Como calcular la corriente de cortocircuito en tableros y protecciones eléctricas distribuidas ¡¡¡ PREMIUM !!!

La determinación del amperaje de cortocircuito que debe tener los tableros y protecciones eléctricas distribuidas en instalaciones residenciales, comerciales, industriales, hospitales, oficinas etc requiere el conocimiento de varias variables que explicaremos a través del articulo.

Todos los sistemas eléctricos son susceptibles a cortocircuitos. Las corrientes de cortocircuito pueden producir considerables tensiones térmicas y mecánicas en los equipos de distribución eléctrica. Por lo tanto, es importante proteger al personal y al equipo calculando las corrientes de cortocircuito durante el diseño de un sistema de potencia eléctrica.

Dado que estos cálculos están relacionados con la seguridad de la vida, son obligatorios por 110.9 del NEC.

En este articulo se proporcionara un método simple para obtener el nivel de cortocircuito en sistemas trifásicos y monofásicos mas comunes en las instalaciones eléctricas.

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Calculo de corriente de cortocircuito para tableros y protecciones eléctricas

Los tableros de distribución se encuentran comúnmente en edificios residenciales, comerciales, industriales, oficinas, hospitales etc alimentados desde transformadores trifásicos.

Para poder saber el cortocircuito máximo que tendría la protección de los tableros se debe saber como mínimo la potencia e impedancia del transformador que la alimenta y la potencia y distancia hasta el tablero principal donde se desea calcular el cortocircuito.

En este articulo se explicara como realizar un calculo estimado siendo conservadores, sin embargo para realizar un calculo exacto se recomienda utilizar herramientas de calculo como ETAP, Ecodial, Melshort etc.

Comencemos calculando la corriente nominal del transformador trifásico:

I_secundaria = (kVA x 1000) / √3 x (Voltaje L-L del lado secundario del transformador)

Luego calculemos los amperios de cortocircuito mediante la siguiente ecuación:

I_{falla (short circuit)} = I_secundaria  x (100%/ Z%)

La I_{falla (short circuit)}, será la corriente de falla en el lado secundario del transformador.

Luego calculemos la corriente de cortocircuito en el tablero de distribución deseado, según las siguientes formulas:

F = (1,73 * L * I _{falla (SC) trifásico} / (C * n * V _LL);  — F para la falla trifásica  — [ 1] 

F = (2 * L * I _{falla (SC) LL} / (C * n * V _LL); — F para falla de línea a línea  —[ 2] 

F = (2 * L * I f_{alla (SC) LN} / (C * n * V _LN); — F para falla de línea a neutro  — [3] 

Donde,

C = factor conductor;  el valor se puede obtener de la tabla (1) ubicando el tamaño del conductor en la configuración adecuada .
n = el número de cables en paralelo
L = longitud en pies.

Luego tenemos las siguientes formulas:

M = 1 / (1 + F) 

I _{falla (SC) trifásico en el tablero de distribución} = I_{falla en el tablero o transformador aguas arriba} x M

Ejemplo de calculo de cortocircuito máximo para cualquier tablero y protección deseado

Se tiene una instalación eléctrica con un transformador de 1MVA (1000kVA) y dos tableros de distribución (principal y subpanel) como se muestra en la figura 1, nuestro objetivo es encontrar la corriente de cortocircuito de los dos interruptores (1600A y 250A), y también encontrar la corriente de cortocircuito que deberán resistir de los dos paneles o tableros eléctricos (principal y subpanel).

Primero, calcularemos la corriente de cortocircuito en el secundario del transformador de 1MVA (Corriente de cortocircuito en el punto 1):

I _nominal = (P _kVAx1000)/ (√3 x V _LL); donde P es la potencia nominal del transformador en kVA y V _LL es el voltaje RMS de línea a línea en el lado secundario del transformador .

I _nominal = (1000kVA x 1000) / (√3 x V _LL) = 1.000.000 / √3 x 480 = 1.202 A; la I _nominal es la corriente de carga completa del transformador . 

Ahora, para encontrar el cortocircuito del punto 1 ( es decir, si conectamos los tres cables del lado secundario del transformador cuánta corriente veremos en ese punto):  

I _{falla (SC) trifásica} = I _nominal / Z %; donde I _{falla (Short Circuit)} es la corriente de cortocircuito y Z% es la impedancia del transformador; que generalmente se puede obtener de la empresa de servicios públicos local o en el catalogo del transformador.

I _{falla (SC) trifásica para el punto 1} = 1202 /(5%/100%) =1202 /0,05 = 24,040 A o 24 KA (esta es la corriente de cortocircuito disponible en el punto 1)

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Segundo, calcularemos la corriente de cortocircuito en el punto 2:

La corriente de cortocircuito en el punto 2 será menor que en el punto 1, debido a la impedancia de línea (la impedancia de línea de los cables se opone a la corriente) . 

El siguiente cálculo mostrará la corriente de cortocircuito en el punto 2: 

De la figura 1; longitud del cable desde el punto 1 al 2; L = 50 pies. 

F = (1,73 * L * I _{falla (SC) trifásico} / (C * n * V _LL);  — F para la falla trifásica  — [ 1] 

F = (2 * L * I _{falla (SC) LL} / (C * n * V _LL); — F para falla de línea a línea  —[ 2] 

F = (2 * L * I f_{alla (SC) LN} / (C * n * V _LN); — F para falla de línea a neutro  — [3] 

En nuestro caso, usaremos la ecuación # 1 para este ejemplo.

Donde,

C = 28033 de tabla 1; factor conductor;  el valor se puede obtener de la tabla (1) ubicando el tamaño del conductor en la configuración adecuada.
n = 5 de figura 1; el número de cables en paralelo.
L =50 ft=pies de figura 1; longitud en pies.
I _{falla (SC) trifásico} = 24,040 de falla 1
V _LL = 480V

Por lo tanto:

F = (1,73 x 50 x 24,040) / ( 28,033 x 5 x 480) = 0,030907

M = 1 / (1 + F) = 1 / (1 + 0,030907) = 0,970; donde M es el multiplicador 

I _{falla SC trifásico para el punto 2} = 24040 x M = 24040 x 0,970 = 23,3188 A o 23,3 kA (esta es la corriente de cortocircuito disponible en el punto 2) 

Vale la pena mencionar que cuanto más lejos estén los tableros del transformador, menor será la corriente de cortocircuito y tendrá una caída de voltaje mayor debido a la mayor impedancia de línea.

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El siguiente cálculo mostrará la corriente de cortocircuito en el punto 3 ( esto es similar al cálculo del punto 2):

F = (1,73 * L * I f_{alla (SC) trifásico en el punto 2}) / (C * n * V _LL) 

F = (1,73 * 100 * 23,3188) / (16,673 * 1 * 480) = 0,5040 

M = 1 / (1 + F) = 1 / 1,5040 = 0,6648 

I falla (SC) trifásico para el punto 3 = 23,3188 * 0.6648 = 15,502 A o 15,5 KA 

Espero que este ejemplo y el cálculo de cortocircuito le resulten útiles.

Limitaciones del método de calculo de cortocircuito anterior:

El método anterior, al ser un método simple de cálculo, pasa por alto algunos factores importantes y tiene sus limitaciones, que son:

• El efecto de la corriente aportada por los motores.
• La disminución de la corriente debida a la fuente antes del transformador y la impedancia de línea.
• Los cálculos de cortocircuito que utilizan métodos básicos no son adecuados para estudios de arco eléctrico.

Este método proporciona la peor corriente posible en caso de un cortocircuito, por lo tanto, un relé o sistema de protección configurado utilizando la corriente del método básico disparará el circuito en un tiempo mínimo.

Sin embargo, para un valor menor de corriente de falla, las características de tiempo inverso de ese relé retrasarán el funcionamiento de los sistemas de protección (tiempo de disparo retardado).