACIDAD: La máxima cantidad de corriente (Amperes) que un conductor puede llevar de manera continua sin exceder su temperatura nominal.
- CORRIENTE DE INTERRUPCIÓN (Capacidad Interruptiva): Corriente máxima que un dispositivo de protección contra sobre-corriente (fusibles e interruptores) es capaz de interrumpir bajo condiciones de prueba normalizadas.
- CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO: Posible corriente que puede circular por los equipos eléctricos bajo condiciones de falla.
- DISPOSITIVO DE PROTECCIÓN CONTRA SOBRECORRIENTE (DPCSC): Equipo eléctrico diseñado para interrumpir sobrecorrientes (sobre-cargas o cortocircuitos dentro de su rango). Los más comúnmente utilizados son fusibles e interruptores.
- IMPEDANCIA: Oposición al paso de la corriente. Consta de Resistencia (debido al material, sección transversal y longitud del conductor), Reactancia Inductiva (debido a oposición a los cambios de corriente) y Reactancia Capacitiva (debido a oposición a cambios de voltaje). En los circuitos de corriente alterna (CA) de 60 Hz, los efectos capacitivos se pueden despreciar.
- NEC: National Electrical Code o estándar NFPA 70.
- NOM: Norma Oficial Mexicana NOM-001-SEDE-2012. Instalaciones eléctricas, utilización.
- SIMETRÍA: Una objeto geométrico (forma de onda senoidal) que puede ser dividido en dos o más partes idénticas. Lo opuesto es ASIMETRÍA.
EL CIRCUITO ELÉCTRICO ANTES DEL CORTOCIRCUITO
En la siguiente figura podemos ver un circuito eléctrico sumamente simplificado con fines de explicación. Este circuito consta de los siguientes elementos:
- Una fuente de 120 VCA con impedancia interna de 0.01 Ohm.
- Una carga con impedancia interna de 10 Ohm
- Un cable de ida entre la fuente y la carga con impedancia de 0.01 Ohm
- Un cable de regreso entre carga y fuente de 0.01 Ohm
De acuerdo con la Ley de Ohm, la corriente que circula por un circuito es directamente proporcional a la carga e inversamente proporcional a la impedancia.
En nuestro circuito, el voltaje es 120 Volts, y la impedancia es de 10.03 Ohm (Las 4 impedancias del circuito están en serie, por lo que la resistencia total es: 0.01+0.01+10+0.01=10.03 Ohm), por lo que la corriente que circula es de 11.96 Amperes. Se pude concluir claramente que la impedancia de la carga es la mayor impedancia del circuito, y es la que limita la cantidad de corriente que circula a través de el.
Esta carga podría ser alimentada con un cable calibre 10 AWG con una ampacidad de 25 a 30 Amperes (dependiendo de varios factores como tipo de aislamiento, temperatura ambiente, etc.).
EL CIRCUITO ELÉCTRICO DURANTE EL CORTOCIRCUITO
En la siguiente figura introducimos una barra de cobre entre las líneas de alimentación hacia la carga, simulando un cortocircuito de baja impedancia (buen contacto).
Bajo estas condiciones, y siguiendo la ley de Ohm, la impedancia del circuito es de solo 0.04 Ohm, ya que la corriente encuentra un camino más corto (eléctricamente hablando, de menor impedancia). Bajo estas condiciones, la corriente de cortocircuito circulando por los conductores es de 3,000 Amperes.
De acuerdo con las tablas de la ICEA (Insulated Cable Engineers Association), un cable calibre 10 AWG soporta 3,000 Amperes durante 2 ciclos (0.0333 segundos, o lo que es lo mismo 33 mili-segundos). Si la corriente de 3,000 amperes no es interrumpida en menos de 33 mili-segundos, el aislamiento del cable se daña, se quema y puede ser la causa que inicie un incendio.
NOTA ACLARATORIA: Los cálculos de cortocircuito son mucho más complejos que el mostrado anteriormente, el cual es simplificado para entender el cambio de impedancia en el circuito y explicar porqué las corrientes de cortocircuito son mucho más altas que las corrientes normales de flujo de cargas.
EL CORTOCIRCUITO TRIFÁSICO
Los sistemas de distribución de energía eléctrica en las industrias es normalmente trifásico, y es en este tipo de sistemas en donde comúnmente se realizan los estudios de cortocircuito. En este tipo de sistemas pueden existir diversos tipos de cortocircuito:
- Entre las tres líneas (trifásico)
- De línea a tierra
- De línea a línea
- De línea a linea a tierra
- De línea a neutro (si el sistema cuenta con neutro)
En la siguiente figura se muestra un circuito trifásico de 4 líneas (3 fases y tierra), en los cuales se representan los posibles cortocircuitos (Línea-Tierra, Línea-Línea, Línea-Línea-Tierra y Trifásico. Usualmente se calculan el cortocircuito trifásico (usualmente el más alto) y el cortocircuito de línea-tierra comúnmente llamado Falla a Tierra (para evaluar la capacidad de aguante del conductor de puesta a tierra de equipo (CPTE) y para seleccionar los ajustes de las protecciones de falla a tierra (si existen).
FUENTES DE CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO
Como lo pudimos ver en nuestro ejemplo simplificado, para que existan corrientes de cortocircuito debe de existir por lo menos una fuente de voltaje. En los sistemas eléctricos industriales, un mismo circuito puede tener mas de una fuente de energía, y todas se deben de considerar al momento de hacer los cálculos. Las fuentes de energía de cortocircuito son:
- El proveedor de energía eléctrica
- Generadores locales en paralelo con el proveedor de energía eléctrica
- Generadores de emergencia
- Motores síncronos (durante el cortocircuito, los motores se convierten en generadores)
- Motores de inducción
Cada una de estas fuentes tiene una manera muy particular de contribuir a las corrientes de cortocircuito. Por ejemplo, el proveedor de energía eléctrica en teoría podría estar alimentando un cortocircuito de manera continua, mientras un motor sólo contribuye un par de ciclos mientras la energía mecánica almacenada se consume.
La resultante de la suma de las fuentes de energía durante el cortocircuito nos da la corriente de cortocircuito total, en la cual podemos ver que en los primeros ciclos tiene un valor muy alto (todas las fuentes contribuyen al máximo), el cual va disminuyendo hasta quedarse solo la contribución de cortocircuito del proveedor. A este fenómeno se le llama Decremento de CA. Conocer esta característica es fundamental cuando se evalúa la capacidad interruptiva de dispositivos de protección de media tensión.
ASIMETRÍA DEL CORTOCIRCUITO
Cuando ocurre un cortocircuito, hay un cambio muy grande en la corriente debido al cambio de impedancia en el sistema [Resistencia (R) e Inductancia (L)]. Este cambio no puede ser instantáneo en un circuito inductivo, por lo que la corriente de cortocircuito se hace asimétrica. La asimetría depende del punto en el que se encuentra la onda de voltaje al momento del cortocircuito.
La forma en que la asimetría del momento inicial del cortocircuito disminuye hasta hacerse simétrica, se explica con una componente de corriente directa (CD) que disminuye en el tiempo. A este término se le denomina Decremento de CD. Esta característica es importante para la evaluación de capacidades interruptivas de dispositivos de protección en media tensión.
En la siguiente figura podemos ver un cortocircuito muy cercano a la realidad, donde en los primeros ciclos tenemos corriente muy grande con una alta asimetría. Conforme pasan los ciclos, la magnitud de la corriente de cortocircuito disminuye y se hace simétrica.
¿POR QUE ES IMPORTANTE CONOCER LAS CORRIENTES DE CORTOCIRCUITO EN NUESTRO SISTEMA ELÉCTRICO?
Los equipos eléctricos tienen características de cómo se comportan durante un cortocircuito. Es una cuestión de seguridad comprobar que los componentes eléctricos no se dañen en presencia de las posibles corrientes de cortocircuito.
- Los fusibles e interruptores tienen capacidad interruptiva, y de acuerdo a la NOM y al NEC, ésta debe ser mayor a la corriente de cortocircuito en el punto en el que están conectados. Si esta condición no se cumple, es posible que el fusible o el interruptor exploten al momento de tratar de abrir y liberar una falla.
- Los conductores tienen capacidad de aguante. Si las corrientes de cortocircuito tienen una relación magnitud-tiempo mayor a la capacidad de aguante, el aislamiento del cable sufrirá daños permanentes.
- Los tableros de distribución, centros de control de motores, etc., también tienen capacidad de aguante. Si las corrientes de cortocircuito tienen una relación magnitud-tiempo mayor a la capacidad de aguante, los aislamientos, las barras de cobre, y otros componentes pueden sufrir daños irreparables.
- Los transformadores pueden tolerar ciertas corrientes de cortocircuito por cierto tiempo, pero si éstos parámetros se exceden, puede haber daño a los aislamientos o a las partes mecánicas del transformador.
Las corrientes de cortocircuito también son utilizadas para hacer estudios de ingeniería eléctrica como Coordinación de Protecciones y Arc Flash. Por todas las razones anteriores, podemos concluir que conocer las corrientes de cortocircuito es parte fundamental del buen diseño, mantenimiento y operación de un sistema eléctrico.
En otro artículo describiremos los pasos necesarios para elaborar un estudio de cortocircuito, así como las diferentes metodologías existentes.
CONCLUSIONES:
- Los cortocircuitos son ocurrencias normales en los sistemas eléctricos
- Los cortocircuitos pueden dañar componentes eléctricos, causando pérdidas de producción, incendios y destrucción de los inmuebles
- Las corrientes de cortocircuito son cientos o miles de veces más grandes que las corrientes normales de flujo.
- Existen diversos tipos de cortocircuitos.
- Un cortocircuito entre una línea energizada y tierra se conoce como falla a tierra.
- Es imprescindible conocer las posibles corrientes de cortocircuito para asegurar la protección de los componentes del sistema.
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