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Electrotecnia - Industria

Líneas y redes en cortocircuito. Corrientes de tierra en líneas de transmisión eléctrica

Características y clasificación de cortocircuitos en sistemas trifásicos.

  • Tema relacionado : Sobretensiones en líneas de transmisión de energía eléctrica

Se producen cortocircuitos cuando entre los conductores de una línea o en sistemas con neutro puesto a tierra, entre conductores y ésta se forma una unión galvánica. Las causas que producen los cortocircuitos pueden ser de naturaleza mecánica o eléctrica. Las más comunes de la primera categoría serían las falsas maniobras y desperfectos mecánicos como, por ejemplo, la ruptura de conductores o soportes. A la segunda pertenecen los arcos encendidos por sobretensiones atmosféricas entre conductores y las partes metálicas de los soportes que están conectados a tierra.


Una unión galvánica, también conocida como pareja galvánica o célula galvánica, es un fenómeno electroquímico que ocurre cuando se establece un contacto directo entre dos metales diferentes en presencia de un electrolito conductor, como una solución acuosa. Este contacto permite que se produzcan reacciones químicas y transferencias de electrones entre los metales, generando una corriente eléctrica.

En una unión galvánica, hay dos componentes principales:

  1. Ánodo: Es el metal que tiene una mayor tendencia a oxidarse. En la reacción electroquímica, el ánodo pierde electrones y se oxida.

  2. Cátodo: Es el metal que tiene una menor tendencia a oxidarse. En la reacción electroquímica, el cátodo gana electrones y se reduce.

Entre el ánodo y el cátodo se establece un flujo de electrones a través de un circuito externo, lo que genera una corriente eléctrica que puede ser utilizada para realizar trabajo.

Un ejemplo común de unión galvánica es una pila o batería galvánica, donde se combinan diferentes metales, como el zinc y el cobre, sumergidos en una solución electrolítica. La reacción electroquímica entre los metales y el electrolito genera una corriente eléctrica que puede ser aprovechada para alimentar dispositivos eléctricos.

Es importante destacar que las uniones galvánicas pueden generar corrosión en los metales involucrados, ya que la reacción electroquímica puede causar daño en la estructura metálica. Por lo tanto, en algunos casos es necesario tomar medidas de protección y utilizar recubrimientos u otros métodos para prevenir la corrosión.

 

Los cortocircuitos dan origen a corrientes de intensidad muy elevada, que generalmente no son peligrosas para las líneas mismas, pero que afectan no solamente el funcionamiento de la línea en que se producen, sino también el de otras conectadas a ella. Estas quedan sin tensión o  con tensión muy baja, según su posición relativa con respecto a la línea afectada directamente, de manera que un solo cortocircuito puede perjudicar el funcionamiento normal de una red que alimenta una zona entera si no se desconecta cuanto antes el tramo afectado por cortocircuito de modo que el resto de la red pueda seguir funcionando normalmente.

La desconexión de los tramos en cortocircuito se efectúa en sistemas de baja y media tensión mediante fusibles o interruptores; en los de alta tensión con interruptores solamente, éstos tienen que estar dimensionados según la intensidad de la corriente de c.c.

Muchas veces los cortocircuitos tienen su origen en causas pasajeras, como los producidos por arcos. Si se interrumpe el circuito en que se produjo el arco y luego de unas décimas de segundo se conecta otra vez, éste no se reenciende más porque en el ínterin la ionización del aire ha desaparecido y la línea puede seguir funcionando normalmente.

Un arco eléctrico es una descarga de electricidad que se produce entre dos conductores o entre un conductor y un punto de tierra. Se forma cuando se establece una diferencia de potencial lo suficientemente alta entre los conductores, lo que permite que la electricidad fluya a través de un medio ionizado, como el aire o un gas.

Durante la formación de un arco eléctrico, el aire o el gas cercano a los conductores se ioniza debido a la alta tensión. Esto significa que los átomos del medio se descomponen en iones cargados positiva y negativamente. Estos iones conductores permiten el flujo de corriente eléctrica a través del arco.

El arco eléctrico puede generar un intenso calor y luz brillante, ya que la energía eléctrica se convierte en energía térmica y luminosa. Además, puede producir ruidos, chispas y emisiones de gases o vapores, dependiendo de las sustancias presentes en el entorno.

Los arcos eléctricos pueden ocurrir en diversas situaciones, como en sistemas de distribución eléctrica, equipos de soldadura, cortocircuitos, fallos en aislamientos, entre otros. A menudo, los equipos de protección, como los fusibles o los interruptores de circuito, se utilizan para interrumpir rápidamente el flujo de corriente y prevenir la formación y persistencia del arco eléctrico, ya que puede ser peligroso debido al calor, la luz intensa y el riesgo de incendios y explosiones.

Por su intensidad y características, los arcos eléctricos deben ser tratados con precaución y tomarse en cuenta las medidas de seguridad adecuadas para evitar accidentes y proteger a las personas y los equipos involucrados.


El plasma es uno de los estados de la materia, junto con los estados sólido, líquido y gaseoso. Se trata de un estado altamente energético en el cual los átomos y las moléculas se encuentran ionizados, es decir, los electrones se han separado de los núcleos atómicos, dando lugar a una mezcla de partículas cargadas eléctricamente, como iones y electrones libres.

En condiciones normales, la mayoría de la materia en el universo observable se encuentra en estado de plasma. Ejemplos comunes de plasma son el Sol y las estrellas, donde las altas temperaturas y la presión intensa generan la ionización de los átomos y las moléculas.

El plasma exhibe propiedades y comportamientos distintivos. Algunas características del plasma son:

  1. Conductividad eléctrica: Debido a la presencia de electrones libres y iones cargados, el plasma puede conducir electricidad y responder a campos electromagnéticos.

  2. Interacciones electromagnéticas: Los campos eléctricos y magnéticos pueden influir en la forma y el comportamiento del plasma.

  3. Emisión de luz: Muchos plasmas emiten luz en diferentes colores, lo que se puede observar en fenómenos como las auroras boreales y las descargas eléctricas.

  4. Reacciones químicas: Los iones y los electrones libres en el plasma pueden interactuar y participar en reacciones químicas, lo que es de interés en aplicaciones como la fusión nuclear controlada.

El estudio y la comprensión del plasma tienen una amplia gama de aplicaciones en campos como la física de partículas, la fusión nuclear, la tecnología de plasmas y la medicina, entre otros. Los plasmas también se utilizan en dispositivos como las pantallas de plasma, los láseres de gas y los aceleradores de partículas.

En resumen, el plasma es un estado de la materia en el cual los átomos y las moléculas se encuentran ionizados, generando una mezcla de partículas cargadas eléctricamente. Es un estado altamente energético con propiedades únicas y se encuentra en diversas aplicaciones y fenómenos naturales en el universo.

Se produce plasma en un arco eléctrico. Cuando se establece un arco eléctrico entre dos conductores o entre un conductor y un punto de tierra, la corriente eléctrica atraviesa el aire o el gas circundante. Esto genera una alta temperatura y una intensa energía eléctrica, lo que provoca la ionización del aire o del gas y la formación de un plasma.

En el arco eléctrico, la corriente eléctrica pasa a través del medio ionizado, compuesto por iones positivos, electrones libres y otros iones cargados. El plasma resultante emite luz intensa y puede generar altas temperaturas en el entorno.

El plasma en un arco eléctrico es responsable de varios fenómenos, como la emisión de chispas, la formación de arcos luminosos y el calor generado. Estos arcos eléctricos se encuentran en aplicaciones como la soldadura, la iluminación de lámparas de descarga, los dispositivos de plasma y otros sistemas eléctricos donde se requiere la generación y control de plasma.

Es importante tener en cuenta que el arco eléctrico y el plasma asociado pueden representar un riesgo de seguridad debido a la alta temperatura y la intensa energía liberada. Por lo tanto, se deben tomar precauciones y seguir las medidas de seguridad adecuadas al trabajar con arcos eléctricos y plasmas.

En resumen, en un arco eléctrico se produce la formación de plasma debido a la ionización del aire o del gas circundante. El plasma es responsable de la emisión de luz, el calor y otros fenómenos asociados al arco eléctrico.

 

A las líneas trifásicas pertenecientes a sistemas con el punto neutro puesto a tierra pueden afectarlas distintas especies de cortocircuitos, a cada uno de los cuales corresponden distintos valores de las intensidades de corriente.

Podemos distinguir los siguientes casos:

  1. Cortocircuito trifásico;
  2. Cortocircuito bifásico;
  3. Cortocircuito monofásico denominado también puesta a tierra simple (de una fase);
  4. Doble puesta a tierra (puesta a tierra de dos fases).

En sistemas con punto neutro aislado, la puesta a tierra simple de una fase no produce corrientes de  intensidad comparables a las de un cortocircuito, sino una corriente a tierra de orden mucho menor.

Figura 1. Conexiones correspondientes a las distintas posibilidades de cortocircuito

De todas estas clases de cortocircuitos solamente el trifásico deja simétricas las tensiones y corrientes del sistema trifásico, mientras que todos los demás afectan su simetría.

En el caso del cortocircuito trifásico, el diagrama vectorial de las tensiones se reduce a un punto en el lugar del cortocircuito, quedando simétrico a lo largo de la línea, como se representa en la figura 2.

Figura 2. Tensión a lo largo de una línea trifásica en cortocircuito

El cortocircuito trifásico da lugar a intensidades mayores que las de los otros casos enumerados, por lo cual hay que dimensionar los interruptores según el valor de la corriente que resulta para el cortocircuito trifásico; pero el defecto más frecuente en líneas aéreas es la puesta a tierra de una fase como consecuencia de arcos producidos, por sobretensiones atmosféricas.

Cuando se produce un cortocircuito se cambia repentinamente la impedancia del circuito formado por el sistema de transmisión que durante el funcionamiento normal está compuesta de la impedancia de la línea Z y de la carga Zc (fig. 3), existiendo las relaciones:

Fig. 3. Cambio de impedancia de un sistema de transmisión afectado por cortocircuito

Desde que se produce el cortocircuito, la impedancia de carga Zc y una parte de la impedancia de la línea, según el lugar en qué se produce el cortocircuito (fig. 3), desaparecen y queda solamente una parte de la impedancia de la línea y la impedancia interna de los generadores y de los transformadores. En consecuencia, se producirá en el circuito un cambio de la intensidad de corriente. El cambio repentino de la impedancia, dará comienzo a un estado transitorio cuya duración está determinada por las caracteristicas del generador y del circuito. Terminado el periodo transitorio, el generador cortocircuitado por la impedancia de la línea producirá una tensión constante Ucc y existirá la relación :

Ahora, como la impedancia de lineas y transformadores está compuesta principalmente por reactancias inductivas, resulta que la corriente de cortocircuito :

será una corriente casi puramente inductiva.

Si se tiene en cuenta que, en la ecuación de la caída de tensión, la componente  ΔUR= I· R cos φ el caso de corrientes con grandes desfasajes es muy pequeña siendo cos φ ≈ 0, pueden simplificarse mucho los cálculos de las intensidades de producidas por cortocircuitos, despreciando la resistencia y tomando en consideración solamente la parte reactiva de las impedancias del sistema en cortocircuito; así que, generalmente, en los cálculos de la corriente de cortocircuito se hacen las siguientes suposiciones:

En cálculos muy exactos, se toma eventualmente en consideración la resistencia de la línea, pero nunca la de los aparatos, siendo para estos el valor de X/R mucho mayor que el de las líneas.

Para calcular la corriente de cortocircuito es necesario conocer la impedancia del circuito que recorre la corriente de cortocircuito y la tensión que se produce en los bornes del generador al efectuarse el cortocircuito.

La determinación de la impedancia del circuito formado por el cortocircuito puede efectuarse mediante otros métodos. La tensión del generador puede definirse teniendo en cuenta las siguientes consideraciones.

La impedancia de cortocircuito de generadores sincrónicos y de transformadores.

El comportamiento de generadores sincrónicos cortocicuitados repentinamente en los bornes mientras funcionan bajo carga, puede registrarse mediante oscilógramas. Estos tienen el aspecto representado en la figura siguiente :

Figura 4. Oscilograma de la corriente de cortoclrcuito de un alternador

Para calcular los valores de la corriente de cortocircuito se utiliza la curva de decremento indicada en el oscilograma de la fig. 4 y reproducida, en otra escala en la fig. 5. La curva del decremento de la corriente se divide, generalmente en tres sectores, temporarios definidos por las siguientes características:

1) El primer período que abarca la parte transitoria hasta la desaparición de la corriente unidireccional y que denominaremos subtransitorio. Su duración está determinada por la constante temporal del generador T = L/R, pues al producirse el cortocircuito, el generador reacciona como cualquier inductancia sujeta a un cambio rápido de corriente y produce una tensión y corriente unidireccional expresable siempre por una función exponencial cuya duración es de 0,05 hasta 0,2 seg.

2) El segundo período, denominado transitorio, está caracterizado por las interacciones de la corriente de cortocircuito y los flujos en el interior del generador. Por ser cos φ ≈ 0, la corriente de cortocircuito y su campo produce una supresión del campo magnético principal, mientras que el flujo de dispersión actúa para el mantenimiento de éste. La duración de este período, mucho mayor que la del anterior, es del orden de 3: 5 segundos.

3) El tercer período, llamado permanente, empieza cuando ya terminaron las interacciones de todas las corrientes transitorias y puede durar indefinidamente.

Figura 5. Decremento de la corriente de cortocircuito de un generador slncronico

A los tres períodos del cortocircuito están ligados tres distintos órdenes de magnitud de la intensidad de corriente. Los correspondientes a los períodos subtransitorio y transitorio varían en el transcurso del período, mientras que el correspondiente al tercero es constante.

La magnitud que pueden alcanzar las corrientes de los tres períodos depende, en principio, de la excitación que tenía el generador antes de producirse el cortocircuito; pero si el generador tiene un regulador de tensión, la corriente de excitación anterior al cortocircuito y la que hay que considerar durante el mismo; no serán iguales, como consecuencia de la actuación del regulador, y entonces, al hacer cálculos generales, hay que tomar en consideración las "excitaciones' máximas.

Con estos supuestos podemos indicar el orden de magnitud que alcanzan las corrientes de cortocircuito en relación con las corrientes nominales de los generadores In:

Corriente permanente Ip = 2. In : 4. In

Corriente transitoria Iba = 7. In : 8. In

Corriente subtransitoria Ibc = 15· In :18. In

Para facilitar los cálculos, se emplean valores promedios de las corrientes variabbles del período subtransitorio y transitorio (figura -6) que pueden expresarse como cocientes de una tensión constante y de distintas impedancias, escribiendo:

y el esquema equivalente de un generador sincrónico en cortocircuito, puede representarse mediante una fuente de tensión nominal del generador y una impedancia correspondiente al período de cortocircuito que se quiere tomar en consideración. A la corriente de cortocircuito permanente corresponde la reactancia sincrónica Xd que está definida por el cociente de la tensión en vacío y la corriente de cortocircuito producida por la misma corriepte de excitación. La reactancia sincrónica está compuesta por la reactancia de dispersión Xd' y otro factor que tiene en cuenta la reacción del estator, la cual puede interpretarse como una reactancia adicional, de manera que la sincrónica puede expresarse por la relación:

Al período transitorio de corriente alterna corresponde la reactancia transitoria Xd' , que es idéntica a la de dispersión y está definida por la relación

donde In es la corriente normal del generador y Ucc la tensión que produce la corriente In en el generador cortocircuitado en los bordes. El valor de Ucc está generalmente dado en valores relativos.

Al período subtransitorio corrresponde la reactancia subtransitoria Xd'' que es del orden de  ≈ 0,5·Xd' . Como este período vence muy rápidamente, es decir, antes de que los interruptores puedan actuar, no tiene mucha importancia para nuestras consideraciones.

 

Fig. 6 - Corrientes y reactancias promedios de un generador sincrónico en cortocircuito.

Las reactancias sincrónica y transitoria pueden expresarse mediante valores relativos siendo

Los valores relativos de las reactancias son casi constantes para los distintos tipos de máquinas.

Como es sabido, la reactancia de alternadores con polos salientes está exactamente definida por la reactancia directa y la en cuadratura, los cálculos de la intensidad de cortocircuito se efectúan tomando el promedio de los dos.

Fig. 7. -Reactancla equivalente a tres alternadores en paralelo

La reactancia resultante de algunos generadores en paralelo (fig. 7) puede expresarse mediante la de un generador ideal equivalente que tiene una potencia y una corriente de cortocircuito (transitoria o permanente) igual a la resultante de todos los generadores en paralelo, siendo:

Entre las corrientes y potencias de cada generador y las del equivalente, pueden plantearse las siguientes relaciones (fig. -7):

En consecuencia, existirá también entre la corriente de cortocircuito transitoria o permanente, según se quiera, y la corriente normal del generador equivalente y las de los generadores reales, la siguiente relación:

Sigue entonces que las reactancias transitorias o sincrónicas de los generadores en paralelo se pueden calcular como cualquiera impedancia en paralelo, siendo:

Si las reactancias de los generadores están expresadas en valores porcentuales o p.u., siendo:

de modo que las reactancias de n generadores que trabajan en paralelo sobre barras, es decir, que no tienen impedancia alguna entre los bornes, se pueden representar como una suma de reactancias en paralelo.

Ejemplo: La potencia y la reactancia del alternador equivalente, correspondiente a tres alternadores de 10.000 kVA, 5.000 kVA y 3.000 kVA, con reactancias de dispersión de 12 %, 15% y 18 % respectivamente, en paralelo, representadas en la fig. 7, son:

La reactancia de cortocircuito de transformadores está definida por la reducción del transformador a elemento de línea, siendo según la ecuación :

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